粉煤灰與再生骨料對自密實(shí)再生混凝土的影響*

姚大立，遲金龍，余 芳，張亞歡

(沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，沈陽 110870)

大量的粉煤灰廢棄物如今被綜合利用于土木建筑材料中，不僅可以解決環(huán)境污染、破壞生態(tài)等問題，還可以帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益[1].相關(guān)研究[2-4]表明，摻適量粉煤灰的混凝土其早期強(qiáng)度要比普通混凝土早期強(qiáng)度降低明顯，但粉煤灰的摻入確實(shí)可以改善混凝土的工作性能，同時(shí)也能改善混凝土強(qiáng)度的長期性能.將廢棄的混凝土再生利用同樣是對建筑垃圾處理的一種方式，關(guān)于其再利用也有大量的研究[5-6].廢棄混凝土在破碎過程會產(chǎn)生大量的不規(guī)則棱角，且內(nèi)部會因破碎過程產(chǎn)生一定的微裂縫，并因外部附著的砂漿使其比表面積和吸水量較天然骨料比表面積和吸水量大，從而導(dǎo)致再生混凝土的強(qiáng)度降低[5].由于粉煤灰具有活性效應(yīng)、形態(tài)效應(yīng)和微集料效應(yīng)，對混凝土的諸多性能均有改善作用，能夠強(qiáng)化新拌的水泥砂漿與再生粗骨料間的薄弱界面，從而提高再生骨料混凝土的力學(xué)性能[7].但在如今的工程實(shí)際中，由于現(xiàn)有的混凝土結(jié)構(gòu)因施工用途不同，其自身混凝土強(qiáng)度也會存在一定差異，所以作為再生骨料來源的原生混凝土的強(qiáng)度也會對再生骨料混凝土的力學(xué)性能產(chǎn)生一定影響.為此，本文以粉煤灰摻量和再生骨料的原生混凝土強(qiáng)度作為主要影響因素，通過與自密實(shí)天然骨料混凝土的對比分析，研究粉煤灰和再生骨料對自密實(shí)再生骨料混凝土力學(xué)性能的影響.

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)原材料

為了分析再生骨料的原生混凝土強(qiáng)度對自密實(shí)再生骨料混凝土力學(xué)性能的影響，再生粗骨料由試驗(yàn)室澆筑的抗壓強(qiáng)度等級為C20和C50的原生混凝土養(yǎng)護(hù)至28 d后經(jīng)破碎、篩分而成.為盡量去除再生骨料上附著的舊水泥砂漿，采取如下工序制備再生粗骨料：顎式破碎機(jī)破碎；篩選(控制最大粒徑)；攪拌機(jī)攪拌打磨；二次篩選(控制最小粒徑).再生粗骨料的粒徑范圍與天然骨料粒徑范圍相同，均為5.00～20.00 mm，所測得再生粗骨料與天然粗骨料的基本性質(zhì)如表1所示.

表1 粗骨料的基本性質(zhì)Tab.1 Fundamental properties of coarse aggregates

本試驗(yàn)水泥采用的是PO42.5級普通硅酸鹽水泥，粉煤灰采用Ⅰ級粉煤灰，其表觀密度為2 200 kg/m3，細(xì)骨料均采用含泥量小于1%的天然水洗中砂，其表觀密度為2 620 kg/m3，天然粗骨料采用遼寧撫順生產(chǎn)的石灰石碎石，減水劑采用遼寧省建筑科學(xué)研究院生產(chǎn)的LJ612型聚羧酸高效減水劑.

1.2 試驗(yàn)配合比

為了便于試驗(yàn)結(jié)果對比分析，本文設(shè)計(jì)了自密實(shí)天然骨料混凝土和自密實(shí)再生骨料混凝土試件共12組，其配合比和自密實(shí)再生骨料混凝土工作性能測試結(jié)果如表2所示.圖1為C20R100F75的坍落擴(kuò)展度測試.

