再生骨料混凝土的制備及抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)研究

蘇孝偉, 王安琪, 肖俊榮, 楊震懷, 付毅兵, 巫緒濤

(合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230009)

近年來(lái)，隨著我國(guó)土木工程行業(yè)的發(fā)展，混凝土因作為工程中必不可少的原材料而需求量激增。但是，混凝土結(jié)構(gòu)因改造或到達(dá)一定使用年限的拆除會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄混凝土，給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)了巨大的壓力。因此，研究再生粗骨料對(duì)混凝土性能的影響具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。再生骨料混凝土是由廢棄混凝土塊經(jīng)過(guò)破碎、清洗、篩分后，按照一定比例混合成骨料，用一部分或全部取代天然骨料配制而成的混凝土。但再生混凝土骨料孔隙率，吸水率較高，表觀密度較低，解體破碎過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量細(xì)微裂隙，性能不如普通骨料。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)再生骨料混凝土進(jìn)行了大量的研究，但由于改善再生骨料的工藝技術(shù)及材料消耗等方面的限制，再生骨料混凝土難以普及。

通過(guò)對(duì)5種骨料替代率的再生骨料混凝土在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后，測(cè)試其抗壓強(qiáng)度，研究其對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，采用再生骨料改性、骨料砂漿界面強(qiáng)化處理等復(fù)合改性工藝，改善再生骨料本身性能及其與砂漿的黏結(jié)膠合狀況，分析改性工藝對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。

1 試驗(yàn)概述

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥：海螺牌普通硅酸鹽水泥42.5級(jí)水泥；細(xì)骨料：中國(guó)ISO標(biāo)準(zhǔn)砂(廈門(mén)艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司出品)；粗骨料(粒徑為4.75mm～16mm)：天然粗骨料為碎石、再生粗骨料為廢棄混凝土梁，且其各項(xiàng)性能參考《再生骨料應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 240-2011)；拌和水：農(nóng)夫山泉礦泉水；粉煤灰：一級(jí)粉煤灰，灰色或灰白色的粉末；納米SiO：粒度為1000目，白色的粉末；模具：Φ50mm×100mm圓柱體。

1.2 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

為確保試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，先后進(jìn)行了2次試驗(yàn)，完成試塊的制作共161塊。試驗(yàn)過(guò)程設(shè)置了3個(gè)對(duì)照試驗(yàn)，分別是再生骨料替代率對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響、粉煤灰替代率對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響、納米SiO添加率對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，且分別編號(hào)為G組、GF組、GN組。按照《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ55-2011)中的相關(guān)規(guī)定，制定混凝土配合比設(shè)計(jì)參數(shù)，具體如表1～3所列。參考《粉煤灰混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50146-2014)中的相關(guān)規(guī)定，粉煤灰取代水泥采用超量取代法，且選定超量系數(shù)為1.3。納米SiO采用的是浸泡法，通過(guò)配置不同濃度的納米SiO溶液對(duì)粗骨料進(jìn)行浸泡。

表1 G組混凝土配合比

G組試樣考察再生骨料替代率對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，共用五種配合比，分別采用0%、25%、50%、75%和100%的骨料替代率；GF組試樣探討粉煤灰替代率對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，共用四種配合比，分別采用0%、15%、30%和45%的粉煤灰替代率；GN組試樣研究納米SiO對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，共用四種配合比，分別采用0%、1%、2%和3%的納米SiO添加率。

表2 GF組混凝土配合比

表3 GN組混凝土配合比

2 試驗(yàn)步驟

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

選用等級(jí)相同的廢棄混凝土供再生粗骨料的獲取，通過(guò)人工將其破碎，利用石篩分別篩選粒徑為4.75mm～9mm和9mm～16mm的再生粗骨料，再通過(guò)人工篩選，去除不符合規(guī)范要求的廢棄石子。將符合規(guī)范要求的再生粗骨料進(jìn)行清洗，并使用農(nóng)夫山泉礦泉水對(duì)再生粗骨料進(jìn)行浸泡48h，隨即進(jìn)行翻曬。對(duì)GN組中的再生粗骨料，分別調(diào)配濃度為0%、1%、2%和3%的納米SiO溶液對(duì)其進(jìn)行浸泡48h，待其充分浸泡后進(jìn)行翻曬、晾干。

