再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度分析及性能改善研究

王 冠

(廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣西 南寧 530007)

0 引言

根據(jù)相關(guān)資料顯示,舊建筑拆除所產(chǎn)生的建筑垃圾中約40%為混凝土垃圾,對(duì)其進(jìn)行回收再利用不僅滿足可持續(xù)發(fā)展的要求,而且對(duì)環(huán)境保護(hù)和資源節(jié)約意義重大[1]。再生骨料是混凝土垃圾再利用的主要途徑。

目前關(guān)于再生骨料的預(yù)處理已有了一定的研究進(jìn)展[2]。一些研究人員試圖通過化學(xué)預(yù)處理來去除再生骨料上的舊水泥砂漿,采用溶液改善界面并填充再生骨料的微裂紋,以此提高再生骨料的壓實(shí)度和強(qiáng)度[3]。同時(shí),也有研究人員發(fā)現(xiàn),由預(yù)濕處理的再生骨料制備的混凝土具有較高的抗壓強(qiáng)度。預(yù)濕處理加入的水分可以在混凝土中起到內(nèi)部養(yǎng)護(hù)作用,提高再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度等性能[4]。通過再生骨料混凝土的單軸壓縮試驗(yàn),研究人員發(fā)現(xiàn)再生骨料混凝土壓縮破壞主要發(fā)生在砂漿與骨料的界面過渡區(qū)。因此,通過增加界面過渡區(qū)的強(qiáng)度,將有效地改善再生骨料混凝土的性能[5]。

相比于天然骨料,再生骨料表面覆蓋著一層舊水泥砂漿,在機(jī)械破碎過程中會(huì)產(chǎn)生一些微裂紋,這些微裂紋將會(huì)導(dǎo)致其較高的吸水率和孔隙率[6]。骨料表面的微裂紋和舊砂漿對(duì)其性能具有一定的負(fù)面影響。因此,對(duì)再生骨料進(jìn)行預(yù)處理是改善再生骨料混凝土性能的有效方法。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

本試驗(yàn)中所使用的水泥為普通硅酸鹽水泥,其強(qiáng)度等級(jí)為42.5 MPa。采用的粗骨料中,再生骨料由混凝土垃圾粉碎而成,天然骨料為玄武巖,再生粗骨料與天然粗骨料均來自吉林省內(nèi),其中再生粗骨料在不同浸泡時(shí)間下的吸水率測(cè)試結(jié)果如表1所示。細(xì)骨料為天然砂,表觀密度為2 541.0 kg/m3,吸水率為0.7%,細(xì)度模數(shù)為2.38,天然砂的粒度分布如表2所示。此外,混凝土用水為飲用水,外加劑為聚羧酸高效減水劑。

表1 不同浸泡時(shí)間下再生粗骨料的吸水率測(cè)試結(jié)果表

表2 天然砂細(xì)骨料的粒度分布結(jié)果表

1.2 試件制備及單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

本研究分別采用兩種預(yù)處理方式改善再生骨料性能,制備了預(yù)濕處理后的再生骨料混凝土以及水泥砂漿預(yù)處理后的再生骨料混凝土,同時(shí)制備了天然骨料混凝土(NAC)作為對(duì)照組用于對(duì)比分析。

根據(jù)表1中不同浸泡時(shí)間下再生粗骨料的吸水率測(cè)試結(jié)果,選取預(yù)濕處理1 h后的再生骨料,將其與天然砂、水泥和水逐一倒入攪拌機(jī)中,充分混合之后制備預(yù)濕處理后的再生骨料混凝土(RAC-W)。針對(duì)水泥砂漿預(yù)處理后的再生骨料混凝土(RAC-C),將再生骨料倒入攪拌機(jī)中混合不同粒徑的再生骨料,直到再生骨料均勻分布;預(yù)先向攪拌機(jī)中加入水泥和水,其用量分別為總量的20%、25%和30%,分別記為RAC-C20、RAC-C25、RAC-C30,將骨料、水泥和水充分?jǐn)嚢杌旌现敝猎偕橇媳砻嫱耆菜嗌皾{;將剩余的水泥、水以及天然砂加入攪拌機(jī)中制備水泥砂漿;將水泥砂漿預(yù)處理后的再生骨料和制備的水泥砂漿完全混合,從而制備水泥砂漿預(yù)處理后的再生骨料混凝土(RAC-C)。

