丁華柱，申隱杰，都增延，楊小寶，白垚，陳浩

（1 成都建工第三建筑工程有限公司，四川成都 610023；2 重慶市綦江區(qū)朝野混凝土有限公司，重慶 401420；3 南寧市華騰混凝土有限公司，廣西南寧 530044；4 重慶建工建材物流有限公司，重慶 401122；5 保定市興豐建筑混凝土有限公司，河北保定 072550；6 中交第四公路工程局有限公司，北京 100176）

0 引言

再生骨料(RCA)是指將建筑物拆除、路面翻修、混凝土生產(chǎn)、工程施工或其它狀況下產(chǎn)生的廢混凝土塊經(jīng)過破碎、清洗和分級(jí)等一系列加工后，按照一定比例混合得到的骨料。再生骨料混凝土簡(jiǎn)稱再生混凝土（RAC），是指將廢棄混凝土塊經(jīng)過破碎、清洗與分級(jí)后，按一定比例混合得到再生骨料，部分或全部替代砂石等天然骨料配制而成的一種新型混凝土[1]。

在混凝土工程中，利用再生骨料代替天然骨料（NCA），不僅可以減少天然骨料的開采，節(jié)約成本，還可減少固體廢棄物的產(chǎn)生，保護(hù)環(huán)境。當(dāng)利用廢棄混凝土作為水泥原料時(shí)，不僅能夠節(jié)約天然石材，還可以節(jié)約黏土和鐵礦資源。廢棄混凝土再利用符合我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的基本要求和構(gòu)建和諧社會(huì)的發(fā)展方向[2]，再生混凝土是一種可持續(xù)發(fā)展的綠色混凝土。

傳統(tǒng)建筑垃圾制砂機(jī)存在可控性差、易造成骨料內(nèi)傷等缺點(diǎn)，導(dǎo)致再生粗骨料改性存在缺陷，同時(shí)帶來再生混凝土應(yīng)用領(lǐng)域較窄等問題。針對(duì)目前再生粗骨料物理及化學(xué)強(qiáng)化方面的缺陷，通過改變?cè)偕止橇匣炷林心z凝材料體系及外加劑技術(shù)，提高再生粗骨料與砂漿界面過渡區(qū)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)再生粗骨料高品質(zhì)提升。

在再生骨料的改性中，硅灰、粉煤灰及礦渣粉具有高火山灰活性，有利于提高再生骨料混凝土的性能。納米二氧化硅、納米石灰石等納米顆粒的加入增強(qiáng)了再生骨料混凝土的微觀結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度。與火山灰材料一樣，偏高嶺土具有巨大的經(jīng)濟(jì)和質(zhì)量控制優(yōu)勢(shì)，已被許多研究者成功用于部分替代水泥，以提高再生骨料混凝土的性能[3]。偏高嶺土（MK）是由高嶺土在650℃~800℃的溫度下煅燒而成的一種活性高的鋁硅酸鹽基礦物摻合料，其含有較多的細(xì)粒度非晶態(tài)二氧化硅顆粒，具有較高的火山灰活性。偏高嶺土在混凝土中的有利作用是火山灰作用、加速水泥水化和填充作用。偏高嶺土代替部分水泥摻入混凝土，可消耗水泥水化生成的Ca(OH)2，通過形成額外的C-S-H凝膠來改善混凝土的性能。偏高嶺土顆粒加速了水泥的水化過程，混凝土早期強(qiáng)度顯著提高。此外，偏高嶺土顆粒填充水泥顆粒之間的空間，細(xì)化孔隙，使混凝土變得更加密實(shí)，抵抗外界環(huán)境中的有害物質(zhì)進(jìn)入，使氯離子擴(kuò)散、碳化深度、硫酸鹽侵蝕下降[4]。

綜上所述，本文旨在評(píng)價(jià)不同摻量的偏高嶺土和再生骨料的混凝土的力學(xué)性能、抗硫酸鹽侵蝕性能、抗碳化性能和抗氯離子滲透性能。此外，確定偏高嶺土在再生骨料混凝土中的強(qiáng)度和耐久性方面的最佳摻量，并對(duì)所選性能最佳的樣品進(jìn)行X射線衍射（XRD）分析，促進(jìn)其在工程施工中推廣應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)分析

