謝智超，彭澤川，萬朝均

（重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400045）

0 引言

2017年我國水泥產(chǎn)量為23.2億多噸，傳統(tǒng)硅酸鹽水泥的大量應(yīng)用不僅消耗自然資源，在制備過程中也會通過石灰石分解、燃料煅燒排放大量CO2，傳統(tǒng)水泥的這種高排放與社會可持續(xù)發(fā)展日益不相適應(yīng)。發(fā)展綠色、低碳、資源節(jié)約和環(huán)境友好的新型膠凝材料成為必然選擇。同時，按照年均建筑拆除4億m2計(jì)算，年均產(chǎn)生建筑垃圾4～5億噸，加上建筑施工、裝修過程產(chǎn)生的建筑垃圾合計(jì)每年5～6億噸左右[1]。大部分的建筑垃圾未經(jīng)任何處理，就被運(yùn)到城市周邊的荒地、城鄉(xiāng)結(jié)合部等進(jìn)行掩埋或直接堆放，這些建筑廢棄物處理方式加劇了土地、資源緊張的局面，嚴(yán)重影響了社會與環(huán)境的和諧發(fā)展，造成粉塵污染、地下水污染以及土壤重金屬超標(biāo)等環(huán)境問題[2]。該研究利用廢棄混凝土制備再生集料，全部或部分代替天然集料，實(shí)現(xiàn)建筑垃圾資源化利用。

因此，開發(fā)再生集料堿-粉煤灰-礦渣混凝土，既減少了對水泥、天然集料的消耗，部分緩解了天然砂石集料資源匱乏問題，又解決了建筑垃圾自身污染環(huán)境、占用土地等問題，促進(jìn)了綠色混凝土的進(jìn)一步發(fā)展，契合了國家的綠色發(fā)展戰(zhàn)略，可以獲得巨大的生態(tài)環(huán)境和社會效益，有著十分重大的意義。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

（1）集料。天然集料取用重慶歌樂山石灰石碎石和機(jī)制砂。再生集料由廢棄混凝土破碎、篩分得到，廢棄混凝土取自重慶九龍坡區(qū)舊建筑拆除現(xiàn)場，其碳化深度及集料的各項(xiàng)指標(biāo)如表1、表2、圖1、圖2所示。

表1 廢棄混凝土的碳化深度（mm）

表2 集料的吸水率（%）

由于空心預(yù)制板碳化不均勻，因此該研究只選用取自柱子的廢棄混凝土。

再生集料與天然集料表觀密度和松散堆積密度的不同是導(dǎo)致混凝土密實(shí)程度不同的原因之一。

圖1 集料的表觀密度（飽水狀態(tài)）

圖2 集料的松散堆積密度

同時，再生細(xì)集料細(xì)度模數(shù)為3.21，為“粗砂”，機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)為2.82，為“中砂”；粒徑為5～10mm的再生和天然粗集料的壓碎指標(biāo)分別為19.23%、15.96%，可見天然集料堅(jiān)固性比再生集料好。通過鉆芯并測定其強(qiáng)度，我們推測廢棄混凝土的原始強(qiáng)度大致在C25左右。

（2）礦渣。取自重慶市長壽區(qū)鈺宏再生資源有限公司，原渣含水率為18%。烘干磨細(xì)得到的礦粉流動度比為98%，比表面積為410m2/kg，堿性系數(shù)、質(zhì)量系數(shù)分別為0.96、1.58，為S75級礦渣粉。其主要化學(xué)成分如表3所示。

表3 礦渣的主要化學(xué)成分（%）

（3）粉煤灰。Ⅱ級粉煤灰，取自重慶珞璜電廠，密度為2.25g/cm3，細(xì)度為21.84%，其主要化學(xué)成分如表4所示。

表4 粉煤灰的主要化學(xué)成分（%）

（4）水玻璃。取自重慶井口化工廠，模數(shù)為2.44，密度（20℃）為1.45g/cm3。

（5）氫氧化鈉。氫氧化鈉分析純，用于將水玻璃模數(shù)調(diào)為1.2。

（6）水。重慶自來水。

1.2 研究方案和技術(shù)路線

目前國內(nèi)外堿激發(fā)混凝土使用的集料主要是天然集料，固廢比不超過20%；再生混凝土使用的膠凝材料大多是硅酸鹽水泥，固廢占比不超過75%，該研究結(jié)合堿激發(fā)混凝土和再生混凝土技術(shù)，研發(fā)出的混凝土固廢占比將高達(dá)90%左右，環(huán)保與社會效益十分顯著。