表2 自密實(shí)混凝土配合比及工作性能Tab.2 Mix proportion and operating properties of self-compacting concrete

1.3 試驗(yàn)制作與養(yǎng)護(hù)

按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2002)進(jìn)行試驗(yàn)，主要測試立方體抗壓強(qiáng)度(養(yǎng)護(hù)齡期為28、56和90 d)、立方體劈裂強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度(養(yǎng)護(hù)齡期為28 d).

圖1 混凝土性能指標(biāo)測試Fig.1 Test of concrete performance index

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 混凝土立方體抗壓強(qiáng)度

圖2為不同粉煤灰摻量對自密實(shí)再生混凝土28 d立方體抗壓強(qiáng)度fcu影響的關(guān)系曲線.由圖2可以看出，隨著粉煤灰摻量的增加，自密實(shí)再生骨料混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，這點(diǎn)與自密實(shí)普通混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律一致.當(dāng)粉煤灰摻量在0%～25%時(shí)，混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度隨著粉煤灰摻量的增加而變大，這是因?yàn)檫m量的粉煤灰可與水泥中的氫氧化鈣充分發(fā)生二次水化反應(yīng)生成凝膠體，有效地填充了再生骨料內(nèi)部的裂隙和表面的孔洞，改善了自密實(shí)再生骨料混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，起到了提高混凝土抗壓強(qiáng)度的作用.而當(dāng)粉煤灰摻量在25%～75%時(shí)，混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度隨著粉煤灰摻量的增加而減小，這是由于過量的粉煤灰取代水泥，減少了水泥用量，使水泥水化反應(yīng)減弱，這就導(dǎo)致一方面水泥水化反應(yīng)所貢獻(xiàn)的混凝土強(qiáng)度大為降低，另一方面水化產(chǎn)物之一的氫氧化鈣產(chǎn)量減少，并且水化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量也大為降低，致使粉煤灰二次水化反應(yīng)受到阻滯，因此，自密實(shí)再生骨料混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度顯著降低.由此可見，當(dāng)粉煤灰摻量為25%時(shí)，自密實(shí)再生骨料混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度最高.

表3為再生骨料力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果.結(jié)合表3發(fā)現(xiàn)，當(dāng)粉煤灰摻量從0%增加到50%時(shí)，兩種再生骨料配制的自密實(shí)再生骨料混凝土28 d立方體抗壓強(qiáng)度相差僅為3.46%～8.29%，而當(dāng)粉煤灰摻量增加到75%時(shí)，兩種再生骨料配制的自密實(shí)再生骨料混凝土28 d立方體抗壓強(qiáng)度差值達(dá)到40.25%，這說明當(dāng)粉煤灰摻量低于50%時(shí)，可以忽略再生骨料強(qiáng)度對自密實(shí)再生骨料混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的影響.

圖2 粉煤灰摻量與立方體抗壓強(qiáng)度的關(guān)系Fig.2 Relationship between mixing amount of fly ash and cubic compressive strength

表3 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Experimental results of mechanical properties

注：δ90為強(qiáng)度發(fā)展系數(shù)；ft為劈裂抗拉強(qiáng)度；fc為軸心抗壓強(qiáng)度.

此外，本研究還對自密實(shí)天然骨料混凝土和以再生骨料為C20A、C50A配制的自密實(shí)再生骨料混凝土在齡期分別為56和90 d的立方體抗壓強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)，分析不同粉煤灰摻量的混凝土立方體抗壓強(qiáng)度隨齡期的發(fā)展規(guī)律.結(jié)合表3中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，自密實(shí)天然骨料混凝土和兩種再生骨料配制的自密實(shí)再生骨料混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)增大的趨勢.這是因?yàn)殡S著齡期的增長，水泥水化反應(yīng)產(chǎn)物不斷增加，促使粉煤灰的二次水化反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，進(jìn)而提高了混凝土的強(qiáng)度.

