粉煤灰與再生骨料對(duì)再生混凝土在不同齡期的物理力學(xué)性能影響的研究

喬立

北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司 北京 100037

混凝土的出現(xiàn)給世界建筑、公路、橋梁等結(jié)構(gòu)的發(fā)展和跨越帶來(lái)了機(jī)遇，而面臨混凝土對(duì)環(huán)境的影響也帶來(lái)了挑戰(zhàn)。具有關(guān)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)，混凝土行業(yè)每年導(dǎo)致的CO2排放量幾乎可以占據(jù)全球CO2總排放總量的10%[1]。另外，混凝土用量的不斷擴(kuò)增，也意味著以后廢棄的混凝土量也在增大，這給我們的生活帶來(lái)了更大、更難以處理的建筑垃圾。因此，如何減少混凝土在制備和應(yīng)用過(guò)程中對(duì)環(huán)境的不利影響，已經(jīng)成為當(dāng)代科學(xué)和工程界的巨大挑戰(zhàn)。另一方面，大量資源的利用和開(kāi)發(fā)也會(huì)造成嚴(yán)重的資源短缺。從全世界土木工程發(fā)展情況來(lái)看，每年生產(chǎn)的混凝土量約為28億m3[2]，這無(wú)疑地消耗了大量資源。而在混凝土用量中，骨料用量占據(jù)了絕大的部分，大約為75%。所以，尋找天然骨料替代品的任務(wù)已經(jīng)迫在眉睫。再生混凝土的出現(xiàn)，無(wú)疑是對(duì)上述問(wèn)題最好的解決方法，將廢棄的混凝土經(jīng)裂解，破碎等措施后制成再生骨料以替代原生骨料，不僅減少了污染的排放還節(jié)約了資源。同時(shí)，也發(fā)揮了再生骨料在混凝土的重新利用的作用，減少對(duì)新資源的開(kāi)發(fā)和浪費(fèi)。綜上所述，粉煤灰再生混凝土在全球范圍內(nèi)的建筑工程中，將會(huì)得到越來(lái)越廣泛的關(guān)注和應(yīng)用，相應(yīng)的，其物理以及力學(xué)性能，需要被進(jìn)行系統(tǒng)性的研究和總結(jié)，以滿足對(duì)其的利用。

通過(guò)對(duì)以往文獻(xiàn)的收集和整理發(fā)現(xiàn)，不同學(xué)者對(duì)再生混凝土的力學(xué)性能都進(jìn)行了許多研究[3-5]，他們往往從單一變量研究摻合料對(duì)混凝土性能的影響，而多變量耦合影響的研究并不多見(jiàn)。因此，本文將從粉煤灰和再生骨料雙參數(shù)來(lái)進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)研究，以探究上述單變量，雙變量以及兩參數(shù)相互協(xié)同作用對(duì)其物理力學(xué)性能的影響，并給出相應(yīng)的機(jī)理用來(lái)解釋和探討試驗(yàn)結(jié)果，包括工作性，抗壓強(qiáng)度，劈拉強(qiáng)度以及與鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度，以達(dá)到尋求工程應(yīng)用可以使用的具有經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性雙重考慮的粉煤灰再生混凝土的目的。

1 試驗(yàn)原材料、配合比及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

（1）水泥（C）：采用湖南韶峰水泥廠生產(chǎn)的南方牌PO42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥（OPC），水泥的具體成分見(jiàn)表1所示。

表1 水泥的化學(xué)成分(C) %

（2）粉煤灰（UFA）：采用I級(jí)粉煤灰，其具體參數(shù)如表2所示。

表2 粉煤灰的化學(xué)成分(FA) %

（3）天然粗骨料（NG）：從湘河就地取材，檢驗(yàn)合格，采用5mm-31.5mm的連續(xù)極配。

（4）再生粗骨料（RG）：由某實(shí)驗(yàn)室提供，采用的極配與天然粗骨料一致。

（5）天然細(xì)骨料（NS）：從湘河就地取材，檢驗(yàn)合格，細(xì)度模數(shù)MX=2.63。

（6）再生細(xì)骨料（RS）：對(duì)再生粗骨料再次粉碎和篩選選獲得，采用粒徑小于5mm的連續(xù)級(jí)配。

（7）外加劑：山東萬(wàn)山集團(tuán)生產(chǎn)的FDN-C高效減水劑。

表3 骨料的性能

1.2 配合比設(shè)計(jì)

