礦物摻和料對高性能再生混凝土力學性能的影響

陳 欣， 鄭建嵐

(1. 福州大學土木工程學院， 福建 福州　350116； 2. 福建省環(huán)保節(jié)能型高性能混凝土協(xié)同創(chuàng)新中心, 福建 福州　350116；3. 福建江夏學院工程學院， 福建 福州　350108)

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礦物摻和料對高性能再生混凝土力學性能的影響

陳 欣1, 2， 鄭建嵐2, 3

(1. 福州大學土木工程學院， 福建 福州350116； 2. 福建省環(huán)保節(jié)能型高性能混凝土協(xié)同創(chuàng)新中心, 福建 福州350116；3. 福建江夏學院工程學院， 福建 福州350108)

摘要：采用公路拆除后廢棄混凝土生產(chǎn)再生粗骨料并測試其性能指標， 用70%再生粗骨料取代率和凈漿裹石法配制高性能再生混凝土. 以礦物摻和料品種、 摻量為影響因素， 開展高性能再生混凝土力學性能試驗研究. 試驗結(jié)果表明， 高性能再生混凝土的流動性能隨著單摻粉煤灰或復摻粉煤灰與礦渣摻量的增大而變好， 但其彈性模量、 抗壓強度降低. 結(jié)合試驗成果和課題組此前試驗數(shù)據(jù)， 擬合出適用于高性能再生混凝土彈性模量的計算模型.

關(guān)鍵詞：高性能再生混凝土； 再生粗骨料； 工作性能； 抗壓強度； 彈性模量

0引言

我國建筑行業(yè)快速發(fā)展， 需要大批量拆除老舊建筑物， 據(jù)資料顯示， 我國每年產(chǎn)生的廢棄混凝土達1億多t[1]. 因此有效利用廢棄混凝土具有重要意義. 一些研究表明，再生粗骨料表面有老砂漿附著， 其吸水率、 表觀密度等指標不如天然粗骨料， 再生混凝土的力學性能較普通混凝土差[1]. 然而, 再生骨料的來源不同、 差異性大， 學者們對再生混凝土力學性能的研究結(jié)論存在差異. 侯永利、 Chen等[2-3]認為再生粗骨料的摻入會降低混凝土的抗壓強度和彈性模量； Lumbuchiya等[4]研究表明， 當再生粗骨料摻量小于30%時， 再生混凝土的立方體抗壓強度與普通混凝土相當， 并隨再生粗骨料取代率的增加， 其強度降低； 李雯霞等[5]試驗結(jié)果顯示， 當再生粗骨料取代率為30%和50%時， 其抗壓強度較普通混凝土反而有所增加； Kumar 、 王社良等[6-7]試驗研究表明， 摻入0%～25%的粉煤灰， 再生混凝土抗壓、 抗拉強度降低. 目前針對較大摻量礦物摻和料對高性能再生混凝土力學性能影響的研究還比較少. 本文以70%再生粗骨料取代率和凈漿裹石法拌制強度C30、 坍落度180～220 mm的高性能再生混凝土. 通過試驗， 研究30%～60%摻量的粉煤灰或礦渣對高性能再生混凝土其流動性、 彈性模量和抗壓強度的影響， 并結(jié)合課題組之前的研究數(shù)據(jù)， 擬合出適合于高性能再生混凝土的彈性模量預測模型.

1試驗設計

1.1試驗原材料

水泥： P.O.42.5； 粉煤灰： Ⅱ級粉煤灰； 礦渣： 產(chǎn)品等級S95， 比表面積410.7 m2·kg-1. 三種膠凝材料的化學成分(按質(zhì)量分數(shù)計)見表1.

表1　膠凝材料的化學成分

天然細骨料： 福建省閩江中砂， 細度模數(shù)2.26， 表觀密度為2 630 kg·m-3. 水： 自來水. 減水劑： TW-JS聚羧酸高效減水劑. 天然粗骨料： 花崗巖碎石， 其級配為5～20 mm.

再生粗骨料： 來自公路拆除后破碎的廢棄混凝土， 該道路為20世紀90年代初建成， 2011年7月拆除， 所用混凝土為舊標號200號， 以骨料粒徑5～20 mm為控制指標. 此種再生粗骨料的顆粒級配在《混凝土用再生粗骨料(GB/T 25177—2010)》[8]要求的范圍之內(nèi). 再生粗骨料粒形呈橢圓形狀， 粒形良好, 其與天然粗骨料的性能指標見表2， 結(jié)合文獻[8]標準有關(guān)規(guī)定， 對再生粗骨料各指標進行了類別劃分. 再生粗骨料的表觀密度比天然粗骨料低 4.4%， 其吸水率明顯提高， 10 min吸水率達24 h的80%， 24 h吸水率是天然粗骨料的12.2倍.

