全組分再生砂制備濕拌抹灰砂漿的抗凍性研究

曹芙波,魏子洋,王晨霞,方志昊

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)土木工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 包頭 014010)

濕拌砂漿是預(yù)拌砂漿的一種,由工廠根據(jù)施工要求加工生產(chǎn),通過攪拌車運輸至施工現(xiàn)場儲存和使用[1]。同現(xiàn)場攪拌砂漿相比,濕拌砂漿無需嚴(yán)格控制用水量,不會產(chǎn)生粉塵污染,可以大量摻用粉煤灰等工業(yè)廢渣和利用建筑固廢制造的人工砂[2]。我國在基礎(chǔ)建設(shè)和城鄉(xiāng)改造過程中產(chǎn)生大量的建筑垃圾,2017年我國建筑垃圾總量已達到23.8億t,其中廢棄磚料達50%,我國對建筑垃圾再利用的重視程度遠低于日本等國家,總利用率只有5%[3]。

目前,國內(nèi)外學(xué)者對于不同類型的砂漿經(jīng)凍融循環(huán)后的破壞特征、機理及影響因素的研究已取得一定量的學(xué)術(shù)成果,部分學(xué)者認為周期性凍脹力使砂漿內(nèi)部裂縫生長擴張是造成凍融破壞的根本原因[4-5]。B.Ahmet等[6]研究了粉煤灰和硅灰對自密實砂漿抗凍性能的影響,結(jié)果顯示隨著兩種材料摻量增加,砂漿相對動彈性模量降低,隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加,含硅灰的砂漿動彈性模量下降劇烈。J.Y.Jiang等[7]研究了消泡劑和聚羧酸減水劑對無碴水泥瀝青砂漿抗凍性的影響,認為兩種材料的加入消除了砂漿中的大氣泡,促進了小的非連通孔的形成,并測量出了兩種外加劑的最佳用量。段本碩等[8]將超細石粉用于砂漿性能的提升,指出預(yù)拌砂漿質(zhì)量損失率隨著超細石粉取代率的增加呈現(xiàn)增大的趨勢。張秀芝等[9]使用納米SiO2與粉煤灰協(xié)同改善砂漿性能,結(jié)果表明,納米SiO2可以促進水泥二次水化,并能填充砂漿孔隙,與粉煤灰復(fù)摻可以有效改善抗凍性能,改善效果較兩種材料單摻使用時更優(yōu)。郭遠新等[10]認為,膠砂比的減小和再生粉體摻量的增加可減弱再生骨料抹灰砂漿的抗凍性能。G.F.Mohammad等[11]將遺傳表達式編程模型用于預(yù)測強度等級水泥凍融循環(huán)后的力學(xué)性能,指出當(dāng)水泥強度等級和循環(huán)次數(shù)被認為是獨立的輸入?yún)?shù)時,預(yù)測值與實驗值之間存在密切的相關(guān)性。

筆者針對濕拌抹灰砂漿的抗凍性能,采用全組分再生砂和機制砂作細骨料,再生磚粉和粉煤灰作摻合料,研究了25次凍融循環(huán)后稠度與凍融損傷之間的關(guān)系,對比分析摻合料種類和膠砂比對于砂漿抗凍性能的影響,比較全組分再生砂與機制砂的性能,旨在對再生濕拌抹灰砂漿在寒冷地區(qū)的應(yīng)用提供參考。

1 試驗原材料

試驗選用P·O 42.5水泥基本性能參數(shù)如表1所示。細骨料采用機制砂和全組分再生砂,其基本參數(shù)如表2所示,試驗所用的全組分再生砂符合規(guī)范《混凝土和砂漿用再生細骨料》(GB/T 25176—2010)中Ⅱ類再生細骨料的技術(shù)要求。粉煤灰選用綠帆牌Ⅱ級粉煤灰,磚粉由廢棄黏土磚磨制,兩種摻合料性能及化學(xué)組成如表3、表4所示。

表1 水泥的基本性能Table 1 Basic properties of fine cement

表2 細骨料的物理性能Table 2 Physical properties of fine aggregate

表3 粉煤灰與再生磚粉的基本性能

表4 粉煤灰與再生磚粉的主要化學(xué)組成

2 試驗概況

2.1 制備再生磚粉與全組分再生砂

再生細骨料與天然河砂相比吸水率高、表觀密度小,含有老舊水泥漿等雜質(zhì);其顆粒表面粗糙,多棱角且含有微小裂縫[12]。全組分再生砂是將廢混凝土進行完全破碎至一定細度后,再進行顆粒整形制成的再生細骨料。筆者選用C30廢混凝土作為原材料,首先用反擊式破碎機將廢混凝土塊破碎至粒徑小于4.75 mm,隨后用顆粒整形設(shè)備對再生砂顆粒進行機械打磨,磨去表面大部分硬化水泥石以改善骨料表面,最后經(jīng)篩分得到試驗所需的全組分再生砂。

