張浩博,任慧超,寇佳亮

(西安理工大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,陜西 西安 710048)

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粉煤灰對再生混凝土抗壓及耐久性能試驗研究

張浩博,任慧超,寇佳亮

(西安理工大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,陜西 西安 710048)

通過再生混凝土壓碎指標(biāo)、抗?jié)B、抗凍和抗硫酸鹽侵蝕試驗,研究了不同摻量粉煤灰對再生混凝土力學(xué)性能和耐久性能的影響。試驗結(jié)果表明:20 MPa、25 MPa、30 MPa的再生骨料混合比例為1∶1∶2時壓碎值最小;粉煤灰取代10%水泥時其28 d抗壓強度比未摻加粉煤灰時高出60%左右;粉煤灰取代10%～20%水泥時其抗?jié)B性能有明顯提高;粉煤灰取代10%水泥時,在凍融循環(huán)達到100次,其相對橫彈模仍大于60%;粉煤灰取代15%左右水泥時其抗硫酸鹽侵蝕能力最好;抗侵蝕后質(zhì)量損失率不明顯。研究結(jié)果表明:粉煤灰在一定程度上對再生混凝土力學(xué)性能和耐久性能有明顯提高,對廢棄混凝土再利用有著重要意義。

再生骨料;再生混凝土;粉煤灰;抗壓性能;耐久性能

廢棄混凝土對自然資源的占用及其對環(huán)境造成的負面影響越來越嚴(yán)重,混凝土材料的可持續(xù)發(fā)展成為了當(dāng)今社會關(guān)注的重點之一[1]。將廢棄的混凝土塊經(jīng)過破碎、清洗和分級后,按一定比例與級配混合,部分或全部代替砂石等天然集料(主要是粗集料),再加入水泥、水等配制成一種新型混凝土,即再生混凝土。再生骨料與天然骨料確實存在著一定的差別,例如,再生骨料具有較高的孔隙率,其吸水率比天然骨料高,密度卻比天然骨料低。廢棄混凝土經(jīng)過破碎處理,生產(chǎn)出的再生骨料表層含有大量的水泥砂漿,這些水泥砂漿大多都獨立成塊,只有少量附著在天然骨料之上,而再生骨料表面砂漿的強度及附著率對再生混凝土強度影響較大[2],配制而成的混凝土表現(xiàn)出吸水率高、密度低、孔隙率大和耐久性差等特征。

針對這一問題,胡瓊等[3]通過對再生混凝土界面顯微結(jié)構(gòu)的分析,提出添加粉煤灰等礦物摻合料可以改善再生混凝土的強度和耐久性能。粉煤灰屬于活性摻合料,首先,它具有微骨料效應(yīng),其內(nèi)部含有的微細顆粒在水化反應(yīng)時可以填充水泥漿中的孔隙和毛細孔;再次,粉煤灰中包含有大量非晶態(tài)的SiO2和A12O3,通過二次反應(yīng)能大幅增加膠凝物質(zhì)(C-S-H)的數(shù)量,改善水泥石與集料間的界面結(jié)構(gòu),降低混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)中水泥石的孔隙率,增強混凝土密實性,對再生混凝土抗壓強度以及耐久性有著很好的改良作用[4]。

基于上述研究,本課題組通過再生混凝土中摻加不同比例粉煤灰,研究不同粉煤灰摻量對再生混凝土抗壓性能及耐久性能的影響程度,對廢棄混凝土再利用有著重要意義。

1 試驗原材料及配合比

試驗原材料分別為:水泥采用P.O 42.5秦嶺牌水泥;粉煤灰采用銅川熱電廠二級粉煤灰,45 μm篩余為13.5%,需水量比為99%,燒失量為4.3%,用粉煤灰超量(超量系數(shù)K=1.5)取代水泥(取代率分別為0%、10%、15%、20%);天然粗骨料采用涇河天然碎石,10 mm～40 mm連續(xù)級配;再生粗骨料:30%取代天然粗骨料,采用混凝土試塊經(jīng)破碎加工而成,10 mm～40 mm連續(xù)級配,骨料強度采用25 MPa,經(jīng)壓碎指標(biāo)測試由等級三配制而成[5],詳見表1和表2;細集料采用渭河天然河砂,細度模數(shù)為2.5;水采用自來水;外加劑采用宇超牌UNFJW-1萘系高效減水劑,摻量為水泥質(zhì)量的1.0%;配合比[6]:配制C25混凝土?xí)r,理論水灰比計算值為0.596,結(jié)合再生混凝土本身性質(zhì),以及加入了1%的減水劑,試驗所用配合比取為0.52。故mc∶ms∶mg∶mw=1∶2.31∶3.77∶0.52(其中mc∶ms∶mg∶mw表示水泥、砂、石和水的質(zhì)量比)?？紤]再生骨料本身特性,用再生集料替代天然集料會致使混凝土用水量增加,故取mw=195 kg,Sp=38%(其中mw為水的質(zhì)量;Sp表示砂率,即砂與砂加石的質(zhì)量比),各組分含量如表1所示。

