李 輝，陳裕佳，張 浩，張東省，謝 松，張志明

(1.西安建筑科技大學(xué)材料與礦資學(xué)院，西安 710055；2.陜西省交通建設(shè)集團(tuán)公司，西安 710075)

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用BSF復(fù)合礦物摻合料配制C35路面混凝土的收縮性能研究

李 輝1，陳裕佳1，張 浩1，張東省2，謝 松1，張志明1

(1.西安建筑科技大學(xué)材料與礦資學(xué)院，西安 710055；2.陜西省交通建設(shè)集團(tuán)公司，西安 710075)

研究了以磚粉、粉煤灰和礦渣粉為主要原料開(kāi)發(fā)的BSF復(fù)合粉體作為礦物摻合料對(duì)混凝土干燥收縮的影響，以及三種原料分別對(duì)混凝土干燥收縮的作用機(jī)理。試驗(yàn)結(jié)果表明粘土磚粉和粉煤灰能小幅的補(bǔ)償收縮，并且隨著其摻量的增加，混凝土收縮減少的幅度也增大；而礦渣粉的摻入會(huì)加劇混凝土收縮，BSF復(fù)合粉體對(duì)混凝土體積穩(wěn)定性的影響與三種原料的相互作用有關(guān)，混凝土中10 nm以下的微孔對(duì)干縮的影響最大。

粘土磚粉； 混凝土； 干燥收縮； 機(jī)理

1 引 言

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，我國(guó)建筑垃圾的產(chǎn)生量已占到城市垃圾總量的30%～40%[1]。而現(xiàn)在拆除的建筑物多為上世紀(jì)七八十年代建造的磚混結(jié)構(gòu)建筑。在拆除這些建筑物所產(chǎn)生的建筑垃圾中廢棄粘土磚約占建筑垃圾的30%～50%[2]。如何實(shí)現(xiàn)這些廢棄粘土磚的資源化利用是實(shí)現(xiàn)建筑垃圾分類(lèi)增值利用的一個(gè)重要方面[3]。

在陜西省交通廳的資助下，西安建筑科技大學(xué)粉體工程研究所與陜西省交通建設(shè)集團(tuán)公司合作開(kāi)展《建筑垃圾再生路用復(fù)合粉體材料的開(kāi)發(fā)研究》工作，將廢粘土磚超細(xì)粉磨得到廢磚粉，用這種廢磚粉與礦渣微粉及粉煤灰為主要原料外加少量改性劑，制配出BSF復(fù)合礦物摻合料(粘土磚粉的摻量≥20%)，并成功用于道路水泥穩(wěn)定基層的施工和小型混凝土預(yù)制件的制備。為了進(jìn)一步將這種復(fù)合礦物摻合料拓展用于路面工程，作者嘗試用這種材料替代30%的水泥，成功制備出C35路面混凝土。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)現(xiàn)有水泥混凝土路面由于開(kāi)裂引起的破壞占到路面總里程的 20%～30%，如果不重視改善混凝土抗裂性能，混凝土道路經(jīng)過(guò)30～50年后便會(huì)進(jìn)入維修期[4]。開(kāi)裂是混凝土破壞的主要形式之一，前人已有的研究表明超過(guò)80%的混凝土非荷載裂縫是由收縮引起的[5]，混凝土的早期收縮開(kāi)裂會(huì)加速道路混凝土的破壞，其主要表現(xiàn)在(1)干燥收縮引起的裂縫降低了混凝土的強(qiáng)度；(2)干燥收縮引起的裂縫會(huì)使鋼筋部分暴露于空氣中，使其加快腐蝕，進(jìn)而使裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展；(3)降低混凝土的抗?jié)B性與抗凍性。因此，采取有效措施抑制混凝土的早期收縮將有助于降低混凝土早期開(kāi)裂的幾率，提高道路混凝土的耐久性[6]。

為了探討將這種BSF復(fù)合礦物摻合料用于路面混凝土工程的可行性，本文重點(diǎn)研究用這種復(fù)合礦物摻合料部分替代膠凝材料所配制C35路面混凝土的早期收縮性能及BSF復(fù)合礦物摻合料的摻入對(duì)混凝土體積穩(wěn)定性的影響與作用機(jī)理。