按照如表3所示的不同類型混凝土配合比,制作100 mm×100 mm×100 mm的混凝土試件,然后將其放置于溫度為(20±2)℃、濕度>95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生室中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。不同類型混凝土單軸受壓加載試驗(yàn)采用力學(xué)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行,加載速率保持在0.05 MPa/s。

表3 不同類型混凝土配合比表

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論分析

2.1 在7 d養(yǎng)護(hù)齡期下混凝土抗壓強(qiáng)度分析

為了更直觀地顯示3種不同類型混凝土的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律,本研究繪制了3類混凝土在7 d養(yǎng)護(hù)齡期下的抗壓強(qiáng)度結(jié)果柱狀圖,如圖1所示。從圖1可以看出,水泥砂漿預(yù)處理后的再生骨料混凝土(RAC-C)組別的抗壓強(qiáng)度總體上高于天然骨料混凝土(NAC)與預(yù)濕處理后的再生骨料混凝土(RAC-W)兩個(gè)組別。當(dāng)預(yù)先向攪拌機(jī)中加入水泥和水用量分別為20%、25%和30%時(shí),RAC-C的抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢(shì);當(dāng)預(yù)先加入的水泥量達(dá)到30%時(shí),在7 d養(yǎng)護(hù)齡期下水泥砂漿預(yù)處理后的再生骨料混凝土(RAC-C30)的抗壓強(qiáng)度為RAC-C組別中最低。這可能是因?yàn)樵偕橇媳砻姘乃嗌皾{較厚,水泥含量較大,導(dǎo)致齡期較短時(shí)其水化反應(yīng)不足,從而使得混凝土抗壓強(qiáng)度下降。當(dāng)預(yù)先加入的水泥量為25%時(shí),混凝土在7 d養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值。因此,基于7 d養(yǎng)護(hù)齡期下RAC-C抗壓強(qiáng)度結(jié)果,可以初步預(yù)測(cè)預(yù)先加入的最佳水泥量是25%。

圖1 3種類型混凝土7 d養(yǎng)護(hù)齡期下抗壓強(qiáng)度結(jié)果柱狀圖

根據(jù)3種類型混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果,7 d養(yǎng)護(hù)齡期下RAC-C的抗壓強(qiáng)度高于RAC-W,平均抗壓強(qiáng)度比RAC-W約高出46.0%。造成這一結(jié)果的原因可能是預(yù)濕處理后的再生骨料混凝土(RAC-W)由于預(yù)先加入一部分水變成混合用水,導(dǎo)致水灰比增加,從而降低了混凝土抗壓強(qiáng)度。此外,由于攪拌過程中的靜水壓力,再生骨料預(yù)濕階段吸收的水會(huì)部分返回水泥砂漿。對(duì)比水泥砂漿預(yù)處理后的再生骨料混凝土(RAC-C),水泥砂漿預(yù)先填充了再生骨料表面的微裂紋,加強(qiáng)了舊水泥砂漿和再生骨料的粘結(jié),提高了再生骨料的完整性,從而進(jìn)一步提高了再生混凝土的抗壓強(qiáng)度。此外,試驗(yàn)結(jié)果表明水泥砂漿預(yù)處理后的再生骨料混凝土(RAC-C)在7 d養(yǎng)護(hù)齡期下抗壓強(qiáng)度高于天然骨料混凝土(NAC),RAC-C平均抗壓強(qiáng)度比NAC組高約9.8%。究其原因?yàn)?RAC-C組別的再生骨料整體性能在水泥砂漿的作用下得到了明顯改善,在攪拌過程中再生骨料吸收部分水分而導(dǎo)致水灰比降低,由于混凝土的初始強(qiáng)度主要由水灰比決定,因此,7 d養(yǎng)護(hù)齡期下RAC-C組別的抗壓強(qiáng)度高于NAC組別。