1.1 原材料

水泥：南特水泥P.O 42.5R水泥，3d抗折強(qiáng)度為6.9MPa，抗壓強(qiáng)度為30.5MPa；28d抗折強(qiáng)度為8.8MPa，抗壓強(qiáng)度為51.7MPa；其它技術(shù)性能指標(biāo)符合現(xiàn)行規(guī)范要求。

細(xì)骨料：天然中砂，細(xì)度模數(shù)為2.9，含泥量為0.9%，其它技術(shù)性能指標(biāo)符合現(xiàn)行規(guī)范要求。

再生骨料：市政拆遷再生骨料，壓碎指標(biāo)19.6%，吸水率5.2%，其它技術(shù)性能指標(biāo)符合現(xiàn)行規(guī)范要求。

偏高嶺土來自開封奇明耐火材料有限公司，細(xì)度（比表面積）為437m2/kg，密度為2.43g/cm3。其化學(xué)組成如表1所示。

表1 偏高嶺土的化學(xué)組成（wt%）

1.2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)采用單因素方法，再生骨料取代天然粗骨料（NCA）的質(zhì)量百分比分別是0、50%、100%，偏高嶺土取代水泥的比例分別是0、5%、10%、15%、20%，制備的11種混凝土配合比如表2所示。

表2 混凝土配合比

1.3 測(cè)試方法

力學(xué)性能：按《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081—2019）、《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082—2009）測(cè)定試件抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度及抗凍性能。

抗硫酸鹽侵蝕性能：試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28d后浸泡在5%濃度的硫酸鹽溶液中。測(cè)試28d和90d后的重量損失和抗壓強(qiáng)度損失。

抗碳化性能試驗(yàn)：在試驗(yàn)齡期，將混凝土打碎，噴以1%濃度的酚酞溶液,由于Ca(OH)2的存在，混凝土的非碳化部分呈堿性，變成紫紅色，而碳化部分保留了原來的灰色。從混凝土表面測(cè)得的顏色變化邊界的深度為碳化深度。

抗氯離子滲透性能試驗(yàn)[5]：在進(jìn)行測(cè)試之前，混凝土的四周都涂上環(huán)氧樹脂，然后將其浸泡在相當(dāng)于海水濃度（約為3.5%）的NaCl溶液中，分別浸泡28d和90d。然后，對(duì)試樣進(jìn)行劈裂，并噴入0.1mol/L濃度的硝酸銀溶液。通過從立方體的兩個(gè)側(cè)面測(cè)量的氯離子滲透深度的平均讀數(shù)來表示。

X射線衍射（XRD）：日本理學(xué)公司生產(chǎn)的X射線衍射儀，其型號(hào)為RigakuD/max-2500 X，Cu靶工作參數(shù)為工作功率3kW、步長(zhǎng)0.02，掃描速度2.000(d·min-1)，掃描范圍5°~70°。將樣品置于真空干燥箱中，在60℃下烘干至恒重，破碎、研磨、過篩。

掃描電鏡采用TESCAN VEGA2可變真空掃描電鏡。掃描電鏡分析的樣品制作方法為將試件按照規(guī)定方法養(yǎng)護(hù)后破碎，對(duì)破碎后的樣品浸泡無水乙醇終止水化，用60℃的干燥箱烘至恒重，斷面上噴金備用。試驗(yàn)通過SEM觀察了樣品水化后的微觀形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

測(cè)定不同摻量再生骨料和偏高嶺土制備的混凝土試件28d抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。從圖1中可以看出，用再生骨料替代天然粗骨料后，抗壓強(qiáng)度顯著降低，再生骨料取代率為50%和100%的混凝土在28d時(shí)的抗壓強(qiáng)度分別比對(duì)照組下降13.7%和21.3%?？箟簭?qiáng)度的降低是由于再生骨料表面疏松多孔砂漿的存在,減少了界面處骨料與水泥漿體之間的粘結(jié)。因此，在再生骨料混凝土內(nèi)部形成了幾個(gè)軟弱區(qū)，當(dāng)受到內(nèi)應(yīng)力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度降低。

圖1 不同摻量再生骨料和偏高嶺土的混凝土28d抗壓強(qiáng)度

2.2 劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

測(cè)定不同摻量再生骨料和偏高嶺土制備的混凝土試件28d劈裂抗拉強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。RM50-0和RM100-0的劈裂抗拉強(qiáng)度分別比RM0-0下降9.8%和15.2%，強(qiáng)度降低可能是更高孔隙率造成的。此外，由于不斷加工和處理，再生骨料更加光滑，機(jī)械咬合作用降低，減少了骨料-漿體的粘結(jié)，導(dǎo)致劈裂抗拉強(qiáng)度的降低。

