粉煤灰摻量和再生骨料替代率對再生混凝土強度影響研究

劉 婷，劉京紅，張仕樺，周雙雙，馬 凱

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，河北 保定 071001；2.天津城建大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300384；3.保定廣成建筑設(shè)計有限公司，河北 保定 071000；4.河北省雄安新區(qū)規(guī)劃建設(shè)工作領(lǐng)導(dǎo)小組辦化室，河北 石家莊 050000）

再生混凝土技術(shù)是利用廢棄混凝土塊、火電廠發(fā)電所產(chǎn)生的粉煤灰等工業(yè)廢料，把廢棄物變廢為寶再次加工制作成再生骨料，代替天然骨料制成再生混凝土，既能解決大量的建筑垃圾，挽救珍貴的耕地，同時也能在一定程度上節(jié)約天然石材和水泥，是提高建筑工業(yè)附加值和減少污染的必然途徑［1-3］。再生骨料的孔隙率大于普通天然骨料的孔隙率，并且內(nèi)部本身存在大量細小裂縫。而粉煤灰的活性成分可以填充水泥石的毛細孔使之密實，因此加入粉煤灰可以改進再生混凝土的力學(xué)性能。

近幾年很多研究人員對再生混凝土做了多方面的研究分析。研究結(jié)論均顯示了粉煤灰的摻入對普通混凝土力學(xué)性質(zhì)的影響［4-5］、粗骨料替代率對再生混凝土強度的影響以及再生混凝土應(yīng)用到實際工程中的可能性［6-7］。但是以往研究關(guān)于不同再生骨料替代率對再生混凝土影響規(guī)律的研究分析較少，本文研究不同摻量粉煤灰、不同再生粗骨料取代率下對再生混凝土強度的力學(xué)特性規(guī)律。

1 試驗材料及試驗內(nèi)容

1.1 再生粗骨料

再生粗骨料由于是經(jīng)過破碎機破碎產(chǎn)生的，因此在其內(nèi)部存在大量的微細裂紋，粗骨料表面會附著水泥砂漿，相比普通粗骨料，再生粗骨料的力學(xué)性能較低，下面從以下四方面的測定結(jié)果對二者進行分析。

（1）骨料顆粒級配

由表1可以得到，再生粗骨料的級配符合規(guī)范要求，可用于試驗研究。

表1 普通與再生粗骨料的級配表Table 1 Grading table for common and recycled coarse aggregates

（2）骨料堆積密度和表觀密度

根據(jù)表2，可以看出普通天然粗骨料和再生粗骨料的表觀密度均符合規(guī)范要求。

而再生粗骨料的孔隙率明顯比規(guī)范要求的高。原因主要是再生粗骨料的表面比普通天然粗骨料更粗糙，導(dǎo)致再生粗骨料的顆粒之間有大的間隙，因此再生粗骨料的堆積密度小于普通天然粗骨料的堆積密度。

表2 表觀密度和堆積密度Table 2 The apparent density and bulk density

（3）骨料壓碎指標(biāo)

由表3可以看出，再生粗骨料的壓碎指標(biāo)比普通天然粗骨料的壓碎指標(biāo)要高，造成此結(jié)果的主要因素是：粘附在再生粗骨料表面的水泥砂漿是軟弱顆粒，很容易被壓碎；再生粗骨料由于在用破碎機破碎過程中的壓力很大而使其內(nèi)部產(chǎn)生了一定的損傷。

表3 試驗粗骨料的粗壓碎指標(biāo)測量值Table 3 Measuring value of crushed coarse aggregate crushing index

圖1 壓碎指標(biāo)的測定Fig.1 Determination of crushing index

（4）骨料吸水率

由表4，可以看出再生粗骨料為普通天然粗骨料吸水率的11.4倍，因此不能按照拌和普通混凝土所需要的水量來確定其實際所需要的水量，在進行配合比設(shè)計時，應(yīng)添加額外的附加水，來提高新拌制再生混凝土的力學(xué)性質(zhì)。

表4 粗骨料的吸水率測定Table 4 Determination of water absorption of coarse aggregate

1.2 粉煤灰

粉煤灰本身所具有的活性成分可以填充水泥石的毛細孔，具有“玻璃微珠效應(yīng)”，摻入適當(dāng)?shù)姆勖夯铱梢允够炷翝{固體體積比增加，它的火山灰效應(yīng)還可以抵制冰凍所產(chǎn)生的孔隙，有利于拌制的混凝土流動。因此，粉煤灰的合理加入會對再生混凝土的耐久性能起到良好的作用。

本試驗所用到的粉煤灰來自保定市大唐保定熱電廠，其具體性能指標(biāo)如表5。

由表5可知，本實驗所用粉煤灰等級為Ⅱ級。

表5 粉煤灰的力學(xué)性能Table 5 Mechanical properties of fly ash

1.3 試驗過程

在該試驗中，本研究設(shè)計了2種類型的再生粗骨料替代率，分別為30%和50%，粉煤灰替代率設(shè)計了4種類型，分別為0%、10%、20%和30%。其試塊尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，試件共計72塊。

對所制作的試塊先進行回彈值測試（如圖2），再進行超聲聲速值測試（如圖3），最后進行抗壓強度值的測試（如圖4）。

圖2 回彈值測試Fig.2 Rebound valuetest

圖3 超聲聲速的測量Fig.3 Ultrasonic sound velocity test

圖4 試塊的破壞Fig.4 Broken of concrete

2 試驗結(jié)果分析

2.1 再生粗骨料替代率對強度的影響

將試驗數(shù)據(jù)進行分析，得到同粉煤灰摻量再生混凝土抗壓強度的平均值隨再生粗骨料替代率的發(fā)展趨勢，如圖5所示。

圖5 同粉煤灰摻量再生混凝土抗壓強度均值隨再生粗骨料替代率的發(fā)展情況Fig.5 Development of the average compressive strength of recycled concrete with fly ash and the replacement rate of recycled coarse aggregate