2.2 試塊制備

各試驗(yàn)組制備3個(gè)試塊，按設(shè)計(jì)配合比稱量各材料，將粗骨料、砂、水泥和粉煤灰人工攪拌1min，再使用混凝土攪拌機(jī)干拌2min，確保各材料充分接觸且無(wú)結(jié)塊的現(xiàn)象后，加入拌和水繼續(xù)攪拌2min，隨后采用振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行振搗、成型。為防止水分蒸發(fā)，成型后的試塊使用不透水的薄膜覆蓋表面，并靜置于溫度為20±5℃環(huán)境中72h。在灌模前，對(duì)模具內(nèi)壁涂抹了適量的拆模用油，以使得混凝土試塊表面光滑，同時(shí)降低拆模過(guò)程發(fā)生破損的情況。檢查試塊各項(xiàng)指標(biāo)是否都符合規(guī)范要求。

2.3 試塊養(yǎng)護(hù)

混凝土養(yǎng)護(hù)進(jìn)行人工干預(yù)，提供適宜的濕度和溫度條件，確保試塊在水泥水化作用下逐步硬化且強(qiáng)度增長(zhǎng)。為了使混凝土試塊水化反應(yīng)充分，采用保溫箱對(duì)其進(jìn)行儲(chǔ)存，并使用霧狀噴壺對(duì)試塊進(jìn)行一日三次噴灑，使其所處環(huán)境的溫度穩(wěn)定在20±5℃，且具有95%的濕度條件。搭配毛氈布的使用，在維持濕度的同時(shí)，防止溫度的流失，按以上措施養(yǎng)護(hù)28d。

2.4 試塊加載

試驗(yàn)使用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載操作，控制加荷速度為0.5mm/min，完整加載過(guò)程控制在2min左右。在試塊加載初期，由于荷載較小，試樣側(cè)表面并未出現(xiàn)明顯裂縫。隨著荷載不斷增加，試塊表面逐漸出現(xiàn)細(xì)微裂縫，并呈現(xiàn)擴(kuò)張趨勢(shì)。當(dāng)裂縫發(fā)展到一定程度后，試塊側(cè)面出現(xiàn)破壞并剝落，與此同時(shí)計(jì)算機(jī)上試驗(yàn)力—位移圖像達(dá)到峰值，隨后曲線逐漸下降直至萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)停止，記錄試驗(yàn)的峰值荷載及試驗(yàn)力—位移圖像供試驗(yàn)結(jié)果的分析使用。為清晰直觀表明試驗(yàn)規(guī)律，抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律圖像中所采用的數(shù)據(jù)均為各組試驗(yàn)所得平均值。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 再生骨料替代率對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

G組試樣采用0%、25%、50%、75%和100%的骨料替代率，考察其對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響。吳木東、張麗等多位學(xué)者的研究結(jié)果表明再生混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著替代率的增加而減小?？箟簭?qiáng)度變化規(guī)律如圖1所示。

圖1 G組抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律

分析圖1可知，隨著再生骨料替代率的增加，試樣的抗壓強(qiáng)度不斷上升。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，本試驗(yàn)采用的天然骨料為宣城市當(dāng)?shù)厥膹S購(gòu)買(mǎi)的“瓜子片”，再生骨料為人工破碎的廢棄混凝土梁，并經(jīng)過(guò)人工篩選所得的石子?！肮献悠笔乔嗍闷扑闄C(jī)打碎，并通過(guò)加工處理得到的碎石片，在破碎過(guò)程中骨料內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到了極大地?fù)p壞，且其形狀較薄，作為混凝土的粗骨料而言其抗壓性能較為遜色；而再生骨料經(jīng)過(guò)人工破碎，篩分和挑選，其形狀更加趨于橢球狀或球狀，在混凝土試塊內(nèi)部承壓的能力較強(qiáng)，且能更好的粘結(jié)水泥和細(xì)骨料，進(jìn)一步加強(qiáng)抗壓強(qiáng)度，這也是本試驗(yàn)得到的結(jié)論與多位學(xué)者存在異議的原因。

3.2 粉煤灰單摻對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

GF組試樣采用0%、15%、30%和45%的粉煤灰替代率，探討其對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響?？箟簭?qiáng)度變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 GF組抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律

由圖2分析可知，隨著粉煤灰替代率的上升，抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)出先降低，后增加，達(dá)到一定添加率后再次降低的規(guī)律，且最佳粉煤灰替代率為30%。

