堿激發(fā)礦渣水泥再生骨料疲勞性能研究

冷風(fēng)

摘要：通過對(duì)再生骨料混凝土進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，并結(jié)合混凝土的疲勞損傷模型，從試驗(yàn)、損傷模型兩方面對(duì)再生骨料混凝土的損傷性能進(jìn)行探究。通過采取堿激發(fā)礦渣水泥做膠凝材料與再生骨料制備再生骨料混合料，用水玻璃作為堿激發(fā)劑，探究最佳的堿激發(fā)劑含量，并對(duì)堿激發(fā)再生骨料混合料的疲勞性能進(jìn)行分析研究，得到了水玻璃激發(fā)礦渣再生骨料在不同應(yīng)力比下不同齡期的疲勞方程。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)NaOH、Na2SiO3作為堿激發(fā)劑時(shí)，分別存在一個(gè)最優(yōu)摻量4%、6%，二者都能夠激發(fā)礦渣提高再生骨料性能。

關(guān)鍵詞：再生骨料?堿激發(fā)?疲勞性能?堿激發(fā)劑

中圖分類號(hào)：TU528.041

Research?on?the?Fatigue?Properties?of?Recycled?Aggregates?from?Alkali-Activated?Slag?Cement

LENG?Feng

The?Bridge?Engineering?Co.，?Ltd.，?of?CTCE?Group，Changchun，?Jilin?Province，130000?China

Abstract：?This?paper?carries?out?the?fatigue?test?of?recycled-aggregate?concrete，?and?combined?with?the?fatigue?damage?model?of?concrete，?it?explores?the?damage?performance?of?recycled-aggregate?concrete?from?the?two?aspects?of?the?test?and?the?damage?model.?This?paper?uses?alkali-activated?slag?cement?as?cementitious?materials?and?recycled?aggregates?to?prepare?recycled-aggregate?mixtures，?uses?water?glass?as?alkali?activators?to?explore?the?optimal?alkali?activator?content，?and?analyzes?and?studies?the?fatigue?performance?of?the?alkali-activated?recycled-aggregate?mixture.?Through?the?test，?it?is?found?that?when?NaOH，?Na2SiO3?are?used?as?alkali?activators，?there?is?an?optimal?content?of?4%?and?6%?respectively，?both?of?which?can?activate?slag?to?improve?the?performance?of?regenerated?aggregates，?and?that?water?glass?activates?the?fatigue?of?the?semi-rigid?base?of?the?regenerated?aggregate?of?slag，?and?fatigue?equations?at?different?stress?ratios?and?different?ages?are?finally?obtained.

Key?Words：?Recycled?aggregate;?Alkali?activation;?Fatigue?performance;?Alkali?activator

我國作為全球知名的基建大國，公路建設(shè)里程已有519.8萬km，比往年增加18.56萬km，公路里程中養(yǎng)護(hù)里程就有514.40萬km，占比99%[1]，是一個(gè)非常大的重要占比。12%左右道路都會(huì)進(jìn)行或大或中的修繕[2]，再生骨料混凝土的性能與普通天然骨料混凝土性能相似，可用再生骨料組成級(jí)配碎石，配合水泥穩(wěn)定類材料一般為水泥穩(wěn)定碎石，將廢舊混凝土進(jìn)行再生利用?[3-4]，具有重大戰(zhàn)略意義，符合建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的要求。

