粉煤灰再生混凝土力學(xué)特性研究

左奇麗,黃倫鵬

?

粉煤灰再生混凝土力學(xué)特性研究

左奇麗,黃倫鵬

云南工商學(xué)院建筑工程學(xué)院, 云南 昆明 651701

為了減小建筑垃圾和尾礦的排放量，本文分別將粉煤灰和廢棄混凝土加工后加入膠凝材料和粗骨料，制備粉煤灰再生混凝土材料，通過室內(nèi)試驗方法研究其立方體單軸抗壓強度、劈裂抗拉強度和坍落度力學(xué)特性，分析粉煤灰和再生骨料摻量對再生混凝土力學(xué)特性的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：1）適量的粉煤灰添加有助于提高再生混凝土的抗壓強度；2）再生混凝土的抗拉強度隨再生骨料摻量的增大而減小，但減小趨勢不顯著；3）粉煤灰再生混凝土的坍落度分別與粉煤灰和再生骨料摻量呈指數(shù)增長和線性減小關(guān)系。

粉煤灰; 再生骨料; 再生混凝土; 力學(xué)特性

隨著建筑工程的快速發(fā)展，建筑施工過程中會產(chǎn)生大量的建筑垃圾，尤其是舊建筑拆除過程中產(chǎn)生的建筑垃圾量達到了新建筑建設(shè)過程中的11~24倍[1]。截止目前，我國年均產(chǎn)生的建筑垃圾量已經(jīng)超過15億t，總建筑垃圾量已經(jīng)超過200億t，年均建筑垃圾約占城市固體垃圾總量的30%~40%[2]。如何處理建筑垃圾已經(jīng)成為高校和科研機構(gòu)的重點課題[3]。

建筑垃圾通常由混凝土、磚塊、陶瓷、瀝青等組成，其中混凝土在總建筑垃圾中的占比最大，達到40%以上，廢棄混凝土處理已成為了城市建筑垃圾處理的重點。而再生混凝土可以有效利用城市建筑垃圾，節(jié)省石灰石資源，并且可減少15%~20%左右的CO2排放量[4]。目前，大量學(xué)者已經(jīng)開始嘗試利用廢棄混凝土制備再生混凝土，并分析了其配比[5]、抗壓強度[6]、彈性模量[7]、抗凍特性[8]等基本物理力學(xué)特性。在上述研究的基礎(chǔ)上，本文進一步分析了粉煤灰和再生骨料摻量對混凝土立方體單軸抗壓強度、劈裂抗拉強度和坍落度的影響規(guī)律進行分析，豐富了粉煤灰再生混凝土力學(xué)特性的研究。本文的研究成果可作為粉煤灰再生混凝土工程設(shè)計和使用的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗材料包括水泥、粉煤灰、粗骨料、細骨料（河砂）和水組成，其中，水泥和粉煤灰的基本物理力學(xué)特性如表1、2所示。粗骨料包括再生骨料和天然骨料。其中，再生骨料的制備流程一般包括廢棄混凝土收集、破碎、清洗、篩分等，本文選取的篩分后5~20 mm的廢棄混凝土作為再生骨料，依據(jù)《混凝土用再生粗骨料》（GB/T25177-2010）和《建設(shè)用卵石、碎石》（GB/T 14685-2011）標(biāo)準(zhǔn)測試了再生骨料的基本特性，測試結(jié)果如表3所示，再生骨料與天然骨料相比存在一定差距，其中再生骨料的表觀密度小于天然骨料，壓碎指標(biāo)、堅固性和吸水率均大于天然骨料。但再生骨料的表觀密度和壓碎指標(biāo)均達到了I類標(biāo)準(zhǔn)，堅固性達到了III類標(biāo)準(zhǔn)，達到了建筑材料骨料的基本要求。

1.2 試驗方法

混凝土配比如表4所示，其中膠凝材料（水泥和粉煤灰）為143.3 kg/t，粗骨料（再生骨料和天然骨料）為471.3 kg/t，細骨料（河砂）為320.5 kg/t，水為64.5 kg/t，適量加入部分減水劑。為了分析粉煤灰摻量和再生骨料摻量對混凝土力學(xué)特性的影響規(guī)律，共制備5大組、25小組不同配比的混凝土試樣（如表5所示），每小組試樣9個分別進行立方體單軸抗壓強度、劈裂抗拉強度和塌落度測試。依據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50082-2009）和《混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB50164-2011），各試驗數(shù)據(jù)的處理方法如下。

