不同ESP-GP摻量對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律試驗(yàn)研究

基金項(xiàng)目：廣西交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)科技項(xiàng)目（桂交便函〔2021〕148號(hào)）；廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院科學(xué)研究重大指定項(xiàng)目（JZY2021KZD01）；廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院橫向課題（X-GL-SHZGS（S）-GUX-TB-05-JS-011）

作者簡(jiǎn)介：韋秋平（1976—），講師，研究方向：交通土建工程新材料及應(yīng)用化學(xué)

摘要：文章以C60混凝土作為試驗(yàn)對(duì)象，以不同摻量蛋殼顆粒（ESP）和廢棄玻璃粉末（GP）替代水泥制備改性混凝土試件，測(cè)試改性混凝土抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度等關(guān)鍵力學(xué)指標(biāo)，研究ESP-GP摻量對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律，以確定力學(xué)性能滿足服役要求條件下的最佳改性材料摻量，為高性能混凝土研發(fā)提供試驗(yàn)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：廢蛋殼；廢玻璃；力學(xué)性能；混凝土

中圖分類號(hào)：U414

0 引言

文件強(qiáng)調(diào)，發(fā)展綠色低碳交通是交通運(yùn)輸行業(yè)加強(qiáng)生態(tài)文明建設(shè)、服務(wù)國(guó)家碳中和目標(biāo)、深入打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的重要舉措^［1］。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)進(jìn)入高速發(fā)展期，混凝土制品作為交通運(yùn)輸建設(shè)中重要的建筑材料，產(chǎn)量也將劇烈攀升。水泥作為混凝土制品中必不可少的原材料，雖在成本、取材等方面具有優(yōu)勢(shì)，但其生產(chǎn)過程中因污染、能耗等方面的缺點(diǎn)，與國(guó)家綠色交通體系的構(gòu)建相悖。近年來，研發(fā)一款既能滿足建設(shè)工程中混凝土服役需求、又能提高環(huán)保效益的新型混凝土材料，成為學(xué)者們響應(yīng)建設(shè)行業(yè)節(jié)能減排號(hào)召的熱點(diǎn)：黃龍^［2］針對(duì)珊瑚骨料混凝土強(qiáng)度缺陷，選用三種不同類型納米材料，通過真空攪拌的方式對(duì)珊瑚混凝土進(jìn)行改性處理，制備出呈現(xiàn)低孔隙率、高強(qiáng)、高抗?jié)B等優(yōu)點(diǎn)的改性珊瑚骨料混凝土；霍曉宇^［3］針對(duì)再生骨料混凝土力學(xué)性能低下等弊端，利用硅酸鈉與硅烷兩種改性劑，對(duì)再生骨料進(jìn)行單一改性與混合改性處理，從而制備改性再生骨料混凝土，通過測(cè)試其相關(guān)性能，揭示改性機(jī)理，順應(yīng)綠色交通的發(fā)展理念；宋加祥^［4］將玄武巖纖維摻入混凝土中，通過測(cè)試單軸受壓強(qiáng)度，研究力學(xué)性能變化規(guī)律、判斷混凝土斷裂模式，為混凝土結(jié)構(gòu)的維修養(yǎng)護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

雖然學(xué)者們已經(jīng)利用各類材料開展了一定的改性混凝土研究，但由于我國(guó)幅員遼闊，改性材料取材區(qū)域各有不同。廣西壯族自治區(qū)作為我國(guó)交通強(qiáng)國(guó)試點(diǎn)省區(qū)之一，在“十四五”期間計(jì)劃開展多項(xiàng)重大工程建設(shè)，開發(fā)一種利用常見廢舊材料作為改性材料，且能在達(dá)到交通建設(shè)用混凝土技術(shù)要求的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)水泥這一重要能耗材料的替代，成為廣西亟須解決的問題。為此，本文在深入剖析專家學(xué)者研究成果的基礎(chǔ)上，以C60混凝土作為試驗(yàn)對(duì)象，擬利用處理后的蛋殼和廢玻璃為改性材料，以不同摻量替代水泥從而制備不同摻量下的混凝土試件，通過測(cè)試改性混凝土抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度等關(guān)鍵力學(xué)指標(biāo)，探尋蛋殼-廢玻璃摻量對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律，試圖確定力學(xué)性能滿足服役要求條件下的最佳改性材料摻量，為今后廣西綠色交通行業(yè)建設(shè)中高性能混凝土的研發(fā)提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