將廢舊黏土磚先后用顎式破碎機、粉碎機磨制成磚粉,再用45 μm方孔篩進行篩分得到試驗用磚粉。粉煤灰在使用前也用相同的方孔篩過篩。筆者借鑒劉飛等[13]的機械研磨強化方法激發(fā)磚粉活性,先將磚粉烘干除去水分,再用球磨儀進行30 min研磨,以此增加磚粉顆粒的堆積效應(yīng)及填充效應(yīng)。圖1為兩種材料成品。

圖1 再生磚粉與全組分再生砂

2.2 試驗配合比設(shè)計

表5為試驗試件控制參數(shù),依照《抹灰砂漿技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 220—2010)進行砂漿配合比設(shè)計,摻合料用量固定為膠凝材料總量的40%。外加劑使用緩凝劑、減水劑、保水增稠劑,各個摻量分別為膠凝材料的0.3%、0.85%和0.1%。在試驗中通過控制用水量來控制每個試件實際稠度值。試驗設(shè)計的濕拌砂漿配合比如表6所示。

表5 試件參數(shù)設(shè)計表Table 5 Specimen parameter design table

表6 濕拌砂漿試驗配合比Table 6 Test mix proportion of wet mixed mortar

2.3 砂漿試塊的制備和養(yǎng)護

砂漿試塊長寬高為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm。每個配合比組制備5個凍融試件和一個對比試件。砂漿的攪拌時間控制在150 s:干拌40 s,加水?dāng)嚢?0 s,快速攪拌40 s,慢速攪拌30 s。由于砂漿稠度均大于50 mm,因此裝模后不可用機械振搗,需人工用搗棒均勻地由邊緣向中心按螺旋方式插搗25次。振搗完畢后應(yīng)在20 ℃左右室溫下靜置24 h,隨后拆模并將試塊養(yǎng)護在溫度(20±2)℃,相對濕度90%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室中。

2.4 試驗方法

抗凍性能試驗操作按照《建筑砂漿基本性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 70—2009)的規(guī)定的慢凍法進行,凍融機制為氣凍水融。設(shè)定凍結(jié)、水融過程凍融箱內(nèi)的溫度分別為-18℃、18 ℃,凍結(jié)水融時長分別為4 h、4.5 h。設(shè)定循環(huán)次數(shù)為25次。每5次凍融循環(huán)進行一次外觀檢查,所有試件均未出現(xiàn)分層、裂開等嚴(yán)重的破壞特征,滿足試驗及規(guī)范要求。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 砂漿稠度與抗凍性能的關(guān)系

砂漿稠度值是評價砂漿流動性能的指標(biāo),與材料性能、試驗配合比密切相關(guān)。圖2、圖3為實測稠度值C與25次凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率Δmm、強度損失率Δfm關(guān)系圖。

圖2 實測稠度與質(zhì)量損失率關(guān)系Fig.2 Relationship between measured consistency and mass loss rate

試驗中砂漿實際稠度由用水量調(diào)控,而砂漿中自由水的含量是影響其凍融破壞程度的主因素,因此稠度與凍融破壞指標(biāo)間關(guān)系緊密,分析二者之間的規(guī)律有助于了解濕拌砂漿的抗凍性能,為實際工程應(yīng)用作參考。從圖2,圖3可以看出,稠度每增加10 mm,機制砂漿Δmm平均增加0.5%,Δfm平均增加1.8%;全組分再生砂漿Δmm平均增加0.6%,Δfm平均增加2.1%。試件J-1/7-F、J-1/7-Z、Q-1/7-F、Q-1/7-Z組在稠度值超過100 mm時,經(jīng)25次凍融循環(huán)作用,其Δmm與Δfm已超過了《預(yù)拌砂漿》(GB/T 25181—2010)規(guī)定的5%和25%的限值,無法滿足實際工程應(yīng)用的要求。因此當(dāng)再生濕拌抹灰砂漿工程應(yīng)用中所需稠度值大于100 mm時,其實際的膠砂比應(yīng)小于1/7。

圖3 實測稠度與強度損失率關(guān)系Fig.3 Relationship between measured consistency and strength loss rat

表7為根據(jù)實測數(shù)據(jù)擬合出的回歸方程。

表7 凍融損傷與實測稠度值的回歸關(guān)系式

對Δmm、Δfm分別與C進行線性擬合,得到變量間的回歸關(guān)系式,得到砂漿凍融損傷與稠度值之間的規(guī)律?？梢钥闯鯟與Δmm、Δfm之間線性關(guān)系良好,利用線性規(guī)律,可以在不明確用水量的情況下,只通過稠度指標(biāo)判定兩種砂漿凍融破壞的程度。

