粉煤灰再生粗骨料多孔混凝土強(qiáng)度影響因素研究

賈劍輝

（北京通成達(dá)水務(wù)建設(shè)有限公司，北京 順義區(qū) 101300）

0 引言

中國(guó)每年產(chǎn)生超過(guò)4億t的廢棄混凝土，如此龐大數(shù)量的建筑垃圾往往被運(yùn)輸?shù)浇紖^(qū)、山區(qū)堆放或者填埋，占用了大量的土地資源，造成河道堵塞、土壤和地下水污染的問(wèn)題[1，2]。再生混凝土是當(dāng)前固體廢棄物再利用的一種前沿技術(shù)，是指利用廢棄混凝土破碎加工而成的再生骨料，部分或全部的代替天然骨料配制而成的新混凝土[3，4]，能夠有效提升固廢資源的利用率，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)再生混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行了相關(guān)研究，取得了系列成果[5，6]。金寶宏等[7]基于L16（45）正交表設(shè)計(jì)16組聚丙烯-鋼纖維/再生粗骨料混凝土（PP-SF/RCA混凝土）和1組基準(zhǔn)組混凝土的7d抗壓強(qiáng)度和28d抗壓、劈拉及彎折強(qiáng)度試驗(yàn)，研究VP、VS和RR三因素對(duì)PP-SF/RCA混凝土力學(xué)性能的影響；倪紫威[8]研究了再生粗骨料不同取代率對(duì)混凝土力學(xué)強(qiáng)度及抗凍性能的影響，建立了凍融循環(huán)作用下再生混凝土損傷模型。此外還有研究學(xué)者探討了化學(xué)強(qiáng)化和混雜纖維對(duì)再生混凝土力學(xué)性能和耐腐蝕性的影響[9-14]。本文為研究再生粗骨料多孔混凝土強(qiáng)度影響因素，在水泥中添加部分粉煤灰材料，通過(guò)室內(nèi)單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)探討了不同再生粗骨料含量、不同水膠比以及不同骨膠比下再生混凝土強(qiáng)度的變化規(guī)律，研究成果可為相關(guān)混凝土工程提供參考。

1 原材料及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文采用P·O 42.5硅酸鹽水泥，質(zhì)量符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《通用硅酸鹽水泥》GB175-2007的要求。粉煤灰采用某電廠的粉煤灰作為原材料，密度為2.27g/cm3，比表面積2 764cm2/g，屬于F級(jí)粉煤灰，通過(guò)XRD光譜分析測(cè)得其主要的化學(xué)成分為SIO2、Al2O3，CaO。外加劑采用聚羧酸鹽類(lèi)減水劑，粗骨料為天然碎石和再生骨料，骨料采2.4mm～4.75mm的間斷級(jí)配碎石，均符合Ⅱ類(lèi)用石標(biāo)準(zhǔn)。兩種骨料經(jīng)過(guò)篩選后用水沖洗干凈，自然風(fēng)干后使用。

本文配合比的設(shè)計(jì)參考了 CJJ/T 253-2016《再生骨料透水混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》，再生骨料透水性混凝土采用體積法設(shè)計(jì)配合比，即首先確定的設(shè)計(jì)值為骨料透水混凝土孔隙率，單方膠凝材料漿體量由兩組設(shè)計(jì)值確定：骨料空隙率和透水混凝土孔隙率，再根據(jù)混凝土強(qiáng)度等級(jí)和施工要求的拌合物和易性來(lái)調(diào)整水灰比和硅灰、水泥摻量比用量，并進(jìn)行試拌，微調(diào)后得到基礎(chǔ)配合比。本文為深入探討再生骨料混凝土的力學(xué)性能，主要設(shè)計(jì)了5種粗骨料含量、5種水膠比以及5種骨膠比對(duì)再生混凝土強(qiáng)度的影響。表1為一組配比設(shè)計(jì)。

