粗骨料替代率對(duì)再生混凝土性能影響研究

張 愷,林 子 琪,尹 志 剛,王 亮,周 洪 仟

(1.大連理工大學(xué) 水利工程學(xué)院,遼寧 大連 116024; 2.長(zhǎng)春工程學(xué)院 吉林省水工程安全與災(zāi)害防治工程實(shí)驗(yàn)室,吉林 長(zhǎng)春 130012)

0 引 言

在“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略的推進(jìn)下,中國(guó)工業(yè)固廢與建筑垃圾資源化的前行思路更加清晰,目標(biāo)更加明確。將建筑固廢破碎后制備成再生骨料進(jìn)行資源化回收利用,既能減少建筑工程對(duì)自然資源的過(guò)度消耗,又解決了建筑固廢的處理問(wèn)題,同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)綠色、可持續(xù)發(fā)展和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的重要途徑[1-3]。

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)再生骨料混凝土(RAC)力學(xué)性能方面開(kāi)展了大量的試驗(yàn)研究。陳宗平等[4]認(rèn)為隨著再生粗骨料替代率的增加,再生混凝土力學(xué)性能略有提高。侯永利等[5]研究卻發(fā)現(xiàn),隨著再生粗骨料取代率的增加,再生混凝土力學(xué)性能均有不同程度降低,但隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng),降低幅度有所緩解。楊陽(yáng)等[6]、郭遠(yuǎn)新等[7]認(rèn)為再生粗骨料的來(lái)源、品質(zhì)和替代率對(duì)再生混凝土的力學(xué)性能有顯著影響。徐福衛(wèi)等[8]推導(dǎo)并給出了界面過(guò)渡區(qū)厚度與再生骨料摻量之間的計(jì)算公式,為定量分析和研究界面過(guò)渡區(qū)對(duì)再生混凝土性能影響提供了理論參考。Zaharieva等[9]、Júnior等[10]的研究結(jié)果表明,再生粗骨料表面黏附老舊砂漿、吸水率高以及破碎過(guò)程中出現(xiàn)的微裂紋是引起再生混凝土力學(xué)性能和耐久性降低的主要原因。綜上可以看出,目前對(duì)再生混凝土的研究主要集中在宏觀力學(xué)性能和材料改性等方面,而對(duì)再生骨料混凝土力學(xué)性能和微觀孔隙結(jié)構(gòu)隨養(yǎng)護(hù)齡期演變規(guī)律方面的研究還相對(duì)較少。同時(shí),混凝土內(nèi)部微觀孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)其宏觀性能具有直接影響。因此,研究不同粗骨料替代率的再生混凝土力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)隨養(yǎng)護(hù)齡期的演變規(guī)律具有非常重要的意義。

近年來(lái),低場(chǎng)核磁共振技術(shù)(LF-NMR)作為一種新型多孔介質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)檢測(cè)方法,在混凝土、巖土工程領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛[11-12]。該方法以水為介質(zhì),具有測(cè)試速度快、無(wú)損、結(jié)果準(zhǔn)確等諸多優(yōu)點(diǎn),目前已成為在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)多孔介質(zhì)內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)演變過(guò)程的一種有力手段[13-14]。

基于上述分析,本文以不同再生粗骨料替代率(0,30%,50%,70%,100%)及養(yǎng)護(hù)齡期(3,7,14,28 d)作為研究變量,共計(jì)制備150個(gè)邊長(zhǎng)為100 mm的立方體試塊和15個(gè)尺寸為50 mm×100 mm(直徑×高度)的圓柱體試樣。對(duì)上述立方體試塊養(yǎng)護(hù)至設(shè)定齡期后開(kāi)展單軸抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn),同時(shí),利用低場(chǎng)核磁共振技術(shù)分析了不同條件下圓柱體芯樣內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律,以期為研究不同粗骨料替代率及齡期對(duì)再生混凝土力學(xué)性能的影響提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料與配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選用吉林亞泰鼎鹿牌P·O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥,天然粗骨料選用表觀密度為2 710 kg/m3,粒徑在4.75～37.5 mm之間的連續(xù)級(jí)配碎石,壓碎指標(biāo)為5.67%;再生粗骨料來(lái)源于實(shí)驗(yàn)室自制C35混凝土棱柱體試塊,在完成力學(xué)試驗(yàn)后,經(jīng)機(jī)械破碎然后再通過(guò)振動(dòng)篩分、人工篩洗后,獲得粒徑范圍為4.5～37.5 mm的再生粗骨料。經(jīng)測(cè)定再生粗骨料24 h吸水率為5.7%,壓碎指標(biāo)為13.4%;細(xì)骨料選用細(xì)度模數(shù)為3.0的天然河砂;減水劑選用沈陽(yáng)某公司生產(chǎn)的FDN-A型萘系減水劑,減水率為21%,摻量為水泥用量的0.8%;試驗(yàn)用水為普通自來(lái)水。根據(jù)規(guī)范[15-16]要求,試驗(yàn)具體配合比設(shè)計(jì)如表1所列。