由于粉煤灰二次水化反應(yīng)與齡期密切相關(guān)，為探討粉煤灰摻量對混凝土長齡期抗壓強(qiáng)度的影響，定義強(qiáng)度發(fā)展系數(shù)δ90為養(yǎng)護(hù)齡期90 d的混凝土立方體抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期28 d的混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的比值[8].由表3可知，當(dāng)粉煤灰摻量不大于25%時(shí)，C20R100F0和C20R100F25的δ90為1.08和1.05，而C50R100F0和C50R100F25的δ90為1.05和1.01；而當(dāng)粉煤灰摻量大于25%時(shí)，C20R100F50和C20R100F75的δ90為1.20和1.84，而C50R100F50和C50R100F75的δ90為1.33和1.62.這說明當(dāng)粉煤灰摻量為25%時(shí)，自密實(shí)再生骨料混凝土的長齡期立方體抗壓強(qiáng)度最為穩(wěn)定.

2.2 混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度

圖3為不同粉煤灰摻量對自密實(shí)再生混凝土28 d劈裂抗拉強(qiáng)度影響的關(guān)系曲線.由圖3可以看出，自密實(shí)天然骨料混凝土和兩種再生骨料配制的自密實(shí)再生骨料混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度均隨著粉煤灰摻量的增加而降低.通過表3試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)粉煤灰摻量從0%提高到75%時(shí)，自密實(shí)天然骨料混凝土和以再生骨料為C20A、C50A配制的自密實(shí)再生骨料混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度分別降低了47.45%、104.41%和34.27%.可以發(fā)現(xiàn)，以再生骨料C20A配制的自密實(shí)再生骨料混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度較自密實(shí)天然骨料混凝土和以再生骨料C50A配制的自密實(shí)再生骨料混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度降低幅度更為明顯.分析表3數(shù)據(jù)還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)粉煤灰摻量從0%增加到75%時(shí)，以再生骨料為C50A配制的自密實(shí)再生骨料混凝土與自密實(shí)天然骨料混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度變化僅為1.05%～9.92%，另外，對比分析兩種再生骨料配制的自密實(shí)再生骨料混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度得出，當(dāng)粉煤灰摻量為0%時(shí)，C20R100F0僅比C50R100F0的劈裂抗拉強(qiáng)度低2.88%，然而當(dāng)粉煤灰摻量從25%提高到75%時(shí)，可以看出，C20R100F25的劈裂抗拉強(qiáng)度較C50R100F25降低了26.71%，而C20R100F75的劈裂抗拉強(qiáng)度較C50R100F75降低了56.61%.綜上可見，以再生骨料為C50A配制的自密實(shí)再生骨料混凝土，其劈裂抗拉強(qiáng)度與自密實(shí)天然骨料混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度相當(dāng)，而以再生骨料為C20A配制的自密實(shí)再生骨料混凝土，其劈裂抗拉強(qiáng)度與自密實(shí)天然骨料混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度相差較大.

2.3 混凝土拉壓比

混凝土抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的比值稱為拉壓比，拉壓比是衡量水泥基復(fù)合材料脆性的一個(gè)重要指標(biāo)，混凝土強(qiáng)度越高，其拉壓比越小，脆性越大，韌性越小[9].圖4為不同粉煤灰摻量對自密實(shí)再生骨料混凝土拉壓比的關(guān)系曲線.由圖4可以看出，自密實(shí)再生骨料混凝土與自密實(shí)天然骨料混凝土的變化規(guī)律相似，當(dāng)粉煤灰摻量小于25%時(shí)，自密實(shí)混凝土的拉壓比隨著粉煤灰摻量增加而減小，當(dāng)粉煤灰摻量大于25%時(shí)，自密實(shí)混凝土的拉壓比則隨著粉煤灰摻量的增加而變大.另外，當(dāng)粉煤灰摻量從0%增加到75%時(shí)，以再生骨料C50A配制的自密實(shí)再生骨料混凝土的拉壓比均大于以再生骨料C20A配制的自密實(shí)再生骨料混凝土；而當(dāng)粉煤灰摻量為25%時(shí)，以再生骨料為C50A配制的自密實(shí)再生骨料混凝土的拉壓比與自密實(shí)天然骨料混凝土僅相差1.82%，這意味著使用以高強(qiáng)度原生混凝土為再生骨料配制自密實(shí)再生骨料混凝土?xí)r，能得到不低于自密實(shí)天然骨料混凝土的抗震性能.

