超细微粉对再生骨料混凝土性能的影响

王浩 杨鲁 谭盐宾 李林香 葛昕 郑永杰

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081）

我国基础设施建设的规模越来越大，对混凝土材料的需求量空前庞大，但天然骨料资源逐渐匮乏，这导致了供需矛盾。再生骨料是指旧建筑物拆除后的废弃混凝土，经过分拣、破碎、加工得到的一种环保材料［1］。再生骨料作为新建构筑物混凝土的骨料，不仅可以解决天然骨料资源短缺的问题，还能解决因大量建筑垃圾导致的堆放占地、环境保护等问题。据统计，目前我国建筑垃圾全年总排放量惊人，约为35 亿t［2］，合理地利用建筑垃圾成为当下研究的热点。采用再生骨料制备的混凝土力学性能会有不同程度的降低，抗冻性、抗碳化能力等耐久性能较差［3］。针对上述问题，研究人员对再生骨料进行改性，赵训等［4］以矿渣微粉浆液、水玻璃溶液和聚乙烯醇溶液为主要原料，按不同比例配制出再生骨料改性剂，探究了不同配合比的改性剂对再生骨料饱和吸水率和压碎指标的影响，并确定了改性剂最佳配合比。Akbarnezhad 等［5］采用高功率微波去除再生骨料表面的旧砂浆，利用黏附的砂浆和骨料电磁特性的差异，在砂浆与天然骨料的界面处产生高热应力使得砂浆层剥落，但骨料内部也会产生负面影响，温度场过高会对骨料强度造成损失。Ismail等［6］通过用不同浓度的酸溶液浸泡再生骨料，去除表面的旧砂浆，发现力学性能得到很好的改善。

经检测可知，再生粗骨料的吸水率及吸水速率远大于天然骨料，这导致了再生骨料混凝土的工作性能降低，不利于混凝土泵送和浇筑。微波法、酸溶液浸泡等优化骨料的方法工艺复杂，成本较高，无法大规模推广使用。此外，研究人员对再生骨料混凝土泵送性能研究甚少。

本文通过在再生骨料中掺加硅灰和玻璃微珠，系统地研究这2 种超细微粉对再生骨料混凝土泵送性能、力学性能和耐久性能的影响，并通过压汞法测试硬化混凝土的孔结构，以期对再生骨料的应用有一定的指导作用。

1 原材料及混凝土配合比

1.1 原材料

1）水泥：北京金隅集团有限责任公司生产的P·O 42.5级水泥。

2）石子：再生粗骨料，北京都市绿源环保科技有限公司生产的粒径为5～20 mm 的骨料，基本性能见表1。

3）砂：天然河砂，表观密度2 590 kg/m3，细度模数为2.5。

4）粉煤灰：唐山市浩冉商贸有限公司生产的Ⅰ级粉煤灰。

5）硅灰：甘肃三远硅材料有限公司生产。

6）玻璃微珠：深圳道特科技有限公司生产。

7）外加剂：河北三楷深发科技股份有限公司生产的聚羧酸减水剂。

1.2 混凝土配合比

本试验研究掺加硅灰和玻璃微珠对再生骨料混凝土性能的影响。混凝土设计强度等级为C40，具体配合比见表2。其中，新拌混凝土坍落度为160～180 mm，含气量为4%～5%。

表2 混凝土配合比 kg·/m-3

2 试验方案

2.1 新拌混凝土泵送性能测试

新拌混凝土进行泵送时，骨料向管道中心移动，形成一个“塞”，而管道内壁形成容易变形的润滑层，从而大大降低了所需的泵送压力，如图1 所示。通常有2 种方式影响泵送过程，即“塞”内的作用力传递以及管道壁面润滑层的剪切行为。