立方體單軸抗壓強度測試試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，抗壓強度計算表達式如下：

其中，f為混凝土的立方體單軸抗壓強度；為試件破壞荷載；為試件截面面積。若混凝土強度等級小于C60，尺寸為100 mm×100 mm×100 mm時，抗壓強度取0.95 f。

其中，f為混凝土的抗拉強度；為試件破壞荷載；為試件截面面積。

表 1 水泥性能參數(shù)

表 2 粉煤灰樣品的基本物理參數(shù)

表 3 再生骨料和天然骨料的基本特性

表 4 混凝土配比(單位: kg/t)

表 5 混凝土樣品分組/%

2 試驗結(jié)果分析

2.1 粉煤灰和再生骨料摻量對立方體單軸抗壓強度的影響

對標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護56 d后的立方體混凝土試件進行單軸抗壓強度測試，得到不同粉煤灰和再生骨料摻量條件下再生混凝土的單軸抗壓強度分布曲線如圖1所示。由圖可以看出，當(dāng)粉煤灰摻量小于24%時，粉煤灰替代相同質(zhì)量的水泥對再生混凝土的立方體單軸抗壓強度影響不大，甚至在再生骨料摻量較小的情況下還有所提高；而當(dāng)粉煤灰摻量大于24%后，隨著粉煤灰摻量的增加，再生混凝土抗壓強度逐漸減小，而且減小幅度越來越大。這說明，適量的粉煤灰添加能夠充分激發(fā)水泥的活性效應(yīng)，改善再生混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，有助于提高再生混凝土的抗壓力學(xué)性能，從本次試驗結(jié)果上看，粉煤灰摻量取24%最為理想。結(jié)合圖2粉煤灰再生混凝土立方體抗壓強度隨再生骨料摻量的變化曲線則可知，再生骨料摻量w的增大對提高再生混凝土的抗壓強度C不利，以粉煤灰摻量24%時為例，w和C值的關(guān)系式可以用C=-0.958e-w/19.77+58.12表示，w越大，C值越小而△C越大。這主要是因為再生骨料的孔隙比原生骨料大，其在相同的壓力作用下就要比原生骨料更容易發(fā)生破壞；因此相同的粉煤灰摻量條件下，再生骨料摻量越大，其替換原生骨料的量就越多，相應(yīng)的再生混凝土的抗壓強度也就越低。

圖 1 不同粉煤灰和再生骨料摻量條件下再生混凝土的立方體單軸抗壓強度

圖 2 粉煤灰再生混凝土立方體抗壓強度隨再生骨料摻量的變化曲線

Fig.2 Curves of fly ashe recycled concrete’s compressive strengths changing with mixing amounts of recycle aggregates

2.2 粉煤灰和再生骨料摻量對劈裂抗拉強度的影響

不同粉煤灰和再生骨料摻量條件下再生混凝土的56 d劈裂抗拉強度如圖3所示。由圖可知，再生混凝土劈裂抗拉強度隨粉煤灰摻量的變化規(guī)律與其抗壓強度隨粉煤灰摻量的變化規(guī)律基本一致，即，再生混凝土的抗拉強度在粉煤灰摻量為24%時相對最高，在小于24%時變化很小，在大于24%則急劇減小。當(dāng)再生骨料摻量為36%時，12%、24%、36%以及48%粉煤灰摻量的再生混凝土劈裂抗拉強度分別為4.08 MPa、4.12 MPa、4.02 MPa和3.76 MPa，比不摻加粉煤灰時分別減小了0.1%、-1%、1.5%和8%。當(dāng)粉煤灰摻量不變時，再生混凝土劈裂抗拉強度隨再生骨料摻量的變化曲線如圖4所示?？梢钥闯?，再生混凝土的抗拉強度T與再生骨料摻量w呈近似線性關(guān)系，再生骨料摻量每增加1%，再生混凝土的抗拉強度就減小約8 kPa。

圖 3 不同粉煤灰和再生骨料摻量條件下再生混凝土的劈裂抗拉強度

圖 4 粉煤灰再生混凝土劈裂抗拉強度隨再生骨料摻量的變化曲線

Fig.4 Curves of fly ashe recycled concrete’s compressive strengths changing with mixing amounts of recycle aggregates

