膨脹劑對再生骨料基層力學(xué)與干縮性能的影響★

曹 慧，沈菊男

(蘇州科技大學(xué) 江蘇省生態(tài)道路產(chǎn)業(yè)化工程研究中心，江蘇 蘇州 215000)

1 概述

隨著我國城市化的進(jìn)程不斷加快，基礎(chǔ)建設(shè)的飛速發(fā)展，伴有大量的老舊建筑物以及廢棄公路被拆除，產(chǎn)生了大量的建筑垃圾，對于這些建筑垃圾的處理成了我們面臨的難題，目前的解決方法是簡單的堆放或者掩埋[1-2]，但混凝土很難自然降解，這樣處理不僅會(huì)造成資源的浪費(fèi)，而且會(huì)嚴(yán)重影響生態(tài)環(huán)境。同時(shí)隨著對天然骨料的需求日益增加，過度開采導(dǎo)致天然砂石資源短缺，建筑垃圾相比于生活垃圾具有更好的再生利用價(jià)值，因而被譽(yù)為“放錯(cuò)了地方的資源”[3-4]，所以對于建筑垃圾的再生利用成為了當(dāng)前學(xué)者研究的熱點(diǎn)。已有研究表明，廢棄混凝土制備成再生骨料能夠重新應(yīng)用于工程中，并且由其制備的再生混凝土能夠取代普通混凝土[5-7]。與天然碎石相比，再生骨料具有吸水率高、壓碎值高、密度低等缺點(diǎn)，但基本能夠滿足相應(yīng)公路基層規(guī)范的要求[8]。我國的道路工程主要采用半剛性基層，且結(jié)構(gòu)厚度較大[9]，對集料需求量大，相較于面層集料，半剛性基層集料質(zhì)量要求較低，是建筑垃圾再生集料的主要應(yīng)用方向之一。國內(nèi)外大量試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，再生骨料具有良好的路用性能，然而再生骨料存在大量的水泥砂漿和微裂縫，其物理力學(xué)性能與天然骨料存在較大差異，這將對路面基層材料的物理力學(xué)性能及干縮性能產(chǎn)生不利影響[10-12]。

故通過對摻入不同比例再生骨料的混合料的力學(xué)特性和干縮特性進(jìn)行研究，有研究表明，加入U(xiǎn)EA(United Expansion Agent，U型膨脹劑)能夠提高混凝土的密實(shí)度，使其產(chǎn)生適度膨脹，克服混凝土的干燥收縮[13]。所以我們在實(shí)驗(yàn)中加入不同比例的膨脹劑對其進(jìn)行改性，以期在滿足力學(xué)性能的同時(shí)減少基層的干燥收縮，便于水泥穩(wěn)定再生骨料更好的應(yīng)用于基層中。

2 原材料及實(shí)驗(yàn)方法

2.1 天然骨料

本實(shí)驗(yàn)所用的天然骨料是石灰?guī)r，取自蘇州三創(chuàng)路面工程有限公司，其中把天然骨料分為四個(gè)粒徑，分別為1號(hào)(19 mm～31.5 mm)、2號(hào)(13.2 mm～19 mm)、3號(hào)(4.75 mm～13.2 mm)與4號(hào)(0 mm～4.75 mm)，記為天然粗(19 mm～31.5 mm)、天然中(13.2 mm～19 mm)、天然次細(xì)(4.75 mm～13.2 mm)和天然細(xì)(0 mm～4.75 mm)。主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 天然集料性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2 再生骨料

本實(shí)驗(yàn)所用的再生骨料取自蘇州建筑垃圾再生利用有限公司，其中把再生骨料分為三種粒徑，分別為再生粗(10 mm～26 mm)、再生中(5 mm～10 mm)、再生細(xì)(0 mm～5 mm)。主要技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 再生集料性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3 水泥

此次實(shí)驗(yàn)選用蘇州達(dá)岷建筑材料有限公司生產(chǎn)的天山牌P.O42.5緩凝型普通硅酸鹽水泥，各項(xiàng)性能指標(biāo)經(jīng)檢測如表3所示。