2 試 驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)原料

2.1.1 水 泥

試驗(yàn)所用水泥為用陜西聲威銅川水泥廠生產(chǎn)的水泥熟料和西安當(dāng)?shù)氐奶烊皇嘁?5∶5的比例混合粉磨配制而成的普通硅酸鹽水泥。所用水泥熟料和石膏的化學(xué)組成如表 1 所示，所配制硅酸鹽水泥的基本性能如表2所示。

表1 水泥熟料和石膏的化學(xué)組成Tab.1 The chemical composition of cement clinker and gypsum /wt%

表2 水泥的基本性能Tab.2 The basic properties of the cement

2.1.2 礦物摻合料

試驗(yàn)用礦物摻合料有四種，(1)廢粘土磚粉，用從西安市某拆遷工地建筑垃圾中分離出的廢粘土磚磨細(xì)制成，平均粒徑3～5 μm，主要礦物組成為石英(SiO2)、剛玉(Al2O3)、赤鐵礦(Fe2O3)以及少量的游離CaO；(2)礦渣微粉由西安德龍粉體工程材料有限公司提供；(3)粉煤灰，為陜西某電廠生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰，試驗(yàn)中采用原灰直接使用；(4)BSF復(fù)合礦物摻合料，是用上述廢粘土磚粉、礦渣微粉和粉煤灰按一定比例混合并加少量改性劑配制而成的復(fù)合粉體(粘土磚粉的摻量≥20%)。各種礦物摻合料的化學(xué)成分見(jiàn)表3，基本物理性質(zhì)見(jiàn)表4。

表3 各礦物摻合料的化學(xué)成分Tab.3 The chemical composition of each mineral admixtures /wt%

表4 各礦物摻合料的物理性質(zhì)Tab.4 The physical properties of each mineral admixtures

2.1.3 集 料

試驗(yàn)用粗集料由富平石料場(chǎng)提供，其級(jí)配分布如表5。細(xì)集料(砂)由富平市砂石廠提供，其各指標(biāo)均滿足《公路水泥混凝土路面施工規(guī)范》JTG F30-2003中的要求，詳細(xì)見(jiàn)表6。

表5 粗集料顆粒級(jí)配分布Tab.5 The particle size distribution of coarse aggregate

表6 砂的技術(shù)指標(biāo)Tab.6 The technical index of the sand

2.1.4 外加劑

本試驗(yàn)所采用的減水劑為聚羧酸減水劑，由陜西交建機(jī)械化養(yǎng)護(hù)公司提供，密度為1.09±0.02 g/mL，pH值為6～8，減水率為25%。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

混凝土干燥收縮的測(cè)試參照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50082-2009) 規(guī)定的方法進(jìn)行[7]。但溫度控制在 20± 10 ℃，相對(duì)濕度為室內(nèi)自然濕度。試驗(yàn)的溫濕度環(huán)境類(lèi)似于工程的實(shí)際情況。

2.2.2 試驗(yàn)方案

基于工程實(shí)踐，確定C35混凝土的基準(zhǔn)配合比，如表7所示。在此基礎(chǔ)上，保持砂、石、減水劑和水灰比等配比不變，分別將廢磚粉、礦渣微粉、粉煤灰和BSF復(fù)合礦物摻合料按10%、20%、30%和40%的質(zhì)量比例替代水泥，制成100 mm×100 mm×515 mm的混凝土試塊，測(cè)量其不同時(shí)間的收縮率(1 d、3 d、7 d、28 d、45 d、60 d、90 d和120 d)，以研究BSF復(fù)合礦物摻合料的摻入對(duì)混凝土早期體積穩(wěn)定性的影響，并對(duì)比分析配制BSF復(fù)合礦物摻合料所用的廢磚粉、礦渣微粉和粉煤灰等材料對(duì)混凝土早期體積穩(wěn)定性的影響。

表7 混凝土基準(zhǔn)配合比Tab.7 The basic proportions of concrete mix /(kg/m3)

3 結(jié)果與討論

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

四組試驗(yàn)方案的最終試驗(yàn)結(jié)果如下圖1所示。

結(jié)果顯示，摻了廢磚粉(圖1(a))的混凝土在各齡期各摻量下都減小了收縮值。在同齡期混凝土收縮率的減少幅度隨廢磚粉摻量的增加而增大；在28 d齡期摻40%磚粉的混凝土收縮率比不慘礦物摻合料的基準(zhǔn)組混凝土(以下簡(jiǎn)稱基準(zhǔn)組)減少了27%。隨著齡期的繼續(xù)增長(zhǎng)，收縮變得緩慢。摻粉煤灰(圖1(b))對(duì)于混凝土收縮率的影響類(lèi)似于廢磚粉，只是從圖中可以看出，加入粉煤灰后混凝土試樣收縮率的減小幅度比加入廢磚粉的略小。