本文主要考慮的配合比設(shè)計(jì)基于考察在水泥用量不變的情況下，不同齡期粉煤灰及再生骨料（RCA）替代率雙參數(shù)的變化對(duì)再生混凝土的性能影響以及在保持總凝膠體用量不變的情況下，上述兩摻量的變化對(duì)再生混凝土不同齡期的性能影響。本文將粗骨料和細(xì)骨料設(shè)置為定值，它們的比例關(guān)系為1.3:1，不考慮它們對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響。在試驗(yàn)中，基準(zhǔn)混凝土編號(hào)為N，設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C30，滿足《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ55-2011)的要求。再生骨料按0%，30%，60%和100%的取代率取代天然骨料，標(biāo)號(hào)依次為R30，R60和R100。粉煤灰摻量分別按不同的粉煤灰與混凝土用量的比值確定，依次為0.32，0.96和1.45，編號(hào)分別為FI，F(xiàn)II和FIII。其中，F(xiàn)I按照《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ55-2011)規(guī)定的最大粉煤灰摻量進(jìn)行配比，F(xiàn)II和FIII按照凝膠體總量為490kg/m3進(jìn)行配比。高效減水劑（TQN）的量控制為1.2%。另外，由于再生骨料吸水率大于天然骨料，需要考慮按照再生骨料15min的吸水率來(lái)計(jì)算額外吸水量[5]，標(biāo)號(hào)為We。試驗(yàn)配合比見(jiàn)表4。

表4 粉煤灰再生混凝土的配合比設(shè)計(jì)（kg/m3）

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 工作性

工作性是新拌混凝土最重要的特性，用來(lái)描述混合料的流變性能，一般認(rèn)為混凝土的工作性最少要包含流動(dòng)性和粘聚性兩種主要性能，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 不同配合比再生混凝土坍落度

由圖1可知，在混凝土中摻加粉煤灰對(duì)混凝土的工作性能影響顯著。與基準(zhǔn)混凝土相比，粉煤灰的摻加量從（FA/C=0.32）到（FA/C=0.96），對(duì)應(yīng)的坍落度分別增加了35mm和80mm。在保持總凝膠體總量不變的情況下，減少水泥的用量并增加相應(yīng)的粉煤灰摻量，其坍落度相對(duì)增加了10mm，可以推測(cè)，粉煤灰對(duì)混凝土工作性的影響大于水泥對(duì)其工作性的影響。這其中的原因在文獻(xiàn)[6-7]已經(jīng)說(shuō)明，就是因?yàn)榉勖夯业奈⒂^結(jié)構(gòu)以球形為主，可以很好了提高混凝土的和易性。

再生骨料的添加對(duì)新拌混凝土的流動(dòng)性也有著顯著的影響。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在再生骨料取代率小于30%的情況下，混凝土的坍落度變化并不是十分明顯，根據(jù)不同粉煤灰的摻量，其塌落度分別只比每組無(wú)再生骨料的混凝土降低了5mm,15mm和5mm。而隨著再生骨料取代率的增加，其坍落度降低趨勢(shì)變大，在取代率30%-60%分別達(dá)到45mm，55mm和30mm而隨后其趨勢(shì)放緩，最終在100%再生骨料取代率時(shí)分別達(dá)到20mm，30mm和35mm。根據(jù)總體規(guī)律，F(xiàn)II組60%-100%再生骨料取代率之間的坍落度降低量應(yīng)該屬于實(shí)驗(yàn)誤差。上述試驗(yàn)現(xiàn)象可以歸結(jié)為由于再生骨料的吸水性比較大，隨著再生骨料取代率的變大，吸附和消耗的拌合水就越多，所以將會(huì)影響其塌落度，其流動(dòng)性隨之降低。而從本文試驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)，如果將再生骨料取代率控制在30%左右，新拌混凝土的工作性將不會(huì)受到太大的影響。

2.2 抗壓強(qiáng)度

由于抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度比值懸殊，所以混凝土在結(jié)構(gòu)中主要被設(shè)計(jì)成承壓試件。在進(jìn)行性能分析時(shí)必要考慮的一個(gè)重要參數(shù)。本文試驗(yàn)得到的各個(gè)試件對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度見(jiàn)圖2。