2.3 粉煤灰和再生骨料摻量對坍落度的影響

不同粉煤灰和再生骨料摻量條件下再生混凝土的坍落度如圖5和圖6所示。由于粉煤灰具有較大的比表面積，其能夠起到減小混凝土漿體與集料界面的摩擦作用，進而改善再生混凝土的和易性，因此，粉煤灰摻量越大，再生混凝土的坍落度也越高，從圖5可知，再生混凝土的坍落度與粉煤灰摻量近似呈指數(shù)增長關(guān)系。而再生粗骨料孔隙率大，其吸水率比原生骨料高，因此，在相同的拌合水量下，再生混凝土的坍落度就越小，由圖6可知，再生混凝土的坍落度S與再生骨料摻量w近似呈線性減小關(guān)系，再生骨料摻量每增加1%，再生混凝土的坍落度就減小約1.2 mm。當(dāng)粉煤灰摻量為24%、再生骨料摻量為12%時，粉煤灰再生混凝土的坍落度與標(biāo)準(zhǔn)混凝土相當(dāng)。

圖 5 不同粉煤灰和再生骨料摻量條件下再生混凝土的坍落度

圖 6 粉煤灰再生混凝土坍落度隨再生骨料摻量的變化曲線

Fig.6 Curves of fly ashe recycled concrete’s slumps changing with mixing amounts of recycle aggregates

3 結(jié)論

本文對不同粉煤灰和再生骨料摻量條件下再生混凝土的抗壓強度、抗拉強度以及坍落度進行測試，得到了以下結(jié)果：

（1）適量的粉煤灰添加有助于提高再生混凝土的抗壓力學(xué)性能，從本文試驗結(jié)果上看，粉煤灰摻量取24%最為理想；而再生骨料摻量越大，粉煤灰再生混凝土的抗壓強度就越低，兩者近似呈指數(shù)衰減關(guān)系；

（2）粉煤灰再生混凝土的抗拉強度在粉煤灰摻量為24%時相對最高，在小于24%時變化很小，在大于24%則急劇減?。煌瑫r，其還與再生骨料摻量呈近似線性關(guān)系，再生骨料摻量每增加1%，它就減小約8 kPa；

（3）粉煤灰再生混凝土的坍落度分別與粉煤灰和再生骨料摻量呈指數(shù)增長和線性減小關(guān)系，再生骨料摻量每增加1%，其減小約1.2 mm。

[1] 張曉華,孟云芳,任杰.淺析國內(nèi)外再生骨料混凝土現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].混凝土,2013(7):80-83

[2] 安新正,牛薇,張亞飛,等.磚粒及粉煤灰摻量對再生混凝土抗凍性能的影響[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2018(14):237-240

[3] 南洋,伍凱,陳峰.齡期和替代率對復(fù)合粗骨料再生混凝土強度的影響[J].建筑技術(shù),2016,47(1):39-43

[4] 喬圣國.粉煤灰對再生混凝土力學(xué)性能的影響[D].杭州:浙江工業(yè)大學(xué),2017

[5] 邢振賢,王曉蕾,趙玉青,等.正交設(shè)計選擇粉煤灰再生混凝土最佳配合比[J].低溫建筑技術(shù),2004(1):6-7

[6] 趙文軍,劉洪波,王莉.超細粉煤灰再生混凝土抗壓強度研究[J].低溫建筑技術(shù),2009,31(3):7-9

[7] 郭耀武,趙昌清.粉煤灰再生混凝土的物理力學(xué)性能研究[J].湖南交通科技,2008,34(2):8-11

[8] 朱濤,吳相豪,袁潘.摻石灰粉對粉煤灰再生混凝土抗凍性能的影響[J].粉煤灰,2013(1):40-42

Study on the Mechanical Properties of Fly Ash Recycled Concrete

ZUO Qi-li, HUANG Lun-peng

651701,

In order to reduce construction waste and emissions of tailings, we respectively adding processed fly ash and waste concrete into gelling material and coarse aggregate. The cube uniaxial compressive strength, splitting tensile strength and slump mechanical characteristics of recycled concrete were studied through indoor experiment method. The influence laws of fly ash and recycled aggregates content on the mechanical properties of recycled concrete were analyzed. The results show that: 1) appropriate amount of fly ash can improve the compressive strength of recycled concrete; 2) the tensile strength of recycled concrete decreases with the increase of recycled aggregate content, but the decrease trend is not significant; 3) the relation between the slump of fly ash recycled concrete and the fly ash and recycled aggregate content is exponential growth and linear decrease respectively.

Fly ash; recycled aggregate; recycled concrete; mechanical properties

TU528.01

A

1000-2324(2018)06-1051-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2018.06.029

2018-02-23

2018-03-17

左奇麗(1985-),女,碩士,講師,主要研究方向為建筑工程. E-mail:zuoqili000@163.com