由圖5可以看出，隨著再生粗骨料替代率的增加再生混凝土試塊的抗壓強度降低。再生粗骨料具有許多缺點如孔隙率和吸水率較大，表觀密度和堆積密度較小，壓碎值指標(biāo)較低。根據(jù)實驗結(jié)果可知，再生粗骨料替代率超過30%，抗壓強度會隨之降低，因此建議粉煤灰再生混凝土的再生粗骨料替代率控制在30%以下。

2.2 相同再生粗骨料替代率

將試驗數(shù)據(jù)進行分析，得到同一再生粗骨料取代率混凝土實測回彈值、聲速值、抗壓強度值的平均值隨齡期的發(fā)展趨勢，如圖6、圖7和圖8所示。

圖6 回彈均值隨養(yǎng)護時間發(fā)展曲線Fig.6 Curve of rebound mean value developing with curing time

圖7 聲速均值隨養(yǎng)護時間發(fā)展曲線Fig.7 Curve of sound velocity average developing with curing time

圖8 抗壓強度均值隨養(yǎng)護時間發(fā)展曲線Fig.8 The average value of compressive strength with the development time of curing time

由圖6、圖7、圖8可以看出：4種粉煤灰替代率下，再生混凝土的回彈值、聲速值、抗壓強度值均隨著齡期的增長而增大，且其增長的大致趨向與普通混凝土的增長趨向相類似；并且再生混凝土試塊中未摻粉煤灰的回彈值、超聲聲速值、抗壓強度值的增幅均小于摻粉煤灰的，在齡期超過28 d以后尤其明顯；含10%粉煤灰試件的回彈值、超聲波聲速值和抗壓強度值均高于其他粉煤灰含量。粉煤灰的比表面積小，拌合物需水量較低，提高了混凝土的密實性；其次，粉煤灰的反應(yīng)緩慢，一般晚于水泥水化反應(yīng)，反應(yīng)過程在水泥孔隙中進行，進一步改善了混凝土的密實度；最后，粉煤灰的適當(dāng)加入對提高再生混凝土密實性是非常有效的。但是由于粉煤灰的水化速度小于水泥熟料，故摻加粉煤灰后混凝土的早期強度低，且粉煤灰摻量越高早期強度越低。同時粉煤灰的摻入會使混凝土的抗碳化性、抗凍性有所降低。因此，應(yīng)控制粉煤灰的摻入量，在實際工程中建議將粉煤灰的合理摻入量控制在10%范圍內(nèi)。

2.3 相同粉煤灰摻量

將試驗數(shù)據(jù)進行分析，得到相同粉煤灰摻量再生混凝土實際所測得的回彈值、聲速值、抗壓強度值的平均值隨養(yǎng)護時間的發(fā)展趨勢，如圖9、圖10和圖11所示。由圖9、圖10、圖11可以看出：在粉煤灰摻量相同時，再生混凝土試塊中再生粗骨料替代率為50%的回彈值、超聲聲速值、抗壓強度值均小于替代率30%的相應(yīng)值，并且關(guān)于抗壓強度的下降幅度分別為24.5%、24.2%、9.2%、12.6%。再生混凝土試塊60 d的回彈值、超聲聲速值相比14 d均有增幅，但增幅有限，而抗壓強度值相比14 d有不小增幅。

再生粗骨料存在大量微裂紋，力學(xué)性能較普通粗骨料低，因此其抗壓強度隨著再生粗骨料量的增加而減小。再生混凝土試塊在早期的時候，膠凝材料活化反應(yīng)較慢，試塊的抗壓強度與彈性模量均較低，所測得的回彈值、聲速值也較小，而后隨著活性反應(yīng)繼續(xù)進行，再生混凝土強度增長，抗壓強度與彈性模量均有增長，回彈值、聲速值也逐漸增大，這是因為粉煤灰通過形態(tài)效應(yīng)提高了混凝土的密實性。從養(yǎng)護時間看，其增幅有限的主要原因是：早期活化反應(yīng)低，但含水率較高，后期強度雖增長但含水率降低，內(nèi)部形成微小孔隙無法大幅提高回彈值、聲速值。

圖9 回彈均值隨養(yǎng)護時間發(fā)展曲線Fig.9 Curve of rebound mean value developing with curing time

圖10 聲速均值隨養(yǎng)護時間發(fā)展曲線Fig.10 Curve of sound velocity average developing with curing time

圖11 抗壓強度均值隨養(yǎng)護時間發(fā)展曲線Fig.11 Curve of compressive strength mean value with curing time

3 結(jié)論

（1）在養(yǎng)護時間超過28 d以后，沒有加入粉煤灰的再生混凝土試塊的抗壓強度增加緩慢。相比之下，含有10%粉煤灰替代水泥摻入量的再生混凝土試塊抗壓強度值較沒有摻入粉煤灰的試塊提高了4.08%，因此建議將粉煤灰的摻量控制在10%左右。

（2）在0%、10%、20%、30% 4種粉煤灰替代水泥的替代率下，再生骨料替代率為30%較替代率50%再生混凝土試塊的強度提高了17.6%。故隨著再生粗骨料的摻入量的增大，其再生混凝土試塊的抗壓強度值也隨之降低。因此粉煤灰再生混凝土中再生粗骨料替代率應(yīng)控制在30%，以保證再生混凝土具有足夠的強度。