圖2 不同配合比再生混凝土的抗壓強(qiáng)度

由圖2可知，粉煤灰的摻入對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度有著一定的影響。在少量粉煤灰摻入時(shí)（FA/C=0.32），其抗壓強(qiáng)度在小于28天時(shí)和基準(zhǔn)混凝土的抗壓強(qiáng)度區(qū)別不是很大，但隨著齡期的增加，其抗壓強(qiáng)度逐漸增大，速率越來(lái)越快，在28天，60天和90天分別增加了3.9Mpa, 5Mpa和6.5Mpa。隨著粉煤灰替代率增大到（FA/C=0.96），此現(xiàn)象最為明顯，其90天齡期的抗壓強(qiáng)度增大了16.01Mpa。而在保持凝膠體不變的情況下，減少水泥并增加相同量的粉煤灰（FA/C=1.45），其抗壓強(qiáng)度比基準(zhǔn)混凝土增加了17.01Mpa，但相對(duì)于（FA/C=0.96）的情況增加量并不明顯。上述試驗(yàn)出現(xiàn)的結(jié)果與文獻(xiàn)[8-10]一致，摻加粉煤灰會(huì)延長(zhǎng)混凝土抗壓強(qiáng)度的齡期。

同樣，再生骨料對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響也比較大。但再生骨料對(duì)抗壓強(qiáng)度影響比較明顯作用的體現(xiàn)是在取代率大于30%以上，比如在（FA/C=0.96）的試件中，再生骨料替代率為30%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度在初期反而比此基準(zhǔn)混凝土強(qiáng)度增大，在齡期為3天和7天時(shí)分別增大了5.1Mpa，2.78Mpa，然后才隨著再生骨料取代率的增加而減小，其變化程度隨著混凝土齡期的增加而越來(lái)越小。由本文試驗(yàn)研究結(jié)果可知，再生骨料的取代率控制在30%左右效果更佳。

2.3 劈拉強(qiáng)度

在混凝土結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂、裂縫、變形以及受剪、受扭、受沖切等承載力均與其抗拉強(qiáng)度有關(guān)，而采用軸心拉伸試驗(yàn)的結(jié)果很容易被試件安裝時(shí)的偏心或其他因素所影響而導(dǎo)致結(jié)果有較大的離散型。圖3給出了劈拉強(qiáng)度的性能在粉煤灰和再生骨料共同作用下的變化趨勢(shì)。

圖3 不同配合比再生混凝土的劈拉強(qiáng)度

由圖2可知，不同配合比再生混凝土的劈拉強(qiáng)度的發(fā)展過(guò)程情況大致和抗壓強(qiáng)度一樣，但是在低粉煤灰摻量的情況下（FA/C=0.32），混凝土的劈拉強(qiáng)度會(huì)被明顯降低，在齡期為7天的時(shí)候最為明顯，降低了1.21Mpa。但當(dāng)摻加粉煤灰量在（FA/C=0.96）時(shí)，相比其他兩個(gè)摻和量試件，混凝土的劈拉強(qiáng)度增量達(dá)到了最大，特別是在齡期為7天的時(shí)候，與對(duì)應(yīng)的（FA/C=0.32）和（FA/C=1.45）兩種試件，分別增加了0.48Mpa和1.33Mpa?？梢?jiàn)摻加粉煤灰對(duì)混凝土劈拉強(qiáng)度的影響并不是成線性增長(zhǎng)關(guān)系。出現(xiàn)這種情況是因?yàn)樵诜勖夯覔搅繛椋‵A/C=0.96）時(shí)，其火山灰效應(yīng)和填充作用發(fā)揮效果較好，使其抗拉性能最大；若摻量超過(guò)（FA/C=0.96）時(shí)，由于總膠凝體用量保持不變，混凝土中水泥用量隨著粉煤灰的摻入而降低，導(dǎo)致水泥水化產(chǎn)物CH的減少，最終局限了CH對(duì)粉煤灰的催化作用，此時(shí)粉煤灰不在作為有效膠凝體而僅僅是在混凝土中起到填充作用，混凝土的力學(xué)性能由此而降低，此規(guī)律在其他文獻(xiàn)也得到證明[11]。