表1 再生混凝土配合比設(shè)計(jì)Tab.1 Mix proportion of recycled concrete kg/m3

1.2 試驗(yàn)方法與主要試驗(yàn)設(shè)備

采用二次投料法制備再生混凝土,將澆筑成型的試塊在室溫下靜置24 h之后移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)房?jī)?nèi),養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期后開(kāi)展相應(yīng)測(cè)試。利用WAW-2000kN電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試,按照速率控制加載,加載速率為0.2 mm/min,當(dāng)達(dá)到預(yù)估峰值的80%后,將加載速率調(diào)整為0.1 mm/min,直至試塊壓壞。

1.3 低場(chǎng)核磁共振測(cè)試

LF-NMR技術(shù)原理是:對(duì)待測(cè)樣品施加一個(gè)射頻磁場(chǎng)后,樣品內(nèi)部的1H質(zhì)子自旋系統(tǒng)被迫從低能態(tài)躍遷到高能態(tài),當(dāng)射頻磁場(chǎng)結(jié)束后,核自旋就從高能態(tài)的非平穩(wěn)狀態(tài)恢復(fù)到低能態(tài)的平衡狀態(tài),這一過(guò)程就是弛豫過(guò)程[11]。核磁共振的橫向弛豫時(shí)間T2曲線與樣品孔徑大小呈正比,因此可通過(guò)T2圖譜的峰面積來(lái)表征孔隙的數(shù)量和相應(yīng)孔徑的占比。對(duì)于巖土、水泥基類(lèi)等多孔介質(zhì),橫向弛豫時(shí)間T2可通過(guò)式(1)表征[12-13]:

(1)

式中:ρ2為待測(cè)樣品的表面弛豫速率;(S/V)為樣品孔隙表面積與流體體積的比值;Fs為孔隙幾何形狀因子;R為孔隙半徑。

在本次試驗(yàn)中,使用MesoMR23-060H-I低場(chǎng)核磁共振儀器(紐邁,上海)測(cè)試不同替代率再生混凝土樣品微觀孔隙結(jié)構(gòu)隨養(yǎng)護(hù)齡期的演變規(guī)律。設(shè)備的主振頻率為21.3 MHz,磁體強(qiáng)度為0.5±0.08T,線圈直徑為60 mm。主要測(cè)量參數(shù)設(shè)置如下:P1=13.00 μs,P2=26.00 μs,SW=200 kHz,TR=1 000 ms,NS=32,回波間隔時(shí)間為0.26 μs,回波計(jì)數(shù)為18 000。在測(cè)試期間,磁體和探頭組件的溫度保持在32±0.01 ℃。低場(chǎng)核磁共振測(cè)試流程具體見(jiàn)圖1。本次試驗(yàn)共制備15個(gè)圓柱體試樣,每組3個(gè),LF-NMR的測(cè)試結(jié)果取3個(gè)樣品的平均值。

圖1 低場(chǎng)核磁共振測(cè)試流程Fig.1 Flow chart of LF-NMR test

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 抗壓強(qiáng)度

圖2(a)繪制了不同粗骨料替代率再生混凝土抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化散點(diǎn)圖及擬合曲線。從圖中可以看出,不同替代率再生混凝土的強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律基本相似,各組再生混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期基本呈對(duì)數(shù)增加的趨勢(shì),但各組強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度不盡相同。

圖2 再生混凝土抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線Fig.2 Variation curves of compressive strength of RAC

為進(jìn)一步直觀對(duì)比,將再生粗骨料替代率在不同養(yǎng)護(hù)齡期下的再生混凝土抗壓強(qiáng)度繪于圖2(b)。分析可知,隨著再生粗骨料替代率的增加,抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)。各養(yǎng)護(hù)齡期下,RAC-30組的再生混凝土抗壓強(qiáng)度最高;RAC-50組再生混凝土28 d的抗壓強(qiáng)度稍高于對(duì)照組(RAC-0)的強(qiáng)度;當(dāng)粗骨料替代率超過(guò)50%后,各養(yǎng)護(hù)齡期下的再生混凝土抗壓強(qiáng)度均明顯降低,與對(duì)照組(RAC-0)28 d的抗壓強(qiáng)度相比,RAC-70和RAC-100兩組再生混凝土28 d抗壓強(qiáng)度分別降低了7.55%,20.84%。

