再生粗骨料取代率對(duì)道路面層再生混凝土抗?jié)B性能的影響研究

張自榮,張一蕾,翁 月,蘇建東,楊 光

(長(zhǎng)春工程學(xué)院土木工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130012)

0 引言

我國(guó)公路交通建設(shè)快速發(fā)展,使得大量公路需要改造更新,對(duì)砂石的需求量明顯增加,同時(shí)我國(guó)推行綠色環(huán)保政策,使得天然砂石的開(kāi)采量受到嚴(yán)格控制。為了降低對(duì)此類不可再生資源的消耗,促進(jìn)建筑材料的可持續(xù)發(fā)展,在公路中應(yīng)用再生混凝土能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)濟(jì)環(huán)保、綠色建造[1]。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)為了加快城市化進(jìn)程,每年拆除的舊建筑物會(huì)產(chǎn)生約24億t的建筑垃圾[2],而建筑垃圾的再回收利用,可使我們擺脫依賴天然砂石的窘境,滿足再生混凝土在道路工程中的應(yīng)用需求。

肖建莊等[3]人研究表明,混凝土的抗?jié)B性能與其孔隙率和密實(shí)度有直接關(guān)系,通過(guò)提高混凝土的密實(shí)程度能有效地改善它的抗?jié)B性能。潘秀英[4]和馬永志[5]研究認(rèn)為,再生混凝土相較普通混凝土有較低的抗?jié)B性,且隨著再生粗骨料取代率的提高,其抗?jié)B性也隨之下降。Limbachiya,et al[6]試驗(yàn)研究表明,當(dāng)再生粗骨料取代率<30%時(shí),其抗?jié)B性能不會(huì)明顯下降。張大長(zhǎng)等[7]研究發(fā)現(xiàn),再生粗骨料的取代率=50%時(shí),再生混凝土的抗?jié)B性能達(dá)到最好,且優(yōu)于普通混凝土。彭建庭[8]對(duì)再生粗骨料抗水滲透性進(jìn)行了試驗(yàn),通過(guò)對(duì)表面進(jìn)行處理,認(rèn)為再生粗骨料表面附著的砂漿是影響抗?jié)B性的主要因素,并提出再生粗骨料的取代率宜≤50%。通過(guò)文獻(xiàn)[9-11]對(duì)再生骨料的分析,發(fā)現(xiàn)再生骨料與普通骨料在物理性能上有所不同,再生骨料具有較高的孔隙和吸水率,對(duì)再生混凝土的抗?jié)B性能有很大的影響。

目前,再生混凝土可以被應(yīng)用于公路路面和人造基礎(chǔ)中,并且具有廣泛的應(yīng)用前景,但是在實(shí)際工程中,公路路面的運(yùn)營(yíng)面臨著諸多災(zāi)害問(wèn)題,如雨后積水,是道路面層被破壞的主要原因之一。路面的耐久性能關(guān)系著其使用年限,而抗?jié)B性是設(shè)計(jì)耐久性能時(shí)考慮的主要因素,因此,對(duì)道路面層再生混凝土的抗?jié)B性能進(jìn)行研究是非常必要的。

根據(jù)前述研究成果,本文以天然碎石為粗骨料,加入再生粗骨料來(lái)配制不同取代率的再生混凝土,采用三因素三水平正交試驗(yàn)來(lái)確定最優(yōu)配合比,其中再生混凝土的取代率為30%和50%,通過(guò)試驗(yàn)研究不同取代率對(duì)再生混凝土抗?jié)B性能的影響,為再生混凝土在道路面層中的工程應(yīng)用提供理論參考。

1 滲透機(jī)理

混凝土是一種多孔性物質(zhì),它具有滲透性能。滲透性是所有多孔材料的基本屬性,它描述了在內(nèi)外壓力差、濃度差或者其他化學(xué)條件下,引起液體、氣體遷移而產(chǎn)生滲透現(xiàn)象。研究表明混凝土的滲透機(jī)理為外界環(huán)境中的氣體、液體可以通過(guò)擴(kuò)散、滲透和毛細(xì)作用3種方式向混凝土內(nèi)部的各種通道遷移。為了評(píng)估混凝土的抗?jié)B性,通常采用混凝土滲透系數(shù)或離子的擴(kuò)散系數(shù)的強(qiáng)弱指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)其抗?jié)B性能[12]。

