UHPC再生砂混凝土抗壓強(qiáng)度研究

周文軒

(同濟(jì)大學(xué),上海 200092)

超高性能混凝土,簡稱UHPC(Ultra-High Performance Concrete),起源于20世紀(jì)80年代,是一種新型的水泥基復(fù)合材料,主要由硅酸鹽水泥、硅灰、磨細(xì)石英粉、細(xì)骨料、高效減水劑和纖維組成。因具有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐久性能夠滿足橋梁工程輕質(zhì)高強(qiáng)、快速架設(shè)、經(jīng)久耐用的需求,引起橋梁界的極大興趣和高度重視,在橋梁領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。自1997年世界上首個UHPC工程加拿大Sherbrooke人行橋建成以來,截止目前,UHPC已應(yīng)用于全球1 000多座橋梁,中國約120座橋梁使用了UHPC材料[2]。此外,2021年,中國已生產(chǎn)約為33.1億m3商品混凝土[3],產(chǎn)量居世界首位。

UHPC為獲得更致密的水泥基體,UHPC用石英砂代替了普通混凝土中大劑量使用的粗骨料,石英砂(QS)在材料消耗中的占比往往能達(dá)到10%～65%[4]。此舉大大提高了UHPC的初始材料成本,并限制了UHPC在無法獲得細(xì)石英砂地方的應(yīng)用。相關(guān)研究人員提出河砂代替石英砂并取得成功,然而,在這個時代,一些國家和地區(qū)甚至連河砂都嚴(yán)重短缺。以中國為例,在過去的20年里,中國許多地區(qū)的河砂供應(yīng)量急劇下降,這主要是由于前所未有的大規(guī)模建設(shè)中對河砂的無計劃開采和過度消耗。河砂的開采不僅導(dǎo)致河砂價格飆升,而且對河流生態(tài)系統(tǒng)、航運(yùn)和防洪產(chǎn)生了巨大影響。事實上,在中國的許多地區(qū),如福建、上海和浙江等,政府已經(jīng)發(fā)布了禁止或限制在施工中使用河砂的法律或法規(guī),這使得進(jìn)一步尋找砂的有效替代品來制備混凝土變得越來越緊迫[5]。

目前相關(guān)學(xué)者利用各種砂取代混凝土的天然河砂取得較為豐富的成果,包括人工砂、風(fēng)積砂和再生砂均取得成功。劉超等[6]在研究中發(fā)現(xiàn)風(fēng)積沙可以優(yōu)化骨料級配,改善混凝土的孔隙結(jié)構(gòu),加快水泥水化速度,提高混凝土工作、力學(xué)和耐久性能。

再生砂是一種由水泥、骨料、水和外加劑或部分水泥替代材料組成的非均質(zhì)復(fù)合材料,與作為均質(zhì)材料的天然砂有很大不同。再生砂的組成比天然砂的組成更復(fù)雜。再生砂可以近似地看作天然砂、水泥砂漿以及天然砂和水泥砂漿之間的界面過渡區(qū)(ITZ)的組成。水泥砂漿附著在天然砂表面。舊水泥砂漿中有許多裂縫,形成了強(qiáng)度低的薄弱區(qū)域。原始骨料和舊水泥砂漿之間的ITZ也很弱。因此,再生砂的強(qiáng)度由于這些薄弱區(qū)域而降低。此外,在再生砂的回收過程中,經(jīng)過破碎、研磨等工序,會使再生砂中產(chǎn)生一些微裂紋,增加了再生砂的孔隙率[7]。

再生砂吸水率顯著高于天然砂,約為天然砂的4倍以上。吸水率增大的主要原因是由于細(xì)集料是通過機(jī)械破碎而形成的,因此在其制備過程中存有大量由于硬傷累積形成的微裂縫,導(dǎo)致再生細(xì)集料表觀密度下降,吸水率提高。此外再生砂中0.15 mm以下顆粒含量較多。由于再生砂來源于廢棄混凝土,因此這些粒徑集料主要以硬化水泥漿體為主,這些水泥漿體破碎成粉狀后,在表面積增大的同時,還有一定量的未水化相,對水有較強(qiáng)的吸附力,進(jìn)一步提高了再生細(xì)集料的吸水率。再生砂的高吸水率勢必會對其周圍水泥水化進(jìn)程產(chǎn)生不利的影響,即水化速度變緩,水化程度降低,水化產(chǎn)物數(shù)量減少,同時由于再生細(xì)骨料也是高吸水性材料,在其表面不會像天然河砂一樣形成水膜層,在上述因素影響下,界面過渡區(qū)內(nèi)會出現(xiàn)水分匱乏現(xiàn)象,導(dǎo)致界面過渡區(qū)水化產(chǎn)物數(shù)量明顯減少,因此未在其界面過渡區(qū)見到明顯的Ca(OH)2富集,同時由于水分的匱乏,也使得界面過渡區(qū)水泥石微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)一步劣化,界面過渡區(qū)的范圍進(jìn)一步增大,從而形成導(dǎo)致再生細(xì)骨料混凝土微觀結(jié)構(gòu)缺陷形成的一個重要原因[8]。