表2　再生粗骨料與天然粗骨料的重要性能指標對比

1.2試驗方法和配合比設計

試驗配合比設計方法參照《普通混凝土配合比設計規(guī)程(JGJ/T 55—2011)》[9]， 主要通過摻加高效減水劑和調(diào)整其他配合比參數(shù)來滿足其工作性能. 試驗配合比及其坍落度如表3所示.

凈漿裹石法的流程如圖1所示. 該方法從攪拌工藝的角度出發(fā)， 通過改變投料順序， 達到對再生粗骨料預處理的目的. 該方法操作簡便， 很容易應用于實際工程中.

表3　高性能再生混凝土配合比及其坍落度

注： NC代表普通混凝土； RAC代表再生混凝土， 再生粗骨料取代率均為70%； F代表粉煤灰； S代表礦渣. 字母后的數(shù)字表示礦物摻和料等質(zhì)量替代水泥的百分比. 減水劑摻量是其占膠凝材料總量的百分比， 以質(zhì)量分數(shù)計.

2試驗結(jié)果及分析

2.1高性能再生混凝土工作性能

混凝土的流動性以坍落度來表征. 高性能再生混凝土坍落度試驗參照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準(GB/T 50080—2002)》[10]標準進行. 試驗結(jié)果見表3. 通過調(diào)整減水劑摻量， 可以控制試驗各組高性能再生混凝土的坍落度在180～220 mm范圍內(nèi)， 以滿足高性能混凝土高流動性的要求. 由表3可見， 隨粉煤灰或礦渣摻量的增大， 減水劑摻量有所減小. 可見粉煤灰或礦渣在一定程度上有減水的作用.

2.2高性能再生混凝土抗壓強度

依據(jù)《普通混凝土力學性能試驗方法標準(GB/T 50081—2002)》[11]進行試驗， 立方體抗壓強度(fcu)采用150 mm×150 mm×150 mm試件， 軸心抗壓強度(fc)采用150 mm×150 mm×300 mm試件， 分別測試再生混凝土3、 7、 14、 28、 60 d的抗壓強度. 再生粗骨料取代率為70%的高性能再生混凝土立方體、 軸心抗壓強度見圖2.

由圖2可知， RAC各齡期抗壓強度明顯比NC的低. 與普通混凝土相比， 高性能再生混凝土立方體抗壓強度3、 7、 14、 28、 60 d時分別降低了16.1%、 10.6%、 12.8%、 12.9%、 10.8%， 降低幅度約為12%. 高性能再生混凝土軸心抗壓強度3、 7、 14、 28、 60 d時分別比普通混凝土降低了17.3%、 18.1%、 11.1%、 13.1%、 13.6%， 降低幅度在13%左右. 主要原因： 再生粗骨料表面含有一定量雜質(zhì)(如粉塵、 土、 舊砂漿等)， 一方面使得再生混凝土在承受壓力時應力易集中， 加劇其破壞. 另一方面導致再生混凝土界面粘結(jié)條件差， 界面過度區(qū)更加薄弱.

2.2.1單摻粉煤灰對高性能再生混凝土抗壓強度的影響

單摻粉煤灰對高性能再生混凝土立方體、 軸心抗壓強度的影響見圖3. 粉煤灰摻量為30%、 40%、 50%、 60%的高性能再生混凝土與未摻組RAC對比， 7 d時立方體抗壓強度分別下降了10.4%、 17.4%、 20.1%、 29.6%， 軸心抗壓強度則分別下降了12.7%、 20.2%、 28.6%、 36.9%； 28 d時立方體抗壓強度分別下降了10.5%、 16.9%、 24.8%、 30.2%， 軸心抗壓強度則分別下降了11.9%、 17.3%、 31.0%、 36.8%； 60 d時立方體抗壓強度分別下降了11.4%、 15.5%、 20.7%、 27.3%， 軸心抗壓強度則下降了9.9%、 18.6%、 26.3%、 32.0%. 可見， 摻入粉煤灰會一定程度上降低高性能再生混凝土的抗壓強度， 隨摻量增加， 降幅增大. 主要原因： 粉煤灰相對水泥其活性相對較弱且發(fā)揮較慢， 經(jīng)過一定時間后由于混凝土內(nèi)Ca(OH)2濃度的增加使得粉煤灰性能得到較好發(fā)揮， 故后期強度增長潛力較好， 如RAC-F60組3、 7、 14、 28 d、 60 d較RAC組的立方體抗壓強度分別下降46.2%、 36.7%、 29.6%、 30.2%、 27.3%， 下降幅度呈降低趨勢.