硬化后的再生混凝土的主要成分為水泥漿體、砂、普通骨料、再生骨料、新舊界面過(guò)渡區(qū),它的內(nèi)部細(xì)、微觀結(jié)構(gòu)組成及界面過(guò)渡區(qū)比普通混凝土復(fù)雜[13]。水在其內(nèi)部傳輸和微觀結(jié)構(gòu)變化都會(huì)引起多種類型的破壞。如在溶液不同的濃度差下產(chǎn)生滲透壓,不同的蒸汽壓引起孔隙靜水壓力,這些因素都會(huì)造成再生混凝土內(nèi)部的應(yīng)力變化[14],導(dǎo)致混凝土的抗水滲透性下降。再生骨料內(nèi)部初始損傷嚴(yán)重、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,再生混凝土中存在大量的裂縫和孔隙,為水提供了一個(gè)良好的滲流渠道,因此,再生混凝土的透水性增大,當(dāng)外界環(huán)境中的水或以水為介質(zhì)的溶液通過(guò)孔隙進(jìn)入混凝土?xí)r,會(huì)對(duì)再生混凝土的結(jié)構(gòu)造成破壞,對(duì)其抗?jié)B性有很大的影響。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)材料

粗骨料:天然粗骨料采用吉林通榆縣某石料廠生產(chǎn)的天然碎石;再生粗骨料采用由吉林通榆縣某再生骨料處理廠破碎加工后的混凝土路面材料,骨料樣本質(zhì)地均勻,經(jīng)過(guò)鄂式破碎機(jī)破碎后將其運(yùn)至試驗(yàn)料場(chǎng)。之后進(jìn)行孔徑為4.75～9.5 mm、9.5～19 mm和19～31.5 mm的粗骨料篩分試驗(yàn),然后再清洗、晾干。

細(xì)骨料:取自吉林省通榆縣本地天然砂,細(xì)度模數(shù)為2.21。符合GB/T 14685—2011《建筑用卵石和碎石》[15]要求。

水泥:采用42.5普通硅酸鹽水泥。

外加劑:通榆縣本地生產(chǎn)的高效引氣減水劑,減水率為15%。

水:取自實(shí)驗(yàn)室自來(lái)水。

2.2 配合比設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)是基于正交試驗(yàn)所確定的最優(yōu)配合比,正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)三因素三水平,再生混凝土取代率、水灰比、砂率為影響因素;外加劑的摻加量為水泥的質(zhì)量占比,再生骨料用量根據(jù)等體積取代法計(jì)算。本試驗(yàn)的配合比,即水灰比為0.34,砂率為36%,再生骨料取代率為30%和50%,取代率70%的強(qiáng)度等級(jí)較低,此次試驗(yàn)未考慮。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1～2,配合比設(shè)計(jì)詳見(jiàn)表3。

表1 正交試驗(yàn)因素與水平

表2 正交試驗(yàn)表

表3 試驗(yàn)配合比 單位:kgm-3

表3 試驗(yàn)配合比 單位:kgm-3

注:30和50分別為再生骨料的取代率,附加用水量由含水率與吸水率確定。

編號(hào)等級(jí)水灰比砂率水泥水附加水再生粗骨料天然粗骨料砂B1-30B2-50C300.343642715817.1371.2871.3585.847716226.0564.5567.9638.9

2.3試件成型與養(yǎng)護(hù)

本試驗(yàn)試件為上口直徑175 mm,下口直徑185 mm,高150 mm的圓臺(tái)。試驗(yàn)共分為2組,B1組為取代率為30%的再生粗骨料試件,B2組為取代率為50%的再生粗骨料試件,每組試件為6個(gè)。綜合天然粗骨料的材料性能和引氣劑的摻入,試件試配等級(jí)為C30,坍落度的大小主要分布在200 mm左右,含氣量分布在3.5%～4.5%。試件在被制作完成后送入養(yǎng)護(hù)室,養(yǎng)護(hù)室滿足標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的條件(溫度為(20±2) ℃、恒定濕度為95%),養(yǎng)護(hù)28 d后再進(jìn)行試驗(yàn)。

2.4 試驗(yàn)方案

目前常用的檢測(cè)混凝土抗水滲透能力的方法有兩種:滲水高度法,逐步加壓法。用滲水高度法來(lái)評(píng)價(jià)再生粗骨料混凝土的抗?jié)B性能,比逐步加壓法更能清楚地反映再生粗骨料在粗骨料中的密度對(duì)再生粗骨料混凝土的影響。綜合考慮,本試驗(yàn)采用滲水高度法,根據(jù)GB/T 500082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[16]的要求進(jìn)行試驗(yàn)。

滲水高度法是將混凝土試件在恒定水壓0.8 MPa下保持24 h,取其平均值作為滲水高度,并通過(guò)公式(根據(jù)規(guī)范公式)求出每一組對(duì)應(yīng)的相對(duì)滲透系數(shù)。