2 試驗內(nèi)容

2.1 再生骨料級配試驗

再生骨料的壓碎指標(biāo)一般要大于天然骨料的壓碎指標(biāo),壓碎指標(biāo)越小再生骨料混凝土強度越接近天然骨料混凝土。試驗中筆者選擇20 MPa、25 MPa、30 MPa三個強度等級的再生粗骨料壓碎試樣,并把三種強度骨料用方孔篩10 mm、40 mm篩析,存儲足夠骨料。之后以不同比例把三種再生粗骨料混合起來,通過壓碎指標(biāo)實驗(每組骨料總量取為3 kg)[7],觀察各強度骨料不同混合比例下的壓碎指標(biāo),最后取最小篩余值(壓碎指標(biāo))組作為再生粗骨料來源,結(jié)果如表2、表3所示。

表2 再生骨料級配

表3 壓碎值

2.2 抗壓強度試驗

再生混凝土抗壓試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm立方體,每3個為1組,4個摻量共4組。本試驗攪拌機采用HJW-60型攪拌機,將成型好的試件放置1天后拆模,之后送入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室養(yǎng)護至28 d齡期[8]。最后,采用WAW-1000D微機電液伺服萬能試驗機測定再生混凝土抗壓強度[9]。試件劈裂面如圖1所示。

圖1 抗壓試驗試件劈裂面Fig.1 The cleaving surface of compression test

2.3 抗?jié)B試驗

再生混凝土抗?jié)B試件采用上口內(nèi)部直徑為175 mm、下口內(nèi)部直徑為185 mm和高度為150 mm的圓臺體,1組為6個試件,4組摻量共24個試件。密封材料用水泥加黃油按質(zhì)量比3∶1進行配制,時間達到28 d齡期后在側(cè)面涂抹密封材料,之后用Y67-1液壓式數(shù)顯壓力機采用螺旋加壓方式將試件壓入試件套。抗?jié)B試驗采用HP-40型自動加壓混凝土滲透儀進行測試。此次試驗采用逐級加壓法,設(shè)定下限為0.2 MPa,上限為1.2 MPa,記錄第3個試件出現(xiàn)滲水現(xiàn)象時的水壓,計算抗?jié)B等級?？?jié)B試件如圖2所示。

圖2 抗?jié)B試驗試件滲透面Fig.2 The seepqage surface of impermeability test

2.4 抗凍試驗

抗凍試驗試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm,每組3個,4個摻量加上1個測溫試件共13個試件。達到28 d齡期的前4 d將試件放入(20±2) ℃的水中養(yǎng)護四天,在達到28 d齡期后放入HDK-9型快速凍融循環(huán)試驗機[10]。試件如圖3所示?？箖鲈囼灢捎每焖賰鋈诜?每個凍融循環(huán)設(shè)定為2.5 h,以相對橫向動彈性模量和質(zhì)量損失率作為衡量標(biāo)準(zhǔn),每25個凍融循環(huán)測試一次,當(dāng)相對橫向動彈性模量下降至初始值的60%時停止試驗。

圖3 抗凍試驗試件Fig.3 The specimen of frost resistance test

2.5 抗硫酸鹽侵蝕試驗

抗硫酸鹽侵蝕試驗溶液采用無水硫酸鈉與自來水配制, 配制5%硫酸鈉溶液 ,ρ溶液=1.04×103kg/m3,全部溶解,未出現(xiàn)結(jié)晶,配制完成后將溶液倒入NJW-LS型電腦控制混凝土硫酸鹽干濕循環(huán)試驗機。試件采用100 mm×100 mm×100 mm立方體,各粉煤灰摻量試件共制成5組,標(biāo)準(zhǔn)強度測試試件1組,對比測試試件2組,抗硫酸鹽侵蝕試件2組,每組3個試塊,4個摻量共60個試件。試件如圖4所示。在達到28 d齡期的前2天將試件取出放入烘箱,(80±2) ℃溫度下持續(xù)烘烤48 h,之后取出試件放入干濕循環(huán)試驗機內(nèi)進行測試,每個干濕循環(huán)時間為24 h[12],分別測試15次干濕循環(huán)后試件質(zhì)量變化率及耐侵蝕系數(shù)。

圖4 抗硫酸鹽侵蝕試驗試件Fig.4 The specimens of corrosion resistance test

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 抗壓強度

由圖5可知,再生混凝土試件的抗壓強度在一定程度上隨粉煤灰摻量的增加呈現(xiàn)出先增后減的趨勢;在粉煤灰取代10%左右水泥時,其抗壓強度最高,達到40.4 MPa,高出未摻粉煤灰再生混凝土抗壓強度60%左右,并且在摻量達到20%時其強度仍高于未摻粉煤灰混凝土。