3.2 膠砂比對砂漿抗凍性能的影響

由表7各組回歸方程可計算得標(biāo)準(zhǔn)稠度70 mm、90 mm、110 mm時各組砂漿試件25次凍融循環(huán)后Δmm、Δfm值(見圖4、圖5)。在同一標(biāo)準(zhǔn)稠度下可進行對比分析不同膠砂比、摻合料及細骨料對凍融損傷指標(biāo)的影響。由圖4、圖5可知,膠砂比越小則試件凍融破壞越嚴(yán)重,不同摻合料、細骨料的試件規(guī)律大致相同。膠砂比由1/5減小到1/7時,Δmm平均增加2.5%,Δfm平均增加7.3%。抹灰砂漿對于流動性能的要求高于對強度等級的要求,因此相較于其他種類砂漿更適用于膠砂比小的配合比,但降低膠砂比會導(dǎo)致砂漿中水泥的相對含量少,水泥水化反應(yīng)產(chǎn)物減少且水泥漿對砂粒的裹挾作用降低,會降低砂漿強度[10]。膠凝材料少還會導(dǎo)致砂粒之間不能充分密實填充,砂漿內(nèi)部裂縫孔洞多,容易積聚自由水,在凍結(jié)過程中自由水凍結(jié)產(chǎn)生凍脹力造成裂縫的伸展和擴張,造成水泥、骨料脫落,導(dǎo)致砂漿質(zhì)量與強度損失,加劇凍融破壞。

圖4 凍融后標(biāo)準(zhǔn)稠度濕拌砂漿質(zhì)量損失的規(guī)律Fig.4 Law of mass loss of standard consistency wet-mixed mortar after freeze-thaw cycles

圖5 凍融后標(biāo)準(zhǔn)稠度濕拌砂漿強度損失的規(guī)律Fig.5 Law of strength loss of standard consistency wet-mixed mortar after freeze-thaw cycles

3.3 摻合料種類對砂漿的抗凍性能的影響

再生磚粉與粉煤灰都是具有火山灰活性的礦物摻合料,富含硅鋁相成分。且磚粉顆粒粒徑小于45 μm時容易填充于內(nèi)部縫隙中,加強砂漿的密實性[14]。圖4、圖5表明在骨料與膠砂比相同的情況下,同一稠度下?lián)皆偕u粉的砂漿Δmm、Δfm值更低,說明再生磚粉作為摻合料使用時對于再生砂漿抗凍性的提升優(yōu)于粉煤灰。從表3、表4可知再生磚粉的需水量比低于粉煤灰;相同質(zhì)量下磚粉的SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)比粉煤灰高約20%,對水泥水化反應(yīng)的促進效果更強,可生成更多的C-S-H、膠凝物質(zhì),使砂漿結(jié)構(gòu)更致密,減少內(nèi)部連通孔隙數(shù)量,從而減少砂漿內(nèi)部自由水的集聚,提升抗凍性能。因此再生磚粉更適合作為摻合料用于提升砂漿抗凍性,且在實際工程應(yīng)用時還可以消耗磚材固廢。

3.4 細骨料種類對砂漿抗凍性能的影響

圖4、圖5中虛線與實線分別表示全組分再生砂漿與機制砂漿的凍融破壞指標(biāo)。膠砂比及摻合料種類相同時,摻磚粉的稠度值70 mm的全組分再生砂漿抗凍性能可以達到機制砂漿的水平,隨著稠度值變大,兩種砂漿凍融損傷差距逐漸拉大,全組分再生砂漿Δmm、Δfm值的增長率高于機制砂漿,說明全組分再生砂漿的凍融損傷對稠度值的變化更敏感,在高稠度值時Δmm、Δfm更大。比較表2中骨料的基本參數(shù),機制砂的石粉含量遠大于全組分再生砂。研究表明,砂漿中含有10%～20%石粉對其抗凍性能的提升是有利的,因為適量石粉可以填充砂漿內(nèi)部微裂隙,增強砂漿整體密實性[15]。此外,雖然全組分再生砂經(jīng)過顆粒整形,但其吸水率仍遠高于機制砂,高吸水率會使骨料在拌和過程中吸收多余水分,導(dǎo)致砂漿實際水膠比偏大,內(nèi)部自由水更多,更易受到凍融損傷。

4 結(jié) 論

(1)砂漿稠度與Δmm、Δfm之間線性關(guān)系良好,稠度每增加10 mm,機制砂漿與全組分再生砂漿Δmm分別增加0.5%、0.6%,Δfm分別增加1.8%、2.1%。膠砂比為1/7,稠度值超過100 mm的試件在25次凍融循環(huán)后,其Δmm、Δfm值達到5%和25%的限值。

(2)全組分再生砂漿膠砂比由1/5減小到1/7時,Δmm平均增加2.3%,Δfm平均增加7.3%,與機制砂漿抗凍性能差距逐漸增大。膠砂比小的試件水化反應(yīng)弱,砂粒間易形成微空隙,凍融破壞更嚴(yán)重。

(3)全組分再生砂與機制砂相比吸水率高,對砂漿抗凍性能影響較大。膠砂比及摻合料種類相同時,隨著稠度值增大,全組分再生砂漿Δmm、Δfm的增長率高于機制砂漿。

(4)相同細度的再生磚粉需水量比小于粉煤灰,化學(xué)成分中SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)比粉煤灰多20%,火山灰活性更優(yōu),對抗凍性能的提升效果優(yōu)于粉煤灰,具有實際的工程應(yīng)用價值。