水淬高爐礦渣以玻璃體為主，通過堿激發(fā)，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)水泥。而粉煤灰可以通過活性效應(yīng)、微集料密實(shí)填充效應(yīng)及顆粒形態(tài)效應(yīng)改善混凝土的工作性、耐久性和物理力學(xué)性能[3]。在傳統(tǒng)的波特蘭水泥中，水淬高爐礦渣以硅酸鹽水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2為堿激發(fā)劑與水直接反應(yīng)生成低鈣硅比C-S-H凝膠，同時大量生成堿性鋁硅酸鹽以及類沸石礦物，這些產(chǎn)物與周圍凝膠相互交織搭接從而增強(qiáng)了晶體的整體性[4]。粉煤灰則與Ca(OH)2反應(yīng)生成水化產(chǎn)物C-S-H凝膠[5]。

該研究用磨細(xì)水淬?；郀t礦渣和粉煤灰完全替代水泥，摻入水玻璃進(jìn)行堿激發(fā)，同時再生粗集料完全替代天然粗集料，再生細(xì)集料部分或全部取代機(jī)制砂 （取代率為0，20%，40%，60%，80%，乃至100%），從而制備出一種低碳、綠色、資源節(jié)約、環(huán)境友好的新型建筑材料——再生集料堿-粉煤灰-礦渣混凝土（編號B），同時設(shè)置對照組A：天然集料堿-粉煤灰-礦渣混凝土 （其中細(xì)集料為機(jī)制砂），分別測定他們的3d、7d、28d、56d強(qiáng)度，進(jìn)而探索不同混凝土的強(qiáng)度發(fā)展。

由于再生細(xì)集料為粗砂，機(jī)制砂為中砂，為了探索細(xì)集料級配對混凝土最終強(qiáng)度的影響，我們將再生細(xì)集料的級配調(diào)成與機(jī)制砂的級配完全一致，再次測定A、B組的28d強(qiáng)度，對比其差異。

1.3 混凝土的配合比設(shè)計(jì)

初定水膠比0.32、砂率40%、礦渣：粉煤灰為500：55，再生粗集料中粒徑5～10mm占比40%、10～20mm占60%。通過試配發(fā)現(xiàn)在這樣的配合比下，混凝土凝結(jié)硬化過快，不利于實(shí)際工程應(yīng)用，通過反復(fù)的試配、觀察、調(diào)整后確定了配合比，膠凝材料：水：細(xì)集料：粗集料為1：0.40：1.01：1.65， 水玻璃模數(shù)1.2、 砂率38%、堿當(dāng)量5%，表5顯示的是實(shí)驗(yàn)室配合比。

表5 混凝土配合比（kg/m3）

在B10的配合比中，主要膠凝材料和粗細(xì)集料均取自固體廢棄物，其在原材料中占比86%。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 混凝土表觀密度

圖3為A、B兩組混凝土在級配變化時表觀密度隨再生細(xì)集料摻量增加的變化情況，其中B組表觀密度總體上小于A。調(diào)整級配后，B0的表觀密度比A大，B0、B6、B8、B10的表觀密度均有所增長。可見，調(diào)整細(xì)集料的級配能在一定程度上能改善混凝土的密實(shí)程度。當(dāng)然，從另一個角度看，混凝土自重降低，對于結(jié)構(gòu)抗震有利[6]。

圖3 混凝土的表觀密度

2.2 混凝土抗壓強(qiáng)度

如圖4所示，未調(diào)整級配時，隨著取代率的增加，B組3d強(qiáng)度大致呈現(xiàn)下降的趨勢，同時由于再生粗集料堅(jiān)固性不如再生天然粗集料，B組強(qiáng)度明顯低于A?？梢?，再生集料堿-粉煤灰-礦渣混凝土沒有表現(xiàn)出早強(qiáng)的特性，不具備堿礦渣混凝土早強(qiáng)、硬化快的優(yōu)點(diǎn)。雖然B2、B4、B6后期強(qiáng)度增長較快，超過了早期強(qiáng)度發(fā)展較快的B0，但56d時B組強(qiáng)度也未能超過A。總體來看，再生集料堿-粉煤灰-礦渣混凝土的強(qiáng)度隨取代率變化趨勢基本與其表觀密度變化趨勢一致。且強(qiáng)度發(fā)展后期，再生集料堿-粉煤灰-礦渣混凝土之間的強(qiáng)度差異不大，再生細(xì)集料取代率在20%～60%之間時，混凝土的強(qiáng)度相對較高。

