杜磊，郭啟龍，高敏，馬稚童，華亮，陳業(yè)照，楊然

（1.西北民族大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730124；2.甘肅省新型建材與建筑節(jié)能重點實驗室，甘肅 蘭州 730124）

0 引 言

近年來，我國城市化發(fā)展正在不斷加快與推進，城鎮(zhèn)的改造與建設(shè)產(chǎn)生了大量的建筑垃圾，其長期大量堆放，不僅占用空地，對環(huán)境也造成了嚴(yán)重污染。針對此類問題，國內(nèi)外研究者對建筑垃圾的資源化利用作了大量研究[1-4]。一方面，將建筑垃圾破碎篩分后得到的再生骨料和再生砂應(yīng)用到相關(guān)制品中，并對其各項性能做了深入研究[5-8]。另一方面，將建筑垃圾在破碎篩分過程中產(chǎn)生的粒徑小于0.16μm的再生微粉作為膠凝材料使用[9-12]，其占建筑垃圾總質(zhì)量的10%～20%。

目前，眾多學(xué)者針對再生微粉的性能及其應(yīng)用展開了深入研究。高敏等[13]采用機械研磨的方式系統(tǒng)研究了再生微粉細度、摻量和復(fù)摻比對砂漿性能的影響，結(jié)果表明，摻量為10%且復(fù)摻比為6∶4時其28 d抗壓強度達到最高。張修勤等[14]的研究發(fā)現(xiàn)，再生微粉摻入后對混凝土工作性能產(chǎn)生了不良影響，摻量超過10%后抗壓強度會大幅降低。黃修林等[15]對比研究了再生微粉和粉煤灰對混凝土性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，再生微粉后期水化活性弱，不利于混凝土強度持續(xù)提高，且再生微粉對流動度的改善效果低于粉煤灰。Yu等[16]用再生微粉取代水泥制備超高性能混凝土，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，再生微粉通過稀釋加速效應(yīng)加快了早期水化。劉音等[17]對再生微粉膠凝性進行了深入探究，試驗結(jié)果驗證了再生微粉的水化活性，可替代部分水泥作為膠凝材料使用。余小小[18]通過將再生微粉進行機械研磨來提高其利用率，研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過研磨的再生微粉其粒形規(guī)整，填充效果好，活性較高。於林鋒[19]研究了再生微粉在水泥中的作用機理，試驗發(fā)現(xiàn)，再生微粉作為摻合料時具有火山灰活性效應(yīng)和填充效應(yīng)，但填充效應(yīng)較弱，活性起主導(dǎo)作用。以此來看，國內(nèi)外研究學(xué)者對再生微粉的研究主要集中在對再生微粉的活性激發(fā)和材料的性能方面，以及將其作為礦物摻合料或膠凝材料制備砂漿及混凝土等，對再生微粉多元復(fù)合膠凝體系的應(yīng)用研究較少。

再生微粉的主要成分主要為SiO2、CaO及少量未水化的水泥顆粒，其活性低、孔隙多且顆粒形態(tài)差，摻入后會影響混凝土的性能[14，20]。而粉煤灰作為一種火山灰質(zhì)材料，其顆粒呈球型狀，含有大量SiO2和Al2O3，能夠發(fā)生二次水化，加入后可改善混凝土的工作性能[15，21]。若將二者復(fù)摻，一定程度上可彌補各自缺陷對混凝土性能產(chǎn)生的不良影響。因此，本文將再生微粉與粉煤灰按不同質(zhì)量比復(fù)摻后作為復(fù)合膠凝材料，取代部分水泥制備C40混凝土，研究復(fù)合膠凝材料取代率、再生微粉摻量對混凝土坍落度、吸水率及抗壓強度的影響規(guī)律和作用機理，并在最優(yōu)配比的基礎(chǔ)上研究再生微粉研磨時間對混凝土性能的影響和作用機理。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：甘肅甘草集團產(chǎn)P·O42.5水泥，物理力學(xué)性能如表1所示，符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的要求；粉煤灰：Ⅱ級，主要技術(shù)性能如表2所示，符合GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的要求；再生微粉：將實驗室倉庫中2年前制備的廢舊混凝土塊（抗壓強度約為40 MPa）破碎、篩分后制得，粒徑小于0.16μm，粉煤灰和再生微粉的SEM照片見圖1，XRD圖譜見圖2；粗骨料：粒徑5～20 mm級配良好的卵石，堆積密度1520 kg/m3；細骨料：天然砂，細度模數(shù)3.1，含泥量2.8%；減水劑：山東萬山化工有限公司產(chǎn)萘系減水劑，減水率18%～28%；水：自來水。