表1 再生混凝土基礎(chǔ)配合比設(shè)計(jì) kg/m3

2 試樣制備

根據(jù)前期的配合比設(shè)計(jì)，先將天然碎石、再生骨料和拌合水加入攪拌機(jī)預(yù)先攪拌1.5min，然后再加入一半的水泥、減水劑、硅灰后攪拌1min，最后將剩余的水泥和拌合水加入攪拌機(jī)，攪拌2min，同時(shí)制備參照組。新拌混凝土顏色較深，外觀光亮，將其裝入100mm×100mm×100mm模塊中振動(dòng)成型，待觀察無(wú)任何凝結(jié)跡象，抗壓強(qiáng)度無(wú)任何退化后，送入養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)7d、14d、28d。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 不同粗骨料含量下混凝土強(qiáng)度

圖1給出了不同再生粗骨料含量下混凝土養(yǎng)護(hù)7d、14d、28d時(shí)的抗壓強(qiáng)度。由圖可知，總體上來(lái)看，隨著粗骨料的增加，混凝土抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)了明顯增長(zhǎng)，但當(dāng)達(dá)到一定含量時(shí)混凝土性能會(huì)出現(xiàn)明顯降低，其中當(dāng)混凝土養(yǎng)護(hù)天數(shù)為7d時(shí)，再生粗骨料含量為670.8kg/m3，874.9kg/m3，1052.4kg/m3，1220.8kg/m3的 抗壓強(qiáng)度分別為 12.3MPa，14.3MPa，15.3MPa，16.1MPa，而當(dāng)粗骨料含量為1473.9kg/m3時(shí)，強(qiáng)度降低至15.7MPa；當(dāng)混凝土養(yǎng)護(hù)天數(shù)為14d時(shí)，抗壓強(qiáng)度分別為21.6MPa，23.6MPa，24.7MPa，25.2MPa，24.9MPa；當(dāng)混凝土養(yǎng)護(hù)天數(shù)為28d時(shí)，抗壓強(qiáng)度分別為31.2MPa，32.1MPa，34.2MPa，35.7MPa，34.7MPa。出現(xiàn)這一現(xiàn)象是由于多孔混凝土屬于多孔材料，在低強(qiáng)度等級(jí)混凝土中，膠凝材料用量少，漿體也少，適當(dāng)增加骨料粒徑，減少比表面積，可以減少漿體用量，增加混凝土的密實(shí)度，提高混凝土強(qiáng)度。但也不是粒徑越大，混凝土強(qiáng)度越高，在高強(qiáng)度等級(jí)的混凝土中，骨料的粒徑越大，存在缺陷的幾率越大，在混凝土拌合物中，顆粒大的骨料下沉速度也越快，造成混凝土勻質(zhì)性差，強(qiáng)度低。高強(qiáng)度等級(jí)的混凝土使用粒徑小的骨料可以降低骨料缺陷，也可以增加骨料與水泥漿的粘結(jié)面積，提高混凝土強(qiáng)度。

3.2 不同水膠比下混凝土強(qiáng)度

圖2給出了不同水膠比下混凝土養(yǎng)護(hù)7d、14d、28d時(shí)的抗壓強(qiáng)度。由圖可知，總體上來(lái)看，隨著水膠比的增加，混凝土抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)了降低的趨勢(shì)，其中當(dāng)混凝土養(yǎng)護(hù)天數(shù)為 7d 時(shí)，水灰比（w/c）為 0.2，0.22，0.24，0.26，0.28時(shí)的抗壓強(qiáng)度分別為12.3MPa，11.3MPa，10.3MPa，9.1MPa，7.7MPa；當(dāng)混凝土養(yǎng)護(hù)天數(shù)為14d時(shí)，抗壓強(qiáng)度分別為20.6MPa，19.6MPa，18.7MPa，17.2MPa，15.9MPa；當(dāng)混凝土養(yǎng)護(hù)天數(shù)為28d時(shí)，抗壓強(qiáng)度分別為 29.2MPa，28.1MPa，27.2MPa，26.7MPa，24.7MPa。由結(jié)果可知，水灰比對(duì)再生混凝土的強(qiáng)度有明顯影響，混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)的過(guò)程，就是水泥和水產(chǎn)生水化反應(yīng)的過(guò)程。水化產(chǎn)物的生成速度大于水化產(chǎn)物向溶液中擴(kuò)散速度，所以很快使水泥顆粒周?chē)合嘀械乃a(chǎn)物濃度達(dá)到飽和或過(guò)飽和狀態(tài)，并從溶液中析出，成為高度分散的凝膠體。水化反應(yīng)繼續(xù)，游離水份不斷減少，水泥失去塑性，隨著水化產(chǎn)物的不斷增加，顆粒之間的毛細(xì)孔被填實(shí)，水化產(chǎn)物中的晶體貫穿于凝膠體，逐漸形成有一定強(qiáng)度的水泥從而進(jìn)入硬化階段。水化產(chǎn)物的進(jìn)一步增加以及水分的不斷喪失，使得水泥石強(qiáng)度進(jìn)一步增長(zhǎng)。通常水灰比越大，游離水就會(huì)增加，從而晶體和凝膠體會(huì)逐漸減小，使得再生混凝土強(qiáng)度降低。

