高強度再生骨料混凝土性能優(yōu)化研究

王圣怡

(1.上海建工集團股份有限公司,上海 200080；2.上海高大結構高性能混凝土工程技術研究中心,上海 201114)

1 高強再生混凝土的研究背景

伴隨著我國城市建設的發(fā)展,我國城市建筑垃圾的規(guī)模也不斷增大。城市垃圾的不斷產(chǎn)生影響城市生態(tài),污染了城市環(huán)境,成為了每座城市面臨的重大挑戰(zhàn)。消極的填埋模式并不可取,因此,將這些垃圾處理后再利用才能真正緩解城市垃圾圍城的巨大壓力。建筑垃圾的主要成分是建筑拆、改建的混凝土,目前,將這些混凝土分揀、破碎、篩分、清洗后制得再生骨料重新用于混凝土生產(chǎn)是實現(xiàn)廢棄混凝土高效綜合利用的有效途徑。但在現(xiàn)階段,受生產(chǎn)工藝、破碎工藝、分揀、清洗技術等因素限制,骨料生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的再生骨料普遍強度較差,吸水量高,這導致采用再生骨料配制的再生混凝土通常強度較差,流動性差,坍落度損失大。這些不利因素嚴重限制了再生混凝土的生產(chǎn)和發(fā)展。通常來說,利用再生骨料配制的再生混凝土在工程上只用于回填標高、道路墊層等低強度、非結構承重場合。

現(xiàn)階段,工程上應用C50以上強度等級混凝土的場合越來越多,為適應工程發(fā)展需要,利用再生骨料配制C50以上強度等級混凝土已勢在必行。[1]再生骨料不同于天然骨料,其表面通常附著有大量惰性微粉,老舊砂漿,同時,由于再生骨料通常采用機械力破碎方法生產(chǎn),其顆粒不規(guī)整,針片狀顆粒較多,而且其中的天然骨料基體也會不可避免地出現(xiàn)裂紋等機械損傷。這些原因都造成了再生骨料吸水量大、雜質干擾多、壓碎指標大,因此,沿用原商品高強混凝土的配制方法,很難配制出工作性能和力學性能俱佳的高強再生混凝土。

目前,研究人員在推進再生混凝土高強化方面展開了許多研究,主要有以下兩個方向。一是對再生粗骨料進行改性強化。其主要方法是對再生骨料表面進行改性處理,分為化學方法和物理方法：物理方法效果較好的是加熱研磨法[2],化學方法有以下幾種：CO2保護處理[3],有機或無機溶液覆層[4],納米漿液處理[5],另一個方向主要是優(yōu)化提高新拌水泥砂漿的性能,使其具備更佳的流動性能,這主要通過添加適當?shù)幕瘜W外加劑和無機礦物摻合料來實現(xiàn)。[6]水泥水化后的主要產(chǎn)物是水化硅酸鈣凝膠,研究表明其尺寸在納米級范圍,本研究中對再生骨料進行強化即應用自研的水化硅酸鈣凝膠溶液對再生骨料進行改性強化。利用水化硅酸鈣凝膠材料對再生粗骨料進行處理后,其作用主要在于,一是其能填充再生骨料上的細微缺陷和微裂紋,二是水化硅酸鈣凝膠溶液是納米材料,其能夠有效改善再生混凝土界面過渡區(qū)的結構,提高其強度。[7]另外,本論文還研究了新型混凝土降粘劑對再生混凝土性能的影響。

2 實驗

2.1. 原材料

實驗采用的再生骨料為再生骨料廠采用鄂破方式生產(chǎn)的5-16mm連續(xù)粒級再生骨料,其性能指標符合國標《混凝土用再生粗骨料》(GB/T25177-2010)要求,外觀形狀如下圖1所展示,性能指標如下表1所示；采用的天然骨料為符合國標《建筑用卵石、碎石》(GB/T14685-2011)規(guī)定的5-25mm連續(xù)粒級天然骨料。實驗采用的水泥為上海海螺明珠水泥有限公司生產(chǎn)的PⅡ52.5硅酸鹽水泥；礦粉為張家港恒昌新型建材有限公司生產(chǎn)的S95級礦粉；粉煤灰為上海杜云企業(yè)發(fā)展有限公司生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰。實驗所采用高效減水劑為上海申立化工廠生產(chǎn)的803型聚羧酸減水劑,混凝土減水率≥25%；降粘劑為巴斯夫公司生產(chǎn)的Rehoplus 416降粘劑；強化骨料所用納米凝膠溶液為自研水化硅酸鈣凝膠溶液,為白色凝膠狀物質,如下圖2所展示。

表1 5-16mm連續(xù)粒級再生骨料性能指標

微粉含量針片狀含量吸水率表觀密度(kg/m3)壓碎指標堆積密度(kg/m3)緊密密度(kg/m3)2.30%8%4.10%263010%14601620

2.2 實驗方案

實驗所采用高強再生骨料混凝土配合比如表2所示：

表2 高強再生骨料混凝土配合比表

*：上表中NA表示天然骨料；RA表示未經(jīng)處理的再生骨料；NRA表示納米凝膠溶液浸漬后晾干的再生骨料；WRA表示清水清洗后晾干的再生骨料。

經(jīng)納米凝膠溶液浸漬后的再生骨料需在干燥通風處晾干至表面完全無水分后方可使用,否則水化硅酸鈣溶液的吸水性能會導致再生混凝土缺乏流動性。經(jīng)晾干后的再生骨料表面有白色粉末附著,其外貌特征如下圖3所展示：