圖2 不同摻量再生骨料和偏高嶺土的混凝土28d劈裂抗拉強(qiáng)度

偏高嶺土摻入再生骨料混凝土對(duì)提高兩種再生骨料混凝土的28d劈裂抗拉強(qiáng)度有較大影響。從圖2可以明顯看出，RM50-5、RM50-10、RM50-15和RM50-20對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的增強(qiáng)幅度在RM50-0的3.8~8.5%之間，而RM100-5、RM100-10、RM100-15和RM100-20對(duì)RM100-0的增強(qiáng)幅度在5.0%~15.7%之間。與抗壓強(qiáng)度一樣，偏高嶺土摻量為15%時(shí)，取代率為50%和100%的再生骨料混凝土的強(qiáng)度增強(qiáng)均達(dá)到最大值。偏高嶺土的加入降低了再生骨料混凝土的孔隙率，增強(qiáng)了ITZ的微觀結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了水泥漿體與再生骨料的粘結(jié)[6]。

圖3為使用了偏高嶺土制備的混凝土的微觀圖片。未使用偏高嶺土的混凝土強(qiáng)度降低，從圖3中可以看出，其表面存在松散的多孔砂漿,附著的砂漿會(huì)降低再生混凝土的密實(shí)度，并減少骨料和水泥漿之間的粘結(jié)。偏高嶺土較細(xì)顆粒的孔隙填充能力更好，減少了界面處的空隙，使水泥石更加致密，所以力學(xué)性能提高。

圖3 偏高嶺土制備混凝土的微觀圖片(右為未添加)

而在水化產(chǎn)物中，對(duì)偏高嶺土制備的混凝土水化產(chǎn)物進(jìn)行 XRD 測(cè)試，結(jié)果如圖4所示。對(duì)于摻入偏高嶺土的再生骨料混凝土(RM100-15)，結(jié)晶氫氧化鈣（波特蘭石）的峰值降低，表明水泥漿中氫氧化鈣的形成速率降低。氫氧化鈣峰值的減少表明在形成C-S-H凝膠過程中，偏高嶺土的火山灰反應(yīng)消耗了氫氧化鈣。此外，摻入偏高嶺土的再生骨料混凝土的C-A-H弱峰略有增加。

圖4 偏高嶺土制備混凝土的XRD圖譜

2.3 抗硫酸鹽侵蝕的影響

圖5為硫酸鹽侵蝕導(dǎo)致的強(qiáng)度損失。混凝土在硫酸鈉溶液中浸泡28d和90d，強(qiáng)度損失分別為3.2%和5.2%，再生骨料的摻入大大降低了混凝土的性能。RM50-0和RM100-0的28d強(qiáng)度損失分別為2.8%和2.6%，90d強(qiáng)度損失分別為9.1%和10.0%。結(jié)果表明，再生骨料混凝土在其結(jié)構(gòu)中具有較多相互連接的孔隙，硫酸鈉溶液更容易進(jìn)入混凝土內(nèi)部，導(dǎo)致硫酸鹽侵蝕，與氫氧化鈣反應(yīng)生成硫酸鈣（石膏），硫酸鈣進(jìn)一步與混凝土中的鋁酸鈣反應(yīng)生成硫鋁酸鈣，硫鋁酸鈣的膨脹降低混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的凝聚力，從而導(dǎo)致強(qiáng)度降低。偏高嶺土的摻入顯著提高了抗硫酸鹽侵蝕能力。RM50-5、RM50-10、RM50-15和RM50-20置于硫酸鈉溶液28d強(qiáng)度損失分別為3.0%、3.1%、3.2%和3.0%，90d強(qiáng)度損失分別為9.1%、7.4%、6.6%和5.2%。同樣，置于硫酸鈉溶液28d后，RM100-5、RM100-10、RM100-15和RM100-20的強(qiáng)度損失分別為2.7%、2.9%、3.0%和2.8%，浸泡90d后，與對(duì)照組相比，強(qiáng)度損失分別為15.0%、23.0%、41.0%和38.0%?？梢悦黠@看出，偏高嶺土摻入再生骨料的混凝土具有較好的抗硫酸鹽侵蝕性能，偏高嶺土替代15%時(shí)混凝土強(qiáng)度損失最小。在所有混凝土中，RM50-15的強(qiáng)度損失最小，而RM100-15的強(qiáng)度損失與對(duì)照組相當(dāng)。偏高嶺土的火山灰反應(yīng)消耗了最脆弱的水化產(chǎn)物氫氧化鈣，導(dǎo)致可用于硫酸鹽腐蝕的氫氧化鈣數(shù)量減少，從而降低了強(qiáng)度損失[7]。