圖5 再生骨料混凝土抗壓強度曲線Fig.5 The curve of recycled aggregate concrete strength values

3.2 抗?jié)B試驗

抗?jié)B試驗采用逐級加壓法,混凝土的抗?jié)B等級根據(jù)每組6個試件中有4個未發(fā)現(xiàn)滲水狀況時的最大水壓力來表示,其抗?jié)B試驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 再生混凝土的抗?jié)B等級曲線Fig.6 The curve of level of permeability of recycled concrete

由圖6可知,當(dāng)粉煤灰摻量分別為0%、10%、15%、20%時,再生混凝土的抗?jié)B等級分別為P4、P12、P12、P12,并且在一定程度上隨粉煤灰摻量的增加其抗?jié)B等級有所提高,在粉煤灰摻量為10%～20%時,其抗?jié)B等級均達到P12,相比未摻加粉煤灰試件其抗?jié)B性能有明顯提高。

3.3 抗凍試驗

抗凍試驗采用快凍法,試驗過程中,分別用動彈儀和天平測試了凍融循環(huán)次數(shù)為0、25、50、75和100次時試件的橫向自振頻率(詳見表4),根據(jù)表4測出的橫向自振頻率,可計算出各摻量的相對橫向動彈性模量,并繪制出各組相對橫向動彈性模量變化曲線,如圖7所示。由表4和圖7可知,再生混凝土的相對橫向動彈性模量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低。在凍融循環(huán)達到40次之前時,摻量10%的一組減小趨勢最小,0%和20%的兩組減小趨勢最大且曲線基本重合;而在60次凍融循環(huán)之后,摻量10%的一組減小趨勢仍最小,20%那一組減小趨勢最大,而10%和15%兩組曲線較為接近且變化趨勢居兩者之間。凍融循環(huán)達到50次時,4個摻量的再生混凝土的相對橫向動彈性橫量均大于60%;當(dāng)達到75次凍融循環(huán)時,粉煤灰摻量為20%的試件相對橫向動彈性橫量為54%;當(dāng)循環(huán)次數(shù)達到100次時,粉煤灰摻量為0%的試件相對橫向動彈性橫量為59.9%,粉煤灰摻量為15%的試件相對橫向動彈性橫量為58.1%;100次循環(huán)過后粉煤灰摻量為10%的試件相對橫向動彈性橫量為81.3%,仍大于60%。

表4 再生混凝土橫向自振頻率

圖7 凍融試驗相對橫向動彈性模量變化曲線圖Fig.7 The curves of relative transverse elastic modulus

3.4 抗硫酸鹽侵蝕試驗

抗硫酸鹽侵蝕試驗采用完全浸泡法,經(jīng)15次干濕循環(huán)后其質(zhì)量損失率及耐蝕系數(shù)變化如表5、6所示。

由表5可知,隨粉煤灰摻量增加，質(zhì)量損失率呈現(xiàn)出先減后增之后又減小的變化趨勢,且在摻量為10%～15%之間時存在最小值,但總體上4組質(zhì)量變化都不是很大,減小最大的0%摻量組亦未超過3%。

表5 再生混凝土試件侵蝕前后質(zhì)量

表6 再生混凝土試件侵蝕試驗強度

注:對比組強度為28 d齡期后浸在清水中試件的強度。

在表6可知,15次干濕循環(huán)過后,四組摻量的耐蝕系數(shù)表現(xiàn)出先增后減的變化趨勢。

通過以上分析可知,再生混凝土的質(zhì)量損失率和耐蝕系數(shù)隨粉煤灰摻量的增加不呈現(xiàn)同比變化。其中耐蝕系數(shù)隨粉煤灰摻量的增加而呈現(xiàn)出先增后減的趨勢,粉煤灰摻量在15%左右時,其耐蝕系數(shù)最高,抗侵蝕性能最好。

3.5 粉煤灰對再生混凝土抗壓及耐久性能影響程度分析

粉煤灰具有微集料效應(yīng),并且包含有大量非晶態(tài)(或稱玻璃態(tài))的SiO2、A12O3,摻入粉煤灰后,活性二氧化硅(SiO2)可以和水泥水化反應(yīng)中產(chǎn)生的游離氫氧化鈣(Ca(OH)2)發(fā)生二次反應(yīng),生成穩(wěn)定和強度高的水化硅酸鈣,明顯改善再生骨料混凝土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu),增強混凝土密實性。