圖3 水化硅酸鈣凝膠溶液浸漬晾干后再生骨料

2.3 實驗流程

(1)根據(jù)實驗配合比,準確稱量實驗材料。將再生骨料、天然骨料、黃砂、水泥、礦粉、粉灰投入攪拌機預攪拌1-2min。

(2)重啟攪拌機,攪拌過程中緩慢加入拌合水、外加劑,繼續(xù)攪拌至混凝土攪拌均勻。

(3)立方體抗壓試件采用振動臺振動成型,試件尺寸為150mm×150mm×150mm。

(4)試件成型后,拆模靜置水養(yǎng)護3d,14d,28d。

(5)新拌混凝土工作性能按照GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行測試,硬化混凝土力學性能按照GB/T50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行測試。

3 結果分析

3.1 強化骨料與降粘劑對高強再生混凝土工作性能的影響

試驗各組高強再生混凝土基本工作性能如下表3所示：

表3 高強再生混凝土工作性能表

高強再生混凝土工作性能變化規(guī)律如下圖4所示：

圖4 高強再生混凝土工作性能

與普通高強混凝土相比,高強再生骨料混凝土的流動性除受制于高強混凝土配比因素,如水灰比,用水量等條件外,還受再生骨料特征的影響,再生骨料公認的空隙率大、吸水量大、含粉量高等特征都會對高強再生骨料混凝土的工作性能產(chǎn)生影響。

由上圖可以看出,5組試件均具有較高坍落度,這表示其流動性能均較好。單從坍落度數(shù)值上看,并沒有較大差別。但從現(xiàn)場操作的難易程度來看,加入了BASF 416降粘劑的第3組與第5組最易于鏟動,說明其粘度最低。應用了納米凝膠處理再生骨料NRA的第2組粘性則介于第1組空白樣與第3組、第5組之間。應用了清水清洗再生骨料WRA的第4組粘性與第2組類似。以上比較都基于制作試塊時操作的難易程度,而非科學指標,如需得到較為準確的流變學參數(shù)指標,需應用同軸流變儀等專業(yè)設備進行測量。另外,經(jīng)清洗后晾干的再生骨料制備的再生混凝土漿液包裹骨料的能力較差,容易離析,推測這與其含粉量下降較多有關。5組試件初始坍落度照片如下：

3.2 強化骨料與降粘劑對高強再生混凝土力學性能的影響

試驗各組高強再生混凝土基本力學性能如下表4所示：

表4 高強再生混凝土力學性能表

高強再生混凝土力學性能變化規(guī)律如下圖5所示：

圖5 高強再生混凝土力學性能

由以上數(shù)據(jù)可以看出,采用未經(jīng)處理的再生骨料制備的第1組再生混凝土28d強度最高。應用了BASF416降粘劑的第3組和第5組28d強度最低,這說明降粘劑影響了再生混凝土的最終強度。應用了凝膠處理再生骨料和清洗后再生骨料的第2組和第4組在28d強度都出現(xiàn)了倒縮,但它們在14d都表現(xiàn)出了較好的力學性能。分析原因,主要原因在于對再生骨料表面的清洗和浸泡去除了大量的惰性微粉,對再生骨料的界面過渡區(qū)強度起到了改善效果。而凝膠浸泡的一組更高于清水清洗的一組說明在其中,納米級的硅酸鈣凝膠顆粒起到了晶種的作用,促進了水泥水化的進程,對混凝土早期強度的提高也作出了貢獻。

4 結論

通過上述研究可以得出以下結論：

(1)對于高強再生骨料混凝土來說,由于其水膠比較低,同時再生骨料中也含有較多的微粉,因此用再生骨料制備的高強混凝土坍落度不大,同時粘性也較高。在其中加入適量的化學降粘劑和對再生骨料進行表面處理后,可有效降低高強再生骨料混凝土的粘性,從而提高其施工性能。簡單的用水清洗再生骨料表面可去除再生骨料附著微粉,但用其拌制的高強再生混凝土容易離析。

(2)在再生骨料取代率為30%的條件下,高強再生混凝土的強度都能滿足標準要求。用凝膠處理的再生骨料和用清水清洗的再生骨料早期強度較高,但后期強度倒縮,說明再生骨料的表面特征是影響高強再生混凝土早期強度的關鍵因素。化學降粘劑的加入雖然可以有效降低高強再生混凝土的粘度,但對高強再生混凝土的強度發(fā)展有不利影響,因此在實際工程中要慎用。

(3)綜上所述,在實際工程應用中,如需生產(chǎn)循環(huán)周期較短的建筑構件,如預應力混凝土管樁、高架橋面板等,可選用納米改性的高強再生骨料混凝土,其早期強度高,坍落度好,后期強度變化不大,完全能滿足工程要求。而在對混凝土工作性能要求較高的場合,如自密實混凝土等,則可在高強再生混凝土中摻入一定量的化學降粘劑,以提高其施工性能。

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