本試驗(yàn)采用的設(shè)備:HP-4.0型自動(dòng)調(diào)壓混凝土滲透儀、圓臺(tái)抗?jié)B模具、水泥、黃油、活動(dòng)扳手、電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)、直徑為5 mm的鋼墊條、鋼尺、油灰刀、墊塊等。

2.4.1 密封方法

采用水泥、黃油混合物作為密封材料[17]。因?yàn)?要確保在測(cè)試時(shí),模具與試件之間的間隙不能發(fā)生滲水現(xiàn)象,從而影響整個(gè)試驗(yàn)的進(jìn)程,所以,應(yīng)選用適當(dāng)?shù)挠突冶取１驹囼?yàn)根據(jù)張淵[9]研究的油灰比范圍選取比值。當(dāng)時(shí)正處于冬季,實(shí)驗(yàn)室位于東北,當(dāng)天室溫為5 ℃左右,因而選取油灰比約為3～3.5,使本試驗(yàn)具有較好的密封性能。用砂紙將養(yǎng)護(hù)好的試件表面打磨干凈,使其無(wú)浮漿,并將配制好的密封材料均勻地涂抹在試件的側(cè)面,涂抹時(shí)一定要均勻,避免凹凸不平,確保密封效果,如圖1所示。

(a)水泥、黃油混合物

2.4.2 試驗(yàn)步驟

根據(jù)GB/T 500082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[16]的相關(guān)規(guī)定試驗(yàn),試驗(yàn)流程如圖2所示。

(a)涂抹密封材料

1)調(diào)節(jié)混凝土抗?jié)B儀到恒壓,并排盡管道內(nèi)空氣,將下限壓力值調(diào)節(jié)至0.8 MPa,上限壓力值調(diào)節(jié)至0.9 MPa,隨時(shí)注意試件兩端滲水情況。

2)當(dāng)某個(gè)試件出現(xiàn)滲水時(shí),立即關(guān)閉其對(duì)應(yīng)的閥門,記錄停止的試驗(yàn)時(shí)間;若試件沒(méi)有出現(xiàn)滲水現(xiàn)象,則等試驗(yàn)時(shí)間到24 h后停止,之后用壓力機(jī)將試件進(jìn)行劈裂試驗(yàn),并記錄滲水高度。

3)若發(fā)現(xiàn)試件頂面四周冒水則應(yīng)停止試驗(yàn),取下試件,待試件干燥并重新密封后再進(jìn)行抗?jié)B試驗(yàn)。

2.5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)定

抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)束后,將再生混凝土試件從抗?jié)B儀中取下,接著用壓力試驗(yàn)機(jī)將墊有鋼筋墊條的試件劈裂為兩半,用黑色馬克筆及鋼尺沿滲水痕跡將高度標(biāo)記,取10點(diǎn)測(cè)量試件的滲水高度值并進(jìn)行相對(duì)滲透系數(shù)的計(jì)算,滲水高度如圖3所示。由于骨料顆粒的不平整性,測(cè)出的痕跡線并不是平直的線條。

(a)取代率為30%

相對(duì)滲透系數(shù)的計(jì)算公式為

(1)

式中:SK為相對(duì)滲透系數(shù),cm/s;Dm為平均滲水高度,cm;H為水壓力,以水柱高度表示,cm;T為恒壓時(shí)間,h;m為再生混凝土的吸水率,一般為0.03。

滲透高度取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果,并用于計(jì)算相對(duì)滲透系數(shù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

粗骨料的物理性能根據(jù)GB/T 14685—2011《建筑用卵石和碎石》[15]的測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)定,測(cè)定的指標(biāo)分別為堆積密度、表觀密度、含水率、吸水率及含泥量等,本次試驗(yàn)所用的天然骨料和再生骨料的各性能見(jiàn)表4。再生混凝土的滲水高度、相對(duì)滲透系數(shù)以及抗壓強(qiáng)度測(cè)得的結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 粗骨料各項(xiàng)性能指標(biāo)

表5 試驗(yàn)結(jié)果

3.2 粗骨料基本性能對(duì)比分析

1)通過(guò)對(duì)比粗骨料基本性能的測(cè)定結(jié)果,發(fā)現(xiàn)再生粗骨料的含水率與吸水率明顯高于天然粗骨料,這是由于再生粗骨料表面粗糙、棱角多、含有大量的孔隙,而且在加工破碎時(shí)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的撞擊,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)許多細(xì)小的裂縫,因此,再生粗骨料的含水率與吸水率相較于天然粗骨料均高。