1.1.1混凝土拌和原材料

水泥選用廣西某水泥廠普通硅酸鹽水泥，標(biāo)號(hào)為P·O 42.5。其主要成分和物理參數(shù)如表1～2所示。骨料選用廣西某廠生產(chǎn)的粗、細(xì)骨料。粗骨料為石灰?guī)r碎石，粒徑控制在4.75～20 mm，表觀密度和堆積密度分別為2 845 kg/cm³、1 735 kg/cm³，吸水率為0.55%；細(xì)骨料為河砂，粒徑控制在0.15～4.75 mm，表觀密度和堆積密度分別為2 645 kg/cm³、1 495 kg/cm³，細(xì)度為2.70。減水劑選用聚羧酸類淺黃色液態(tài)減水劑，pH值為5.0～7.0，減水率為25%。選用生活飲用水作為拌和水，技術(shù)性能滿足《生活用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749-2006）要求。

1.1.2 ESP顆粒和GP粉末原材料

蛋殼屬于生活垃圾中比較常見的一種材料，其成分主要以鈣質(zhì)結(jié)晶物為主，與石灰石主要成分相似，經(jīng)過處理后的蛋殼顆粒（ESP）可作為替代水泥制備混凝土的主要原材料之一。本試驗(yàn)所選用的蛋殼為廣西某食品廠制作蛋類食品后的蛋殼廚余垃圾，回收清潔后，通過清洗、烘干、煅燒、篩分等過程，最終得到ESP顆粒。ESP顆粒制備過程如圖1所示。

在廢品回收站及各大玻璃制品工廠中通常存在大量廢棄玻璃，可以將這些廢棄玻璃進(jìn)行回收，然后通過預(yù)先破碎，在洗凈之后將其完全自然風(fēng)干，之后再將玻璃碎片破碎至長(zhǎng)度在3～5 mm左右的玻璃碎渣，再把玻璃碎渣放入破壁機(jī)內(nèi)進(jìn)行粉碎，待玻璃碎渣粉碎至30～300目的玻璃顆粒后，將其放入球磨機(jī)進(jìn)行研磨，研磨完成后再通過分級(jí)篩選，選出可使用的玻璃粉末即可獲得改性混凝土所需要的廢棄玻璃粉末（GP）。GP粉末制備過程如圖2所示。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1試驗(yàn)方案

制備ESP-GP混凝土試件前，先按照質(zhì)量1∶1混合ESP顆粒與GP粉末以激發(fā)二者活性。隨后制備ESP-GP混凝土試件時(shí)，將混合粉末分別按照0、10%、20%、30%、40%、50%摻量替代膠凝材料用量，借鑒學(xué)者研究經(jīng)驗(yàn)^［5］按照混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度C60、水膠比0.3、砂率31%、養(yǎng)護(hù)溫度20±2℃制作試驗(yàn)試件，試件制備時(shí)所有干料聯(lián)合攪拌，其他流程參考《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50081-2016）。試驗(yàn)方案如表3所示。

1.2.2試驗(yàn)方法

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)：試塊采用的尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的正方體進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，需要根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》乘以強(qiáng)度換算系數(shù)0.95進(jìn)行計(jì)算。該試件采用不同摻入量的ESP和GP加上水泥拌和成型。試驗(yàn)使用2 000 kN MTS 萬能試驗(yàn)機(jī)，將加載速率設(shè)置為0.5 kN/s進(jìn)行試驗(yàn)，以此來表征ESP-GP混凝土的抗壓性能。

抗劈裂試驗(yàn)：主要目的是為了測(cè)試混凝土開裂的強(qiáng)度值以及衡量基材與骨料之間的粘合強(qiáng)度。該次試驗(yàn)將采用不同ESP-GP摻量的100 mm×100 mm×100 mm混凝土試塊進(jìn)行測(cè)試，待試件在第二天拆模后，將其放進(jìn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，在其到達(dá)齡期狀態(tài)時(shí)，再進(jìn)行下一步劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)使用2 000 kN MTS 萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)，加速速率要設(shè)置在0.1 kN/s。

混凝土的抗折強(qiáng)度：作為基本力學(xué)指標(biāo)，其抗折強(qiáng)度表現(xiàn)了混凝土在受彎曲時(shí)能夠承受的最大彎曲應(yīng)力。根據(jù)各項(xiàng)規(guī)范進(jìn)行試驗(yàn)，采用不同試件ESP-GP摻量的100 mm×100 mm×400 mm混凝土立方體，試驗(yàn)儀器所采用2 000 kN MTS 萬能試驗(yàn)機(jī)，其加速速率設(shè)置為0.5 KN/s。

