复掺煅烧硅藻土的玻化微珠再生混凝土力学性能

宋 兵，孙 恒，潘林泽**，王 超***

(1.吉林化工学院 经济管理学院，吉林 吉林 132022；2.吉林供电公司 经济技术研究所，吉林 吉林 132000)

近年来，随着建筑业的快速发展，在消耗大量天然砂石资源的同时，也产生了数亿吨的建筑垃圾.如何有效实现节能环保，充分利用建筑垃圾，也是近年来国内外学者研究的热点课题.玻化微珠再生混凝土是在再生混凝土中掺入一定的玻化微珠而形成的新型节能保温再生混凝土，可实现保温节能与变废为宝的初衷.宋雪娇，胡忠君[1]研究发现当再生粗骨料取代率为100%、玻化微珠掺量为6%时，再生混凝土的抗压强度为30.3 MPa，导热系数为0.835 W·(m·K)-1.梁浩等[2]研究发现试件尺寸效应对玻化微珠保温混凝土的抗压、抗拉、抗折强度和弹性模量均有影响.游帆，郑建岚[3]通过调整玻化微珠混凝土中的全再生粗、细骨料取代率对其导热系数进行了研究，发现再生粗、细骨料可明显降低玻化微珠再生混凝土导热系数.

硅藻土作为一种硅质岩石，主要以SiO2为主，我国远景储量达20多亿吨.周忠义，孙庆合等[4-5]进行了相关的试验研究，他们的试验方式是利用煅烧硅藻土的微集料效应以及火山灰效应在混凝土配置方面进行相关研究，不但取得了一定的研究成果，还为国内的硅藻土利用研究拓宽了视野.李佰寿，岳志鑫[6]进行了相关研究并得出如下结论：煅烧硅藻土掺量控制在3%以内，粉煤灰掺量为20%时，能够提高再生混凝土的抗压强度.

基于此，课题组提出将煅烧硅藻土取代部分水泥，复掺到玻化微珠混凝土中，该混凝土由全再生粗骨料组成，调整玻化微珠和煅烧硅藻土的掺量，并且与普通混凝土做对比.对于上述两相影响玻化微珠混凝土性能的情况进行相关研究，参数主要包括轴心的抗压强度、静力受压弹性模量、立方体抗压强度以及劈裂抗拉强度等基本的力学性能数据，为下一步的相关研究及应用提供一定的理论基础.

1 试 验

1.1 试验材料

(1)粉煤灰、水泥、煅烧硅藻土

试验所选用的水泥品牌为吉林亚泰鼎鹿牌，具体型号为P.O42.5；粉煤灰是吉林延吉发电厂所生产的，级别是一级；煅烧硅藻土是吉林临江天元催化剂有限公司所生产的，硅藻土的细度为325目，试验用硅藻土经过600～800℃煅烧和超细磨碎而形成的稳定、有序微孔结构，其性能指标如表1所示.

表1 煅烧硅藻土性能指标

(2)玻化微珠

试验所采用的玻化微珠生产厂家为凌海市龙岩建材厂.玻化微珠通过1 200 ℃的高温电炉进行相关加工，形成内部多孔、表面玻化封闭的球状体细径颗粒，对其堆积密度进行了测试，试验结果是128 kg·m-3，玻化微珠的整体吸水率能够达到48.3%，具体性能见表2.

表2 玻化微珠性能指标

(3)骨料

试验所采用的再生粗骨料原试件均通过了延吉市质量检测站的相关测试，强度都能够达到C40标准.经过人工破碎并进行筛分，所有的粗骨料粒径为5～20 mm；细骨料是天然黄砂(中砂)，具体的性能指标见表3.

表3 骨料的物理性能指标

(4)减水剂和水

试验所采用的减水剂由吉林延吉方胜建材有限公司所生产，为高性能减水剂母液，这种减水剂的含固量达到40%；试验所采用的水是日常普通自来水.

1.2 试验设计

控制粉煤灰掺量为20%，煅烧硅藻土掺量为0%～3%，再生粗骨料取代率为100%，玻化微珠掺量与混凝土的体积比分别为0%～120%，并配制一组普通混凝土做对比.考虑到在玻化微珠再生混凝土中，再生粗骨料与玻化微珠颗粒二者均具有明显的吸水性，为避免二者吸收拌和水而降低混凝土的和易性，提前测定了二者不同掺量下所需的吸附水.