2.2 在28 d養(yǎng)護(hù)齡期下混凝土抗壓強(qiáng)度分析

為了清楚地顯示28 d養(yǎng)護(hù)齡期下不同類型混凝土的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律性,同樣繪制了混凝土抗壓強(qiáng)度柱狀圖,如圖2所示。

圖2 三種類型混凝土28 d養(yǎng)護(hù)齡期下抗壓強(qiáng)度結(jié)果柱狀圖

根據(jù)圖2結(jié)果,相比于7 d養(yǎng)護(hù)齡期下抗壓強(qiáng)度,28 d養(yǎng)護(hù)齡期下不同類型混凝土的抗壓強(qiáng)度均有不同程度提升,相對(duì)于天然骨料混凝土(NAC)與預(yù)濕處理后的再生骨料混凝土(RAC-W)兩個(gè)組別而言,水泥砂漿預(yù)處理后的再生骨料混凝土(RAC-C)組別抗壓強(qiáng)度總體上增幅并不顯著。在28 d養(yǎng)護(hù)齡期下再生骨料混凝土(RAC-C)的抗壓強(qiáng)度與7 d養(yǎng)護(hù)齡期下的抗壓強(qiáng)度相比有一定程度提高,其原因是再生骨料表面的水泥砂漿已經(jīng)固化并形成了堅(jiān)硬的水泥,從而產(chǎn)生了較高的強(qiáng)度。同樣,綜合7 d和28 d養(yǎng)護(hù)齡期下混凝土的抗壓強(qiáng)度,可以推斷預(yù)先加入的最佳水泥用量是25%。

從混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果可以看出,RAC-C組別在28 d養(yǎng)護(hù)齡期下的抗壓強(qiáng)度平均比RAC-W組別高44.8%。原因是RAC-C組別中再生骨料的微裂縫已被水泥砂漿填充,再生骨料表面覆蓋一層硬質(zhì)水泥,提高了再生骨料的性能。因此水泥砂漿預(yù)處理后的再生骨料混凝土(RAC-C)的抗壓強(qiáng)度高于預(yù)濕處理后的再生骨料混凝土(RAC-W)。同時(shí),RAC-C組別在28 d養(yǎng)護(hù)齡期下的平均抗壓強(qiáng)度分別比NAC組別低14.5%。這可能是由于水泥混凝土的后期抗壓強(qiáng)度主要取決于骨料的性能。雖然水泥砂漿預(yù)處理后的再生骨料的性能有所提高,但其力學(xué)性能仍略差于天然骨料。因此,A組和B組的抗壓強(qiáng)度低于NAC組。水泥砂漿預(yù)處理后的再生骨料混凝土(RAC-C)與預(yù)濕處理后的再生骨料混凝土(RAC-W)兩個(gè)組別的抗壓強(qiáng)度總體上低于天然骨料混凝土(NAC)。

3種不同類型混凝土的7 d與28 d養(yǎng)護(hù)齡期抗壓強(qiáng)度之比匯總?cè)绫?所示。

表4 在7 d與28 d養(yǎng)護(hù)齡期下混凝土抗壓強(qiáng)度比值表

從表4中所示的結(jié)果可以看出,天然骨料混凝土(NAC)和預(yù)濕處理后的再生骨料混凝土(RAC-W)兩個(gè)組別的7 d養(yǎng)護(hù)齡期下抗壓強(qiáng)度約為28 d養(yǎng)護(hù)齡期抗壓強(qiáng)度的70%左右。水泥砂漿預(yù)處理后的再生骨料混凝土(RAC-C)的7 d養(yǎng)護(hù)齡期下抗壓強(qiáng)度為28 d養(yǎng)護(hù)齡期抗壓強(qiáng)度的85%～90%。

