再生粗骨料對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響及改善措施

劉思哲 宋浩田 何銳 楊哲 武生權(quán)

(長(zhǎng)安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,陜西西安 710061)

再生粗骨料對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響及改善措施

劉思哲 宋浩田 何銳 楊哲 武生權(quán)

(長(zhǎng)安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,陜西西安 710061)

再生混凝土因性能穩(wěn)定性低于普通混凝土而一直無(wú)法得到廣泛運(yùn)用。為解決再生混凝土性能變異明顯等問(wèn)題,提高其力學(xué)強(qiáng)度,實(shí)現(xiàn)再生混凝土的質(zhì)量控制,通過(guò)添加工業(yè)廢渣或細(xì)纖維的方式,并根據(jù)坍落度、抗壓強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度等指標(biāo),對(duì)再生混凝土的物理力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)價(jià),同時(shí)探討再生混凝土的性能改善措施。結(jié)果表明:在再生粗骨料替代率較高的情況下,通過(guò)添加一定量的粉煤灰和細(xì)纖維可以有效提高再生混凝土的工作性以及密實(shí)度;同時(shí)在再生骨料替換率不超過(guò)20%時(shí),采用雙摻法可使再生混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度與普通混凝土相當(dāng)。

再生骨料 界面過(guò)渡區(qū) 微觀裂縫 力學(xué)性能

1 引言

表1 水泥的相關(guān)技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technological data of concrete

表2 粉煤灰的相關(guān)技術(shù)參數(shù)Tab.2 Technological data of fly ash

表3 粗骨料相關(guān)參數(shù)Tab. 3 Related data of coarse aggregate

表4 細(xì)骨料相關(guān)參數(shù)Tab.4 Related data of fine aggregate

表5 再生骨料相關(guān)參數(shù)Tab.5 Related data of recycled aggregate

表6 細(xì)纖維相關(guān)系數(shù)Tab.6 Related data of fine fiber

早在20世紀(jì)50年代,西方的一些國(guó)家就開始對(duì)廢舊混凝土進(jìn)行處理利用,直到20世紀(jì)70年代,在美國(guó)率先形成了對(duì)再生骨料的系統(tǒng)研究。早期的研究主要集中在如何處理廢舊混凝土,以及簡(jiǎn)單地評(píng)估其粒徑、力學(xué)特征以及耐久性等方面[1]。由于美國(guó)、英國(guó)、前蘇聯(lián)等國(guó)對(duì)廢舊混凝土碾磨制作的再生混凝土的研究顯示出矛盾的結(jié)果,即一部分學(xué)者如Soshiroda T．認(rèn)為混凝土中添加再生骨料將使得混凝土喪失高達(dá)40%的力學(xué)強(qiáng)度[2],而另一部分學(xué)者如Rasheeduzzafar和Khan則認(rèn)為添加再生骨料對(duì)水泥混凝土的各項(xiàng)性能不會(huì)產(chǎn)生巨大影響,具有良好的工業(yè)利用潛能[3]。進(jìn)入21世紀(jì),研究人員在工業(yè)廢渣和建筑廢料等的再生應(yīng)用研究上取得了一系列具有實(shí)用價(jià)值的成果,但是無(wú)論是利用工業(yè)廢渣替換部分水泥,還是使用建筑廢料替代骨料,相關(guān)的研究只是從如何提高再生混凝土密實(shí)度的角度對(duì)混凝土質(zhì)量進(jìn)行提高,并未對(duì)再生骨料與新拌水泥砂漿之間的粘結(jié)這一問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)的研究。隨著微觀測(cè)試技術(shù)的發(fā)展,越來(lái)越多的研究人員認(rèn)為再生骨料與新拌砂漿的界面過(guò)渡區(qū)（ITZ）將是控制再生混凝土質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

表7 水泥混凝土配合比數(shù)據(jù)（kg/m3）Tab. 7 Related data of proportioning ratio(kg/m3)

表8 測(cè)試環(huán)境參數(shù)Tab. 8 Data of testing atmosphere

表9 坍落度測(cè)試結(jié)果Tab. 9 Results of slum test

圖1 粉煤灰微觀形貌Fig. 1 Microstructure of fly ash

圖2 再生混凝土坍落度Fig. 2 Slum of recycled concrete

圖3 水化初期塊狀混合物Fig. 3 Image of mixture during early hydration

圖4 兩種水泥水化方式[6]Fig. 4 Two different way of hydration

表10 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Tab. 10 Results of compressive strength test

