郝亞利，丁揚(yáng)飛，姚武，佘安明，羅宇

[1.先進(jìn)土木工程材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，同濟(jì)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201804；2.黔西南州城市建設(shè)投資（集團(tuán)）有限公司，貴州 黔西南 562400]

0 引言

當(dāng)前，“雙碳”目標(biāo)對(duì)建筑領(lǐng)域提出了新的發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，結(jié)構(gòu)拆除重建在大規(guī)模消耗天然資源、產(chǎn)生建筑廢棄物的同時(shí)，建筑部門(mén)每年還要為大約60億t二氧化碳的排放負(fù)責(zé)[1]。為了積極響應(yīng)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(dāng)前最有效的方式之一[2]。然而，除歐洲、美國(guó)等一些技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)建筑垃圾的回收利用率較高之外，包括我國(guó)在內(nèi)的很多國(guó)家建筑垃圾的回收利用能力仍十分有限，絕大部分生產(chǎn)的再生骨料仍主要用于道路工程和施工基地的基礎(chǔ)填埋，且再生混凝土以低強(qiáng)度等級(jí)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(qiáng)度所致[3]。因此，通過(guò)合理的配合比設(shè)計(jì)制備高強(qiáng)再生混凝土，從而拓寬再生混凝土的應(yīng)用場(chǎng)景勢(shì)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(wèn)題。

在我國(guó)西南某些石材儲(chǔ)量豐富的地區(qū)，石粉作為石材開(kāi)采后的廢棄物而大量存在。石粉的顆粒較細(xì)，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(jí)配，同時(shí)還提高了基體和界面過(guò)渡區(qū)的強(qiáng)度，從而形成了密實(shí)填充結(jié)構(gòu)和細(xì)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(yīng)和活化效應(yīng)。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(yīng)，從而為水泥產(chǎn)物提供大量的成核位點(diǎn)，促進(jìn)水化初期水泥水化產(chǎn)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(guó)內(nèi)外學(xué)者的密切關(guān)注，并對(duì)其進(jìn)行了大量研究。目前石粉已被廣泛用作水泥熟料生產(chǎn)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(guò)與C3A反應(yīng)不斷細(xì)化孔隙結(jié)構(gòu)，進(jìn)而達(dá)到提高強(qiáng)度的效果。Zhu等[8]探討了石粉對(duì)活化礦渣水泥體系物理力學(xué)性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)，石粉摻量為25%時(shí)砂漿的抗壓和抗折強(qiáng)度最高，同時(shí)還可有效改善活性礦渣水泥的流動(dòng)性、凝結(jié)時(shí)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(nèi)對(duì)降低體系水化熱、細(xì)化孔隙結(jié)構(gòu)、提高基體強(qiáng)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(jié)構(gòu)和促進(jìn)水泥水化方面的正面效應(yīng)，可考慮將其作為礦物摻合料制備高強(qiáng)再生混凝土。Yang等[11]研究了機(jī)制砂中石粉含量對(duì)全再生骨料混凝土水化產(chǎn)物和微觀結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明，除部分石粉可與鈣礬石和硅酸鈣反應(yīng)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(yīng)。生成的水化產(chǎn)物和惰性石粉顆?？捎行畛湓偕炷恋目紫逗徒缑孢^(guò)渡區(qū)的結(jié)構(gòu)。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(qiáng)度，同時(shí)由于內(nèi)部孔隙連通性的降低還賦予了結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中的應(yīng)用價(jià)值，但所制備的混凝土強(qiáng)度有限，仍具有進(jìn)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(qiáng)再生混凝土的方法，制備的再生混凝土28 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)到60 MPa以上，可以降低材料成本、提高資源利用率以及保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

1 試驗(yàn)

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(xué)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(xué)成分見(jiàn)表1，粒徑分布見(jiàn)圖1。

表1 水泥、硅灰和石粉的主要化學(xué)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(lái)源主要是廢舊梁柱拆除。骨料品質(zhì)相對(duì)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(lèi)再生粗骨料，粒徑為5～31.5 mm連續(xù)級(jí)配，其中16.5～31.5 mm顆粒占比55%，5～16.5 mm顆粒占比45%。

細(xì)骨料：天然河砂，表觀密度為2630 kg/m3，細(xì)度模數(shù)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(lái)水。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)中再生混凝土目標(biāo)設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C60，坍落度控制值為（200±30）mm，首先基于“全體積計(jì)算法”對(duì)RAC-0進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)[13]，得到不摻石粉（RAC-0）的配合比，如表2所示，然后在此基礎(chǔ)上采用石粉等體積取代部分水泥砂漿，具體計(jì)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(shè)水泥質(zhì)量為m，硅灰占水泥質(zhì)量的10%，則硅灰質(zhì)量為0.1m，砂子質(zhì)量為1.556m，水的質(zhì)量為0.264m。則石粉取代后剩余砂漿的體積為：

（4）通過(guò)計(jì)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(qiáng)再生混凝土的配合比 kg/m3