圖5 硫酸鹽侵蝕引起的混凝土強(qiáng)度損失

由硫酸鹽腐蝕引起的重量損失如圖6所示。對(duì)照組混凝土(RM0-0)浸泡于硫酸鹽溶液28d和90d的質(zhì)量損失分別為2.1%和2.3%。摻加再生骨料對(duì)混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能影響最大，質(zhì)量損失較大。RM50-0和RM100-0浸泡28d的質(zhì)量損失分別為2.5%和2.2%，浸泡90d的質(zhì)量損失分別為2.8%和3.1%。這是因?yàn)樵偕橇匣炷劣懈嗫紫叮蛩岣x子可以很容易進(jìn)入混凝土，侵蝕氫氧化鈣和其他水化產(chǎn)物，將這些物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可溶性物質(zhì)。摻入偏高嶺土后的再生骨料混凝土體系的抗硫酸鹽侵蝕性能顯著提高。RM50-5、RM50-10、RM50-15和RM50-20的質(zhì)量損失低于不加偏高嶺土的再生骨料混凝土，浸泡28d后分別為2.8%、2.7%、2.3%和2.4%，浸泡90d后分別為2.8%、2.6%、2.4%和2.3%。RM100-5、RM100-10、RM100-15和RM100-20在浸泡28d后的質(zhì)量損失分別為2.6%、2.4%、2.1%和2.4%，浸泡90d后的質(zhì)量損失分別為2.9%、2.6%、2.2%和2.5%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，偏高嶺土摻入含再生骨料的混凝土在硫酸鹽環(huán)境下表現(xiàn)出較好的性能，當(dāng)偏高嶺土摻量為15%時(shí)，質(zhì)量損失最小。與對(duì)照組混凝土（RM0-0）相比，RM50-15的質(zhì)量損失較小。偏高嶺土的摻入使混凝土中氫氧化鈣含量減少，使混凝土更加致密，從而阻礙了硫酸鹽溶液滲入混凝土，減小了硫酸鹽溶液對(duì)混凝土試件的劣化影響。

圖6 硫酸鹽侵蝕引起的混凝土質(zhì)量損失

2.4 抗碳化性能

經(jīng)過28d和90d齡期后，對(duì)混凝土碳化深度進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖7所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，混凝土碳化深度隨再生骨料摻量增加而增加。由圖7可知，對(duì)照組（RM0-0）28d和90d的碳化深度分別為4.0mm和4.5mm，而RM50-0對(duì)應(yīng)的碳化深度分別為5.0mm和5.5mm，RM100-0碳化深度最顯著，經(jīng)過28d和90d后，其碳化深度分別比RM0-0增加了約25.0%和22.2%。與其他耐久性一樣，偏高嶺土摻入再生骨料混凝土中，提高了再生骨料混凝土的抗碳化性能。摻入100%再生骨料和相同數(shù)量偏高嶺土(RM100-5、RM100-10、RM100-15和RM100-20)的混凝土，28d后碳化深度分別減少0、0、25.0%和25.0%，90d后碳化深度均減少10.0%。當(dāng)偏高嶺土摻入量為15%時(shí)，再生骨料混凝土的抗碳化性能最佳。

圖7 不同混凝土配合比碳化深度的變化

偏高嶺土對(duì)碳化深度性能的改善主要有兩個(gè)原因：（1）采用偏高嶺土取代水泥，其火山灰和填充效應(yīng)能夠優(yōu)化孔隙，減少二氧化碳進(jìn)入混凝土內(nèi)部；（2）在初始齡期，水泥水化速率和火山灰反應(yīng)速率都較快，從而降低了二氧化碳擴(kuò)散[8]的速率。然而，使用較高的偏高嶺土摻量（即20%）并不能有效降低再生骨料混凝土的碳化深度，原因可能是偏高嶺土替代水泥的量較大時(shí)，可用于與偏高嶺土發(fā)生火山灰反應(yīng)的水化產(chǎn)物中氫氧化鈣的含量減少，導(dǎo)致水化產(chǎn)物（C-S-H凝膠）數(shù)量減少，微觀結(jié)構(gòu)不致密；同時(shí)，偏高嶺土的填充不足以改善由于氫氧化鈣缺乏而導(dǎo)致抗碳化性能下降的負(fù)面影響[9]。

