郝亞利，丁揚飛，姚武，佘安明，羅宇

[1.先進土木工程材料教育部重點實驗室，同濟大學 材料科學與工程學院，上海 201804；2.黔西南州城市建設投資（集團）有限公司，貴州 黔西南 562400]

0 引言

當前，“雙碳”目標對建筑領域提出了新的發(fā)展機遇和挑戰(zhàn)。據不完全統(tǒng)計，結構拆除重建在大規(guī)模消耗天然資源、產生建筑廢棄物的同時，建筑部門每年還要為大約60億t二氧化碳的排放負責[1]。為了積極響應零排放以及可持續(xù)的發(fā)展理念，將建筑垃圾回收再利用作為骨料制備混凝土顯然是當前最有效的方式之一[2]。然而，除歐洲、美國等一些技術發(fā)達國家和地區(qū)建筑垃圾的回收利用率較高之外，包括我國在內的很多國家建筑垃圾的回收利用能力仍十分有限，絕大部分生產的再生骨料仍主要用于道路工程和施工基地的基礎填埋，且再生混凝土以低強度等級為主[1]。這主要是由于再生骨料自身特性制約了混凝土基體強度所致[3]。因此，通過合理的配合比設計制備高強再生混凝土，從而拓寬再生混凝土的應用場景勢在必行，這不僅可以從根源上提高再生骨料的利用率及利用層次，還可以解決因建筑垃圾處理和堆放不合理所引發(fā)的環(huán)境污染問題。

在我國西南某些石材儲量豐富的地區(qū)，石粉作為石材開采后的廢棄物而大量存在。石粉的顆粒較細，大多為粒徑小于75 μm的微小顆粒，可填充水泥顆粒的間隙，優(yōu)化膠凝體系顆粒級配，同時還提高了基體和界面過渡區(qū)的強度，從而形成了密實填充結構和細觀層次的緊密堆積體系[4]。其次，石粉還具有顯著的成核效應和活化效應。石粉可加速硅酸鹽水泥中主要成分硅酸三鈣（C3S）的水化反應，從而為水泥產物提供大量的成核位點，促進水化初期水泥水化產物的生成和沉淀[5-6]。由于石粉良好的性能，低廉的成本和廣泛的地理分布已引起國內外學者的密切關注，并對其進行了大量研究。目前石粉已被廣泛用作水泥熟料生產水泥，Moon等[7]采用石粉取代水泥熟料制備硅酸鹽水泥，研究發(fā)現(xiàn)，在水泥中形成的單鋁酸鹽可作為填充劑，并通過與C3A反應不斷細化孔隙結構，進而達到提高強度的效果。Zhu等[8]探討了石粉對活化礦渣水泥體系物理力學性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)，石粉摻量為25%時砂漿的抗壓和抗折強度最高，同時還可有效改善活性礦渣水泥的流動性、凝結時間和干燥收縮等。此外，在礦渣、粉煤灰等短缺的地區(qū)石粉還可作為礦物摻合料使用。一定摻量范圍內對降低體系水化熱、細化孔隙結構、提高基體強度和耐久性具有顯著的作用[9-10]。

基于石粉在改善混凝土微觀結構和促進水泥水化方面的正面效應，可考慮將其作為礦物摻合料制備高強再生混凝土。Yang等[11]研究了機制砂中石粉含量對全再生骨料混凝土水化產物和微觀結構的影響，結果表明，除部分石粉可與鈣礬石和硅酸鈣反應形成水合鋁酸鈣和水合碳酸鈣外，大部分則不參與水化反應。生成的水化產物和惰性石粉顆粒可有效填充再生混凝土的孔隙和界面過渡區(qū)的結構。Li[12]的研究發(fā)現(xiàn)，10%摻量的石粉可顯著提高再生混凝土的抗壓強度，同時由于內部孔隙連通性的降低還賦予了結構良好的抗氯離子侵蝕性能。這些研究雖肯定了石粉在再生混凝土結構中的應用價值，但所制備的混凝土強度有限，仍具有進一步提升的潛力。

本文提出了在100%再生粗骨料取代率下，利用廢棄石粉作為礦物摻合料制備高強再生混凝土的方法，制備的再生混凝土28 d抗壓強度可達到60 MPa以上，可以降低材料成本、提高資源利用率以及保護生態(tài)環(huán)境。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：P·Ⅱ52.5水泥，表觀密度為3100 kg/m3；硅灰：粒徑約0.1 μm，表觀密度為2190 kg/m3；石粉：貴州黔西南某石材加工廠的粉塵廢棄物，表觀密度為2820 kg/m3，其主要礦物成分為白云石，主要化學成分為碳酸鈣鎂，平均粒徑為1.61 μm，摩氏硬度為3.2～4.2，燒失量為45.97%。水泥、硅灰和石粉的主要化學成分見表1，粒徑分布見圖1。