1.3 試驗(yàn)方法

混凝土拌合工藝：首先按照配合比稱(chēng)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(wú)明顯粉體團(tuán)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(cè)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(hù)[溫度設(shè)定為（20±2）℃]，當(dāng)齡期分別達(dá)到7、14、28 d時(shí)取出混凝土試件，按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 高強(qiáng)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(yàn)對(duì)坍落度設(shè)計(jì)值的要求。由圖1可知，石粉顆粒較細(xì)，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(nèi)部的顆粒級(jí)配。但同時(shí)由于石粉的摻入會(huì)使得顆粒總表面積增大，從而降低了再生粗骨料混凝土新拌漿體的流動(dòng)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(yīng)，可顯著提高混凝土拌合物的流動(dòng)性。由此可見(jiàn)，石粉顆粒形態(tài)效應(yīng)引起的減水作用與相對(duì)比表面積增大引起的吸水作用之間呈現(xiàn)相互制約關(guān)系。因此，石粉在改善混凝土工作性方面存在一個(gè)最優(yōu)摻量，當(dāng)石粉摻量低于最優(yōu)摻量時(shí)表現(xiàn)為顯著的促進(jìn)作用，反之則亦然。

2.2 高強(qiáng)再生混凝土的抗壓強(qiáng)度（見(jiàn)表3）

表3 高強(qiáng)再生混凝土的抗壓強(qiáng)度

由表3可見(jiàn)：

（1）RAC-0和RAC-10的28 d抗壓強(qiáng)度分別為73.8、75.6 MPa，均達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)C60的強(qiáng)度等級(jí)要求。而且，不同齡期下RAC-10的抗壓強(qiáng)度均高于RAC-0，可見(jiàn)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(qiáng)度。造成這種現(xiàn)象的原因，一方面是由于石粉的填充效應(yīng)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(jí)配的顆粒隨機(jī)堆積而成，當(dāng)用石粉取代部分水泥砂漿后，這些細(xì)小的石粉顆?？捎行畛浠炷羶?nèi)部粗顆粒間的空隙，進(jìn)而達(dá)到提高基體密實(shí)度的效果[15-17]。同時(shí)，石粉顆粒還可以細(xì)化界面過(guò)渡區(qū)的孔隙結(jié)構(gòu)，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(jié)導(dǎo)致抗壓強(qiáng)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(yīng)，能吸附硅酸三鈣（C3S）水化時(shí)釋放出的鈣離子，進(jìn)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(diǎn)[18]。

（2）RAC-10早期抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)幅度遠(yuǎn)大于RAC-0，RAC-0的14 d抗壓強(qiáng)度較7 d抗壓強(qiáng)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(qiáng)度比14 d抗壓強(qiáng)度提高了15.9%，遠(yuǎn)大于RAC-10的8.3%?？梢?jiàn)，石粉的摻入對(duì)再生骨料混凝土早齡期抗壓強(qiáng)度的提高有顯著的促進(jìn)作用。李增高等[19]也得到了同樣的結(jié)果。這主要?dú)w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(chǎn)物的形成提供大量成核位點(diǎn)，因此早期強(qiáng)度增長(zhǎng)較快[20]。然而，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，RAC-0中已形成的水化產(chǎn)物會(huì)與硅灰繼續(xù)發(fā)生二次水化反應(yīng)，生成C-S-H和C-A-H[21]，而RAC-10則因?yàn)橛檬廴〈糠炙嗌皾{后，水泥、硅灰的用量相對(duì)減少，因此，后期抗壓強(qiáng)度雖有提高，但二次水化的效果仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于RAC-0。

2.3 成本分析

由于再生粗骨料的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，使其在天然砂石資源急劇匱乏的情況下具有很好的應(yīng)用前景，然而再生粗骨料混凝土強(qiáng)度偏低一定程度上制約了它的結(jié)構(gòu)應(yīng)用層次。因此，需要摻入礦物摻合料以改善其力學(xué)機(jī)械性能。經(jīng)試驗(yàn)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(qiáng)度，還能產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益。石粉作為砂石開(kāi)采過(guò)程中的副產(chǎn)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(wèn)題，因此在提高混凝土綜合經(jīng)濟(jì)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(dāng)前的市場(chǎng)參考價(jià)。

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(dāng)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(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益。為了簡(jiǎn)化比較，計(jì)算了28 d齡期混凝土1 MPa抗壓強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的材料成本。結(jié)果表明，RAC-0單位強(qiáng)度成本為10.3元/MPa，而RAC-10的單位強(qiáng)度成本為9.5元/MPa，10%石粉的摻入可使單位抗壓強(qiáng)度節(jié)約0.8元/MPa。按高強(qiáng)再生混凝土的抗壓強(qiáng)度為60～70 MPa計(jì)算，則石粉取代10%的水泥砂漿可帶來(lái)48～56元/m3的經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)論

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

（2）石粉的填充效應(yīng)和成核效應(yīng)可有效改善界面過(guò)渡區(qū)結(jié)構(gòu)、提高基體強(qiáng)度，但石粉存在一個(gè)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(chǎn)物的形成提供大量成核位點(diǎn)，因此在提高再生混凝土早期強(qiáng)度方面具有明顯的促進(jìn)作用。

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