粗骨料替代率在50%時(shí),再生混凝土的抗壓強(qiáng)度沒(méi)有明顯下降的原因是在澆筑制備過(guò)程中,再生粗骨料表面附著的舊水泥砂漿會(huì)吸收少量拌和的水,從而降低實(shí)際的水灰比。另外,也有研究表明,在后續(xù)養(yǎng)護(hù)的過(guò)程中,再生粗骨料吸附的部分水會(huì)逐漸釋放,使得這些粗骨料周?chē)喑浞炙?形成一定的“內(nèi)養(yǎng)護(hù)”條件,進(jìn)而提高混凝土的抗壓強(qiáng)度[9-10]。當(dāng)再生粗骨料替代率超過(guò)50%后,骨料自身的缺陷就會(huì)充分顯露出來(lái)。這是由于在制備再生粗骨料破碎過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生微裂隙,這些初始隨機(jī)分布的微裂隙數(shù)量隨替代率的增加而不斷增大;同時(shí),粗骨料含量越高,新、舊砂漿黏結(jié)界面過(guò)渡區(qū)也會(huì)越多,致使試塊整體密實(shí)性變差,最終表現(xiàn)為宏觀力學(xué)性能的下降。

2.2 劈裂抗拉強(qiáng)度與拉壓比

圖3(a)為相同齡期的劈裂抗拉強(qiáng)度隨粗骨料替代率的變化關(guān)系曲線。分析可知,隨著再生粗骨料替代率的增加,各組再生骨料混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度呈先增后減的趨勢(shì)。不同養(yǎng)護(hù)齡期下,RAC-30組的再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度最大;當(dāng)粗骨料替代率超過(guò)50%后,各養(yǎng)護(hù)齡期下的再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度明顯降低。這主要是由于混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度主要取決于骨料的均勻性和骨料-砂漿界面間的黏結(jié)強(qiáng)度。隨著再生粗骨料替代率的增加,新、舊水泥砂漿之間的黏結(jié)面也越多,界面過(guò)渡區(qū)的含量也增多,從而導(dǎo)致劈裂抗拉強(qiáng)度的降低。

圖3 再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度及拉壓比變化曲線Fig.3 Variation curves of splitting tensile strength and tension compression of RAC

拉壓比可在一定程度上反映混凝土的抗裂性能。圖3(b)為不同粗骨料替代率再生混凝土各養(yǎng)護(hù)齡期下劈裂抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的拉壓比柱狀圖。分析可知,隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加,各組試塊的拉壓比基本呈逐漸增加的趨勢(shì)。養(yǎng)護(hù)至28 d齡期時(shí),RAC-0、RAC-30、RAC-50、RAC-70和RAC-100各組再生混凝土的拉壓比分別為0.057,0.060,0.053,0.052和0.050。與養(yǎng)護(hù)齡期為3 d時(shí)相比,28 d齡期的各組混凝土拉壓比分別增長(zhǎng)了64.7%,82.8%,38.4%,27.2%和49.8%?？梢钥闯?相較其他對(duì)照組,RAC-30組的拉壓比增長(zhǎng)幅度最高,表明該組再生骨料混凝土抗裂性能最好。

3 基于核磁共振技術(shù)的微觀孔隙結(jié)構(gòu)表征

3.1 核磁共振橫向弛豫時(shí)間T2分布

不同粗骨料替代率條件下,各組混凝土核磁共振橫向弛豫時(shí)間T2隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化曲線如圖4所示?？梢钥闯?各組樣品的橫向弛豫時(shí)間T2分布曲線呈明顯的“三峰”狀分布,從左至右分別對(duì)應(yīng)再生混凝土的微孔、中孔和大孔的變化情況,且各級(jí)孔隙之間有較好的連續(xù)性。

圖4 不同養(yǎng)護(hù)齡期下再生混凝土T2分布曲線的變化Fig.4 Changes of relaxation time distribution curves of RAC under different curing age

進(jìn)一步分析圖4可知,再生粗骨料替代率對(duì)核磁共振的信號(hào)幅度和橫向弛豫時(shí)間的分布范圍均有較大影響。養(yǎng)護(hù)至28 d后,RAC-0到RAC-100各組T2圖譜面積分別降低14.25%,23.47%,34.24%,39.34%和45.85%。以RAC-50組數(shù)據(jù)為例分析,與3 d齡期時(shí)的T2譜面積相比,7,14 d和28 d齡期的T2譜面積分別降低了12.80%,19.12%和34.24%。