表3 水泥性能指標(biāo)檢測

2.4 膨脹劑

本實(shí)驗(yàn)選用的膨脹劑為萊陽市宏祥建筑外加劑廠生產(chǎn)的UEA型膨脹劑，主要成分硫酸鋁、氧化鋁、硫酸鋁鉀等。自應(yīng)力值0.2 MPa～0.8 MPa，水中7 d限制膨脹率不小于0.025%，可抵消混凝土硬化過程中形成的收縮力，半剛性基層開裂主要是由干燥收縮和溫度收縮產(chǎn)生。干燥收縮是指混合料因內(nèi)部含水量發(fā)生變化而引起的收縮變形的現(xiàn)象，摻入膨脹劑的混凝土與普通混凝土相比，能夠提高混凝土的密實(shí)度，使其產(chǎn)生適度膨脹，克服混凝土的干燥收縮，提高抗裂和抗?jié)B性能。

3 配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)規(guī)范JTG/T F20—2015公路路面施工技術(shù)細(xì)則[14]中水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石推薦級(jí)配，按照高速公路和一級(jí)公路基層和底基層的要求選擇了C-B-3級(jí)配，在實(shí)驗(yàn)中選擇了三種級(jí)配的混合料，水泥穩(wěn)定再生骨料取代天然骨料的比例分別是45%，75%，100%。通過擊實(shí)試驗(yàn)確定其最大干密度和最佳含水率。

3.1 合成級(jí)配

天然骨料和再生骨料的級(jí)配如表4所示。

表4 骨料級(jí)配

在水泥穩(wěn)定再生骨料基層的合成級(jí)配中，級(jí)配一：摻入45%再生骨料的混凝土中各骨料的比例為再生粗∶再生中∶再生細(xì)∶天然粗∶天然中∶天然次細(xì)∶天然細(xì)=10∶15∶20∶22∶8∶8∶17。級(jí)配二：摻入75%再生骨料的混凝土中各骨料的比例為再生粗∶再生中∶再生細(xì)∶天然粗∶天然中∶天然次細(xì)∶天然細(xì)=27∶25∶23∶7∶6∶5∶7。級(jí)配三：摻入100%再生骨料的混凝土中各骨料的比例為再生粗∶再生中∶再生細(xì)=32∶30∶38。各篩孔的通過率見表5。

表5 再生骨料基層混合料合成級(jí)配

3.2 擊實(shí)試驗(yàn)

為了確定混合料的最大干密度和最佳含水率，根據(jù)規(guī)范JTG E51—2009公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程[15]要求，對表6中四個(gè)級(jí)配的混合料進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)。水泥劑量分別取2.5%，3.5%，4.5%，得出的擊實(shí)數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

從表6中數(shù)據(jù)可以看出，隨著再生骨料的取代率增加，最佳含水率逐漸增大，最大干密度出現(xiàn)下降的趨勢。隨著水泥摻量的增加，最佳含水率和最大干密度均隨之增加。這是由于相較于天然骨料，再生骨料的吸水率比較高，在拌合過程中需要吸收更多的水，且再生骨料表面附著有舊水泥砂漿，這會(huì)導(dǎo)致在相同水泥劑量的情況下，再生骨料摻量高的混合料水泥水化需要消耗更多的水，這都會(huì)導(dǎo)致最佳含水率上升，且再生骨料密度小于天然骨料，所以隨著再生骨料取代率的增加，最大干密度隨之下降。此外，由于水泥水化需要吸收更多的水，且水泥在拌合物中可以起到填充縫隙的作用，使混合料更加密實(shí)，從而增大其干密度。

3.3 7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

依照上述數(shù)據(jù)配料，根據(jù)規(guī)范JTG E51—2009公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程做7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，試件尺寸為150 mm×150 mm,制件后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)6 d,然后浸水1 d后取出，進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表7中數(shù)據(jù)可知，在養(yǎng)護(hù)齡期和水泥劑量相同時(shí)，隨之再生骨料的取代率增加，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)上升的趨勢，這說明再生骨料中附著的舊水泥砂漿對于強(qiáng)度的發(fā)展而言是有利的，而且由于再生骨料相較于天然骨料吸水率比較高，可以吸收拌合過程中多余的水，降低拌合物的水灰比，達(dá)到提高混凝土強(qiáng)度的效果。當(dāng)水泥含量不小于3.5%時(shí)，各級(jí)配混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均滿足規(guī)范JTG/T F20—2015公路路面施工技術(shù)細(xì)則中高級(jí)公路和一級(jí)公路對于基層和底基層的強(qiáng)度要求，故將水泥含量定為3.5%來進(jìn)行后續(xù)的研究，一方面滿足經(jīng)濟(jì)性的要求，另一方面隨著水泥含量的減少，水泥水化產(chǎn)生的體積收縮也會(huì)減少，從而達(dá)到提高混凝土的干縮性能的目的。

