再生骨料取代率對地聚物混凝土尺寸效應(yīng)的影響

丁兆洋,周靜海,蘇 群,劉愛霞,王 晴

(1.沈陽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110168;2.沈陽城市建設(shè)學(xué)院土木工程系,遼寧 沈陽 110167;3.沈陽建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110168)

地聚物是一種新型的綠色膠凝材料,主要原材料是含有硅、鋁和鈣成分的工業(yè)廢渣(礦渣、硅灰、粉煤灰、硼泥等)[1-2],采用化學(xué)激發(fā)的方法可以使其產(chǎn)生力學(xué)強(qiáng)度。目前已經(jīng)有學(xué)者研制出了抗壓強(qiáng)度達(dá)到30～80 MPa的地聚物材料,出色的力學(xué)性能可以使地聚物成為水泥的理想替代品[3-6]。再生骨料混凝土為采用廢棄的混凝土作為集料制備的混凝土,其力學(xué)性能已經(jīng)得到充分的認(rèn)識[7-8],目前的主要研究結(jié)論為:采用再生骨料制備混凝土及其構(gòu)件會略微犧牲掉一部分強(qiáng)度和耐久性,但是由于采用了廢棄的混凝土,其環(huán)保意義極為顯著[9-10]。

地聚物再生骨料混凝土采用地聚物和再生骨料作為膠凝材料和集料,這將使得工業(yè)廢渣、廢棄混凝土等進(jìn)行循環(huán)利用,是一種綠色環(huán)保的新型建筑材料。但是由于再生骨料與天然骨料存在差異,膠凝材料為地聚物而非傳統(tǒng)的水泥,地聚物再生骨料混凝土的力學(xué)性能與普通混凝土的會有所差異,尤其是這種混凝土的尺寸效應(yīng)方面還沒有報道,這嚴(yán)重制約了地聚物再生骨料混凝土的應(yīng)用。筆者采用堿激發(fā)工業(yè)廢渣的方法制備地聚物作為膠凝材料,采用廢棄混凝土作為骨料,制備地聚物再生骨料混凝土,并研究再生骨料取代率對地聚物再生骨料混凝土尺寸效應(yīng)的影響。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)用原材料

試驗(yàn)用粉煤灰為一級粉煤灰,采購自豐業(yè)粉煤灰技術(shù)開發(fā)有限公司;礦渣為高爐粒化礦渣,采購自鞍山鋼鐵股份有限公司,表1為粉煤灰和礦渣的主要化學(xué)成分。水玻璃選用液體水玻璃,原始模數(shù)為3.3模,水玻璃的成分及性質(zhì)如表2所示。再生骨料為經(jīng)人工破碎成最大粒徑25 mm的廢棄混凝土,砂子為中細(xì)河砂。

表1 粉煤灰和礦渣的化學(xué)組成

表2 水玻璃的化學(xué)組成

1.2 試塊配比及分組

試驗(yàn)所用的地聚物膠凝材料采用強(qiáng)度最佳配合比[11],通過改變粉煤灰和礦渣的用量來調(diào)整原料中的氧化物物質(zhì)的量比,使n(CaO+MgO)∶n(SiO2+Al2O3)=1;堿激發(fā)劑采用混有水玻璃的NaOH水溶液,水玻璃摻量為液體總質(zhì)量的40%,NaOH的濃度為9 mol/L;砂率為0.35,試驗(yàn)配合比如表3所示。地聚物再生骨料混凝土制備成邊長為100 mm、150 mm、200 mm的立方體試塊,每種尺寸和配比的試塊共做6個,共計90個試塊,測試28 d齡期的抗壓強(qiáng)度,儀器選用濟(jì)南旭聯(lián)儀器設(shè)備有限公司的YES-2000型混凝土抗壓強(qiáng)度檢測壓力機(jī)。