圖4 混凝土的抗壓強(qiáng)度（未調(diào)級配）

調(diào)整級配后，混凝土的強(qiáng)度發(fā)展情況如圖5所示，B組28d抗壓強(qiáng)度隨著取代率的增加而遞減，這與其他研究者的結(jié)果也相符[7-8]。同時，調(diào)整級配后，混凝土的強(qiáng)度相比于未調(diào)整級配時均有所增長，這在取代率偏低或偏高時最為明顯（如B0、B2、B8）。說明機(jī)制砂與再生細(xì)集料的級配的差異對于混凝土強(qiáng)度發(fā)展也會產(chǎn)生較大的影響，可見適當(dāng)?shù)卣{(diào)整級配也是提高該混凝土強(qiáng)度的途徑。

圖5 混凝土的28d抗壓強(qiáng)度（對比）

同時，B0的強(qiáng)度甚至超過了對照組A的強(qiáng)度約0.8MPa，但相差不大，這可以通過微觀觀察進(jìn)行一些解釋，如3.3中圖6所示A中整個砂漿基體較致密，很多纖維狀、樹枝狀、板狀結(jié)構(gòu)的水化產(chǎn)物相互重疊搭接，使得混凝土各界面區(qū)之間結(jié)合緊密，不易被破壞。而B中也很容易看到發(fā)育良好的板狀Ca(OH)2晶體和層狀的C-S-H凝膠。但相較于A，B中再生粗集料表面較不規(guī)則，與膠凝材料接觸面更大，粘結(jié)力更大。而且再生混凝土中界面處膠凝材料水化比較充分，水化產(chǎn)物較多，結(jié)構(gòu)也較為致密，故再生集料堿-粉煤灰-礦渣混凝土的28d抗壓強(qiáng)度會出現(xiàn)超過對照組A的情況。

2.3 掃描電鏡（SEM）分析

該研究將運(yùn)用掃描電鏡、能譜分析測試儀等儀器，從微觀分析的角度去探尋其力學(xué)性能發(fā)生差異的本質(zhì)原因。

混凝土作為一種不均質(zhì)或不連續(xù)的多相復(fù)合材料，在其內(nèi)部必然存在一定的結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)。李福海等人[9]認(rèn)為其主要薄弱環(huán)節(jié)為相對均質(zhì)的集料與水泥漿體之間的過渡區(qū)，盡管由于水泥水化可與集料粘合在一起，但其粘結(jié)強(qiáng)度仍相對較低，混凝土的破壞主要沿其界面發(fā)生。這也得到大多數(shù)學(xué)者的認(rèn)同。

同時，再生混凝土與普通混凝土相比，在結(jié)構(gòu)組成方面多了兩個界面：集料-舊砂漿界面、舊砂漿-新砂漿界面，因而其力學(xué)性能也會受到舊砂漿的影響。新砂漿與舊砂漿界面結(jié)合處的裂縫由接觸面延伸到舊砂漿和新砂漿內(nèi)部并且裂縫中無水化產(chǎn)物的存在，說明這些裂縫有可能是在再生混凝上加載過程中形成的，說明有些新舊砂漿結(jié)合不夠緊密，會成為再生混凝土中的薄弱區(qū)，在混凝土受力過程中容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，加速裂縫的發(fā)展和貫通。舊砂漿表面的微細(xì)裂縫雖然在一定范圍內(nèi)能吸收水分和新的水泥顆粒，促進(jìn)水泥水化，進(jìn)而使界面更加致密，但若裂縫過多，也會進(jìn)一步延伸至新舊砂漿界面，成為混凝土結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。

圖6 混凝土的微觀結(jié)構(gòu)

如圖6b），圖6c）所示，從BO到B4，我們可以看到：隨著再生細(xì)集料取代率的增加，再生細(xì)集料表面缺陷、微裂縫、空隙均有所增長，界面水化產(chǎn)物致密度下降，變得越來越疏松，孔隙率上升，這也從微觀上解釋了試樣B4比B0力學(xué)性能差的本質(zhì)原因。

3 結(jié)語

（1）由于再生集料缺陷較多、強(qiáng)度低、孔隙率高、綜合品質(zhì)差，界面水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)較為疏松，故隨著再生細(xì)集料取代率的增加，混凝土力學(xué)性能總體變差。因此在制備強(qiáng)度要求較高或應(yīng)用于承重部位的混凝土?xí)r，應(yīng)注意篩選優(yōu)質(zhì)的再生集料并調(diào)整其級配。

（2）不對再生集料做任何預(yù)處理時，可考慮選用20%～60%的再生細(xì)集料取代率以獲得較高的強(qiáng)度。

（3）全再生集料堿-粉煤灰-礦渣混凝土后期強(qiáng)度接近30MPa，可用于對早期強(qiáng)度要求不高的工程。

（4）舊砂漿表面的裂縫雖然在一定程度上能使混凝土更致密，但若裂縫過多，也會延伸至新舊砂漿界面，進(jìn)而成為混凝土結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。