據(jù)試驗(yàn)結(jié)果做如下分析：粉煤灰的火山灰效應(yīng)，能使水泥的水化產(chǎn)物Ca(OH)與之發(fā)生二次水化反應(yīng)，反應(yīng)生成的水硬性膠凝物質(zhì)充分填充混凝土的內(nèi)部裂隙，增加密實(shí)性，進(jìn)而提高混凝土強(qiáng)度。但是，當(dāng)粉煤灰替代量較少時(shí)(即本試驗(yàn)中0～15%替代率)，其發(fā)揮作用的程度不及混凝土中水泥用量減少而導(dǎo)致的強(qiáng)度降低的程度大，故圖像呈下降趨勢(shì)；隨著粉煤灰替代率的增加，其發(fā)揮的作用效應(yīng)能彌補(bǔ)并超出水泥用量減少所造成的強(qiáng)度損失，進(jìn)而強(qiáng)度會(huì)升高；但是，當(dāng)粉煤灰的替代率繼續(xù)提高，混凝土強(qiáng)度又會(huì)降低(即本試驗(yàn)替代率>30%的部分)。這是由于水泥含量在此時(shí)只有70%，發(fā)生水化反應(yīng)產(chǎn)生的堿性物質(zhì)過(guò)少，大量的粉煤灰沒(méi)有足夠的堿性物質(zhì)刺激產(chǎn)生二次水化反應(yīng)。

研究表明，在再生骨料替代率為25%時(shí)，其在最佳粉煤灰替代率下的抗壓強(qiáng)度并未超過(guò)不加粉煤灰時(shí)的強(qiáng)度，而50%替代率時(shí)卻可以，這與上文所分析內(nèi)容有些許出入。補(bǔ)充分析如下：對(duì)于再生骨料較少的混凝土，水泥能相對(duì)充分的進(jìn)入再生骨料中的微裂隙，相當(dāng)于總體裂隙減少，對(duì)強(qiáng)度提升有幫助。但是，因?yàn)榉勖夯业募尤?，使主要膠凝材料水泥的含量減少，導(dǎo)致骨料間連接面強(qiáng)度薄弱，裂隙相比初始時(shí)增多，故替代率30%時(shí)相對(duì)于不添加粉煤灰強(qiáng)度要低。

3.3 納米二氧化硅單摻對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

GN組試樣采用0%、1%、2%和3%的納米SiO添加率，研究其對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響?？箟簭?qiáng)度變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 GN組抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律

由圖3分析可知，納米SiO對(duì)水泥基材料的早期水化有明顯的促進(jìn)效果，在加入納米SiO后，水泥凈漿流動(dòng)性急劇變小，當(dāng)摻量達(dá)到2%時(shí)，水泥流動(dòng)性最小，此后摻量繼續(xù)增加，流動(dòng)性出現(xiàn)相反的趨勢(shì)，說(shuō)明SiO濃度過(guò)大時(shí)不能充分分散，以至于強(qiáng)度有所降低。

研究表明，納米SiO的水化產(chǎn)物會(huì)包裹并阻止砂漿中水泥顆粒的水化，從而阻礙砂漿的后期強(qiáng)度發(fā)展。同時(shí)，由于納米SiO的表面能大，顆粒周圍大量存在的不飽和鍵易吸附自由水，導(dǎo)致新拌混凝土中自由水減少，使得混凝土的工作性顯著降低。由于試驗(yàn)過(guò)程中采用的是浸泡法，在攪拌浸泡時(shí)，使得納米SiO溶液的效力減弱，而出現(xiàn)強(qiáng)度降低的情況。

4 結(jié)束語(yǔ)

再生骨料混凝土是當(dāng)前社會(huì)節(jié)約資源和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇，對(duì)其抗壓強(qiáng)度的研究有助于再生混凝土的性能優(yōu)化與應(yīng)用擴(kuò)展。通過(guò)對(duì)于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和總結(jié)，得到結(jié)論如下：

(1)粗骨料形狀對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度有顯著影響，當(dāng)采用橢球狀或球狀的再生粗骨料替代扁平原生骨料時(shí)，抗壓強(qiáng)度隨骨料替代率增加而增加；

(2)單摻粉煤灰作為添加劑時(shí)，隨著粉煤灰替代率的上升，混凝土抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)為先降低后增加又降低的規(guī)律，最佳粉煤灰替代率為30%；

(3)單摻納米SiO作為添加劑時(shí)，隨著納米SiO添加率的上升，混凝土抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)為先降低后增加又降低的規(guī)律，最佳納米SiO添加率為2%；