表3 地聚物再生骨料混凝土配合比

2 結(jié)果與分析

2.1 再生骨料取代率對抗壓強(qiáng)度的影響

圖1為再生骨料混凝土100 mm、150 mm、200 mm邊長的立方體試塊的抗壓強(qiáng)度與再生骨料取代率的關(guān)系。由圖1可知,不同邊長地聚物再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的規(guī)律為:f100>f150>f200,其總體規(guī)律為試塊的邊長越長,抗壓強(qiáng)度越小,其中邊長為 150 mm和200 mm的立方體試塊比邊長為100 mm立方體試塊的平均強(qiáng)度降低了12.62%和19.32%。所有尺寸試塊都有一個統(tǒng)一的規(guī)律:當(dāng)再生骨料取代率低于50%時,地聚物再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度與骨料取代率成正比關(guān)系;當(dāng)再生骨料取代率高50%時,則成反比關(guān)系。這是由于再生骨料的舊水泥砂漿相中存在大量的孔隙,可以吸收水分。再生骨料取代率少時,自然石材為骨料主體,由于再生骨料吸收了水分,相當(dāng)于降低了實(shí)際水膠比,強(qiáng)度高。再生骨料超過一定量時,雖然實(shí)際水膠比進(jìn)一步降低,但是再生骨料自身強(qiáng)度低于自然石材的強(qiáng)度,此時再生骨料為骨料主體,混凝土的強(qiáng)度以再生骨料為主導(dǎo),則再生骨料混凝土的強(qiáng)度下降。這一現(xiàn)象被稱為強(qiáng)度變異現(xiàn)象,但是由于所選用再生骨料的吸水率、密度及舊砂漿摻量不同,導(dǎo)致不同研究者得出的強(qiáng)度變異現(xiàn)象的值不同。彭建庭[12]認(rèn)為再生骨料摻量為30%時發(fā)生強(qiáng)度變異現(xiàn)象;肖建莊等[13]認(rèn)為再生骨料摻量為50%時發(fā)生強(qiáng)度變異現(xiàn)象;孫曉雪等[14]認(rèn)為再生骨料摻量為70%時發(fā)生強(qiáng)度變異現(xiàn)象。由圖1可知,筆者采用的再生骨料發(fā)生強(qiáng)度變異現(xiàn)象時再生骨料的取代率為50%。

圖1 不同再生骨料取代率和尺寸條件下的抗壓強(qiáng)度

2.2 再生骨料取代率對強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差的影響

地聚物再生骨料混凝土的骨料為再生骨料,其內(nèi)部有大量原始裂紋和薄弱且不穩(wěn)定的舊砂漿相;膠凝材料為地聚物,地聚物的主要成分為工業(yè)廢渣,其性能不如水泥這種工業(yè)產(chǎn)品穩(wěn)定。再生骨料的內(nèi)部缺陷以及地聚物性能的不穩(wěn)定都會對地聚物再生骨料混凝土的強(qiáng)度產(chǎn)生未知的影響,從而加大強(qiáng)度的離散型。圖2為不同尺寸地聚物再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差σ。σ值越大,混凝土強(qiáng)度的離散程度越大,現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土強(qiáng)度檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》(GB50107—2010)規(guī)定,對于強(qiáng)度等級C20以上的混凝土,σ≤3.5為優(yōu)秀,3.5≤σ≤5為一般,σ>5為差。從圖2中可以看出,試塊邊長為200 mm的地聚物再生骨料混凝土的σ都遠(yuǎn)小于3.5;試塊邊長為150 mm的地聚物再生骨料混凝土的σ在3.5左右,其平均值略高于3.5;試塊邊長為100 mm的地聚物再生骨料混凝土的σ都略高于5。說明邊長越大,地聚物再生骨料混凝土立方體試塊抗壓強(qiáng)度的離散程度越小,而且只有當(dāng)邊長為200 mm時,地聚物再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的離散程度才為優(yōu)秀;當(dāng)邊長為150 mm時,其抗壓強(qiáng)度的離散程度為一般,也可以使用;當(dāng)試塊邊長為100 mm時,其抗壓強(qiáng)度離散性太大,不適合使用。

圖2 不同再生骨料取代率和尺寸條件下的地聚物再生骨料混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差

2.3 再生骨料取代率對換算系數(shù)的影響

標(biāo)準(zhǔn)尺寸試塊與非標(biāo)準(zhǔn)尺寸試塊間抗壓強(qiáng)度值可采用尺寸換算系數(shù)α來換算?，F(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)中規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)試塊的尺寸為邊長150 mm的立方體試塊,其他尺寸立方體試塊的換算系數(shù)為

α100=fcu,100/fcu,150.