表1 水泥的物理力學(xué)性能

表2 粉煤灰的主要技術(shù)性能

1.2 試驗方法

按照試驗設(shè)定，將再生微粉與粉煤灰復(fù)摻作為復(fù)合膠凝材料，再生微粉摻量（按占復(fù)合膠凝材料質(zhì)量計，下同）分別為10%、20%、30%、40%。采用復(fù)合膠凝材料等質(zhì)量取代水泥（取代率分別為10%、20%、30%）制備C40混凝土，采用質(zhì)量法，依據(jù)JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》計算C40混凝土的基準(zhǔn)配合比，如表3所示。

表3 C40混凝土的基準(zhǔn)配合比 kg/m3

本試驗分2步進行：首先研究了復(fù)合膠凝材料取代率和再生微粉摻量對C40混凝土性能的影響，優(yōu)選出最佳復(fù)合膠凝材料取代率和再生微粉摻量；然后，基于最優(yōu)配合比，對再生微粉進行研磨，研究不同研磨時間（0、5、10、15、20 h）對C40混凝土性能的影響規(guī)律和作用機理。

混凝土性能依據(jù)GB 50164—2011《混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》和GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進行測試。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 再生微粉摻量及復(fù)合膠凝材料取代率對混凝土坍落度的影響（見圖3）

由圖3可知，混凝土坍落度隨復(fù)合膠凝材料取代率的增加而增大，隨再生微粉摻量的增加而減小，復(fù)合膠凝材料取代率為30%且再生微粉摻量為10%時坍落度最大。這是因為粉煤灰多為球型顆粒，摻入后能夠使得水泥和再生微粉均勻分散在骨料空隙中，同時也能減小粉體顆粒之間的滑動阻力，流動度隨之增加。而再生微粉由于其多孔特征導(dǎo)致吸水率較大，造成拌合物較為干稠。

2.2 再生微粉摻量及復(fù)合膠凝材料取代率對混凝土氣孔率的影響（見圖4）

由圖4可知，復(fù)合膠凝材料取代率為10%和20%時，氣孔率隨著再生微粉摻量的增加而增大。這是由于再生微粉活性低，導(dǎo)致水化膠凝產(chǎn)物不足以填充結(jié)構(gòu)空隙。取代率為30%時，氣孔率隨再生微粉摻量的增加先減小后增大。分析其原因為：一定摻量的再生微粉能夠改善體系的顆粒級配，孔隙數(shù)量進而減少；當(dāng)其摻量進一步增加時，再生微粉會因大量吸水而影響水泥水化，孔隙數(shù)量隨之增多。

2.3 再生微粉摻量及復(fù)合膠凝材料取代率對混凝土吸水率的影響（見圖5）

由圖5可知，當(dāng)復(fù)合膠凝材料取代率為10%和20%時，吸水率隨再生微粉摻量的增加而增大；取代率為30%時，吸水率隨再生微粉摻量的增加先減小后增大。這與氣孔率的變化基本一致，說明氣孔率是影響吸水率的主要因素。

2.4 再生微粉摻量及復(fù)合膠凝材料取代率對混凝土抗壓強度的影響（見圖6）

由圖6（a）可知，7 d抗壓強度隨復(fù)合膠凝材料取代率（10%和20%）的增大呈下降趨勢。這是因為再生微粉吸水性強，導(dǎo)致沒有足夠的水參與水泥水化反應(yīng)。當(dāng)取代率為30%時，7 d抗壓強度隨再生微粉摻量的增加大致呈先提高后降低的趨勢，這是由于粉煤灰具有填充效應(yīng)，能夠減少孔隙數(shù)量。但其活性低，大摻量時則會導(dǎo)致抗壓強度降低。再生微粉摻量為30%時抗壓強度最高，這可能是此摻量下的復(fù)合膠凝材料具有良好的顆粒級配，能夠增加結(jié)構(gòu)的致密度。并且30%取代率下的整體強度偏低，這是由于早期強度主要來源于水泥水化，取代率過高時會導(dǎo)致水泥的用量減少。

由圖6（b）可知，復(fù)合膠凝材料取代率為10%時，28 d抗壓強度隨再生微粉摻量的增加先提高后降低；取代率為20%時整體28 d抗壓強度均較高；與7 d抗壓強度不同的是，取代率為30%時28 d抗壓強度整體上反而超過了10%取代率時，這是因為高取代率的復(fù)合膠凝材料中粉煤灰摻量較多，其后期水化活性高，對后期強度貢獻較大。并且此取代率下的28 d抗壓強度在再生微粉摻量為30%時達到最高。這是由于粉煤灰與再生微粉粒徑不同而使復(fù)合膠凝材料的顆粒級配較好，填充效果增強，結(jié)構(gòu)密實度提高。