Poon等[9]在研究中發(fā)現(xiàn)用高性能混凝土再生骨料配制的再生混凝土的骨料-水泥石界面過渡區(qū)內(nèi)水化產(chǎn)物密實,而用普通混凝土再生骨料配制的再生混凝土的骨料-水泥石界面過渡區(qū)主要由一些松散的水化產(chǎn)物組成,該區(qū)域呈現(xiàn)多孔狀態(tài),這也表明了UHPC再生砂利用具備的優(yōu)勢。

采用一定量的再生砂替代天然砂配制混凝土,其工作性、物理力學(xué)性能、抗氯離子滲透性能和抗碳化能力均與基準(zhǔn)混凝土有明顯差異[10]。再生砂的使用降低了混凝土的性能,因此有必要去提升再生混凝土的強(qiáng)度。已經(jīng)提出了幾種解決方案來補(bǔ)償再生砂混凝土的強(qiáng)度降低,例如使用纖維、增加水泥用量和添加礦物摻合料。

另外國家也出臺了《混凝土和砂漿用再生細(xì)骨料》規(guī)范,表明再生砂正朝著大規(guī)模應(yīng)用的方向發(fā)展。超高性能混凝土(UHPC)作為砂資源消耗的特殊材料,具有極高的回收價值。但由于UHPC的組分構(gòu)成不同于普通混凝土,在UHPC中大量的石英砂往往作為一種昂貴的填充材料未能參與水化反應(yīng),因此對于UHPC的再生砂制備的混凝土的力學(xué)性能需要作進(jìn)一步討論,本文主要針對UHPC構(gòu)件回收制備再生砂和利用再生砂制備普通混凝土的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行試驗研究,并分析UHPC再生砂制備混凝土的可行性。

1 試驗

1.1 原材料

本研究中采用C50混凝土為基礎(chǔ),主要材料為52.5普通硅酸鹽水泥、天然河砂以及粗玄武巖骨料(10 mm～20 mm)以及再生砂。

再生砂來源于UHPC舊料回收利用,原UHPC構(gòu)件來源于實驗室拉伸破壞性試驗,其中粗骨料采用碎玄武巖,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%,此外還摻加了0.75%～2%體積分?jǐn)?shù)的鋼纖維形成超高性能鋼纖維增強(qiáng)混凝土(UHPRFC)。其余組分構(gòu)成為：水泥、硅灰、石英粉、石英砂(0.15 mm～0.6 mm)超塑化劑以及水,抗壓強(qiáng)度130 MPa～170 MPa。

在進(jìn)行UHPF RC構(gòu)件破碎時,為了提高破碎效率和再生骨料質(zhì)量,將破碎流程分為三步：1)使用顎式破碎機(jī)進(jìn)行大尺寸UHPF RC的初次破碎;2)使用錘式破碎機(jī)對得到的尺寸不大于100 mm的碎料進(jìn)行第二次破碎;3)使用粗粉磨設(shè)備將二次破碎得到尺寸不大于25 mm的碎料進(jìn)行研磨至粒徑不大于5 mm的碎料。

然后利用永磁滾筒磁選機(jī)對碎料進(jìn)行鋼纖維剝離,得到不含鋼纖維的碎料。該部分碎料根據(jù)原構(gòu)件組成可知其組成成分為：部分水化的水泥、硅灰、石英粉、石英砂(0.15 mm～0.6 mm)、玄武巖(3 mm～5 mm),破碎的玄武巖。由于各組分粒徑各有不同,我們將采用不銹鋼篩網(wǎng)對粉料進(jìn)行多次篩分,得到粒徑為0.15 mm～0.6 mm的再生砂(如圖1所示)。再生材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)如圖2所示：再生砂(37.8%),再生粉末(26.6%),再生細(xì)骨料(28%),再生粗骨料(3.9%),再生鋼纖維(3.2%)以及其他。

從圖2中可以看出再生砂是UHPC回收材料中質(zhì)量占比最大的材料,再生砂的有效應(yīng)用是實現(xiàn)UHPC循環(huán)再生利用的關(guān)鍵一步。UHPC中的再生砂主要成分為石英砂,表1為再生砂和河砂的對比表,在當(dāng)前工程建設(shè)中,由于河砂的短缺,更多的石英砂開始代替河砂參與到工程建設(shè)中。