4 對膨脹劑的基層力學(xué)性能研究

由上述研究可知，當(dāng)水泥劑量為3.5%時(shí)，7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本滿足規(guī)范要求，但根據(jù)已有大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著再生骨料取代率的增加，干燥收縮相比于天然骨料明顯增加，這是因?yàn)樵偕橇系奈蔬h(yuǎn)大于天然骨料，在拌合過程中需要吸收更多的水，在混凝土干燥時(shí)會(huì)失去更多的吸附水，致使硬化混凝土的干燥收縮增加。且再生骨料表面附著有舊水泥砂漿，這會(huì)導(dǎo)致在相同水泥劑量的情況下，再生骨料摻量高的混合料水泥水化產(chǎn)生的體積收縮會(huì)更大。而有研究表明，加入U(xiǎn)EA型膨脹劑能夠提高混凝土的密實(shí)度，使其產(chǎn)生適度膨脹，克服混凝土的干燥收縮。但膨脹劑對于力學(xué)性能的影響并不明朗，故通過實(shí)驗(yàn)探究不同摻量的膨脹劑對于基層力學(xué)性能的影響。

4.1 膨脹劑對不同級(jí)配試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

實(shí)驗(yàn)選取五個(gè)不同比例的UEA型膨脹劑摻量制作無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試件，選用外摻法，摻量分別為水泥用量的0%，2.5%，5%，7.5%，10%。養(yǎng)護(hù)后測量其7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度數(shù)據(jù)如圖1所示。

由圖1中數(shù)據(jù)可知，三種級(jí)配混合料的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨著膨脹劑摻量的增加出現(xiàn)先增大后減小的趨勢，但抗壓強(qiáng)度峰值對應(yīng)的膨脹劑摻量有所不同，再生骨料取代率為45%的混合料，當(dāng)膨脹劑摻量為5%時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值3.84 MPa，相較于無膨脹劑添加的混合料強(qiáng)度提升了8.2%。再生骨料取代率為75%的混合料，當(dāng)膨脹劑摻量為5%時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值4.4 MPa，相較于無膨脹劑添加的混合料強(qiáng)度提升了7.3%。再生骨料取代率為100%的混合料，當(dāng)膨脹劑摻量為2.5%時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值5.0 MPa，相較于無膨脹劑添加的混合料強(qiáng)度提升了6.3%。這是由于適量的膨脹劑加入混凝土中，遇水后形成膨脹性結(jié)晶水化物，使體積產(chǎn)生膨脹，起到補(bǔ)償收縮，使混凝土更加密實(shí)的作用，能夠提高混凝土的強(qiáng)度。但是過量的膨脹劑會(huì)使混凝土過度膨脹，產(chǎn)生膨脹性裂縫，削弱混凝土強(qiáng)度，甚至使混凝土開裂，所以在使用過程中要控制好膨脹劑的摻量。

4.2 劈裂抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選取五個(gè)不同比例的膨脹劑摻量制作劈裂抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，選用外摻法，摻量分別為水泥用量的0%,2.5%,5%,7.5%,10%。養(yǎng)護(hù)后測量其劈裂抗拉強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