綜合考慮，復(fù)合膠凝材料取代率為20%，再生微粉摻量為30%作為最優(yōu)配比，后續(xù)試驗在此配比基礎(chǔ)上進行。

2.5 研磨時間對C40混凝土性能的影響

2.5.1 不同研磨時間時再生微粉的微觀形貌

利用罐式球磨機將再生微粉分別研磨0、5、10、15、20 h，在掃描電鏡下觀察不同研磨時間時再生微粉的顯微形貌，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，未經(jīng)研磨的再生微粉其顆粒形貌極不規(guī)整，棱角較多，且自身存在大量孔洞；隨著研磨時間的延長，再生微粉粒徑出現(xiàn)了不同程度的減小，顆粒形態(tài)和顆粒級配均得到改善，孔洞數(shù)量隨著粒徑的減小而減少。由此可見，研磨可以使得再生微粉充分發(fā)揮活性效應(yīng)和填充效應(yīng)。

2.5.2 研磨時間對C40混凝土的性能影響（見表4）

由表4可知：

（1）隨著研磨時間的延長，混凝土坍落度逐漸減小，但研磨時間超過15 h后坍落度保持不變。這是因為隨著研磨時間的延長，再生微粉顆粒粒徑均逐漸減小，比表面積增大，致使其大量吸水，造成混凝土拌合物較為干稠，流動性減小，坍落度隨之減小。

表4 研磨時間對C40混凝土性能的影響

（2）隨著研磨時間的延長，混凝土的氣孔率和吸水率均先減小后增大。這是因為研磨使得再生微粉顆粒粒徑減小，填充效果增強，混凝土密實度得到提高，吸水率減小。研磨時間超過5 h后，再生微粉粒徑不斷減小，比表面積增大，導(dǎo)致其吸收大量水，嚴(yán)重影響體系的水化反應(yīng)，造成孔隙數(shù)量增加。

（3）隨著研磨時間的延長，混凝土的7 d和28 d抗壓強度大致呈先提高后降低的趨勢。這是因為研磨會增加再生微粉的活性。研磨時間超過5 h后，再生微粉顆粒粒徑不斷減小并趨于均勻，此時其顆粒級配較差，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)中空隙較多。研磨時間超過10 h后，抗壓強度有所提高，這是因為再生微粉粒徑的減小使得其填充作用增強，結(jié)構(gòu)致密度提高。

3 SEM顯微形貌

圖8為基于最優(yōu)配比的不同研磨時間下試樣水化28 d齡期的SEM照片。

由圖8（a）、（c）可知，再生微粉未研磨時結(jié)構(gòu)中存在大量裂縫，周圍散落著未水化的再生微粉，未能明顯觀察到生長較為完整的水化產(chǎn)物。由圖8（b）、（d）可知，再生微粉研磨5 h時，其整體結(jié)構(gòu)相對較為致密，體系中沒有明顯存在未水化的再生微粉顆粒，裂縫數(shù)量較少，可明顯觀察到結(jié)構(gòu)中分布著六方棱柱的氫氧化鈣和少量針棒狀鈣礬石。這也進一步說明了通過研磨能夠提高再生微粉活性，完善顆粒形態(tài)，對結(jié)構(gòu)抗壓強度的貢獻有所提升。

4 結(jié)論

（1）適量的復(fù)合膠凝材料可以有效改善C40混凝土的坍落度。復(fù)合膠凝材料取代率為10%和20%時，再生微粉摻量的增加會導(dǎo)致氣孔率和吸水率有所增大。取代率為30%且再生微粉摻量為30%時，氣孔率和吸水率均為最小。

（2）C40混凝土7、28 d抗壓強度均在復(fù)合膠凝材料取代率為20%時較高。與7 d抗壓強度不同的是，30%復(fù)合膠凝材料取代率對應(yīng)的28 d抗壓強度高于10%取代率時，說明高取代率的復(fù)合膠凝材料有利于C40混凝土后期強度的提高。

（3）隨著研磨時間的延長，再生微粉顆粒粒徑減小，顆粒形態(tài)得到完善。研磨5 h的C40混凝土7、28 d抗壓強度最高，分別為27.8、46.0 MPa，氣孔率和吸水率均達到最低，坍落度略有減小。這說明了機械研磨能夠增加再生微粉活性，有利于提高混凝土的整體性能，且對工作性能的影響較小。