高 兵 楊思涵
(吉林建筑大學(xué),吉林 長春 130119)
由于再生骨料混凝土的強度高、成本低、耐久性好、與鋼材的粘附性好等優(yōu)點,在許多實際工程中得到了廣泛的應(yīng)用。粗骨料在混凝土中具有重要作用。天然粗骨料是由天然巖石、卵石、礦渣等經(jīng)過機械粉碎、篩選而成。天然巖石屬于不可再生資源,儲量有限,過度開采巖石將不可避免地導(dǎo)致環(huán)境破壞。在工業(yè)生產(chǎn)中,會產(chǎn)生大量混凝土建筑垃圾,據(jù)估計,中國大陸每年生產(chǎn)約20億噸混凝土。此外,中國的一些自然災(zāi)害,如汶川地震、玉樹地震和云南地震產(chǎn)生了大量的廢棄混凝土,而且大部分混凝土廢料只能露天堆放或掩埋,造成土地資源浪費,因此,中國和其他國家越來越重視廢棄混凝土的再利用。將廢棄混凝土進行壓碎、清理、按照不同直徑分級后,按不同比例代替天然粗骨料,這種方式減少了廢棄物堆放和天然砂石的開采,可以獲得環(huán)境保護和循環(huán)經(jīng)濟的雙重效益。
當(dāng)前,對再生骨料混凝土的力學(xué)性能及抗凍性已有大量的研究成果,但是,對于如何采取措施優(yōu)化再生骨料混凝土的抗凍性能仍有很大的研究空間。再生骨料混凝土在實際應(yīng)用中存在吸水率高、孔隙率高、壓碎指數(shù)高等缺陷。這些缺陷限制了再生骨料混凝土的實際應(yīng)用。本文通過對國內(nèi)外現(xiàn)有研究成果的研究,總結(jié)了影響再生骨料混凝土抗凍耐久性的因素及其改進措施。
混凝土的抗凍性是指在經(jīng)歷了多次的凍融循環(huán)后,在含水的條件下仍能保持良好的性能。關(guān)于混凝土的凍融破壞原理目前最有說服力的是T.C.Powers提出的滲透壓假說和靜水壓假說,即混凝土內(nèi)孔隙結(jié)冰后產(chǎn)生凍脹而使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)受損,再生骨料混凝土的破壞機理亦是如此。因此,混凝土的抗凍性與其內(nèi)部的含水量和吸水率有關(guān)。而再生混凝土由于自身存在孔隙且表面易附著砂漿,導(dǎo)致其吸水率比普通混凝土大。朋改非等通過實驗驗證,廢棄混凝土的加工處理會增加其吸水率,因為附著在再生骨料表面的砂漿吸水率要比天然石材大很多,此外,一些廢棄混凝土上的石子在破碎過程中會產(chǎn)生裂縫,也會導(dǎo)致吸水率增加?;炷林兴哪厅c與孔隙大小有關(guān),當(dāng)溫度降到冰點以下時,它首先在大孔中凍結(jié),而小孔中冷凍水的表面由于小孔的限制而降低,小孔中的冰點也隨之降低。因此,孔隙率和孔徑也是影響混凝土抗凍性的因素之一。鄧向輝等測試了不同置換率下再生混凝土的孔隙率,結(jié)果表明,再生骨料的取代率越高,大孔隙和裂縫的比例越高。為了提高再生混凝土的抗凍性,主要方法是降低再生混凝土的孔隙率及減小孔徑。
再生骨料的質(zhì)量包括骨料的形狀和砂漿的黏結(jié)量。廢棄骨料的處理首先要經(jīng)過錘擊、切割和分揀后,再進行破碎處理。一般來說,初篩再生骨料的棱角較多,砂漿黏結(jié)量較大。配制混凝土?xí)r,單位用水量大于普通混凝土,再生混凝土中的冷凍水含量增加,抗凍耐久性降低。為了得到高品質(zhì)的再生骨料,還要將直徑較大的粗骨料進行二次破碎、強化和篩分處理,在物理加工過程中,優(yōu)質(zhì)再生粗骨料去除了水泥砂漿的突出邊緣和表面硬化,改善了再生粗骨料的形狀和級配,使再生粗骨料的基本性質(zhì)與天然骨料相似。因此,可以通過提高再生粗骨料的質(zhì)量來提高再生混凝土的抗凍性。