2)從性能指標(biāo)數(shù)據(jù)結(jié)果看,再生粗骨料的表觀密度和堆積密度均低于天然粗骨料,這是因?yàn)樵偕橇媳砻娓街喈?dāng)數(shù)量的水泥漿。通過(guò)文獻(xiàn)[10-11,18]對(duì)再生骨料的研究以及表觀密度和堆積密度性能的測(cè)定,結(jié)果顯示兩者的離散性大,品質(zhì)好的再生粗骨料其表觀密度和堆積密度的性能貼近或優(yōu)于天然骨料?；诒驹囼?yàn)制作再生粗骨料的基體混凝土質(zhì)量中等,所以得到的再生粗骨料的品質(zhì)一般。

3)根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)可知,再生粗骨料的針片狀顆粒含量大于天然碎石的,說(shuō)明再生混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)受再生粗骨料顆粒形狀的影響,使再生混凝土的密實(shí)性能降低,對(duì)再生混凝土的力學(xué)性能、耐久性能產(chǎn)生一定的影響。

3.3 抗?jié)B性能分析與比較

圖4為文獻(xiàn)[5]及本試驗(yàn)的再生粗骨料取代率對(duì)平均滲水高度、平均相對(duì)滲透系數(shù)的影響結(jié)果,圖5為文獻(xiàn)[7]測(cè)得的抗?jié)B壓力、標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度及本試驗(yàn)測(cè)得的標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度,以及它們隨再生粗骨料取代率的變化趨勢(shì)。

圖4 再生粗骨料取代率對(duì)滲水高度的影響

圖5中的水壓力值放大為真實(shí)值的30倍。

圖5 抗?jié)B水壓值和標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度隨再生粗骨料取代率的變化趨勢(shì)

由表5可知,B2組的相對(duì)滲透系數(shù)及滲水高度均比B1組的大。B1組滲水高度的最低值為3.1 cm,對(duì)應(yīng)的相對(duì)滲透系數(shù)達(dá)到0.204×10-7;B2組滲水高度的最低值為6.3 cm,對(duì)應(yīng)的相對(duì)滲透系數(shù)達(dá)0.844×10-7,且兩組滲水高度平均值相差2 cm。隨著天然碎石骨料摻和數(shù)量的降低,再生粗骨料摻和量的增加以及再生混凝土平均滲水高度和平均相對(duì)滲透系數(shù)的增大,表明取代率為30%的再生混凝土比取代率為50%的再生混凝土具有更好的抗?jié)B性能。

由圖4可知,本試驗(yàn)與文獻(xiàn)[5]的再生粗骨料取代率對(duì)滲水高度有相同的影響趨勢(shì),它們的滲水高度的變化均隨再生粗骨料取代率的增加而增高。由此可知,再生粗骨料同質(zhì)量取代天然粗骨料時(shí),其取代率越高,再生混凝土的抗?jié)B性能越差,而且文獻(xiàn)[5]的再生混凝土的抗?jié)B性能始終低于普通混凝土的。

從圖5中抗?jié)B水壓力值的曲線變化趨勢(shì)可知,隨著再生粗骨料取代率的增加,抗?jié)B水壓力值呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。再生粗骨料取代率從30%增長(zhǎng)到50%時(shí),抗?jié)B性能變化趨勢(shì)正向增強(qiáng),當(dāng)取代率為50%時(shí),其抗?jié)B性能達(dá)到最好,當(dāng)再生粗骨料取代率>50%時(shí),抗?jié)B性能變化趨勢(shì)負(fù)面減弱,當(dāng)取代率為100%時(shí),再生混凝土的抗?jié)B性能最差。

將圖4和圖5的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,可以看出再生粗骨料的取代率對(duì)再生混凝土的影響并不相同。

1)普通混凝土與再生混凝土的抗?jié)B性能對(duì)比結(jié)果相反。隨著再生骨料摻入量的增加,文獻(xiàn)[5]中普通混凝土的抗?jié)B性能始終比再生混凝土的強(qiáng),文獻(xiàn)[7]中再生混凝土的抗?jié)B性能呈現(xiàn)先升高再降低的變化規(guī)律,而且當(dāng)再生粗骨料取代率為100%時(shí),普通混凝土抗?jié)B性能才高于再生混凝土的。

2)在再生粗骨料取代率<50%時(shí),再生混凝土抗?jié)B性能的變化趨勢(shì)也出現(xiàn)不同的情況;在取代率<50%時(shí),文獻(xiàn)[5]的再生混凝土的變化呈下降趨勢(shì),而文獻(xiàn)[7]呈上升趨勢(shì)。但是,當(dāng)取代率>50%時(shí),再生混凝土的抗?jié)B性能均有相似的變化,均呈下降趨勢(shì)。