相反，礦渣微粉(圖1(c))的摻入會(huì)加劇混凝土的收縮率，在同齡期下，隨著礦渣微粉摻量的不斷增加，混凝土的收縮率也跟著不斷增大，并且隨著摻量的增加，其收縮率增大的幅度也不斷地增大，尤其是在摻量為40%時(shí)，在各個(gè)齡期下其收縮率基本上都是基準(zhǔn)組的兩倍。

當(dāng)BSF復(fù)合粉體(圖1(d))的摻入量為10%時(shí)，混凝土的收縮率比基準(zhǔn)組試樣要減小，并且7 d以后減小的幅度增大(如圖1(e))，表明此時(shí)因?yàn)閺U磚粉和粉煤灰的存在而減小混凝土收縮率的幅度，要大于因礦渣粉的摻入而引起的混凝土收縮率增大的幅度。但是，當(dāng)BSF復(fù)合粉體摻入量大于20%時(shí)，混凝土的收縮率在同齡期中又隨著摻量的增加而增大(如圖1(f))，說(shuō)明此時(shí)廢磚粉和粉煤灰減小混凝土收縮率的幅度，已經(jīng)不足以補(bǔ)償因礦渣微粉而引起的收縮率的增大了。

圖1 加入不同比例各礦物摻合料混凝土試樣的收縮率Fig.1 Shrinkage of concrete sample added with each admixture in various proportion (a)shrinkage of added brick powder; (b)shrinkage of added fly ash;(c)shrinkage of added GBFS;(d)shrinkage of added BSF; (e)shrinkage of added 10% each admixture;(f)shrinkage of added 30% each admixture

3.2 作用機(jī)理分析

混凝土的干燥收縮實(shí)際上是發(fā)生在其水化相上的收縮，而未水化的膠凝材料和粗細(xì)骨料則起約束收縮行為的作用。毛細(xì)管應(yīng)力、表面自由能、分離壓力和層間水脫離被認(rèn)為是主導(dǎo)水泥石干縮的機(jī)理作用，通常認(rèn)為，每種機(jī)理都在特定的相對(duì)濕度段起作用，但毛細(xì)管張力影響最大也是被闡述最多的機(jī)理[8～11]。因而水泥石中孔隙失水引起的毛細(xì)管張力是干縮的主因。

在60 d齡期時(shí)用壓汞儀分析摻入不同比例BSF復(fù)合礦物摻合料的各混凝土試樣的微觀孔結(jié)構(gòu)，結(jié)果如表8所示。

表8 摻入各比例BSF的部分孔徑累計(jì)分布Tab.8 A part of the cumulative distribution of the hole diameter of Mixed with the proportion of BSF /vt%

由表8可知，各試樣中小于10 nm的微孔的體積百分?jǐn)?shù)隨BSF摻量變化情況與試樣的宏觀收縮率的變化規(guī)律高度吻合，即收縮率大的試樣，其<10 nm的微孔所占百分?jǐn)?shù)相應(yīng)地較大。這主要是因?yàn)楦鶕?jù)Laplace-Kelvin公式(式1)，毛細(xì)管所受的應(yīng)力γ與其孔徑R'成反比，即毛細(xì)管孔徑越小，所受到的壓力就越大，所以小毛細(xì)管孔對(duì)干縮性影響甚大。表8的結(jié)果表明，混凝土試樣中10 nm以下的微孔對(duì)干縮的影響最大。

(1)

為進(jìn)一步探討廢磚粉，礦渣微粉(GBFS)和粉煤灰對(duì)混凝土體積穩(wěn)定性影響的作用，特通過(guò)掃描電鏡觀察，對(duì)比分析這三種材料粉體顆粒微觀形貌的差異，結(jié)果如圖2所示。由圖2a可知，廢磚粉顆粒表面粘附有更細(xì)小顆粒、呈疏松絮狀。由于磚粉的活性比較低，在早期只有極小部分參與水化，大部分磚粉顆粒存在于水化相中。磚粉替代水泥實(shí)際上是既減少了水化相，同時(shí)又增加了微集料，這些磚粉顆粒在水化相中既充當(dāng)連通孔的媒介，又有儲(chǔ)水的功能，可以補(bǔ)充毛細(xì)管內(nèi)的失水，從而減低因毛細(xì)管應(yīng)力引起的收縮。