2.3 基于抗壓試驗(yàn)的再生骨料混凝土破壞界面對(duì)比及改善效果分析

在單軸壓縮作用下,天然骨料混凝土(NAC)的斷裂主要位于骨料和水泥砂漿之間的過渡區(qū)。這是因?yàn)楣橇虾退嗌皾{作為兩種介質(zhì)材料,其連接界面處被認(rèn)為是兩種介質(zhì)混合料中最薄弱的位置。預(yù)濕處理后的再生骨料混凝土(RAC-W)在壓縮破壞下,斷裂面主要出現(xiàn)在再生骨料和舊水泥砂漿之間的過渡區(qū),如圖3所示。由于機(jī)械破碎,再生骨料表面的舊水泥砂漿變得更為粗糙,有助于新水泥砂漿和舊水泥砂漿的緊密結(jié)合。然而,由于舊水泥砂漿的性能較低,因此,舊水泥砂漿和新水泥砂漿之間過渡區(qū)的強(qiáng)度將大于再生骨料和舊水泥砂漿之間過渡區(qū)的強(qiáng)度。

圖3 預(yù)濕處理后的再生骨料混凝土(RAC-W)壓縮破壞斷裂面示例圖

由此可見,骨料與舊水泥砂漿之間的過渡區(qū)是再生骨料混凝土最薄弱的位置。因此,通過加強(qiáng)骨料與舊水泥砂漿之間的過渡區(qū)是改善再生骨料混凝土力學(xué)性能的有效途徑。在本研究中,對(duì)于水泥砂漿預(yù)處理后的再生骨料混凝土(RAC-C),再生骨料表面覆蓋一層水泥砂漿,可以形成外殼結(jié)構(gòu),水泥砂漿預(yù)處理后的再生骨料如圖4所示,再生骨料表面的微裂紋得到充分填充。此外,部分水泥漿體被再生骨料表面的舊砂漿吸收,從而改善了舊水泥砂漿的性能。水泥砂漿還將加強(qiáng)再生骨料和舊水泥砂漿之間的粘結(jié)性能。因此,經(jīng)水泥砂漿預(yù)處理后的再生骨料性能總體上有所提高。通過單軸壓縮試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn),水泥砂漿預(yù)處理后的再生骨料混凝土(RAC-C)的壓縮破壞主要是水泥砂漿失效所致,并伴有再生骨料的破壞。

圖4 水泥砂漿預(yù)處理后的再生骨料混凝土(RAC-C)壓縮破壞斷裂面示例圖

3 結(jié)語

本研究分別制備了天然骨料混凝土(NAC)、預(yù)濕處理后的再生骨料混凝土(RAC-W)以及水泥砂漿預(yù)處理后的再生骨料混凝土(RAC-C),進(jìn)行混凝土單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。通過不同養(yǎng)護(hù)齡期下壓縮試驗(yàn)結(jié)果和破壞界面分析,得出以下結(jié)論:

(1)水泥砂漿預(yù)處理后的再生骨料混凝土(RAC-C)的7 d養(yǎng)護(hù)齡期下抗壓強(qiáng)度高于預(yù)濕處理后的再生骨料混凝土(RAC-W)和天然骨料混凝土(NAC)。

(2)RAC-C組別28 d養(yǎng)護(hù)齡期下抗壓強(qiáng)度大于RAC-W組別但低于NAC組別。RAC-C組別的抗壓強(qiáng)度在早期階段提高顯著。

(3)RAC-C組別的壓縮破壞主要是水泥砂漿失效所致,并伴有再生骨料的破壞。RAC-W組別在壓縮破壞下,斷裂面主要出現(xiàn)在再生骨料和舊水泥砂漿之間的過渡區(qū)。

經(jīng)水泥砂漿預(yù)處理后的再生骨料混凝土性能改善效果較優(yōu),推薦預(yù)先加入的最佳水泥用量是25%。再生骨料混凝土應(yīng)用于交通基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)混凝土構(gòu)件中能夠滿足規(guī)范要求,在一定程度上緩解了交通基礎(chǔ)設(shè)施工程對(duì)天然骨料的需求,對(duì)促進(jìn)交通基礎(chǔ)設(shè)施混凝土材料低碳化發(fā)展與工程應(yīng)用具有重要意義。