经过适配调整，最终确定混凝土的单位用水量为165 kg·m-3，水胶比为0.35，砂率为40%，减水剂掺量为0.7%，配制的混凝土拌合物坍落度在200±10 mm左右.表4为RC-120-3至NC-0-0等7组混凝土的配合比设计情况.

表4 混凝土配合比设计 单位：kg·m-3

1.3 混凝土的生产、养护和性能检测

本次试验中，混凝土搅拌机选用HJW-100型搅拌机，混凝土搅拌过程如图1所示.

图1 玻化微珠混凝土的搅拌流程

将配制生产好的玻化微珠再生混凝土进行浇筑，测试立方体抗压强度(fcu)、劈裂抗拉强度(fs)的试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，测试轴心抗压强度(fc)、弹性模量(E)的试件尺寸为150 mm×150 mm×300 mm.试件在标准条件下养护7 d和28 d，性能测试按《普通混凝土力学性能试验方法标准GB/T 50081—2002》[7]进行.

2 结果与分析

2.1 试验结果

试验测得的7组混凝土的坍落度与表观密度如表5所示.立方体抗压强度(fcu)、轴心抗压强度(fc)、劈裂抗拉强度(fs)与弹性模量(E)如表6所示.

表5 混凝土的坍落度与表观密度

表6 混凝土基本力学性能试验结果

2.2 塑性状态分析

混凝土拌合物及坍落度测量试验如图2、3所示，配制出的玻化微珠再生混凝土呈现了较好的和易性.

图2 混凝土拌合物

图3 坍落度试验

由表5中可以看出，玻化微珠再生混凝土的表观密度随着其颗粒掺量的提升而降低，这主要是由于玻化微珠颗粒密度低，随着掺量的提升，混凝土单位体积内的占比增加，进而降低了混凝土的密度.当其掺量为120%时，混凝土表观密度的降低幅度相比掺量为100%时变小，其原因在于玻化微珠颗粒掺量过大，一部分颗粒缺少水泥砂浆的包裹保护，在搅拌生产时被挤碎.还可以发现，当玻化微珠颗粒掺加量达到100%，该混凝土发生较大改变，其表观密度降低为1 943.6 kg·m-3，与普通混凝土相比，降幅大约为22.9%，体现了轻骨料混凝土的一般特性.

2.3 抗压强度

根据表6中所显示的数据，不难发现，在试验过程中，玻化微珠再生混凝土的养护时间由原来的7 d逐渐延长至28 d，该混凝土抗压强度获得较为明显的增强.一是考虑再生骨料和玻化微珠颗粒的吸水特点，养护时间的增加对于二者所吸收的水分有一定的释放作用，让周围的水泥水化过程非常充分，提升了整体的密实程度以及抗压能力；二是由于试验采用的硅藻土是325目细度的，对于宏观裂缝有非常明显的填充作用，并且与其中的氢氧化钙溶液会发生一定的化学反应，最终生成钙硅比比较低的C-S-H凝胶，对裂缝有一定的修复作用.而且在试验过程中，还有一定量的粉煤灰复掺，二者发挥了火山灰效应和微集料效应[5]，对于抗压能力也有进一步的提升.通过RC-0-3与RC-0-0和NC-0-0对比，也可见煅烧硅藻土和粉煤灰对玻化微珠再生混凝土的改性效果.100%再生粗骨料取代率的RC-0-3，其28d抗压强度较NC-0-0降低了7.4%，仍达到了C40混凝土强度等级标准，而相比RC-0-0，其抗压强度提高了9%，效果比较明显；玻化微珠再生混凝土的fcu值与fc值均随着玻化微珠颗粒含量由0～120%的提升而降低，其原因在于随着混凝土中颗粒含量逐渐增加，其分布密度也随之升高，会有贯通通道在不同的玻化微珠颗粒之间形成，这会促使混凝土的抗压能力降低[8]；当玻化微珠颗粒的掺加量为100%时，再生混凝土的fcu值为32.55 MPa，仍能满足C30混凝土的强度等级要求.