鑒于此,本文利用天然骨料制作的原生混凝土（Conventional Concrete）與再生骨料混凝土作為對(duì)照,通過(guò)添加粉煤灰（Fly Ash）、細(xì)纖維（Fine Fiber）等方式,提高ITZ區(qū)域密實(shí)度并減緩該區(qū)域微觀裂縫的發(fā)展,以此達(dá)到提高再生混凝土密實(shí)度,阻滯因ITZ結(jié)構(gòu)產(chǎn)生微裂縫擴(kuò)展的目的;并通過(guò)抗壓強(qiáng)度與抗彎拉強(qiáng)度測(cè)試反映性能改善效果,對(duì)其改善機(jī)理進(jìn)行分析,在此基礎(chǔ)上提出改善再生混凝土質(zhì)量的制備參數(shù)。

2 試驗(yàn)方法與原材料

2.1 原材料

研究中所采用的水泥與粉煤灰的技術(shù)參數(shù)分別如表1和表2所示。粉煤灰的微觀形貌如圖1所示。

研究中所有試件使用的天然骨料為玄武巖,細(xì)骨料為潔凈河砂,粒徑在4．75mm以下。此外,本試驗(yàn)中所用到的再生骨料來(lái)自于原廢舊橋梁構(gòu)件,其設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C50。天然骨料以及再生骨料的相關(guān)性質(zhì)參數(shù)如表3～表5所示。

采用的細(xì)纖維為國(guó)產(chǎn)聚乙烯醇纖維,因其具有較高的強(qiáng)度和彈性模量,所以對(duì)阻滯裂縫的擴(kuò)展、提高混凝土的韌性具有良好的效果。其具體指標(biāo)如表6所示。

表11 抗彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab. 11 Results of flexural strength test

圖5 立方抗壓強(qiáng)度隨替換率的變化規(guī)律Fig. 5 The change of compressive strength with changing displacements ratio

圖6 抗彎拉試驗(yàn)設(shè)備示意圖Fig. 6 Equipment of flexural strength test

圖7 抗彎拉強(qiáng)度隨替換率的變化規(guī)律Fig. 7 The change of flexural strength with changing displacements ratio

圖8 替代率為20%的FA組試件Fig. 8 Specimen with 20% RA in FA group

2.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)共使用3組混凝土配比,除此以外還包含一組對(duì)照組（CC組）,CC組中,試件不添加再生骨料,同時(shí)也不采用任何改善混凝土性能的措施。

除對(duì)照組（CC組）以外,其他3種配合比因處理方法的不同而分為不添加粉煤灰與纖維的再生混凝土組（RC組）、添加粉煤灰組（FA組）以及添加粉煤灰與纖維組（FF組）。FA組中,粉煤灰不用于替代水泥等膠凝材料;而在FF組中,粉煤灰的摻加量不變,同時(shí)按照0．8kg/m3的用量對(duì)水泥混凝土的拌合物添加細(xì)纖維。在FF、FA與RC組中,由再生骨料摻量的不同將每組的試件分為10%、20%、30%、40%和50%等5種類型。同時(shí)在制備拌合物的過(guò)程中使用不同粒徑等量替換的方法對(duì)天然粗骨料進(jìn)行替換?？紤]到再生骨料具有較大的吸水率,本試驗(yàn)在上述配合比設(shè)計(jì)下添加聚羧酸系高性能減水劑（HRWRA）,以此來(lái)提高拌合物的工作性。詳細(xì)配合比如表7所示（在每組配比中,改變?cè)偕橇咸鎿Q量時(shí)其它材料用量不變）。

試件均采用大小為100mm×100mm×400mm與100mm×100mm×100mm金屬模件制備成型,成型24h后拆模,放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至28d齡期,然后進(jìn)行抗彎拉與抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。此外,本試驗(yàn)針對(duì)新拌拌合物的工作性進(jìn)行了坍落度測(cè)試。

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 新拌混凝土工作性能

作為評(píng)判新拌混凝土和易性的一項(xiàng)指標(biāo),良好的坍落度對(duì)于工程運(yùn)用具有重要意義。因此,通過(guò)不同配方下,拌合物不同坍落度的比較,可以反映出再生骨料對(duì)混凝土和易性的影響[4]。本試驗(yàn)在所有試件拌合完畢時(shí)均對(duì)坍落度進(jìn)行了測(cè)試,考慮到測(cè)試的外環(huán)境以及拌合方法對(duì)坍落度的測(cè)試具有明顯的影響,測(cè)試環(huán)境參數(shù)和坍落度測(cè)試結(jié)果如表8和表9所示。

