再生骨料混凝土改性研究

王超宇 王子陽 管少杰 張啟民 陜西理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院

1 前言

隨著時代進步和城市化建設(shè)的進展，拆遷征地遺留下來的廢舊混凝土帶來的二次污染和資源浪費，已經(jīng)是迫在眉睫，基于原生骨料的相對有限性和推進可持續(xù)發(fā)展的潮流，對廢棄混凝土的再利用研究已經(jīng)成為混凝土和環(huán)境科學(xué)等研究領(lǐng)域的熱點。再生骨料大多來源于舊有建筑物拆除產(chǎn)生的混凝土，強度等級普遍偏低，對再生骨料的研究將隨著再生混凝土的應(yīng)用而越來越重要。

本文以廢棄混凝土骨料作為研究對象，通過摻入不同比例的秸稈灰，研究再生骨料混凝土力學(xué)性能，意在為配制再生混凝土提供必要的試驗數(shù)據(jù)。

近年來，世界上有些學(xué)者對再生骨料混凝土二次利用進行了研究，再生骨料混凝土在部分工程中得以應(yīng)用。由于再生骨料混凝土自身的特性，再生骨料與天然骨料有所區(qū)別，與天然骨料相比，再生骨料在性能方面存在不同程度的降低，其應(yīng)用范圍受到一定限定。

針對上述問題，王東旭等研究了陶瓷再生粗骨料混凝土力學(xué)性能，指出陶粒可以提高再生骨料混凝土的抗壓、抗劈裂強度；楊魯?shù)妊芯苛嗽偕橇咸娲蕦炷列阅艿挠绊?；張萌研究了石墨烯混凝土的制備與性能，指出石墨烯可以提高再生骨料混凝土的抗壓和劈裂強度等，均取得了一定的研究成果。

在之前學(xué)者的研究基礎(chǔ)上，本試驗旨在研究秸稈灰摻量為1%、3%、5%、7%、9%、11%對再生骨料混凝土的抗壓強度的影響，為配制高性能的綠色再生骨料混凝土提供依據(jù)和參考。

2 試驗原材料

2.1 再生骨料

本次試驗的再生骨料來源于實驗室結(jié)構(gòu)試驗的梁構(gòu)件廢棄物，其強度為C30 的碎石混凝土，結(jié)構(gòu)試驗破壞后的混凝土試件經(jīng)人工破碎過篩后分為5mm～20mm 的連續(xù)級配，其中16mm～19mm，累計篩余5%；9.5mm～16mm 累計篩余65%；4.75mm～9.5mm，累計篩余100%。三種粒徑的再生粗骨料進行試驗研究，其基本性能：堆積密度1220.74kg/m3，壓碎指標17.62%，1h吸水率0.865%。

2.2 原生骨料

試驗用原生粗骨料為5mm～20mm 碎石，試驗采用5mm～20mm 的連續(xù)級配，其中16mm～19mm，累計篩 余5%；9.5mm～16mm 累計篩余65%；4.75mm～9.5mm，累計篩余100%；試驗用細骨料為河砂，細度模數(shù)為2.48中砂，級配良好。

2.3 其他原料

試驗采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，水泥細度、燒失量、安定性、凝結(jié)時間、強度均符合規(guī)定；

水為普通自來水；

石墨烯溶液：試驗采用經(jīng)過改性處理的濃度為0.1g/L的石墨烯溶液；

秸稈灰是將水稻秸稈燃燒后的灰質(zhì)進行過篩而成。

3 試驗方案與結(jié)果分析

3.1 試驗方案

由于再生骨料的組成包括了原有骨料、表面附有水泥漿體的骨料和少量水泥石，使再生粗骨料外觀棱角較多、不規(guī)則，表面異常粗糙；小粒徑骨料比大粒徑骨料的粗糙程度要大，吸水率比天然骨料大，試驗時需要考慮附加用水量問題；石墨烯納米顆粒的尺寸小于100nm，可填充混凝土中水泥石部分的微孔，能夠提高混凝土密實性；由于石墨烯本身具有憎水性，分散性較差，很難保證摻入混凝土中的均勻性，試驗采用石墨烯溶液可以在一定程度上解決了這一問題，考慮石墨烯成本及顆粒過細問題，試驗各組均按0.8%摻入。

秸稈灰富含無機物，尤其是其中活性SiO2和Al2O3的含量較高，理論上可以替代部分水泥作為膠凝材料，可以更好地起到凝結(jié)作用。為了探究秸稈灰的最佳摻量，本次試驗選用的秸稈灰摻量為1%、3%、5%、7%、9%、11%六個水平。

本次試驗混凝土配合比的設(shè)計方法依據(jù)JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》進行，采用再生骨料以取代率為25%取代天然碎石，固定摻入0.8%石墨烯用以提高混凝土的密實性，通過摻入秸稈灰為1%、3%、5%、7%、9%、11%設(shè)計強度為C30混凝土，坍落度為120mm，水膠比為0.6，配合比為水泥∶砂∶石∶水=1∶2.13∶3.50∶0.6。

試驗采用人工拌合的方法進行配制，按照配比稱量各種材料，現(xiàn)將再生骨料加入附加用水量進行預(yù)拌合，再與天然骨料混合均勻，其余與普通混凝土拌合一致，使用150mm×150mm×150mm 標準試件進行成型，養(yǎng)護的條件為自然養(yǎng)護，試件按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標準》測試7d、28d的抗壓強度。