表1 再生砂與河砂對比表

1.2 配合比試驗

再生砂(0.15 mm～0.6 mm)以35%的替代率取代C50中的河砂,在C50配合比的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),根據(jù)改進(jìn)后的配合比進(jìn)行混凝土抗壓強(qiáng)度試驗。此外,為降低再生砂吸水率對于混凝土的流動性影響,在再生砂混凝土中添加膠凝材料質(zhì)量0.35%的高效減水劑(減水率為36%的液態(tài)聚羧酸系),詳細(xì)配合比見表2,NSC是天然砂C50混凝土,RSC是再生砂C50混凝土。

表2 再生砂C50配合比一覽表

混凝土拌合物采用攪拌機(jī)攪拌,攪拌前將攪拌機(jī)沖洗干凈,并預(yù)拌少量水膠比相同的砂漿;將稱好的粗骨料、膠凝材料、細(xì)骨料和水依次加入攪拌機(jī),減水劑與拌合水同時加入攪拌機(jī),直至攪拌均勻。制備天然砂C50(NAC)150 mm×150 mm×150 mm一組3個;制備再生砂C50(RSC)70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm試塊兩組6個。參照GB/T 50081—2019普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)[11]測定NSC以及RSC的力學(xué)性能。全部試塊制備后24 h進(jìn)行脫模,然后經(jīng)過28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)(溫度(20±3)℃,濕度95%)后采用最大壓力為3 000 kN的全自動壓力試驗機(jī)進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度試驗,加載速率為1.2 MPa/s。

2 結(jié)果與分析

圖3,圖4分別為天然砂混凝土和再生砂混凝土單軸受壓典型破壞形態(tài)。再生砂單軸受壓呈現(xiàn)完全破壞形態(tài),相比NSC呈現(xiàn)出更大的脆性,斷面有著大量松散砂漿,粗骨料與砂漿之間黏結(jié)不強(qiáng)。

抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果如表3所示。

表3 抗壓強(qiáng)度試驗

由于再生砂混凝土和天然骨料混凝土制備的抗壓強(qiáng)度試塊尺寸不同,根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[12]查得C50立方體試件尺寸折減系數(shù)70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm /150 mm×150 mm×150 mm =0.916,通過計算得到經(jīng)過修正后的再生砂混凝土的平均抗壓強(qiáng)度為34.02×0.916=31.16 MPa,抗壓強(qiáng)度對比基準(zhǔn)組C50下降43%,但仍滿足C30混凝土強(qiáng)度要求。

一般來說,由于再生砂包覆有黏附砂漿,引起多種弱界面過渡區(qū)的出現(xiàn),是導(dǎo)致再生混凝土強(qiáng)度降低的主要原因,如圖5所示,與使用純天然河砂作為細(xì)骨料相比,使用再生砂制備的再生混凝土中含有更多類型的ITZ包含：黏附砂漿和新砂漿之間的過渡區(qū)(ITZ①),天然骨料和新砂漿之間的過渡區(qū)(ITZ②),天然骨料和黏附砂漿之間的過渡區(qū)(ITZ③),此外,多重破碎、研磨造成了再生砂容易出現(xiàn)一些微裂紋,這些微觀表現(xiàn)導(dǎo)致了混凝土宏觀強(qiáng)度的下降。

UHPC再生砂的直接應(yīng)用并未在力學(xué)性能上取得突出進(jìn)展,但這是一次有效的嘗試,再生砂混凝土滿足C30的要求,仍存在較大的應(yīng)用范圍,例如道路工程等等。但UHPC再生砂開辟了UHPC再生循環(huán)利用的先河,響應(yīng)了國家的十四五規(guī)劃要求,降低了混凝土材料成本和碳排放,在未來有著廣闊的研究前景。

3 結(jié)論與展望

UHPC構(gòu)件經(jīng)過破碎、篩分、磁選等工序制得的粒徑在0.15 mm～0.6 mm的再生砂,其主要成分為部分水化的水泥基體、石英砂(0.15 mm～0.6 mm)、破碎的玄武巖。將其以35%的替代率取代C50中的天然河砂制備混凝土,抗壓強(qiáng)度下降43%,與C30強(qiáng)度相當(dāng),仍有著較大的應(yīng)用空間。研究分析,微觀的弱界面過渡區(qū)的引入是引起強(qiáng)度下降的主要原因。UHPC再生砂混凝土是一次突破性的嘗試,降低了混凝土初始成本和碳排放,應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步探索。

目前,很多學(xué)者對于再生骨料的改性增強(qiáng)研究相對比較豐富了,但是對于UHPC中的再生砂和再生粉末的預(yù)處理仍有所欠缺,這也將成為熱門的研究方向。無論是近期熱門的碳酸化、熱處理或是微生物碳酸鹽沉淀以及納米TiO2處理技術(shù)都已初步呈現(xiàn)出不俗的效果。