基于多尺度的矿物掺合料对再生混凝土性能的影响研究

莫益杨 文敬泽 邓珊珊

摘要：在整理阅读国内外矿物掺合料对再生混凝土的影响相关研究后，我们发现依然有一些值得深入研究的地方。比如对于大掺量矿物掺合料对再生砼耐久性影响，矿物掺合料对再生混凝土的改性，大多仅考虑了小掺量，对于大掺量（30%以上）矿物掺合料对再生混凝土耐久性的研究依然存在较多争议。要将其应用于实际工程，还需要开展大量的研究;再如通过研究可以发现，国内外学者的相关研究大多停留于单掺，未考虑双掺、多掺的情况，未考虑多种矿物掺合料复合效应对再生混凝土的影响。本次研究将通过试验研究与机理分析结合的方式，研究再生粗骨料、矿物掺合料对再生砼抗压强度、抗氯离子渗透性、抗冻性的影响，寻求粉煤灰、矿渣粉的最佳配比。

关键词：掺合料;再生砼;抗压强度;抗氯离子渗透性;抗冻性

一、文献述评

通过国内外关于再生砼力学性能、耐久性能的研究现状，目前国内外学者针对矿物掺合料对再生砼抗氯盐侵蚀及抗冻性的影响已经展开了研究，并取得了一系列研究成果，尤其是单掺矿物掺合料对再生砼力学性能的影响。但总体来说还不够深入，部分问题存在较大争议。本次研究将通过试验研究与机理分析结合的方式，研究再生粗骨料、矿物掺合料对再生混凝土抗压强度、抗氯离子渗透性、抗冻性的影响，寻求粉煤灰、矿渣粉的最佳配比。

二、项目研究的目的

（1）通过对有关建材的有关原理的探讨，综述了目前已有的有关矿物掺和料在再生砼中的影响机制方面的研究结果。

（2）探索提高再生砼机械性质、提高其多界面组织和提高界面交界处的性质，进而提高其机械和耐久性。为促进建筑工程中使用再生砼具有一定的借鉴意义。

（3）比较和分析了影响再生砼耐用性（主要是抗冻性能、抗渗透性能）的主要因素，探讨了在再生砼中加入掺合料、控制再生骨料掺合比例等方法，可有效地改善再生砼的耐用性，为进一步开展再生砼的耐用性和工程使用奠定基础。

三、矿物掺合料对再生混凝土影响的研究

（1）矿物掺合料对再生混凝土抗压强度的影响

粉煤灰、硅灰和矿渣是当今工程中使用最多的一种新型无机外加剂。粉煤灰是一种表面比较平滑的球形硅-铝质玻璃体，它的粒度特性对水泥砂浆的使用和用量有所帮助，而粉煤灰的火山灰作用可以使其在水泥中的孔结构得到改进（Hamdy K，2016）。

硅灰粉是钢铁生产中的一种工业废弃物，在混合料中添加一定数量的减水剂，以确保其工作状态。实验结果显示，适当加入硅灰粉可以显著地改善水泥砂浆的力学性能（李源等，2014）。

与粉煤灰、硅灰等不同，对粉煤灰的认识相对滞后。结果显示，在特定的掺量下，在水泥中加入适量的矿渣，能显著地改善后期的强度，而初期的强度不会显著下降。

刘康宁等，2018，通过16个组份256个含50%粗集料的混合混合材料进行了对比实验，结果显示：在单一掺入剂中，随着掺入量的增大，水泥砂浆在不同年龄阶段的抗压强度逐渐降低。

（2）矿物掺合料对再生混凝土抗氯离子侵蚀性能的影响

水泥砂浆的耐氯碱腐蚀特性主要是防止氯离子透过孔隙进入到水泥中。结果显示：用粉煤灰可明显提高再生砼的耐盐性。

王彩文（2009）通过试验观察了水泥中加入粉煤灰对水泥基的耐氯性的作用，结果表明：在水泥用量低于40%时，水泥砂浆的耐氯性下降;加入比例大于40%后，其耐盐碱腐蚀性能下降;

（3）矿物掺合料对再生混凝土抗冻性能的影响

另外，关于水泥砂浆和水泥混合添加剂对水泥砂浆的抗冻融作用的研究，也有很大的争论。Yamura （2008）进行了实验，结果表明：加入矿物掺和和引气后，对再生砼的抗冻性没有明显的提高， Salem （2003）等则提出了与之不同的观点，即加入适当的矿物掺和和引气剂可以提高其抗冻融能力。