趙百超[5]、胡力群等人[6]以不同摻量再生骨料制備水穩(wěn)料，測定其性能發(fā)現(xiàn)，再生骨料的使用會(huì)降低水穩(wěn)料的力學(xué)強(qiáng)度。張超[7]試驗(yàn)結(jié)果表明：再生骨料基層的性能與天然骨料基本相同，各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足現(xiàn)行的無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定基層規(guī)范。萬小梅等人[8]研究了再生骨料粉末在堿激發(fā)膠凝材料的應(yīng)用，彭武磊[9]試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)礦粉中?CaO、SiO2?和?A12O3等活性組分較粉煤灰的含量高，在激發(fā)劑作用下礦粉表現(xiàn)出較強(qiáng)的潛在水硬活性，在水化前期比粉煤灰反應(yīng)更充分、更劇烈，短時(shí)間內(nèi)可以形成數(shù)量更多的水化產(chǎn)物以促進(jìn)強(qiáng)度發(fā)展。為此，本文研究水玻璃作為激發(fā)劑時(shí)的摻量影響，礦粉作為膠凝材料和再生骨料制備水穩(wěn)料，研究其疲勞工作性能。

1?試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用高爐礦渣（Ground?Granulated?Blast-Furnace?Slag，GGBS）和P·O?42.5水泥，其組成參數(shù)如表1所示。

本研究采用的堿激發(fā)劑有NaOH和Na2SiO3溶液，NaOH溶液利用純度98%的固體NaOH粒配制，Na2SiO3溶液利用模數(shù)為1的固體Na2SiO3配制。

再生骨料通過鄂式破碎機(jī)破碎廢舊混凝土，進(jìn)行集中破碎、分選、磁選、強(qiáng)化和篩分，處理成粒徑為0～4.75?mm、4.75～9.5?mm、9.5～19?mm、19～31.5?mm的4種再生骨料。

2?試驗(yàn)方案

將水泥熟料、礦渣和石膏粉按照質(zhì)量比?65∶30∶5進(jìn)行預(yù)混制備礦渣水泥，NaOH、Na2SiO3以礦渣摻入量為標(biāo)準(zhǔn)，按照Na2O含量的4%摻入。

實(shí)驗(yàn)中再生骨料級(jí)配設(shè)計(jì)為：0～4.75?mm∶4.75～9.5?mm∶9.5～19?mm∶19～31.5?mm=27∶21∶29∶23

為滿足交通荷載對(duì)半剛性基層要求，探究堿激發(fā)劑摻量對(duì)水穩(wěn)料的影響，對(duì)疲勞損傷力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。水泥摻入量4.0%、4.5%、5.0%，按照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG?E51-2009）為指導(dǎo)進(jìn)行試件制備和養(yǎng)護(hù)。

3?試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1?堿激發(fā)劑含量對(duì)水穩(wěn)料強(qiáng)度影響

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)以NaOH、Na2SiO3作為激發(fā)劑激發(fā)礦渣都能提高再生水穩(wěn)料的7d、28d抗壓強(qiáng)度，在NaOH摻量為6%時(shí)，7d、28d抗壓強(qiáng)度分別提高了21.9%、21.1%，Na2SiO3摻量為4%時(shí)，7d、28d抗壓強(qiáng)度分別提高了28.1%、34.2%，并且在NaOH、Na2SiO3到達(dá)一定濃度后對(duì)激發(fā)作用不大。NaOH、Na2SiO3分別存在一個(gè)最優(yōu)濃度6%、4%，通過宏觀對(duì)比抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)效果看，Na2SiO3激發(fā)效果更好一點(diǎn)。

3.2?疲勞性能影響分析

3.2.1??S-N曲線模型

最早是德國人Whole提出并使用的，因此S-N曲線也稱為Whole曲線。S-N曲線即所謂的材料的應(yīng)力一壽命曲線，是表示疲勞應(yīng)力水平與直到破壞時(shí)的循環(huán)次數(shù)即疲勞壽命之間的函數(shù)關(guān)系式。其中S代表應(yīng)力水平，可以用循環(huán)過程中的最大應(yīng)力、最小應(yīng)力、循環(huán)比來表示，最常見的用應(yīng)力與靜載強(qiáng)度的比值來表示。N表示疲勞壽命，即試件從加載到疲勞破壞時(shí)所經(jīng)歷的循環(huán)周次。