為了使再生混凝土既滿足耐久性的要求又能使再生骨料盡可能多地代替天然骨料,就要研究再生混凝土的取代率。郭遠新研究了再生細(xì)骨料的質(zhì)量和替代率對相對動彈性模量的影響,結(jié)果表明,再生細(xì)骨料的抗凍性低于普通混凝土。隨著細(xì)骨料質(zhì)量的提高,抗凍性也隨之提高。當(dāng)再生骨料的取代率從50%增加到100%時,抗凍性顯著降低。一些學(xué)者對骨料替代率進行了細(xì)化得出,抗凍性呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,這主要是因為添加再生骨料具有一定的引氣效果,提供了一定數(shù)量的“空洞”,使孔隙中的水結(jié)冰后仍有一定的空間,降低了孔隙中的水壓力。一些學(xué)者證明,當(dāng)骨料替代率超過40%時,再生混凝土的抗凍性隨著替代率的增加開始顯著降低,因此,在不添加外加劑的情況下,骨料取代率不宜超過40%。
再生骨料中添加纖維是提高再生混凝土耐久性的有效方法,纖維可以增加混凝土的韌性和密實性,預(yù)防早期裂縫的產(chǎn)生。目前,常用的纖維材料包括碳纖維、鋼纖維、超高分子量聚乙烯纖維和玄武巖纖維。其中玄武巖纖維無危害性、化學(xué)穩(wěn)定性強、使用成本低,具有較好的綜合性能。Xuifei Chen等測量了不同取代率和不同玄武巖纖維含量的混凝土孔隙率。如圖1所示,骨料替代率為50%,玄武巖含量高于0.75%的孔隙率,甚至低于普通混凝土,這意味著超過0.75%的玄武巖纖維可以彌補再生混凝土孔隙率高的缺陷,從而提高再生骨料混凝土的抗凍性。
圖1 不同再生粗骨料和短切玄武巖纖維用量混凝土的孔隙率
纖維的性質(zhì)和含量是影響再生混凝土耐久性的重要因素。一定摻量的鋼纖維可提高再生混凝土的抗凍性,但是,摻量過高會導(dǎo)致混凝土內(nèi)部孔隙增多,反而降低了抗凍性能。除了單獨摻入某一種纖維外,混合摻入兩種纖維也能夠提高再生混凝土性能。侯晉杰等采用快速凍融試驗測試了鋼纖維和玄武巖纖維單摻和混摻后的抗凍性能,結(jié)果表明,鋼纖維和玄武巖纖維無論單摻還是混摻,一定數(shù)量內(nèi)均可提高再生混凝土的抗凍性,且二者混合摻入后提升效果更加明顯,試驗得出的最佳體積摻量為2%鋼纖維+0.2%玄武巖纖維。
已有研究證明礦物摻合料可以提高普通混凝土的抗凍耐久性,但由于再生混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)和界面的復(fù)雜性,礦物摻合料對普通混凝土抗凍性的改善效果并不一定適用于再生混凝土,因此,礦物摻合料對再生混凝土抗凍性的研究也成為許多學(xué)者關(guān)注的問題。不同礦物摻合料對再生混凝土抗凍性的影響也存在顯著差異,趙飛等通過試驗證明,硅灰可以顯著提高再生混凝土的抗凍性,而隨著鋼渣含量的增加反而降低了再生混凝土的抗凍性。不同比例的礦物摻合料對抗凍性有不同的影響,根據(jù)其試驗結(jié)果,同時添加5%硅灰和15%鋼渣的再生混凝土抗凍性優(yōu)于普通混凝土。劉曉峰等采用不同摻量的石灰石粉,對再生混凝土的抗凍性能進行了試驗,結(jié)果表明,石灰石有利于提高再生混凝土的抗凍性,最佳摻量為5%~10%。何曉瑩等以不同含量的粉煤灰為研究對象,試驗結(jié)果表明,低摻量粉煤灰可以降低再生混凝土的內(nèi)部損傷率,提高混凝土的抗凍性。然而,該試驗僅研究了粉煤灰摻量在20%以內(nèi)再生混凝土抗凍性的影響,未得到最佳摻量?,F(xiàn)有研究已得出了部分礦物摻合料能夠改善再生混凝土抗凍性的結(jié)論,未來可以對混合摻合料及各種摻合料的摻入比例進行進一步研究。