7组混凝土的fc值随着fcu值的增加而增加.其中RC-60-3、RC-80-3、RC-100-3、RC-120-3的fc与fcu的比值在0.80～0.83之间，与NC-0-0(0.76)和RC-0-3(0.77)相比，该比值明显更高.这是因为玻化微珠颗粒的掺加，导致混凝土的密实度降低，在轴压荷载作用下，玻化微珠再生混凝土试件的环箍效应较普通混凝土和普通再生混凝土相比减弱，致使抗压能力提升不显著，且随着颗粒掺量的增加，fc与fcu的比值逐渐增大.

由表6的试验数据分析，得到玻化微珠混凝土的fc与fcu的线性关系，如图4所示.

fc=0.6916fcu+3.9734.

(1)

通过坐标原点的关系式为：

fc=0.81fcu.

(2)

试验的结果基本与文献[9]所阐述的结果一致.也就证明：玻化微珠再生混凝土采用文献[10]的规定来计算具有较高的安全性.

立方体抗压强度/MPa图4 玻化微珠再生混凝土fc与fcu关系

2.4 劈裂抗拉强度

图5和图6分别为几组再生混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度，由图可见，随着玻化微珠掺量的增加，再生混凝土的劈裂抗拉强度与抗压强度呈下降趋势.与RC-0-3相比，玻化微珠掺量为60%、80%、100%和120%时，抗压强度依次降低了11.9%、15.7%、19.9%、31%，而劈拉强度分别降低了14.5%、20.6%、28%、40.9%，降低幅度更加明显.主要原因在于玻化微珠体积掺量增大后，由于其自身的多孔特性，使得混凝土密实度降低，内部孔隙率增大，在单轴荷载作用下，容易形成应力集中，并且伴随玻化微珠体积掺量的增大，应力集中现象愈发明显，最终导致劈拉强度明显降低.

试件编号图5 再生混凝土立方体抗压强度

试件编号图6 再生混凝土劈裂抗拉强度

2.5 静力受压弹性模量

根据图7所显示的结果，不难发现，在混凝土中加大玻化微珠的掺入量，并且从0加到120%的过程中，再生混凝土的弹性模量一直在降低，与NC-0-0相比，RC-0-0降低了13.2%，RC-0-3仅降低8.9%，并不明显，这与二者抗压强度对比得出的结论相吻合，再次证实了煅烧硅藻土对再生混凝土的改性效果.而RC-60-3、RC-80-3、RC-100-3、RC-120-3分别降低了19.6%、23%、28.5%、32.8%.产生这种结果的原因是玻化微珠颗粒整体结构为多孔的圆形结构，在混凝土中加入越多的玻化微珠，整体的孔隙率越高，相比于同强度的普通混凝土，刚度变小、脆性降低、塑性较好.

试件编号图7 各组试件的静力受压弹性模量

3 结 论

通过在全再生粗骨料混凝土中加入20%的粉煤灰、0%～3%的煅烧硅藻土以及0%～120%的玻化微珠，对相关的试验数据进行测验，主要包括轴心抗压强度、立方体抗压强度、劈拉强度、弹性模量等基本的力学性能数据.并对相关数据与普通混凝土之间的差异进行了对比分析，最终得出如下的试验结论：

(1)复掺煅烧硅藻土能有效填充再生粗骨料自身存在的宏观裂缝，并与粉煤灰共同发生一定的作用效果，主要包括两个方面的作用，一方面是微集料作用，另一方面是火山灰作用，进而提升玻化微珠再生混凝土的整体抗压能力，RC-0-3与RC-0-0相比，28 d的立方体抗压强度提高了9%.

(2)随着玻化微珠掺量的增加，再生混凝土的表观密度、抗压强度、劈裂抗拉强度与弹性模量均呈下降趋势.当再生混凝土中玻化微珠掺加量为100%，煅烧硅藻土掺量为3%时，其立方体抗压强度为32.55 MPa，仍能满足C30混凝土的强度要求，而其表观密度仅为1 943.6 kg·m-3，较普通混凝土约降低22.9%.

(3)随着玻化微珠掺加量的增加，混凝土fc与fcu的比值增大.通过对试验数据的分析，得出玻化微珠再生混凝土fc与fcu的线性关系式：fc=0.81fcu.试验结果证明玻化微珠再生混凝土采用相关的设计规程计算的轴心抗压强度具有较高的安全性.