2 結(jié)果與分析

2.1 ESP-GP摻入量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

由于混凝土材料在諸如橋墩、樁基等交通建筑物中常發(fā)揮其抗壓作用，故ESP-GP混凝土試件抗壓強(qiáng)度的指標(biāo)好壞，是決定該方法制備混凝土能否順利應(yīng)用于交通建筑物的關(guān)鍵所在。測(cè)試抗壓強(qiáng)度結(jié)果如圖3所示：隨著ESP-GP摻量從0、10%、20%、30%、40%、50%逐漸增大，ESP-GP混凝土3 d、7 d抗壓強(qiáng)度指標(biāo)總體呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，而28 d抗壓強(qiáng)度則呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，因此摻入ESP-GP混合料替代水泥用量，對(duì)混凝土早齡期抗壓強(qiáng)度的提升有阻礙作用，而對(duì)后期強(qiáng)度的提升有促進(jìn)作用；與0摻量的混凝土試件相比，在摻量逐漸增大的過程中，3 d抗壓強(qiáng)度分別降低了1.30%、0.15%、0.58%、2.65%、10.57%，7 d抗壓強(qiáng)度分別降低了0.38%、3.34%、4.12%、4.44%、2.47%；28 d抗壓強(qiáng)度則升高了5.32%、6.73%、0.34%、5.61%、18.17%，最高值出現(xiàn)在ESP-GP摻量為40%附近，其抗壓強(qiáng)度最大值為94.1 MPa?？梢?，ESP-GP摻量在40%時(shí)，28 d抗壓強(qiáng)度的提升最為明顯。

2.2 ESP-GP摻入量對(duì)劈裂強(qiáng)度的影響

在交通運(yùn)輸工程中，建筑物服役期間長(zhǎng)期承受各類外部荷載，混凝土?xí)煌潭劝l(fā)生開裂等病害。膠凝材料直接影響骨料間粘結(jié)力大小，而測(cè)試混凝土試件劈裂強(qiáng)度，可以表征其骨料粘結(jié)力的變化情況，有效指導(dǎo)鋼筋混凝土構(gòu)件在鋼筋握裹力、構(gòu)件抗剪力等方面的設(shè)計(jì)。測(cè)試ESP-GP混凝土試件劈裂強(qiáng)度并繪制曲線如圖4所示：與抗壓強(qiáng)度變化情況類似，隨著ESP-GP摻量從0、10%、20%、30%、40%、50%逐漸變大，3 d、7 d劈裂強(qiáng)度總體呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，而28 d劈裂強(qiáng)度則呈現(xiàn)先升高后降低的變化規(guī)律，這說明摻入ESP-GP混合料，對(duì)28 d劈裂強(qiáng)度提升的幫助較大；3 d、7 d劈裂強(qiáng)度曲線變化情況較為相似，其指標(biāo)數(shù)值分別由6.80 MPa和7.00 MPa最終降低至4.90 MPa和5.6 MPa，隨著ESP-GP摻量的增加，總體數(shù)值分別降低了27.94%和20.00%，降低幅度最快出現(xiàn)在摻量最大處，這說明ESP-GP的摻入對(duì)早齡期劈裂強(qiáng)度有不利影響；觀察28 d劈裂強(qiáng)度變化曲線，隨著ESP-GP摻量的增加，劈裂強(qiáng)度指標(biāo)數(shù)值分別為7.28 MPa、7.81 MPa、8.01 MPa、8.40 MPa、7.72 MPa，峰值出現(xiàn)在ESP-GP摻量為40%處，其劈裂強(qiáng)度指標(biāo)數(shù)值相較摻量0時(shí)提升了18.31%。可以看出，ESP-GP摻入僅對(duì)后期骨料粘結(jié)力有提升作用。