由表9坍落度測(cè)試結(jié)果可以看出,隨著再生骨料的替換比例增大,坍落度下降明顯。坍落度最高值出現(xiàn)在FA組,這一結(jié)果主要來(lái)自于粉煤灰的微觀形態(tài)效應(yīng)。在微觀狀態(tài)下,粉煤灰呈現(xiàn)圓球狀（如圖1）,可以對(duì)新拌混凝土起到潤(rùn)滑作用,使得拌合物中各種顆粒間的流動(dòng)性增加。而對(duì)于FF組來(lái)說(shuō),在再生骨料替代率不超過(guò)40%時(shí),其拌合物坍落度均比FA組拌合小。考慮到其它組分保持一致,FF組拌合物中加入的細(xì)纖維對(duì)坍落度降低起主要作用。在拌合過(guò)程中,細(xì)纖維極易包裹拌合物中的骨料并發(fā)生纏繞,以此阻礙各組分之間的相互移動(dòng),使坍落度降低。此外,在骨料替代率達(dá)到40%后,FF組與FA組的坍落度相差不大,并且數(shù)值隨著替換率的提高趨于平穩(wěn)（如圖2所示）。這種現(xiàn)象來(lái)源于再生骨料在較高替換率下,已經(jīng)成為影響坍落度的主要因素。再生骨料表面形成的C-S-H不定型膠體使得再生骨料被覆蓋,在這種情況下拌合物種形成塊狀混合物（如圖3所示）,一方面阻止再生骨料繼續(xù)吸水進(jìn)一步降低坍落度,另一方面這種塊狀物因?yàn)榻佑|面積減少?gòu)亩鴾p少砂漿的潤(rùn)滑作用,因此坍落度趨于平衡。

根據(jù)圖2可以看出,當(dāng)替換率從20%到達(dá)30%時(shí),坍落度的下降程度最大,該結(jié)果與Patrick和Stephan所得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)吻合[5]。在上述兩人的研究中,當(dāng)替換率從20%變?yōu)?0%時(shí),坍落度下降了94%?？紤]到拌合時(shí)是先加入一部分水,則當(dāng)再生骨料替換率達(dá)到20%至30%時(shí),由于再生骨料的高吸水率,吸附在再生骨料表面進(jìn)行水化反應(yīng)的水泥顆粒比例明顯增多,此時(shí)包裹細(xì)骨料的水化產(chǎn)物越來(lái)越少,砂漿的流動(dòng)潤(rùn)滑作用減弱,因此坍落度損失最明顯。水化過(guò)程原理圖如圖4所示。

圖9 替代率為40%的FA組試件Fig. 9 Specimen with 40% RA in FA group

圖10 替代率為30%的FF組試件Fig. 10 Specimen with 30%RA in FF group

圖11 再生混凝土電鏡掃描微觀裂縫結(jié)構(gòu)[10]Fig. 11 Microstructure of recycled concrete

3.2 硬化混凝土力學(xué)性能

3.2.1 抗壓強(qiáng)度

抗壓強(qiáng)度是水泥混凝土最重要的力學(xué)性能,本試驗(yàn)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果如表10所示。

由表10可知,當(dāng)再生骨料替換率小于等于10%時(shí),其對(duì)于混凝土抗壓強(qiáng)度的影響不大;當(dāng)替換率逐步增長(zhǎng)時(shí),抗壓強(qiáng)度逐漸減小,RC組減小的速度最快（如圖5所示）。當(dāng)替換率達(dá)到50%時(shí),FF組的抗壓強(qiáng)度能夠達(dá)到CC組的80．4%,FA組的抗壓強(qiáng)度為CC組的70．2%,而RC組僅為CC組的59．6%。同時(shí)可以看到,當(dāng)替換率大于等于30%時(shí),各組的抗壓強(qiáng)度變化逐漸趨于穩(wěn)定,這與坍落度測(cè)試結(jié)果趨于一致?？梢?粉煤灰以及細(xì)纖維對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的綜合增益效果隨著再生骨料替代率的提高逐漸明顯[7]。

3.2.2 抗彎拉強(qiáng)度

本研究所采用抗彎拉強(qiáng)度測(cè)試裝置如圖6所示,抗彎拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如表11和圖7所示。

從表11和圖7可以看出,各組試件的彎拉強(qiáng)度都隨著再生骨料替代率的提高而逐步下降,但RC組的下降速度最快,FF組下降速度最慢。當(dāng)替換率為10%時(shí),FA組的彎拉強(qiáng)度和CC組基本一致,而FF組甚至高于CC組;當(dāng)替換率為50%時(shí),RC組彎拉強(qiáng)度為CC組的52．6%,FA組為CC組的82．5%,FF組為CC組的83．3%。說(shuō)明經(jīng)過(guò)合理的配比設(shè)計(jì),即使再生骨料替換率達(dá)到50%時(shí),再生骨料混凝土的彎拉強(qiáng)度仍能維持在較高水平。