2.2.2復摻粉煤灰與礦渣對高性能再生混凝土抗壓強度的影響

復摻粉煤灰與礦渣對再生混凝土立方體、 軸心抗壓強度的影響見圖4.

隨著復摻總量的增加， 高性能再生混凝土的抗壓強度降低. 相比于未摻組RAC， 復摻總量為30%， 40%、 50%、 60%， 7 d時立方體抗壓強度分別下降了6.2%、 7.6%、 21.4%、 29.5%， 軸心抗壓強度則分別下降了9.5%、 12.1%、 19.8%、 23.6%； 28 d時立方體抗壓強度分別下降了5.8%、 12.2%、 17.8%、 22.1%， 軸心抗壓強度則下降了9.4%、 8.3%、 17.2%、 21.7%； 60 d時立方體抗壓強度下降了3.3%、 6.2%、 12.6%、 16.0%， 軸心抗壓強度則下降了5.6%、 9.1%、 14.0%、 16.9%.

圖5表示單、 復摻對高性能再生混凝土立方體抗壓強度的影響. 圖5表明， 礦物摻和料總量為30%、 40%、 50%、 60%的復摻組與同摻量單摻組相比， 28 d時， 再生混凝土立方體抗壓強度降低分別提高5.1%、 5.7%、 9.3%、 11.5%. 復摻組的立方體抗壓強度基本都是介于未摻礦物摻和料組和單摻粉煤灰組之間. 說明復摻粉煤灰與礦渣比單摻粉煤灰對高性能再生混凝土的抗壓性能更有利. 主要原因： 粉煤灰的活性比水泥和礦渣弱. 礦渣復摻后， 膠凝材料間作用互補， 使再生混凝土強度更高. 但礦渣的活性仍低于水泥， 因此復摻組抗壓強度不及未摻組.

2.3高性能再生混凝土彈性模量

2.3.1彈性模量試驗結(jié)果與分析

彈性模量是混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力分析及變形分析的重要指標. 依據(jù)《普通混凝土力學性能試驗方法標準(GB/T 50081—2002)》[11]進行試驗， 彈性模量試件采用150 mm×150 mm×300 mm 棱柱體. 高性能再生混凝土各齡期彈性模量見表4所示.

再生粗骨料取代率70%的高性能混凝土RAC與普通混凝土NC對比， 3、 7、 14、 28、 60 d的彈性模量分別降低了16.0%、 15.7%、 16.2%、 15.0%、 13.9%， 降低幅度約為15%. 主要原因： 再生粗骨料表面含有粉塵且包裹水泥砂漿， 這些雜質(zhì)在削弱新界面過渡區(qū)的同時， 也會使再生混凝土的漿體總量比普通混凝土多， 導致其彈性模量降低.

隨著粉煤灰摻量的增加， 再生混凝土彈性模量降低. 相較于未摻組RAC， 粉煤灰摻量為30%、 40%、 50%、 60%的再生混凝土的28 d彈性模量分別下降了12.6%、 18.1%、 30.1%、 36.3%. 可見50%、 60%大摻量粉煤灰會導致再生骨料混凝土彈性模量大幅度降低.

表4　高性能再生混凝土各齡期彈性模量

復摻礦渣后， 隨著復摻量的增加， 再生混凝土彈性模量呈下降趨勢. 相比于未摻組RAC， 復摻總量為30%、 40%、 50%、 60%的再生骨料混凝土的28d彈性模量分別下降了8.2%、 9.8%、 14.9%、 20.8%. 復摻組各齡期再生混凝土彈性模量均介于未加摻和料組與單摻粉煤灰組之間. 主要原因： 粉煤灰的摻入會增大漿體的有效水膠比， 混凝土中水泥石強度降低. 復摻后， 礦渣和粉煤灰效應互補， 得到比粉煤灰單摻更密實的再生混凝土.

2.3.2高性能再生混凝土彈性模量公式擬合

關(guān)于混凝土彈性模量的公式有許多， 各國的公式也有差異， 詳見表5.

表5　混凝土彈性模量公式

注：Ec為彈性模量， MPa；fcu為28 d抗壓強度， MPa；γc為混凝土密度， kg·m-3.

從各國彈性模量預測模型可以看出， 雖然預測公式不相同， 但彈性模量值都與28 d抗壓強度有密切關(guān)系. 根據(jù)試驗結(jié)果并結(jié)合課題組近幾年來對高性能再生混凝土彈性模量的研究成果[16-20]， 將這些數(shù)據(jù)與上述的各種預測模型進行對比， 見圖6所示.