(1)

α200=fcu,200/fcu,150.

(2)

式中:fcu,100、fcu,150、fcu,200為邊長100 mm、150 mm、200 mm的立方體試塊抗壓強(qiáng)度。

圖3為再生骨料取代率與尺寸換算系數(shù)的關(guān)系。根據(jù)國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)中規(guī)定,邊長為200 mm立方體試塊的尺寸換算系數(shù)為1.05,邊長為100 mm立方體的尺寸換算系數(shù)為0.95,圖3中虛線所示。圖3中不同邊長的地聚物再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度尺寸換算系數(shù)都不在在0.95～1.05內(nèi),且邊長為200 mm立方體試塊尺寸換算系數(shù)平均值為0.923;邊長為100 mm立方體試塊為1.145,說明地聚物再生骨料混凝土的尺寸換算系數(shù)不能參考普通水泥混凝土的標(biāo)準(zhǔn)。其原因與上一節(jié)抗壓強(qiáng)度離散性的分析一致,即地聚物膠凝材料和再生骨料的性能的都與水泥和自然石材不同,使其制備的混凝土也無法按照普通混凝土的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行限定。通過線性擬合的方法,得出地聚物再生骨料混凝土尺寸換算系數(shù)α與再生骨料取代率ε的關(guān)系:α200=0.931-0.016×ε,α100=1.108 6-0.072 8×ε。

圖3 再生骨料取代率對尺寸換算系數(shù)的影響

2.4 Bazant尺寸效應(yīng)擬合

由于地聚物再生骨料混凝土是一種脆性材料,根據(jù)Bazant的尺寸效應(yīng)理論[15],在荷載作用下裂縫擴(kuò)展釋放的應(yīng)變能導(dǎo)致尺寸效應(yīng)的存在,其名義抗壓強(qiáng)度fN與尺寸D之間的關(guān)系:

(3)

式中:f∞為地聚物再生骨料混凝土尺寸無限大的名義抗壓強(qiáng)度;Db為邊界層開裂有效厚度。

(4)

令:X=1/D,Y=fN,C=f∞,A=f∞×Db,則式(4)可變成線性方程:

Y=AX+C.

(5)

X和Y均由試驗(yàn)得到的強(qiáng)度和試塊尺寸直接計算得出,帶入式(5)可以求出A和C,最后得到尺寸效應(yīng)的理論公式參數(shù)(見表4)。采用表4中的數(shù)據(jù)可以得出各尺寸的地聚物再生骨料混凝土實(shí)測強(qiáng)度值與Bazant理論曲線的對比圖(見圖4)。在不同的再生骨料取代率條件下,其抗壓強(qiáng)度實(shí)測值都在理論曲線上,說明地聚物再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度可以用Bazant理論進(jìn)行計算。

表4 尺寸效應(yīng)理論公式參數(shù)計算

圖4 實(shí)測強(qiáng)度值與Bazant理論強(qiáng)度的對比圖

2.5 臨界尺寸與臨界強(qiáng)度

首先將尺寸效應(yīng)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理[15]:

(6)

式中:f150為邊長150 mm立方體試塊的地聚物再生混凝土實(shí)測強(qiáng)度;b為方程的待定系數(shù)。

將不同邊長立方體試塊的抗壓強(qiáng)度特征值數(shù)據(jù)帶入式(6)進(jìn)行數(shù)學(xué)回歸分析,可解出無量綱方程的相關(guān)待定系數(shù):

(7)