2.5 抗氯離子滲透性能

混凝土的抗氯離子滲透性能根據(jù)氯離子滲透深度[9]進(jìn)行評(píng)估,結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，用再生骨料替代天然粗骨料可使氯離子滲透深度顯著增加。對(duì)照組（RM0-0）在氯離子溶液中浸泡28d和90d，氯離子滲透深度分別為15mm和17mm。相對(duì)于RM0-0, RM100-0在28d和90d時(shí)的氯離子滲透深度分別高出14%和16.5%。

圖8 不同混凝土混合料的氯離子滲透深度

隨著再生粗骨料取代率的增加，混凝土的抗氯離子滲透能力在所有浸水期均呈下降趨勢(shì)。這可能是再生骨料周圍殘留的砂漿中存在相互連通的孔隙，因此再生骨料混凝土相對(duì)于天然粗骨料混凝土（NAC）更具滲透性。這些孔隙使氯離子容易擴(kuò)散到混凝土中，最終增加氯離子的滲透深度。隨著偏高嶺土摻量增加，各齡期再生骨料混凝土的抗氯離子滲透能力逐漸增強(qiáng)。摻入5%~20%偏高嶺土和50%再生骨料的混凝土，抗氯離子滲透性能得到明顯提高。在同樣環(huán)境下，15%偏高嶺土替代水泥降低幅度最大，28d和90d氯離子滲透深度分別降低了32.6%和31.3%。同樣，相同摻量的偏高嶺土和100%再生骨料，其氯離子滲透深度分別降低31.0%和28.8%。結(jié)果表明，偏高嶺土替代率為15%時(shí)，偏高嶺土對(duì)提高抗氯離子滲透性能的效果最好。可能的原因是偏高嶺土顆粒在再生骨料混凝土內(nèi)部的孔洞堵塞作用，使孔洞不連續(xù)，阻礙了氯離子的擴(kuò)散。此外，偏高嶺土生成大量C-S-H凝膠提高微觀結(jié)構(gòu)密實(shí)度，減少氯離子的進(jìn)入，從而降低了氯離子的滲透深度。而使用較高摻量的偏高嶺土（20%）不利于提高再生骨料混凝土的抗氯離子滲透性能。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)摻入不同量偏高嶺土的再生骨料混凝土的力學(xué)性能和耐久性進(jìn)行了詳細(xì)而系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究。研究的主要目的是利用偏高嶺土來提高混凝土質(zhì)量，并利用偏高嶺土和再生骨料來生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的混凝土。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，得出以下結(jié)論：

（1）在混凝土中使用再生骨料會(huì)降低混凝土的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)再生骨料取代率為100%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最大降低約21.3%。當(dāng)偏高嶺土摻量達(dá)到15%時(shí)，抗壓強(qiáng)度可提升15%，有效地消除了再生骨料的負(fù)面影響；

（2）隨著再生骨料摻量的增加，混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度均顯著降低。然而，在再生骨料混凝土中摻入偏高嶺土后，上述性能得到了顯著改善，其中在偏高嶺土摻量為15%時(shí)改善效果最好；

（3）再生粗骨料混凝土的碳化深度和氯離子滲透深度明顯高于天然粗骨料混凝土。在100%再生骨料條件下，90d碳化深度和氯離子滲透深度分別增加了22.2%和16.5%。摻入15%偏高嶺土，通過細(xì)化孔洞和阻止毛細(xì)管孔隙的連續(xù)性，有效地提高了再生骨料混凝土的抗碳化和抗氯離子滲透能力；

（4）5%~20%偏高嶺土的使用改善了再生骨料混凝土的力學(xué)性能和耐久性，但在本研究范圍內(nèi)的所有性能中，均觀察到在15%偏高嶺土替代水平下的性能最佳。較高摻量的偏高嶺土（20%）對(duì)再生骨料混凝土性能改善并不有效。因此，從經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的角度來看，在實(shí)際工程中，摻入15%偏高嶺土和100%再生骨料可以最大限度地利用廢棄混凝土，從而方便生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的混凝土。