在再生骨料取代率小于30%的情況下，混凝土的劈拉強(qiáng)度在粉煤灰摻量為（FA/C=0.32）的情況下平緩減小，在100%取代率的時(shí)候，減小速率達(dá)到最大，相對(duì)于再生骨料取代率為0的混凝土試塊，在不同齡期分別減少了0.89Mpa，1.65Mpa，2.1Mpa，2.2Mpa和2.23Mpa。出現(xiàn)這種情況原因在于再生骨料自身攜帶的粉塵對(duì)骨料與水泥漿體之間的粘結(jié)起到了阻礙作用，對(duì)混凝土劈拉強(qiáng)度的增長(zhǎng)不利。而在粉煤灰摻量為（FA/C=0.96）和（FA/C=1.45）的情況下，當(dāng)再生骨料取代率小于30%的時(shí)候，混凝土的劈拉強(qiáng)度是逐漸增高的，然后隨之減少。

2.4 粘結(jié)強(qiáng)度

本文通過(guò)對(duì)不同配比再生混凝土在齡期為28天時(shí)進(jìn)行立方體拔出試驗(yàn)，以達(dá)到檢測(cè)其粘結(jié)性能，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

由圖4可知，在粉煤灰摻量小于（FA/C=1.45）情況下，混凝土和鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度分別降低了7.58Mpa和7.1Mpa。但在粉煤灰摻量為（FA/C=0.96）時(shí)，其粘結(jié)強(qiáng)度相對(duì)于（FA/C=0.32）時(shí)僅增加了0.28Mpa，而在保持膠凝體總量不變，粉煤灰摻量為（FA/C=1.45）時(shí)，相對(duì)于基準(zhǔn)混凝土降低了12.58Mpa。分析原因是粉煤灰會(huì)影響鋼筋與混凝土之間的化學(xué)膠著力，所以粉煤灰產(chǎn)量大于（FA/C=0.32）時(shí)，混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度不在有明顯變化，在滿足混凝土粘結(jié)強(qiáng)度最低要求下，可以適量增加粉煤灰的摻和量，提高廢料的使用率。

圖4 不同配合比再生混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度

在粉煤灰摻量為（FA/C=0.32）的混凝土中，當(dāng)再生骨料取代率等于30%的時(shí)，混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度反而增加了0.2Mpa，然后才減小，最終降低了14.69Mpa。在粉煤灰摻量為（FA/C=0.96）不變時(shí)，通過(guò)調(diào)整再生骨料取代率得到了該狀態(tài)下混凝土的最大粘結(jié)強(qiáng)度，此時(shí)對(duì)應(yīng)的取代率為60%，相對(duì)于基準(zhǔn)混凝土增加了3.75Mpa。同樣得到粉煤灰摻量為（FA/C=1.45）不變時(shí)，對(duì)應(yīng)的取代率為30%，相對(duì)于基準(zhǔn)混凝土增加了5.06Mpa。上述大致規(guī)律的原因可以歸結(jié)為對(duì)比于天然骨料，再生骨料顆粒表面的棱角數(shù)量多而粗糙，包含著許多硬化的水泥砂漿，導(dǎo)致其孔隙率大，而且其破碎后，有不可忽視的裂紋數(shù)量。由文獻(xiàn)可知[12]，隨著再生骨料取代率的提高，混凝土內(nèi)部孔隙率也會(huì)有所增加。所以本文將粉煤灰控制在（FA/C=0.96）以及再生骨料取代率配為60%時(shí)，混凝土的粘結(jié)性能可以得到最佳地體現(xiàn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，考察粉煤灰，再生骨料在不同齡期對(duì)再生混凝土物理力學(xué)性能的影響進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并給以相應(yīng)的機(jī)理來(lái)解釋了試驗(yàn)現(xiàn)象，得出了以下結(jié)論：

1） 混凝土摻加粉煤灰可以有效地改善混凝土的工作性能，再生骨料取代率大于30%，混凝土的工作性能將被削弱；摻加粉煤灰對(duì)混凝土早期強(qiáng)度影響比較明顯，會(huì)延長(zhǎng)混凝土抗壓強(qiáng)度的齡期，再生骨料取代率在30%時(shí)，對(duì)早期強(qiáng)度比較有利，對(duì)后期影響微乎其微。

2）粉煤灰摻量大于（FA/C=0.32）時(shí)，同時(shí)再生骨料取代率在30%時(shí)，能有效的增加再生混凝土的劈拉強(qiáng)度；粉煤灰摻量為（FA/C=0.96）以及再生骨料取代率為60%時(shí)，混凝土和鋼筋的粘結(jié)性能可得到最佳地體現(xiàn)。