图1 混凝土泵送过程的“塞”流示意

混凝土泵送性能使用德国Schleibinger 公司生产的滑管式流变仪评价，并通过混凝土润滑界面层的流变参数和预测泵送压力曲线表征。滑管式流变测试仪的结构如图2 所示。其原理为：在滑管中装入混凝土拌和物插捣密实，上下移动滑管5～10 次使混凝土与管壁之间形成润滑层；然后提起滑管，在滑管上套加重环，让滑管自由落下，同时在下部活塞顶端测试压力（P）和滑管落下速率（换算为流量Q）。通过调整不同配重，使滑管以不同速率落下，即可得到2组以上P和Q的值。

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图2 滑管式流变测试仪

测试时忽略混凝土自重，同时假设P和Q有线性关系P=A+BQ，则有［7］

式中：a为润滑界面层的屈服应力；b为界面层的有效黏度；A，B分别为直线P=A+BQ的截距和斜率；d和l分别为滑管的直径和长度，d=0.126 m，l=0.5 m。

在Schleibinger 公司编写的Sliper Tester 应用程序中输入泵送管道直径、泵送高程、混凝土密度及泵送距离，通过经验模型即可对混凝土泵送压力进行预测。本试验测试得到泵送性能预测参数：混凝土密度为2 455 kg/m3，泵送管道直径为0.126 m，泵送高程为0，泵送距离分别为50，100，200 m。

2.2 硬化混凝土性能测试

混凝土抗压强度参照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》，电通量和抗冻性能参照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的测试方法。

2.3 硬化混凝土孔结构测试

本试验选用Micromeritics 公司的Auto Pore IV 9520 型压汞仪测试混凝土孔结构特征。选取养护龄期为3 d 和56 d 混凝土中的砂浆试块，并浸泡在无水乙醇中以终止水化，随后放入真空干燥箱在60 ℃下烘干（不少于4 d），冷却后置于密封袋中防止空气碳化，测试水泥砂浆试块的孔结构。

3 硅灰和玻璃微珠对再生骨料混凝土的影响

3.1 泵送性能

新拌混凝土RAT-100，RA-SF，RA-WZ的工作性能和泵送性能测试结果见表3，再生骨科混凝土泵送压力预测曲线见图3。

由表3可知，硅灰和玻璃微珠的掺加能显著降低新拌混凝土润滑界面层的有效黏度，其中混凝土RA-SF有效黏度为1 554.6 Pa·s/mm，较混凝土RAT-100 降低了31.2%；混凝土RA-WZ有效黏度为1 385.0 Pa·s/mm，较混凝土RAT-100降低了38.8%。可见，掺加硅灰和玻璃微珠均能提高再生骨料混凝土的泵送性能，且玻璃微珠的降黏效果优于硅灰。

表3 新拌混凝土工作性能和泵送性能测试结果

图3 再生骨料混凝土泵送压力预测曲线

由图3可知，当混凝土流量和泵送距离相同时，混凝土RA-SF，RA-WZ 的泵送压力明显比混凝土RAT-100 低，其中混凝土RA-WZ 的泵送压力最小。原因可能是：玻璃微珠的微结构呈光泽球形颗粒，可以起到“轴承”或“滚珠”作用，减小粒子间摩擦力，进而降低了混凝土拌和物的黏度［8-9］。此外，由于硅灰和玻璃微珠的平均粒径均小于水泥和粉煤灰颗粒，用硅灰或玻璃微珠替代部分粉煤灰时，使得浆体堆积密度增加，在相同用水量下，它们的引入能部分替换原空隙中的拌和水，使之转化为自由水，增加了包裹骨料浆体膜厚度，有效减少新拌混凝土浆体的塑性黏度［10］。虽然硅灰的微结构也含有大量光滑球体，但它的粒径很小，使得其比表面积远大于玻璃微珠，造成混凝土需水量有所增加，当混凝土拌和水用量不变时使得混凝土润滑界面层黏度较大。