結(jié)構(gòu)孔隙內(nèi)的可結(jié)冰水?dāng)?shù)量很大程度上影響了再生混凝土的抗凍性,而水灰比對混凝土孔隙結(jié)構(gòu)影響很大。隨著水灰比增加,質(zhì)量損失率也會隨之增加,相對動彈性模量減小,抗凍性能降低。目前,已有研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)水灰比控制在0.28以內(nèi)時,再生混凝土可以滿足抗凍性和強度要求,若水灰比高于0.28時,可以加入適量外加劑提高再生混凝土強度。因此,將水灰比控制在一定范圍內(nèi)也是改善再生混凝土抗凍性的有效措施。
為了提高再生混凝土或普通混凝土抗凍性,可加入引氣劑和減水劑等外加劑,加入減水劑的作用實際上也是控制水灰比。防凍劑的防凍機理是各種效果的綜合體現(xiàn)。防凍劑主要含有四種成分,包括引氣成分、減水成分、早強成分和防凍成分。它們的作用是使結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生微小孔隙,減少結(jié)冰后結(jié)構(gòu)內(nèi)部的膨脹壓力、降低可結(jié)冰水含量、使再生混凝土結(jié)構(gòu)加快到達臨界抗凍強度、保持孔隙內(nèi)水泥水化持續(xù)進行。防凍劑在提高普通混凝土和再生混凝土的抗凍性方面起著重要作用。
除上述因素外,養(yǎng)護時間對混凝土的抗凍性也有影響,養(yǎng)護28d和60d再生混凝土的相對動彈性模量和質(zhì)量損失只存在細(xì)微的差別,考慮到延長養(yǎng)護時間會影響工期,因此,現(xiàn)場施工時不宜通過延長養(yǎng)護時間來提高混凝土的抗凍性。
抗凍性是影響再生混凝土的主要因素之一,本文通過研究國內(nèi)外文獻的試驗方案和結(jié)果,分析再生骨料的缺陷及其改善措施,得到的結(jié)論如下:
(1)再生骨料的自身缺陷是影響再生混凝土抗凍耐久性的主要原因,可以通過機械活化的方式去除再生骨料表面黏結(jié)的老舊水泥砂漿,使其吸水性降低,從而改善再生骨料的品質(zhì)。
(2)選擇適當(dāng)?shù)墓橇先〈士梢越档驮偕橇舷噍^于天然骨料產(chǎn)生的不利影響。如果加入適量外加劑或摻合料,再生骨料的抗凍性能甚至可以優(yōu)于普通混凝土。
(3)摻入纖維或礦物摻合料可以增加再生骨料混凝土的密實度和韌性。加入纖維能夠更好保持再生混凝土表面形態(tài)和完整性,減少再生混凝土質(zhì)量損失。當(dāng)兩種纖維混合摻入時,還可以產(chǎn)生優(yōu)勢互補,表現(xiàn)出良好的混摻效應(yīng),從而提高再生混凝土抗凍耐久性。
(4)控制水灰比或加入外加劑有助于提高再生混凝土抗凍性。在各種外加劑中,防凍劑作為一種具有引氣、早強、減水和防凍成分的外加劑,在提高再生混凝土抗凍性方面發(fā)揮著重要作用。