此外,隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng),再生骨料混凝土的橫向弛豫時(shí)間T2分布范圍逐漸變窄,信號(hào)幅度降低,尤其是第一峰下降幅度最為顯著。這主要是由于水泥的水化進(jìn)程在不斷地發(fā)生變化,產(chǎn)生的水化膠凝產(chǎn)物填充周?chē)紫?混凝土的密實(shí)性增大[14]。另外,隨著齡期的增加,橫向弛豫時(shí)間信號(hào)幅度在降低的同時(shí),第一峰的峰值點(diǎn)也伴有“左移”趨勢(shì),這意味著混凝土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)也在逐漸細(xì)化。

3.2 孔結(jié)構(gòu)與粗骨料替代率關(guān)系

吳中偉等[17]將混凝土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)劃分為無(wú)害孔(<20 nm)、低害孔(20～50 nm)、有害孔(50～200 nm)和多害孔(>200 nm)。圖5為28 d齡期時(shí)不同粗骨料替代率再生混凝土的孔結(jié)構(gòu)分布柱狀圖?？梢钥吹?各組再生混凝土的無(wú)害孔和多害孔的孔徑占比差別明顯,RAC-30組的無(wú)害孔含量最多,其次為RAC-0組和RAC-50組。RAC-50、RAC-70和RAC-100組多害孔占比比RAC-30組分別增大了28.1%,65.5%和74.3%。由此可知,替代率超過(guò)50%后,再生混凝土的無(wú)害孔占比隨著替代率的增加而不斷降低,多害孔占比隨替代率的增加而不斷增大。

圖5 28 d齡期時(shí)不同粗骨料替代率再生混凝土的孔結(jié)構(gòu)分布Fig.5 Pore structure distribution of RAC with different replacement rate of coarse aggregate at 28 d curing age

3.3 孔隙率與力學(xué)性能的相關(guān)性分析

文獻(xiàn)[18]總結(jié)了常用水泥基類(lèi)材料強(qiáng)度與孔隙率的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｔ诖?基于核磁共振下孔隙率結(jié)果與其力學(xué)性能進(jìn)行擬合,圖6(a)和(b)分別給出了不同替代率條件下再生混凝土抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度與核磁共振孔隙率的散點(diǎn)圖及擬合曲線。從圖6中可以看出,無(wú)論是抗壓強(qiáng)度還是劈裂抗拉強(qiáng)度均隨孔隙率的增大而逐漸降低。這主要是由于隨著養(yǎng)護(hù)齡期的推移,水泥的水化程度也在不斷進(jìn)行,孔隙水逐漸被消耗,大孔逐漸演變?yōu)橹锌?、小?使得再生混凝土內(nèi)部的密實(shí)度增加,宏觀上表現(xiàn)為孔隙率降低,力學(xué)性能逐漸增大。

圖6 核磁共振下孔隙率與再生混凝土強(qiáng)度的關(guān)系Fig.6 Relationship between porosity and strength of RAC under NMR

4 結(jié) 論

(1) 再生粗骨料替代率對(duì)混凝土的力學(xué)性能有較大影響。當(dāng)再生骨料替代率為30%時(shí),再生混凝土立方體試塊的抗壓性能和抗裂性能最好。28 d齡期時(shí),RAC-30組的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土分別提升了22.3%和26.6%。替代率超過(guò)50%以后,再生混凝土的各項(xiàng)力學(xué)性能開(kāi)始明顯下降。

(2) 養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)低場(chǎng)核磁共振的信號(hào)幅度和弛豫時(shí)間的分布范圍均有較大影響。不同替代率下的再生混凝土核磁共振橫向弛豫時(shí)間T2分布曲線均表現(xiàn)為“三峰”分布。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加,弛豫峰面積逐漸降低,孔隙率及微孔、中孔和大孔的比例降低;整體來(lái)看,T2分布范圍逐漸變窄,第一峰有左移的趨勢(shì)。表明利用低場(chǎng)核磁共振技術(shù)可以很好地表征混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)隨養(yǎng)護(hù)齡期的演變規(guī)律。

(3) 對(duì)不同替代率再生混凝土的孔隙率和力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,建立了基于核磁共振孔隙率與不同替代率再生混凝土的強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型,相關(guān)系數(shù)均在0.726以上。