再生骨料取代率與Bazant理論曲線的無量綱關(guān)系如圖5所示。

圖5 無量綱強(qiáng)度與Bazant理論強(qiáng)度的對比圖

由圖5可以看出,立方體試塊邊長為200 mm時,各個再生骨料取代率的尺寸都貼近理論曲線。邊長為100 mm時,尺寸效應(yīng)略微明顯,再生骨料取代率為50%的情況下,最貼近理論曲線;再生骨料取代率0,25%,小于50%的情況下,尺寸效應(yīng)負(fù)偏離于理論曲線;再生骨料取代率75%,100%,大于50%的情況下,尺寸效應(yīng)正偏離于理論曲線。因此,可以判斷再生骨料取代率為50%是尺寸效應(yīng)變化的分界點(diǎn),提出采用分段函數(shù)的方式擬合再生骨料取代率ε與f∞/f150和Db關(guān)系的方法。圖6為再生骨料取代率與f∞/f150和Db關(guān)系示意圖。式(8)～式(11)為擬合曲線式。

圖6 再生骨料取代率與f∞/f150和Db的關(guān)系

0≤ε≤50.

(8)

Db=42.840 2+0.488 0×ε,

0≤ε≤50.

(9)

50%≤ε≤100%.

(10)

Db=58.168 3+0.181 4×ε,

50%≤ε≤100%.

(11)

可以看出,對于再生骨料取代率與f∞/f150和Db關(guān)系提出的分段函數(shù)具有較高的適用性,由此將式(8)-式(11)分別代入式(6),可以得到尺寸效應(yīng)與再生骨料取代率交互作用下的地聚物再生骨料混凝土名義抗壓強(qiáng)度的預(yù)測方程:

(12)

50%≤ε≤100%.

(13)

根據(jù)式(12)和式(13)可以推算出不同取代率條件下地聚物再生骨料混凝土試塊尺寸無限大時的臨界強(qiáng)度特征值fcr?？紤]工程尺寸效應(yīng)的適用范圍,當(dāng)名義抗壓強(qiáng)度與臨界尺寸特征值相差5%之內(nèi)時,可以認(rèn)為該名義抗壓強(qiáng)度對應(yīng)的試塊的尺寸為臨界尺寸Dcr,再生骨料取代率與地聚物再生骨料混凝土臨界尺寸和臨界強(qiáng)度關(guān)系如圖7所示?？梢钥闯鲭S著再生骨料取代率的增加,臨界尺寸逐漸增大,但是臨界強(qiáng)度并不與再生骨料取代率成正比,而是當(dāng)再生骨料取代率為50%時出現(xiàn)了最值,這與筆者對地聚物再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的分析結(jié)果一致。

圖7 臨界強(qiáng)度和臨界尺寸的關(guān)系

式(12)和式(13)綜合考慮了尺寸效應(yīng)與再生骨料取代率交互作用的影響,可以更加準(zhǔn)確計算出不同再生骨料取代率條件下地聚物再生骨料混凝土的臨界尺寸和臨界強(qiáng)度值,而且采用無量綱的方法對于預(yù)測其他強(qiáng)度等級的抗壓強(qiáng)度具有一定的參考。

4 結(jié) 論

(1)由于存在強(qiáng)度變異現(xiàn)象,再生骨料取代率為50%時各個尺寸試塊的地聚物再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)最大值。不同尺寸的地聚物再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度規(guī)律為:f100>f150>f200。

(2)地聚物再生骨料混凝土的換算系數(shù)不能采用現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081—2019)中的換算系數(shù)。采用數(shù)學(xué)擬合方法給出骨料摻量與地尺寸換算系數(shù)的關(guān)系:α200=0.931-0.016×ε,α100=1.108 6-0.072 8×ε。

(3)邊長為200 mm、150 mm和100 mm的地聚物再生骨料混凝土立方體抗壓強(qiáng)度均符合Bazant的尺寸效應(yīng)理論曲線,并得出了不同再生骨料取代率條件下的臨界強(qiáng)度值和臨界尺寸值。