2.3 ESP-GP摻量對(duì)抗折強(qiáng)度的影響

材料單位面積承受彎矩時(shí)的極限折斷應(yīng)力稱為抗折強(qiáng)度，主要用來表達(dá)材料抵抗彎曲不斷裂的能力，是混凝土材料中一個(gè)重要的力學(xué)指標(biāo)，測(cè)試材料的抗折強(qiáng)度，可以得知材料截面抗折力度的極限數(shù)值以及外摻ESP-GP的最佳配比，以便其在實(shí)際工程中的運(yùn)用。在測(cè)試ESP-GP混凝土試件的抗折強(qiáng)度后得出數(shù)據(jù)如圖5所示：在20±2 ℃養(yǎng)護(hù)28 d后，混凝土試件抗折強(qiáng)度指標(biāo)數(shù)值隨著ESP-GP摻量的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。在ESP-GP摻量為0、10%、20%、30%、40%時(shí)，抗折強(qiáng)度從11.21 MPa上漲到13.27 MPa，但在ESP-GP摻量增加到50%時(shí)，試件強(qiáng)度反而下降到了12.9 MPa；在ESP-GP摻量達(dá)到40%時(shí)，ESP-GP混凝土的抗折強(qiáng)度達(dá)到最佳峰值，其抗折強(qiáng)度為13.27 MPa，隨后ESP-GP摻量再進(jìn)一步增加，則造成ESP-GP混凝土試件抗折強(qiáng)度的急劇下降。因此，該混凝土應(yīng)用于交通工程框架、基礎(chǔ)梁等構(gòu)件中時(shí)，ESP-GP摻量應(yīng)維持在40%附近。

2.4 改性機(jī)理分析

ESP-GP摻合料主要成分為鈣質(zhì)及硅質(zhì)結(jié)晶物，顆粒經(jīng)過充分粉化后，由于其具有一定的火山灰效應(yīng)，可以對(duì)混凝土水化作用產(chǎn)生補(bǔ)充和促進(jìn)，但C-S-H 凝膠連接較慢，該火山灰效應(yīng)會(huì)滯后。混凝土試件測(cè)試中，由于受到外部荷載，病害起初主要發(fā)生在水泥分布少的區(qū)域，由于ESP-GP摻合料替代了部分水泥材料，水泥的用量減少降低了早期水化反應(yīng)和骨料粘結(jié)的程度，致使試件早期抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度降低，且摻量越大降低越多；但隨著齡期的增加，ESP-GP摻合料火山灰效應(yīng)逐漸顯現(xiàn)，加之水泥水化反應(yīng)逐漸充分，水化產(chǎn)物充分填充混凝土試件孔隙、骨料粘結(jié)力增大，使混凝土試件的后期抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度快速提升，摻量達(dá)到一定臨界范圍時(shí)，混凝土試件孔隙已基本被填充完全，所以隨著摻量繼續(xù)增加，上述指標(biāo)反而會(huì)由于水泥用量的降低而減小。

3 結(jié)語

本文以C60混凝土為研究對(duì)象，基于交通運(yùn)輸行業(yè)建筑物服役期間所受基礎(chǔ)荷載情況，利用ESP-GP混合料以不同摻量替代水泥，制備混凝土試件。通過測(cè)試ESP-GP混凝土試件的抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，得到各基本力學(xué)指標(biāo)的變化與ESP-GP摻量之間的影響規(guī)律并分析其深層機(jī)理，為今后廣西利用廢料研發(fā)交通用混凝土材料提供基礎(chǔ)。研究結(jié)果表明：

（1）ESP-GP的摻入對(duì)混凝土后期抗壓強(qiáng)度的提升有促進(jìn)作用，隨著ESP-GP摻量的增大28 d抗壓強(qiáng)度升高，摻量在40%時(shí)抗壓強(qiáng)度為94.1 MPa，提升最為明顯。

（2）ESP-GP的摻入對(duì)混凝土后期劈裂強(qiáng)度有提升作用，隨著ESP-GP摻量逐漸變大，28 d劈裂強(qiáng)度呈現(xiàn)先升高后降低的變化規(guī)律，峰值出現(xiàn)在ESP-GP摻量為40%處，其劈裂強(qiáng)度指標(biāo)數(shù)值相較摻量0時(shí)提升了18.31%。

（3）ESP-GP的摻入對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度有改善作用，試件抗折強(qiáng)度指標(biāo)數(shù)值隨著ESP-GP摻量的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)；在ESP-GP摻量達(dá)到40%時(shí)，ESP-GP混凝土的抗折強(qiáng)度達(dá)到最佳峰值，其抗折強(qiáng)度為13.27 MPa。

（4）ESP-GP摻合料可以對(duì)混凝土水化作用產(chǎn)生補(bǔ)充和促進(jìn)，但火山灰效應(yīng)會(huì)滯后，所以在選用ESP-GP替代水泥制備混凝土?xí)r，摻量以40%為宜。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2023-04-07