3.3 不同骨膠比下混凝土強(qiáng)度

圖3給出了不同骨膠比下混凝土養(yǎng)護(hù)7d、14d、28d時(shí)的抗壓強(qiáng)度。由圖可知，不同養(yǎng)護(hù)天數(shù)下，混凝土抗壓強(qiáng)度隨骨膠比增大都呈減小趨勢(shì)。其中，當(dāng)混凝土養(yǎng)護(hù)天數(shù)為 7d 時(shí)，骨膠比（a/c）為 2，2.2，2.4，2.6，2.8 時(shí)的抗壓強(qiáng)度分別為 12.3MPa，10.1MPa，9.8MPa，8.4MPa，7.3MPa；當(dāng)混凝土養(yǎng)護(hù)天數(shù)為14d時(shí)，抗壓強(qiáng)度分別為20.6MPa，17.3MPa，15.7MPa，14.2MPa，13.9MPa；當(dāng)混凝土養(yǎng)護(hù)天數(shù)為28d時(shí)，抗壓強(qiáng)度分別為29.3MPa，26.1MPa，25.2MPa，24.7MPa，22.7MPa。試樣強(qiáng)度出現(xiàn)降低趨勢(shì)是由于再生混凝土屬于典型多孔材料，其強(qiáng)度由內(nèi)部結(jié)構(gòu)粘聚力決定。增加骨料占比，會(huì)減少膠凝材料用量，導(dǎo)致骨料之間的黏結(jié)材料厚度變薄，降低透水混凝土的內(nèi)部黏結(jié)強(qiáng)度，從而宏觀上表現(xiàn)出抗壓強(qiáng)度減小的力學(xué)性質(zhì)。

4 結(jié) 論

本文為研究再生粗骨料多孔混凝土強(qiáng)度影響因素，在水泥中添加部分粉煤灰材料，通過(guò)室內(nèi)單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)探討了不同再生粗骨料含量、不同水膠比以及不同骨膠比下再生混凝土強(qiáng)度的變化規(guī)律，結(jié)果表明：

（1）隨著粗骨料的增加，混凝土抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)明顯增長(zhǎng)，但當(dāng)達(dá)到一定含量時(shí)混凝土性能會(huì)出現(xiàn)明顯降低。因此在低強(qiáng)度等級(jí)混凝土中，可以適當(dāng)增加骨料占比，增大骨料與水泥漿的粘結(jié)面積，提高混凝土強(qiáng)度。

（2）隨著水膠比的增加，混凝土抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)了降低的趨勢(shì)。水膠比對(duì)再生混凝土的強(qiáng)度有明顯影響，水膠比越大，游離水就會(huì)增加，從而晶體和凝膠體會(huì)逐漸減小，使得再生混凝土強(qiáng)度降低。其中當(dāng)混凝土養(yǎng)護(hù)天數(shù)為28d、水灰比（w/c）為0.2時(shí)的抗壓強(qiáng)度最大，為29.2MPa。

（3）不同養(yǎng)護(hù)天數(shù)下的混凝土抗壓強(qiáng)度隨骨膠比增大都呈減小趨勢(shì)。這是由于再生混凝土強(qiáng)度由內(nèi)部結(jié)構(gòu)粘聚力決定，增大骨膠比會(huì)減少膠凝材料用量，降低透水混凝土的內(nèi)部黏結(jié)強(qiáng)度。本文當(dāng)混凝土養(yǎng)護(hù)天數(shù)為28d時(shí)，骨膠比（a/c）為2時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度最大，為29.3MPa。