为了进一步提高再生砼的抗冻性能，我国已开展了大量的实验。通过对水泥砂浆的大量实验和计算结果的分析，说明了采用引气剂可以提高再生砼的抗冻性能（谭银灰等，2015）。掺入引气后，其抗冻性能可与同等掺量的普通砼相比（张雷顺等，2015）。

（4）文献述评

近年来，随着对混凝土力学性能和耐久性能的不断深入，国内外有关专家们也在不断地进行着有关矿物掺和剂在混凝土中的抗腐蚀性能和抗冻性能的研究，并在此基础上进行了大量的工作。但是，从整体上看，并没有足够的深度，有些问题也有很大的争论。

本文通过对国内外有关对再生砼进行改性的研究，得出了目前尚有许多有待进一步探索的问题。例如，关于高掺量的矿物掺合剂对再生砼的耐用性的影响，目前已有的有关矿物掺加物的研究大都只涉及少量的矿物掺合剂，而高掺（30%）的摻加材料用于再生砼的耐用性问题仍是众说纷纭。在工程实践中要进行大量的实验和实践;又从目前的情况来看，目前有关的研究大都局限于单一掺杂水平，没有将二次掺杂问题纳入其中;在多次掺入时，没有充分地反映出不同的混合作用对再生砼的作用。本文采用实验和机制分析相结合的方法，对再生粗集料进行了深入的探讨;矿渣与粉煤灰混合料对压强度、抗氯离子渗透性能及抗冻性的研究。

四、本研究达到的科学技术水平和预期社会经济效益

本文采用实验和机械分析相结合的方法，对再生粗集料进行了有限元数值仿真;利用矿物添加剂对再生砼的抗压性能进行了研究。研究了粉煤灰与矿渣粉之间的最佳配合比例。这项试验的特定好处是：

（1）将矿物外加剂与再生集料组合起来，可以将二者的优点结合起来，达到相辅相成的效果，从而达到提高其工作性能、机械性能和耐久性的目的，从而提高其寿命的目的。

（2）它可以有效地减少混凝土的使用，降低原材料的能耗和费用，并在某种意义上缓解了粉煤灰、矿渣日益紧缺的问题。

（3）进一步探讨了再生砼的机械特性和耐用性，以期为实际工程的发展和实际应用奠定基础。

五、本研究达到的科学技术水平和预期社会经济效益

由于传统的水泥行业在原料的获得和利用方面都是高耗能、高污染行业，而伴随着“一带一路”、“精准扶贫”等国家的发展，大量的基建项目开始投产，混凝土是最主要的建材之一，其消耗量日益增加。找到一种比较节约能源和环境友好的方式，其重要性是显而易见的。

因此，既要从原料上科学化，又要使石粉的使用更加合理;粉煤灰、矿渣等矿物掺和料代替了一部分的混凝土，从而达到了节约水泥、节约能源、节约能源、提高生产效率的目的;另外，在水泥制品的应用中，采用混合矿物掺和料的再生水泥替代了一部分甚至所有的自然集料，既能从根源上解决废旧水泥的问题，又能有效地降低混凝土对自然砂的开发利用，又能从根源上消除自然集料短缺和大规模开采造成的生态损害，從而保障了人类的生活和可持续发展。综合以上两个因素，利用矿物掺和材料进行再生，既节省了能源，又降低了能耗，又有利于环保，在实际应用中有着十分重大的实际应用价值。

混凝土的耐用性是指在一定时期内，能够经受外界介质的影响，并在一定时间内仍能保持其优良的工作和外表的完整性，以维护其安全性;特别是在高强度的水泥和特定的工况下，耐用性越来越受到人们的重视。因而，扩展的抗压缩能力;通过对混凝土抗渗性和抗冻性的研究，可以降低混凝土收缩膨胀引起的裂缝，从而改善混凝土的耐用性。本文的工作将为水泥混合材料在水泥中的综合利用和技术支撑，为水泥工业的绿色改造工作打下了坚实的理论基础。

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作者简介：

莫益杨（2001-），男，汉族，四川广安人，江苏大学本科在读，土木工程学方向。

基金项目：

本文系江苏大学2020年度大学生科研立项项目，项目编号：20AA0285。