根據(jù)表5和圖5可知,再生粗骨料的取代率在30%～50%時(shí),本試驗(yàn)的抗壓強(qiáng)度與文獻(xiàn)[7]有相似的變化趨勢(shì)。本試驗(yàn)B1組與B2組之間的抗壓強(qiáng)度相差0.5 MPa,B1組再生混凝土的抗壓強(qiáng)度比B2組的略有提升。結(jié)合文獻(xiàn)[7]的曲線變化,取代率在30%～50%時(shí),再生混凝土的抗壓強(qiáng)度也出現(xiàn)升高的趨勢(shì),但是升高的幅度并不大。

綜前所述,造成抗壓強(qiáng)度升高的原因有兩方面:一是由于再生骨料的表面粗糙,內(nèi)部有微裂縫;二是再生粗骨料在拌制時(shí)會(huì)吸收拌和水,使實(shí)際水灰比降低。因此,再生粗骨料吸水率增大,使混凝土充分水化,強(qiáng)度呈現(xiàn)升高趨勢(shì)。造成抗?jié)B性能變化出現(xiàn)不同現(xiàn)象的原因:一是再生粗骨料混凝土的性能具有很大的差異性;二是受加工破碎及試驗(yàn)條件等因素的影響。因此,在不同的試驗(yàn)中,使用的再生骨料不同,其性能差異較大,所得的結(jié)果也會(huì)有偏差,甚至出現(xiàn)相反的情況。

3.4 粗骨料對(duì)抗?jié)B性能的影響分析

通過(guò)對(duì)本試驗(yàn)所用粗骨料的物理性能測(cè)定的指標(biāo)結(jié)果進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)再生骨料與天然骨料在物理性能上有所不同,再生骨料自身具有孔隙率、吸水率高的特征,而且內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在缺陷,在物理破碎的過(guò)程中被損壞,存在許多微裂縫,所以在制備再生混凝土?xí)r,再生粗骨料會(huì)與新的水泥砂漿產(chǎn)生新的界面區(qū)域,這些復(fù)雜成分是影響再生混凝土抗?jié)B性能的主要因素。

1)從微觀角度來(lái)看,由于再生粗骨料具有復(fù)雜的特點(diǎn),因而再生混凝土的界面過(guò)渡區(qū)明顯表現(xiàn)出疏松、裂縫多的特點(diǎn),這些因素會(huì)導(dǎo)致其內(nèi)部的孔隙率增大、密實(shí)度降低[19]。所以當(dāng)水滲入再生混凝土內(nèi)部時(shí),這些孔隙以及疏松部分會(huì)加速水的滲入,對(duì)再生混凝土的抗?jié)B能力產(chǎn)生不利影響,導(dǎo)致抗?jié)B性能下降。

2)對(duì)比粗骨料的性能分析可知,再生粗骨料的堆積密度、表觀密度比天然碎石的低,并且再生粗骨料的吸水性能、含水量比天然碎石的高。由于粗骨料之間具有前述性能的差異,水在滲透到再生混凝土內(nèi)部的整個(gè)過(guò)程中,都會(huì)造成再生混凝土的抗?jié)B水能力發(fā)生變化,而且再生混凝土受到的影響比普通混凝土更大。

4 結(jié)論

綜述本次試驗(yàn)結(jié)果,得出的結(jié)論:

1)強(qiáng)度等級(jí)為C30的再生粗骨料混凝土,其相對(duì)滲透系數(shù)隨著再生粗骨料取代率的增加而增大,且滲透系數(shù)越大其抗?jié)B性能越差,這說(shuō)明再生粗骨料混凝土的抗?jié)B水性能與再生粗骨料取代率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

2)強(qiáng)度等級(jí)為C30的再生粗骨料混凝土,其平均滲水高度隨著再生粗骨料取代率的增加而增大,其增高的幅度與再生粗骨料取代率的增大呈正相關(guān)關(guān)系。

3)根據(jù)與學(xué)者數(shù)據(jù)的對(duì)比分析可知,再生混凝土的抗?jié)B性能受再生粗骨料品質(zhì)的影響,具有一定的差異性,但是隨著再生粗骨料取代率的增高,其抗?jié)B性能是逐漸下降的。

4)選擇本批次再生粗骨料作為路面材料,取代率為30%的再生混凝土的抗?jié)B能力比取代率為50%的強(qiáng),但是再生粗骨料的摻量應(yīng)該根據(jù)具體的施工條件而定,用在抗?jié)B要求較高的工程時(shí),需要謹(jǐn)慎考慮。