在對(duì)破壞試件斷面的研究中發(fā)現(xiàn),隨著骨料替換率的增加,破壞截面逐漸變得粗糙,骨料與水泥漿之間的結(jié)合逐漸減弱,可以明顯看到骨料留下的凹槽,如圖8和圖9所示。所以隨著再生骨料替代率的提高,再生骨料混凝土的抗彎拉強(qiáng)度逐步下降。

相比較FA組的粗糙斷面,FF組的斷面則較為平整,找不到肉眼可以識(shí)別的孔隙,且斷面上沒(méi)有明顯的因骨料與砂漿脫粘而造成的凹面（如圖10所示）。斷面上的粗集料大部分被拉斷,表明了FF組的混凝土密實(shí)度比FA組試件高,其彎拉強(qiáng)度更高。國(guó)外研究人員對(duì)再生混凝土微觀結(jié)構(gòu)掃描電鏡結(jié)果的分析（如圖11中所示）發(fā)現(xiàn),在微觀結(jié)構(gòu)上,ITZ中分布著一定數(shù)量的初始微觀裂縫[8]。通過(guò)添加粉煤灰以后,一方面其本身可填充因再生骨料形態(tài)缺陷和高吸水率而形成的孔隙,另一方面也可與骨料中的活性物質(zhì)發(fā)生二次水化,有效地提高了密實(shí)度。此外,由于聚乙烯醇纖維具有良好的分散性、水中分散性好,因此可以較均勻地分布于微觀裂縫周圍,使裂縫的擴(kuò)展受到限制,這也是FF組中能夠出現(xiàn)抗彎拉強(qiáng)度較大值的原因。其次,從材料表界面的角度分析,聚乙烯醇纖維具有大量的親水基原子團(tuán)—OH,具有一定的表面活性特征[9]。因此分子鏈上親水基團(tuán)與水具有較強(qiáng)結(jié)合力,使分子鏈在水分子的運(yùn)動(dòng)下充分展開,均勻伸展于水泥顆粒的水化產(chǎn)物中,從而延緩裂縫的發(fā)展。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）隨著再生骨料替換率的增加,坍落度下降明顯,坍落度最高值出現(xiàn)在FA組;當(dāng)再生骨料替換率在20%～30%時(shí),由于再生骨料的高吸水率,吸附在再生骨料表面進(jìn)行水化反應(yīng)的水泥顆粒比例明顯增多,此時(shí)包裹細(xì)骨料的水化產(chǎn)物越來(lái)越少,砂漿的流動(dòng)潤(rùn)滑作用減弱,因此坍落度損失最明顯。

（2）采用雙摻法同時(shí)摻入粉煤灰和細(xì)纖維可使再生混凝土的力學(xué)強(qiáng)度保持在較高水平,并且其綜合增益效果隨著再生骨料替代率的提高逐漸明顯;當(dāng)替換率達(dá)到50%時(shí),FF組的抗壓強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度分別能夠達(dá)到CC組的80．4%和83．3%。

（3）隨著骨料替換率的增加,破壞截面逐漸變得粗糙,骨料與水泥漿之間的結(jié)合逐漸減弱,可以明顯看到骨料與基體脫粘后留下的凹槽;同時(shí)摻入粉煤灰和細(xì)纖維后,試件斷面較為平整,斷面上沒(méi)有明顯的因骨料與基體脫粘而造成的凹面,主要是由于粉煤灰的活性效應(yīng)和纖維的橋聯(lián)增韌綜合作用所導(dǎo)致。

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Recycled Concrete have not been utilized widely so far because of its low qualities in most of standard experiments. To improve the poor stability of qualities of recycled concrete and control the quality of the concrete as much as possible, this experiment evaluated the mechanical performances and slump of the recycled concrete equipped with fly ash and fine fabric. Meanwhile, the experiment discussing the process which can control the quality of concrete proposed some advisable suggestion for construction using recycled concrete. The experimental results indicates that recycled concrete’s workability and density can be improved effectively when concrete mixed with quantitative fly ash and fine fibers. Meanwhile, when the replacement ration is less than 20%, the incorporation of fly ash and fine fiber can make the compressive and flexural strength of recycled concrete be at the same level of conventional concrete.

recycled aggregate interfacial transition zone microcosmic crack mechanical property

高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金博導(dǎo)類資助課題（20130205110013）,長(zhǎng)安大學(xué)中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(2014G1311081,2013G2312021)。

劉思哲(1993—),男,湖南邵陽(yáng)人,本科,長(zhǎng)安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,主要從事先進(jìn)水泥基復(fù)合材料方面的研究。