由圖2中數(shù)據(jù)可知，隨著膨脹劑摻量的增加，不同級(jí)配混合料的7 d劈裂抗拉強(qiáng)度均出現(xiàn)小范圍上升的趨勢，說明摻入膨脹劑對于混合料劈裂強(qiáng)度的發(fā)展是有利的，主要是由于適量的膨脹劑遇水可產(chǎn)生膨脹性水化物，和水泥水化產(chǎn)生的水化硅酸鈣凝膠能夠緊密的黏結(jié)在一起，使混凝土更加密實(shí)，增強(qiáng)了水泥與骨料之間的摩擦力，使水泥能夠更好地附著和黏結(jié)在骨料表面，宏觀性能表現(xiàn)為混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度提高。此外，對于10%膨脹劑摻量的混凝土試件，在再生骨料取代率為75%時(shí)，7 d劈裂抗拉強(qiáng) 度相比于45%再生骨料取代率的混合料下降34%左右，在再生骨料取代率為100%時(shí)，7 d劈裂抗拉強(qiáng)度相比于45%再生骨料取代率的混合料下降17%左右?？梢婋S著再生骨料取代率的增加，劈裂抗拉強(qiáng)度先下降后上升，但總體呈現(xiàn)下降趨勢。而隨著膨脹劑摻量的增加，劈裂抗拉強(qiáng)度總體呈上升趨勢?？梢娺^量摻入再生骨料會(huì)降低混合料的劈裂強(qiáng)度，而膨脹劑對于劈裂抗拉強(qiáng)度的發(fā)展有正向作用，故在應(yīng)用中應(yīng)注意混合料中再生料的摻量以及適當(dāng)?shù)氖褂门蛎泟?/p>

5 干燥收縮

為了研究膨脹劑摻量對不同級(jí)配混合料的干縮性能影響，對三種級(jí)配混合料摻入五種不同比例的膨脹劑進(jìn)行28 d干燥收縮試驗(yàn)，依據(jù)規(guī)范JTG E51—2009公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程，試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3～圖5所示。

從圖3～圖5可以看出，適當(dāng)?shù)膿饺肱蛎泟┠軌蛱岣呋鶎拥母煽s性能，在三種級(jí)配的情況下5%摻量的膨脹劑均能夠較為有效的降低基層的干燥收縮。對于45%再生骨料取代率的混合料，降低了約15%的干縮應(yīng)變，對于75%再生骨料取代率的混合料，降低了約20%的干縮應(yīng)變，對于100%再生骨料取代率的混合料，降低了約23%的干縮應(yīng)變。2.5%和7.5%的膨脹劑摻量對干燥收縮有一定的作用，但是總體來說沒有摻5%膨脹劑減少收縮的效果明顯，而10%的膨脹劑摻量則會(huì)增加基層的干燥收縮，所以在工程應(yīng)用中要注意控制膨脹劑的摻量。

6 結(jié)論

通過研究膨脹劑對水泥穩(wěn)定再生骨料基層力學(xué)性能的影響，可以得出以下結(jié)論：

1)三種不同再生骨料取代率的混合料抗壓強(qiáng)度隨著膨脹劑摻量的增加均出現(xiàn)先上升后下降的趨勢，但不同再生骨料取代率的混合料抗壓強(qiáng)度峰值對應(yīng)的膨脹劑摻量有所不同，膨脹劑大于峰值摻量時(shí)會(huì)降低混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，當(dāng)膨脹劑摻量小于7.5%時(shí)，三種級(jí)配的混合料均能滿足基層的強(qiáng)度要求，應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)再生骨料的取代率來控制膨脹劑的摻量。

2)隨著膨脹劑摻量的增加對三種級(jí)配混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度均有少量提高。劈裂抗拉強(qiáng)度與試件的密實(shí)程度有關(guān)，除了外加劑的影響，還受到再生骨料的取代率以及最大干密度的影響，當(dāng)試件的干密度更大時(shí)，由于骨料和水泥之間接觸更為緊密，會(huì)增大兩者之間的摩擦力，從而使劈裂強(qiáng)度增加，而加入膨脹劑可以使試件更加密實(shí)，也可以使試件的劈裂強(qiáng)度提高。

3)適量的摻入膨脹劑能夠提高基層的干縮性能，當(dāng)膨脹劑的摻量為5%時(shí)，對三種不同級(jí)配的混合料減少干燥收縮的效果最為明顯，對再生骨料取代率為45%,75%,100%的混合料干縮應(yīng)變相比于不摻膨脹劑的干縮應(yīng)變分別降低了15%,20%,23%，效果較為顯著。當(dāng)膨脹劑摻量為5%時(shí)，針對三種不同級(jí)配的混合料，均可以在滿足基層強(qiáng)度要求的同時(shí)，最大程度減少基層的干燥收縮應(yīng)變，社會(huì)效益、環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益顯著。