圖3 粉煤灰摻量與劈裂抗拉強(qiáng)度的關(guān)系Fig.3 Relationship between mixing amount of fly ash and splitting tensile strength

圖4 粉煤灰摻量與拉壓比的關(guān)系Fig.4 Relationship between mixing amount of fly ash and tension-compression ratio

2.4 混凝土軸心抗壓強(qiáng)度

圖5為不同粉煤灰摻量對自密實(shí)再生混凝土28 d軸心抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線.粉煤灰摻量從0%增加到25%時(shí)，自密實(shí)天然骨料混凝土、以再生骨料為C20A和C50A配制的自密實(shí)再生骨料混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度分別變化了3.16%、15.65%和18.76%.可以看出，此階段粉煤灰摻量的增加對天然骨料自密實(shí)混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度幾乎沒有影響，但對自密實(shí)再生骨料混凝土的影響較為明顯.然而，當(dāng)粉煤灰摻量從25%增加到75%時(shí)，自密實(shí)再生骨料混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度與自密實(shí)天然骨料混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律相似，均隨粉煤灰摻量的增加呈現(xiàn)出降低趨勢，這意味著粉煤灰摻量為25%時(shí)，自密實(shí)再生骨料混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度最好.對比以再生骨料為C20A、C50A配制的自密實(shí)再生骨料混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)粉煤灰摻量從0%增大到75%時(shí)，兩種再生骨料配制的自密實(shí)再生骨料混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度相差僅為6.51%～10.61%.

圖5 粉煤灰摻量與軸心抗壓強(qiáng)度的關(guān)系Fig.5 Relationship between mixing amount of fly ash and axial compressive strength

對表3中的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，可得到考慮粉煤灰摻量的立方體抗壓強(qiáng)度與軸心抗壓強(qiáng)度的關(guān)系式，即

(1)

式中，γ為粉煤灰摻量.式(1)的相關(guān)系數(shù)為0.993 1，擬合程度較好.

3 結(jié) 論

本文通過分析得出以下結(jié)論：

1) 粉煤灰摻量為25%時(shí)，自密實(shí)再生骨料混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度均達(dá)到最大值，且當(dāng)粉煤灰摻量低于50%時(shí)，再生骨料的原生混凝土強(qiáng)度對自密實(shí)再生骨料混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度幾乎無影響.

2) 自密實(shí)再生骨料混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大，粉煤灰摻量為25%時(shí)，90 d立方體抗壓強(qiáng)度增長最為穩(wěn)定，其強(qiáng)度發(fā)展系數(shù)與自密實(shí)天然骨料混凝土強(qiáng)度發(fā)展系數(shù)相當(dāng).

3) 自密實(shí)再生骨料混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度隨著粉煤灰摻量的增加而降低，且再生骨料的原生混凝土強(qiáng)度越高，所配制的自密實(shí)再生骨料混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度越大.

4) 當(dāng)粉煤灰摻量為25%時(shí)，自密實(shí)再生骨料混凝土拉壓比最小，且再生骨料的原生混凝土強(qiáng)度越低，所配制的自密實(shí)再生骨料混凝土的拉壓比越小.

5) 再生骨料的原生混凝土強(qiáng)度對所配制的自密實(shí)再生骨料混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度幾乎無影響，本文建立了考慮粉煤灰摻量的自密實(shí)再生骨料混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度與軸心抗壓強(qiáng)度的關(guān)系式.