冪函數(shù)模型：

式（1）中：S為應(yīng)力水平，即施加應(yīng)力與彎拉強(qiáng)度的比值；α、c為材料參數(shù)；N為疲勞壽命。

通過對(duì)兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)得到：

整理得到應(yīng)力水平和疲勞壽命的函數(shù)關(guān)系式：

因?yàn)楱?、c都是材料的參數(shù)，所以重新定義材料參數(shù)a、b：、

為了研究疲勞的可靠性，提出具有一定保證率的S-N曲線的概念，而通常我們所說的S-N曲線，一般指的是保證率為50%的S-N曲線。

3.2.2??疲勞曲線和疲勞方程

4.5%礦渣水泥、水玻璃摻量為4%制成標(biāo)準(zhǔn)試件，進(jìn)行養(yǎng)護(hù)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。不同齡期不同應(yīng)力比下的疲勞壽命如表3所示，其擬合的疲勞方程如表4所示。

在S-N擬合曲線中應(yīng)力比和疲勞壽命有很好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)都在0.8以上。在相同的應(yīng)力比情況下，長齡期水花反應(yīng)進(jìn)行得更完全，膠凝產(chǎn)物C-S-H更多，強(qiáng)度和整體性較高，疲勞壽命比短齡期的大，水泥穩(wěn)定碎石的抗疲勞性能逐漸提高；同時(shí)，不同齡期下的水泥穩(wěn)定碎石材料若要達(dá)到相同的疲勞壽命，在短齡期情況下，較小的應(yīng)力比即較小的交通荷載作用下即可達(dá)到，而在長的齡期情況下，則對(duì)應(yīng)相對(duì)較大的應(yīng)力比即較大的交通荷載才能達(dá)到。由此可見，延長水泥穩(wěn)定碎石的養(yǎng)生時(shí)間可以有效地提高其抗疲勞耐久性。

4?結(jié)論

本文通過試驗(yàn)研究得到了水玻璃激發(fā)礦渣再生骨料在不同應(yīng)力比下不同齡期的疲勞方程，并得出采用NaOH、Na2SiO3作堿激發(fā)劑時(shí)，分別存在一個(gè)最優(yōu)摻量4%、6%，兩種都能夠激發(fā)礦渣提高再生骨料性能，水玻璃激發(fā)礦渣再生骨料的半剛性基層的疲勞性，得到了不同應(yīng)力比下，不同齡期的疲勞方程。并且隨著齡期的增加，水泥穩(wěn)定碎石的抗疲勞性能逐漸提高，因此通過延長水泥穩(wěn)定碎石的養(yǎng)生時(shí)間可以有效地提高其抗疲勞耐久性。

參考文獻(xiàn)

[1]?交通運(yùn)輸部.2020年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)[N].中國交通報(bào)，2021-05-19.

[2]?劉曉娜.道路基層水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)材料的再生利用[D].成都：成都理工大學(xué)，2007.

[3]?丁琴.?地聚合物再生混凝土改性及力學(xué)性能研究[D].長沙：中南大學(xué)，?2022.

[4]?王超然.堿激發(fā)礦渣再生混凝土力學(xué)性能與耐久性試驗(yàn)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，?2019.

[5]?趙百超.廢棄混凝土對(duì)水泥穩(wěn)定土疲勞特性影響研究[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2020.

[6]?胡力群，沙愛民.水泥穩(wěn)定廢粘土磚再生集料基層材料性能試驗(yàn)[J].中國公路學(xué)報(bào)，2012，25（3）：73-79，86.

• 張超.廢棄混凝土路面板在道路改建中的再利用[J].交通運(yùn)輸學(xué)報(bào)，2003，3（4）：5-9.
• 萬小梅，車雪萍，朱亞光，等.再生混凝土微粉在堿激發(fā)膠材體系中的作用效應(yīng)研究[J].材料導(dǎo)報(bào)，2023，37?（19）：114-120.
• 彭武磊.堿激發(fā)再生混凝土力學(xué)與微觀性能研究及配合比設(shè)計(jì)[D].深圳：深圳大學(xué)，2016.