可以看出， 我國規(guī)范GB 50010—2010[12]和肖建莊《再生混凝土》[1](recommend)給出的公式形式一樣， 只是對應的系數(shù)取值不同. 這二者主要針對普通混凝土， 與本文高性能再生混凝土彈模相差較多. 對于適用于高性能混凝土的公式(CEB-FIP)[15]， 它在數(shù)值上與試驗結(jié)果最為接近， 而美國國家公路與運輸協(xié)會(AASHTO)[13]提出經(jīng)驗公式的曲線形式與試驗值比較吻合. 因此， 以公式CEB-FIP和AASHTO為基礎(chǔ)， 擬定高性能再生混凝土彈性模量的公式形式為：

(1)

式中：a,b,c,d均為參數(shù)， 根據(jù)公式AASHTO將a定為0.5， 依據(jù)公式CEB-FIP將d定為常數(shù)10. 國外一般采用圓柱體試件測抗壓強度， 而我國多采用立方體試件， 考慮試件形狀與尺寸的差異， 將d取為12.5. 采用Origin軟件對參數(shù)b,c進行擬合. 預測模型見公式(2)， 擬合結(jié)果見圖7.

(2)

本文擬合模型中參數(shù)b=22 000, 恰好與歐洲國際混凝土委員會和國際預應力聯(lián)合會(CEB-FIP)提出公式的系數(shù)一致. 本文擬合模型能夠在一定程度上反映出高性能再生混凝土彈性模量與28 d立方體抗壓強度的關(guān)系， 公式(2)決定系數(shù)R2為0.83， 總體預測效果良好.

3結(jié)論

1) 與天然粗骨料相比， 再生粗骨料表觀密度低、 吸水速率大、 吸水率高， 24 h吸水率高達天然粗骨料的12.2倍. 建議配制高性能再生混凝土時可采用凈漿裹石法.

2) 粉煤灰或礦渣有一定的減水作用. 隨著單摻粉煤灰或復摻粉煤灰與礦渣摻量增加， 高性能再生混凝土的流動性提高.

3) 再生粗骨料取代率為70%時， 高性能再生混凝土的力學性能不如普通混凝土， 其抗壓強度與彈性模量的降幅分別為13%、 15%左右. 高性能再生混凝土的抗壓強度隨著單摻粉煤灰或復摻粉煤灰與礦渣摻量的增加而降低， 復摻組各齡期抗壓強度和彈性模量介于單摻粉煤灰組與未摻組之間.

4) 通過對高性能再生混凝土彈性模量試驗值與各預測模型值的對比分析， 參考CEB-FIP和AASHTO模型， 提出適合于高性能再生混凝土彈性模量的計算模型. 擬合模型能夠體現(xiàn)高性能再生混凝土28 d抗壓強度與彈性模量的關(guān)系， 預測效果良好.

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(責任編輯： 蔣培玉)

Influence of mineral admixture on the mechanical properties of high performance recycled concrete

CHEN Xin1, 2， ZHENG Jianlan2, 3

(1. College of Civil Engineering， Fuzhou University， Fuzhou， Fujian 350116， China；2. Coordinative Innovation Center for Environmentally Friendly and Energy Saving High Perform ance ConcreteFuzhou， Fujian 350116， China 3. School of Engineering，F(xiàn)ujian Jiangxia University, Fuzhou， Fujian 350116， China； )

Abstract:The abandoned concrete that was from dismantled road was used to produce the recycled coarse aggregate, and the basic properties of recycled coarse aggregate were tested. Based on 70% recycled coarse aggregate replacement ratio and pretreatment method of aggregates enveloped with cement, the influence of different kinds and content of mineral admixtures on the mechanical properties of the high-performance recycled concrete were investigated. The results show that with the increase of the content of fly ash or composite mixing fly ash and slag, the working performance of high-performance recycled concrete become better, but the compressive strength and elastic modulus decrease. Based on the test results and someone else’s data, the formulae to predict the elastic modulus of high-performance recycled concrete is proposed.

Keywords:high-performance recycled concrete; recycled coarse aggregate; working performance; compressive strength; elastic modulus

中圖分類號：TU528.53

文獻標識碼：A

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51278124)； 福建省自然科學基金資助項目(2014J01172)； 福建省發(fā)改委重點項目

通訊作者:鄭建嵐(1962-)， 教授， 主要從事高性能混凝土材料和結(jié)構(gòu)研究， jianlan@fzu.edu.cn

收稿日期:2015-01-22

文章編號：1000-2243(2016)02-0246-07

DOI:10.7631/issn.1000-2243.2016.02.0246