3.2 結(jié)果分析

本試驗的試驗結(jié)果如表1、圖1、圖2所示。

圖1 7d、28d抗壓強度

圖2 同一摻量下7d、28d抗壓強度對比圖

根據(jù)表1、圖1 分析，隨著秸稈灰摻量的增加，再生骨料混凝土7d 抗壓強度先增加后減小，根據(jù)圖1擬合分析，估計在6%附近達到極值，極值大于26.26MPa。其中，秸稈灰摻量在1%～5%范圍內(nèi)，隨秸稈灰摻量的增加，再生骨料混凝土7d 抗壓強度提升明顯；當秸稈灰摻量在5%～7%區(qū)間時，隨秸稈灰摻量的增加，再生骨料混凝土7d抗壓強度幾乎無變化，且維持在較高水平；當秸稈灰摻量大于7%后，隨秸稈灰摻量的增加，再生骨料混凝土7d 抗壓強度下降明顯。

根據(jù)表1、圖1 分析，隨著秸稈灰摻量的增加，再生骨料混凝土28d 抗壓強度先增加后減小，根據(jù)圖1擬合分析，估計在6%附近達到極值，極值大于35.14MPa。其中，秸稈灰摻量在1%～5%范圍內(nèi)，隨秸稈灰摻量的增加，再生骨料混凝土28d抗壓強度提升明顯；當秸稈灰摻量在5%～7%區(qū)間時，隨秸稈灰摻量的增加，再生骨料混凝土28d 抗壓強度幾乎無變化，且維持在較高水平；當秸稈灰摻量大于7%后，隨秸稈灰摻量的增加，再生骨料混凝土28d抗壓強度下降明顯。

表1 不同摻量秸稈灰的再生骨料混凝土強度指標

根據(jù)表1、圖1 分析，秸稈灰摻量從1%增加到3%，再生骨料混凝土7d 抗壓強度提高4.97%，28d 抗壓強度提高6.62%；秸稈灰摻量從3%增加到5%，再生骨料混凝土7d抗壓強度提高9.97%，28d抗壓強度提高10.26%。從整體來看，秸稈灰摻量從1%增加至最佳摻量6%，再生骨料混凝土7d抗壓強度提高大于15.43%，28天抗壓強度提高大于17.56%，秸稈灰對再生骨料混凝土后期的抗壓強度作用效果更為明顯，長時間的養(yǎng)護更有利于秸稈灰中的活性物質(zhì)發(fā)揮作用，增強其凝結(jié)作用。秸稈灰摻量從6%增加到11%，再生骨料混凝土7d、28d抗壓強度均降低，且在此范圍內(nèi)秸稈灰對再生骨料混凝土28d 抗壓強度的削弱效果比7d更明顯。

根據(jù)圖2 分析，秸稈灰在1%摻量條件下，28d 抗壓強度比7d抗壓強度提高31.4%；秸稈灰在3%摻量條件下，28d 抗壓強度比7d 抗壓強度提高33.5%；秸稈灰在5%摻量條件下，28d 抗壓強度比7d 抗壓強度提高33.8%；秸稈灰在7%摻量條件下，28d 抗壓強度比7d 抗壓強度提高33.9%；秸稈灰在9%摻量條件下，28d 抗壓強度比7d 抗壓強度提高33.9%；秸稈灰在11%摻量條件下，28d抗壓強度比7d抗壓強度提高32.1%。秸稈灰摻量在1%和11%時，再生骨料混凝土的7d～28d 抗壓強度增長值較??；而秸稈灰摻量在3%、5%、7%、9%時，再生骨料混凝土的7d～28d 抗壓強度增長值較大，但整體上再生骨料混凝土的7d～28d抗壓強度增長值差別不大。

經(jīng)分析，試驗結(jié)果的原因是：秸稈灰中富含無機物，尤其是其中活性二氧化硅和三氧化二鋁的含量可以高達到55%以上，可以替代一部分水泥作為膠凝材料，且可以更好地起到凝結(jié)作用，使再生骨料混凝土抗壓強度提高。但秸稈灰由于是由秸稈燃燒而成，其中可能存在燃燒不完全等各類雜質(zhì)，并且秸稈灰吸水性較強，當摻量過多時，這些雜質(zhì)可能會對再生骨料混凝土的性能產(chǎn)生負面影響，也會使再生骨料混凝土和易性變差，從而不利于性能的發(fā)揮，使再生骨料混凝土抗壓強度下降。

綜上分析：在試驗范圍內(nèi)，秸稈灰摻量對再生骨料混凝土7d、28d 抗壓強度影響趨勢大體相同，抗壓強度先增加后減小，摻量為6%附近是最佳摻量，7d強度超過26.26MPa，28d強度超過35.14MPa。

4 試驗結(jié)論

（1）秸稈灰摻量在1%～5%范圍內(nèi)，隨秸稈灰摻量增加，再生骨料混凝土7d、28d抗壓強度提高；秸稈灰摻量在7%～11%范圍內(nèi)，隨秸稈灰摻量增加，再生骨料混凝土7d、28d 抗壓強度降低；當秸稈灰摻量為5%～7%時，再生骨料混凝土7d、28d抗壓強度處于較高水平。

（2）對于再生骨料混凝土抗壓強度而言，秸稈灰的最佳摻量在為6%左右，此時，再生骨料混凝土7d抗壓強度大于26.26MPa，28d 抗壓強度大于35.14MPa。

（3）秸稈灰摻量從1%增加至最佳摻量6%，再生骨料混凝土7d 抗壓強度提高大于15.43%，28d 抗壓強度提高大于17.56%，秸稈灰對再生骨料混凝土后期的抗壓強度作用效果更為明顯，長時間的養(yǎng)護更有利于秸稈灰中的活性物質(zhì)發(fā)揮作用，增強其凝結(jié)作用。