其次,粉煤灰顆粒經(jīng)過高溫燃燒形成,大部分是玻璃微珠,它的外表比較光滑,由硅鋁玻璃體組成,球形顆粒的顯著特點就是表面光滑,進入混凝土內(nèi)部起到很好的潤滑作用?；炷羶?nèi)部破壞往往不在粉煤灰顆粒界面發(fā)生,而在水泥凝膠部分發(fā)生。恰好粉煤灰顆粒在水泥漿體中有良好的分散狀態(tài),從而有助于混凝土的均勻性改善,還能充填和細化混凝土中的孔隙和毛細孔,從而提高再生混凝土的強度和耐久性。

最后,由于粉煤灰混凝土前期強度發(fā)展緩慢,后期強度發(fā)展速度有所提高。當(dāng)粉煤灰過量時,其內(nèi)部大部分活性二氧化硅在早期來不及與混凝土內(nèi)部氧化鋁等一些物質(zhì)反應(yīng),不能有效降低混凝土孔隙率,反而會降低再生混凝土的抗壓強度和耐久性。

4 結(jié) 論

1) 再生骨料混凝土內(nèi)部加入粉煤灰后,能有效減小其內(nèi)部孔隙和毛細孔數(shù)量,改善混凝土均勻性,進而增強再生混凝土的密實性,從而提高其強度和耐久性。

2) 在一定范圍內(nèi),再生骨料混凝土抗壓強度隨粉煤灰摻量的增加呈現(xiàn)出先增后減的趨勢,并且摻量為10%～15%時其強度最高。

3) 摻入一定程度的粉煤灰后再生混凝土的抗?jié)B性能有了明顯的提高,并且抗?jié)B性能隨其摻量的增加有很大提高,在粉煤灰摻量為10%～20%時,其抗?jié)B性能最好,達到P12。

4) 再生混凝土的抗凍性能較弱,添加一定量的粉煤灰對再生混凝土的抗凍性能有一定的影響。試驗結(jié)果表明,當(dāng)粉煤灰摻量10%左右時,對再生混凝土抗凍性能有明顯提高,隨著粉煤灰摻量的提高,對再生混凝土的抗凍性能的影響不顯著。

5) 在5% Na2SO4溶液環(huán)境下,隨著粉煤灰摻量的變化,侵蝕外觀無太大變化,但從再生混凝土劈裂破壞的斷裂界面和侵蝕面來看,未侵蝕混凝土破壞均勻性較好,侵蝕混凝土內(nèi)粘結(jié)性惡化,破壞面不平整。且在粉煤灰摻量為15%左右時其抗硫酸鹽侵蝕效果最好。

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(責(zé)任編輯 王緒迪，王衛(wèi)勛)

Experimental study of the effect of fly ash on compressive performance and durability of the recycled aggregate concrete

ZHANG Haobo,REN Huichao,KOU Jialiang

(School of Civil Engineering and Architecture, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

This paper investigates the variable admixture of flyash effecting on the properties and durability of recycled concrete, through crush index, compressive strength, permeability, frost resistance and sulfate corrosion resistance tests. The results indicate that the crushing value reaches to minimum when the mixed proportion of recycled aggregates is 1∶1∶2 at 20 MPa, 25 MPa and 30 MPa. Besides, the 28-day compressive strength of concrete, when the substitution ratio of flyash for cement is 10%, is about 60% higher than that of concrete without flyash. The impermeability can be significantly improved when the substitution ratio ranges from 10% to 20%. In addition, if 10% of cement is replaced by flyash, after 100 cycles of freezing and thawing, elastic modulus for concrete remains higher than 60% of before. The concrete resistance to sulfate corrosion approaches maximum when the substitution ratio is about 15%. Also, mass loss rate is not significant after the tests of frost resistance and resistance to sulfate corrosion. Thus, flyash can improve the mechanical properties and durability of the recycled aggregate concrete in certain extent. Moreover, it is of significance in recycling waste concrete.

recycled aggregate; recycled aggregate concrete; flyash; compressive perfor-mance; durability

10.19322/j.cnki.issn.1006-4710.2016.04.006

2015-07-06

國家自然科學(xué)基金資助項目(51408487);中國住建部科學(xué)技術(shù)資助項目(2014-K2-037);中國博士后科學(xué)基金第56批面上資助項目(2014M562437);陜西省自然科學(xué)基金資助項目(2014JQ7292);陜西省教育廳專項科學(xué)研究計劃資助項目(14JK1516);陜西省博士后科研資助項目;西安市建設(shè)科技研究資助項目(SJW2015-09);西安理工大學(xué)科學(xué)研究計劃資助項目(118-211403)

張浩博,男,副教授,研究方向為高性能混凝土技術(shù)。E-mail:jiancai@xaut.edu.cn

寇佳亮,男,副教授,研究方向為高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能。E-mail:jlkou@xaut.edu.cn

TU502+.6

A

1006-4710(2016)04-0410-06