圖2 各礦物摻合料的SEM圖Fig.2 SEM images of each mineral admixtures(a)brick powder;(b)fly ash;(c)GBFS;(d)BSF

粉煤灰(圖2b)顆粒表面光滑，以圓球形顆粒居多。因粉煤灰活性也較低，所以其摻入的作用與廢磚粉類(lèi)似，只不過(guò)其圓球形的顆粒形貌更有利于水分的均勻分散，大小顆粒之間也更易形成最緊密的充填效果，這些都有助于抑制水化相的收縮。

礦渣微粉(圖2c)表面致密、棱角分明，這種形貌的顆粒慘加在膠凝材料中后極易形成多孔結(jié)構(gòu)，而且由于礦渣微粉的活性較高，在早期參與水化反應(yīng)的顆粒較廢磚粉和粉煤灰要多。又因?yàn)榈V渣微粉比水泥顆粒粒徑小很多，所以礦渣微粉的加入形成了更多更小更封閉的毛細(xì)孔。根據(jù)開(kāi)爾文公式，毛細(xì)孔孔徑越小，孔壁所受的毛細(xì)管應(yīng)力就越大，從而造成了混凝土試樣較大幅度的宏觀收縮。所以礦渣微粉的摻入會(huì)加劇混凝土試樣早期的收縮。

將廢磚粉、粉煤灰和礦渣微粉這三種材料混合配制成BSF復(fù)合礦物摻合料(圖2d)后，磚粉顆粒疏松絮狀的形貌和粉煤灰光滑圓球狀的顆粒形貌與礦渣致密、帶棱角的形貌形成互補(bǔ)，使水分在膠凝材料中分布的更均勻，此外大部分粉煤灰和磚粉顆粒比礦渣顆粒的粒度要細(xì)，正好可以充填在礦渣顆粒堆積所形成的空隙中，形成更緊密的堆積，且磚粉和粉煤灰的水化活性較礦渣微粉要差，這幾種作用都有助于抑制因礦渣微粉加入而產(chǎn)生的混凝土早期收縮。

4 結(jié) 論

(1)廢磚粉和粉煤灰可以有效地減小混凝土的干燥收縮，廢磚粉的減小幅度略高于粉煤灰；礦渣微粉的摻入將大幅的加劇混凝土的收縮，并且隨著摻量的增加，其收縮率增大的幅度也不斷地增大;

(2)BSF復(fù)合礦物摻合料的摻量≤10%時(shí)能夠減小混凝土的收縮；而當(dāng)摻量大于20%時(shí)，會(huì)增大混凝土干燥收縮，并且隨著摻量的增加，收縮幅度也隨之增大;

(3)混凝土的干燥收縮與其孔結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，10 nm以下的微孔對(duì)混凝土干縮的影響最大。隨著混凝土內(nèi)部小于10 nm微孔的增加，將導(dǎo)致混凝土收縮加劇。

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Shrinkage Performance of C35 Pavement Concrete Used BSF Admixture

LIHui1，CHENYu-jia1，ZHANGHao1，ZHANGDong-sheng2,XIESong1，ZHANGZhi-ming1

(1.College of Materials and Mineral Resources,Xi'an University of Architecture and Technology,Xi'an 710055,China;2.Shaanxi Provincial Communication Construction Group,Xi'an 710075,China)

The shrinkage performance of C35 pavement concrete with BSF admixture, the influence of BSF admixture on the shrinkage of concrete as well as the effect mechanism of brick powder, fly ash and granulated blast furnace slag (GBFS) powder on the shrinkage of concrete were investigated. The results showed that: clay brick powder and fly ash could compensate the shrinkage of concrete slightly, and with the increase of dosage of these two kind of materials, the drop amplitude of concrete shrinkage rate increased. On the contrary, GBFS powder could aggravate the shrinkage of concrete. The shrinkage performance of C35 pavement concrete was attributed to the interaction of brick powder, fly ash and GBFS, composite admixture. For the concrete shrinkage, the microhole smaller than 10 nm played dominate role.

brick powder；concrete；dry shrinkage；mechanism

交通運(yùn)輸部建設(shè)科技項(xiàng)目(2013318J16490)

李 輝(1971-)，女，博士，教授，博導(dǎo).主要從事固體廢棄物資源化利用的研究.

TD98

A

1001-1625(2016)09-3001-06