3.2 抗压强度

不同配合比再生骨料混凝土抗压强度见图4。可知：硅灰和玻璃微珠的掺加均不同程度地提高混凝土抗压强度。龄期90 d 时，混凝土RA-SF 抗压强度为58.4 MPa，较混凝土RAT-100 提高了11.6%；混凝土RA-WZ抗压强度为55.6 MPa，较混凝土RAT-100提高了7.8%。掺加硅灰的再生粗骨料混凝土抗压强度大于掺加玻璃微珠的混凝土。掺加硅灰和玻璃微珠弥补了使用再生骨料降低混凝土抗压强度的不足。

图4 不同配合比再生骨料混凝土抗压强度

3.3 电通量和抗冻性能

不同配合比再生骨料混凝土电通量见图5。可知：硅灰和玻璃微珠的掺加显著降低了混凝土的电通量。28 d 龄期时，混凝土RA-SF 电通量为771.5 C，较混凝土RAT-100降低了54.3%；混凝土RA-WZ电通量为1 012.3 C，较混凝土RAT-100降低了40.1%。

图5 不同配合比再生骨料混凝土电通量

不同配合比再生骨料混凝土抗冻性能见图6。可知：混凝土RA-SF，RA-WZ经过300次冻融循环后的相对动弹性模量明显高于混凝土RAT-100。

图6 不同配合比再生骨料混凝土抗冻性能

掺加了硅灰和玻璃微珠的再生骨料混凝土耐久性均得到提高，且掺加硅灰的混凝土密实度（通过电通量表征）和抗冻性能均高于掺加玻璃微珠的混凝土。为了探究硅灰和玻璃微珠能够提高混凝土耐久性的原因，须进一步研究硅灰和玻璃微珠对硬化水泥浆体孔结构的影响。

3.4 再生骨料混凝土孔结构

采用压汞法分别测试龄期为3 d 和56 d 再生骨料混凝土的孔结构，测试结果见表4和图7。

表4 不同龄期再生骨料混凝土孔结构测试结果

图7 超细微粉对硬化混凝土孔径分布的影响

由表4可知：随着龄期增加，混凝土孔隙率和平均孔径呈现降低的趋势；硅灰和玻璃微珠的掺加均能降低硬化混凝土的孔隙率和平均孔径；混凝土RA-SF 孔隙率和平均孔径均小于混凝土RA-WZ。

由图7 可知：硅灰和玻璃微珠的掺加均可改善混凝土孔结构，使得小于100 nm 的微孔比例提高；硅灰细化混凝土孔结构的能力优于玻璃微珠，使得混凝土RA-SF 小于100 nm 的微孔比例更高，且孔隙率和平均孔径更小。

出现上述现象的原因是：

1）硅灰中无定型SiO2与水泥水化产物CH 结合，生成稳定的低碱C-S-H 凝胶，这种C-S-H 凝胶较无硅灰时更紧凑，硅灰的掺加使得硬化水泥浆体的大孔被小孔所取代，从而使得硬化混凝土的孔隙率下降，结构的密实度提高。

2）硅灰颗粒及其水化产物起着填充作用，改善了硬化水泥石界面过渡区的结构；硅灰颗粒及其水化产物还能填充于再生骨料内部的毛细孔及大孔中，将粗大的毛细通道全部阻塞或部分阻塞，从而形成更为致密的骨料-胶凝材料体系，使得硬化混凝土更为密实［11］。

4 结论

1）在再生骨料混凝土中掺加适量硅灰和玻璃微珠，均能提高混凝土泵送性能、力学性能和耐久性能，其中掺加玻璃微珠的混凝土拌和物泵送性能优于掺加硅灰的，而硅灰对硬化混凝土力学性能和耐久性能的提升效果优于玻璃微珠。

2）硅灰和玻璃微珠的掺加均能改善混凝土孔结构，降低混凝土孔隙率和平均孔径，使得硬化混凝土密实度增加。

3）掺加硅灰的混凝土孔结构优于掺加玻璃微珠的混凝土，使得掺加硅灰的混凝土密实度更高。