表1 水泥、硅灰和石粉的主要化學成分 %

圖1 水泥、硅灰和石粉的粒徑分布

再生粗骨料（RCA）：上海某再生骨料廠提供，其來源主要是廢舊梁柱拆除。骨料品質相對較高，其表觀密度為2600 kg/m3，堆積密度為1350 kg/m3，壓碎值為10.8%，吸水率為4.5%，屬Ⅱ類再生粗骨料，粒徑為5～31.5 mm連續(xù)級配，其中16.5～31.5 mm顆粒占比55%，5～16.5 mm顆粒占比45%。

細骨料：天然河砂，表觀密度為2630 kg/m3，細度模數為2.6，含泥量≤2%。

減水劑：粉末狀聚羧酸高性能減水劑，減水率20%。

拌合水：自來水。

1.2 配合比設計

本試驗中再生混凝土目標設計強度等級為C60，坍落度控制值為（200±30）mm，首先基于“全體積計算法”對RAC-0進行配合比設計[13]，得到不摻石粉（RAC-0）的配合比，如表2所示，然后在此基礎上采用石粉等體積取代部分水泥砂漿，具體計算方法如下：

（1）石粉取代前后再生粗骨料的體積VRCA保持不變，均為：

（2）用石粉取代10%的水泥砂漿，則取代后剩余砂漿的體積為0.594 m3。

（3）石粉取代前后砂漿的水膠比（W/B=0.24）和膠砂比（B/S=0.707）均不改變，設水泥質量為m，硅灰占水泥質量的10%，則硅灰質量為0.1m，砂子質量為1.556m，水的質量為0.264m。則石粉取代后剩余砂漿的體積為：

（4）通過計算，即可得到配合比中其余組分的含量，得到摻石粉（RAC-10）的配合比，如表2所示。

表2 高強再生混凝土的配合比 kg/m3

1.3 試驗方法

混凝土拌合工藝：首先按照配合比稱取全部粉體材料以及總用量2/3的減水劑，然后加入全部用水，攪拌60 s得到無明顯粉體團聚現(xiàn)象的漿體，之后加入再生粗骨料攪拌60 s，最后加入砂和剩余的1/3減水劑再攪拌60 s，即可獲得具有良好工作性的混凝土拌合料。然后測試其坍落度。

之后將新拌混凝土漿體裝入100 mm×100 mm×100 mm的模具中成型，24 h后拆模，然后將其置于飽和氫氧化鈣水溶液中養(yǎng)護[溫度設定為（20±2）℃]，當齡期分別達到7、14、28 d時取出混凝土試件，按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》進行抗壓強度測試。

2 結果與討論

2.1 高強再生混凝土的坍落度

RAC-0和RAC-10新拌混凝土的坍落度分別為230、210 mm，與RAC-0相比，用石粉取代10%水泥砂漿后，再生混凝土的和易性雖有一定程度的降低，但仍符合試驗對坍落度設計值的要求。由圖1可知，石粉顆粒較細，其粒徑介于水泥和硅灰之間，摻入的石粉可有效填充水泥顆粒之間的空隙，改善再生混凝土內部的顆粒級配。但同時由于石粉的摻入會使得顆?？偙砻娣e增大，從而降低了再生粗骨料混凝土新拌漿體的流動性。然而，Yang等[14]的研究卻發(fā)現(xiàn)，石粉具有良好的顆粒形態(tài)效應，可顯著提高混凝土拌合物的流動性。由此可見，石粉顆粒形態(tài)效應引起的減水作用與相對比表面積增大引起的吸水作用之間呈現(xiàn)相互制約關系。因此，石粉在改善混凝土工作性方面存在一個最優(yōu)摻量，當石粉摻量低于最優(yōu)摻量時表現(xiàn)為顯著的促進作用，反之則亦然。

2.2 高強再生混凝土的抗壓強度（見表3）

表3 高強再生混凝土的抗壓強度

由表3可見：

（1）RAC-0和RAC-10的28 d抗壓強度分別為73.8、75.6 MPa，均達到了設計目標C60的強度等級要求。而且，不同齡期下RAC-10的抗壓強度均高于RAC-0，可見用石粉取代10%的水泥砂漿可顯著提高再生粗骨料混凝土的抗壓強度。造成這種現(xiàn)象的原因，一方面是由于石粉的填充效應引起的。再生粗骨料混凝土的骨架可以看作是具有連續(xù)級配的顆粒隨機堆積而成，當用石粉取代部分水泥砂漿后，這些細小的石粉顆?？捎行畛浠炷羶炔看诸w粒間的空隙，進而達到提高基體密實度的效果[15-17]。同時，石粉顆粒還可以細化界面過渡區(qū)的孔隙結構，降低氫氧化鈣晶體在界面處的富集和定向排列，從而在一定程度上避免了由于再生粗骨料與水泥基體之間的薄弱粘結導致抗壓強度不高的現(xiàn)象。另一方面，石粉在水泥基體中還可以表現(xiàn)出顯著的成核效應，能吸附硅酸三鈣（C3S）水化時釋放出的鈣離子，進而加速水泥水化，從而為C-S-H的析出提供大量的成核位點[18]。

（2）RAC-10早期抗壓強度的增長幅度遠大于RAC-0，RAC-0的14 d抗壓強度較7 d抗壓強度僅提高了1.3%，RAC-10則提高了4.8%；而水化后期RAC-0的28 d抗壓強度比14 d抗壓強度提高了15.9%，遠大于RAC-10的8.3%?？梢姡鄣膿饺雽υ偕橇匣炷猎琮g期抗壓強度的提高有顯著的促進作用。李增高等[19]也得到了同樣的結果。這主要歸于石粉在水化初期可加速水泥主要成分C3S的水化，為水化產物的形成提供大量成核位點，因此早期強度增長較快[20]。然而，隨著養(yǎng)護齡期的延長，RAC-0中已形成的水化產物會與硅灰繼續(xù)發(fā)生二次水化反應，生成C-S-H和C-A-H[21]，而RAC-10則因為用石粉取代部分水泥砂漿后，水泥、硅灰的用量相對減少，因此，后期抗壓強度雖有提高，但二次水化的效果仍遠遠低于RAC-0。

2.3 成本分析

由于再生粗骨料的技術經濟優(yōu)勢，使其在天然砂石資源急劇匱乏的情況下具有很好的應用前景，然而再生粗骨料混凝土強度偏低一定程度上制約了它的結構應用層次。因此，需要摻入礦物摻合料以改善其力學機械性能。經試驗研究發(fā)現(xiàn)，用石粉取代水泥砂漿不僅可以顯著提高再生粗骨料混凝土的抗壓強度，還能產生可觀的經濟效益。石粉作為砂石開采過程中的副產品，材料成本極低，將其作為礦物摻合料取代砂漿不僅可以節(jié)約水泥、降低成本，還可以解決廢棄石粉的占地堆放及環(huán)境污染問題，因此在提高混凝土綜合經濟效益、發(fā)揮綠色節(jié)能方面具有很好的發(fā)展?jié)摿22]。

表4分別給出了各材料當前的市場參考價。

表4 混凝土的材料成本

由表4可知，制備1 m3再生粗骨料混凝土的成本為756.2元，當用石粉取代10%的水泥砂漿后，其成本則降到721.4元，相比RAC-0降低了4.6%。然而，僅1 m3混凝土的材料成本不足以反映石粉取代砂漿所產生的經濟效益。為了簡化比較，計算了28 d齡期混凝土1 MPa抗壓強度對應的材料成本。結果表明，RAC-0單位強度成本為10.3元/MPa，而RAC-10的單位強度成本為9.5元/MPa，10%石粉的摻入可使單位抗壓強度節(jié)約0.8元/MPa。按高強再生混凝土的抗壓強度為60～70 MPa計算，則石粉取代10%的水泥砂漿可帶來48～56元/m3的經濟效益。

3 結論

（1）基于全體積計算法，用廢棄石粉取代10%水泥砂漿制備的高強再生混凝土，其28 d抗壓強度可達到75.6 MPa，符合C60高強再生混凝土對強度的基本要求。

（2）石粉的填充效應和成核效應可有效改善界面過渡區(qū)結構、提高基體強度，但石粉存在一個最優(yōu)摻量，在10%左右。

（3）石粉在水化初期可加速C3S的水化，為水化產物的形成提供大量成核位點，因此在提高再生混凝土早期強度方面具有明顯的促進作用。

（4）用廢棄石粉取代水泥砂漿制備高強再生混凝土還會產生可觀的經濟效益，按高強再生混凝土的抗壓強度為60～70 MPa計算，則石粉取代10%的水泥砂漿可帶來48～56元/m3的經濟效益，在能源可持續(xù)發(fā)展及綠色清潔生產方面具有很好的發(fā)展?jié)摿Α?/p>