周志福
(上海建工南航預(yù)拌混凝土有限公司, 上海 201311)
自“十二五”以來(lái),建設(shè)資源節(jié)約型,環(huán)境友好型社會(huì)已成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的重要著力點(diǎn)。作為混凝土的細(xì)骨料天然中砂經(jīng)長(zhǎng)期開(kāi)采以日漸枯竭,細(xì)砂與機(jī)制砂的大量使用必將成為趨勢(shì)。同樣,粗骨料主要依靠傳統(tǒng)粗獷的開(kāi)采方式,嚴(yán)重破壞生態(tài)平衡,且開(kāi)礦產(chǎn)生大量粉塵嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)鼐用竦纳?;另一方面,城市產(chǎn)生的大量建筑垃圾的處理已成為城市管理的難題,傳統(tǒng)上作為道渣填埋遠(yuǎn)解決不了如此體量龐大的建筑垃圾。將其成再生骨料,既解決城市建筑垃圾問(wèn)題,又減少對(duì)礦山的開(kāi)采,留住青山綠水利國(guó)利民。
水泥采用德清南方PO42.5水泥,標(biāo)準(zhǔn)稠度26%,28天抗壓強(qiáng)度50.2mpa;粉煤灰采用C類(lèi)Ⅱ級(jí)灰,細(xì)度28%,需水量比101%;礦粉采用S95級(jí)礦粉,28d活性指數(shù)99%;外加劑采用聚羧酸高效減水劑,摻量1.1%。
細(xì)骨料采用特細(xì)砂和機(jī)制砂按比例混合,粗骨料采用再生骨料不同比例取代。
表1 細(xì)骨料級(jí)配情況
特細(xì)砂平均粒徑不大于0.315mm,大于1.25mm的顆粒較少,機(jī)制砂和特細(xì)砂混合,可以調(diào)整顆粒分布,補(bǔ)充0.315mm以下的顆粒,使顆粒級(jí)配更加合理。機(jī)制砂MB值0.9,石粉含量6.5%。
表2 混合砂的細(xì)度模數(shù)
表3 粗骨料性能指標(biāo)
細(xì)砂0.63mm以上的顆粒很少,大部分顆粒分布在0.30mm以下,孔隙率高,需水量高,如單獨(dú)采用特細(xì)砂配制混凝土,必須采用低水膠比,低砂率。過(guò)高的水膠比和砂率會(huì)導(dǎo)致細(xì)砂上浮或下沉,形成表面和下部砂漿集中,混凝土均勻性差的局面,易產(chǎn)生裂縫,對(duì)構(gòu)件力學(xué)性能耐久性均不利。但低水膠比低砂率配出的混凝土流動(dòng)性差,無(wú)法泵送。機(jī)制砂是由機(jī)械破碎,經(jīng)篩分制成的人工砂。一般石粉含量較高,級(jí)配中大于2.36mm小于0.15mm顆粒較多,顆粒多呈狹長(zhǎng)狀或三角狀,粗糙度長(zhǎng)徑都比較大,顆粒圓度低,影響混凝土流動(dòng)性;石粉含量高,需水量大,混凝土粘稠,不利泵送。再生碎石由廢棄的混凝土破碎后分選制成,再生石原料來(lái)源復(fù)雜,吸水率高,缺陷多等特質(zhì)決定其品質(zhì)不穩(wěn)定性。
本文將細(xì)砂、機(jī)制砂和再生碎石三種較為特殊的原材料組合在一起配制混凝土,并研究不同因素對(duì)混凝土性能的影響。試驗(yàn)水膠比采用常用的0.5,膠凝材料總量350kg,摻合料40%。外加劑的摻量為1.1%。
由于再生骨料的加入,試驗(yàn)用水量分為兩部分:一部分是附加水,另一部分是拌合水。附加水可通過(guò)下式計(jì)算決定[1]
ΔW=mRCA×(S’RCA-S’OCA)
式中 ΔW——再生骨料附加水量,kg
mRCA——再生骨料質(zhì)量,kg
S’RCA——再生骨料的相對(duì)吸水率,kg
S’OCA——天然骨料的相對(duì)吸水率,kg
試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)的方法,選取機(jī)制砂與細(xì)砂比例、砂率以及再生骨料的取代率以及摻合料的比例作為因素,每個(gè)因素取四個(gè)水平??疾烀糠N因素對(duì)混凝土工作性能以及力學(xué)的影響。
表4 因素水平表
采用L16(45)正交表安排試驗(yàn)
表5 試驗(yàn)方案
表6 正交試驗(yàn)配合比
4 396 396 605 404 98:42 26 5 411 274 335 783 84:56 13 6 432 288 162 919 98:42 6 7 454 303 627 418 56:84 25 8 476 317 454 555 70:70 18 9 497 205 503 614 98:42 20 10 505 216 649 433 84:56 26 11 530 227 157 888 70:70 6 12 555 238 303 706 56:84 12 13 548 137 670 447 70:70 27 14 577 144 486 595 56:84 20 15 605 151 314 732 98:42 12 16 634 159 151 858 84:56 6
表7 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)
表8 坍落度和容重極差分析
影響坍落度的因素順序?yàn)?ACDB,即機(jī)制砂和細(xì)砂的比例對(duì)坍落度的最大,其次是再生石,砂率外摻料的比例對(duì)坍落度的影響略小。機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)較大,一般大于3.0,顆粒尖銳表面粗糙,長(zhǎng)徑比較大石粉含量高,級(jí)配不合理,中間少,兩頭多,對(duì)混凝土的和易性影響較大。細(xì)砂的摻入,使粗骨料與機(jī)制砂之間的空隙得到填充,機(jī)制砂中石粉顆粒細(xì)度與水泥差不多,在混凝土體系中起到微集料的作用,因此細(xì)砂和石粉使體系在不同的粒徑區(qū)間得到補(bǔ)充,體系的孔隙率降低,自由水量增加,混凝土的流動(dòng)性的到改善。但石粉本身具有吸水性,因此,石粉摻量存在一個(gè)臨界值,低于臨界值,可以改善流動(dòng)性,高于臨界值,需水量增大,拌合物粘度增加,屈服剪切應(yīng)力增大,混凝土流動(dòng)性變差。從表8中可以看出機(jī)制砂與細(xì)砂的比例由5:5增加到8:2,混合砂的細(xì)度模數(shù)由2.16增加到2.81,混凝土的坍落度先增大后減小,粘聚性的變化規(guī)律基本相同。當(dāng)機(jī)制砂與細(xì)砂的比例為6:4,細(xì)度模數(shù)2.41時(shí),混凝土的和易性最佳。
影響容重的因素順序?yàn)?CABD,再生石的摻入比例對(duì)容重影響最大,其次是機(jī)制砂的摻入比例,砂率和外摻料的影響略小。再生石比天然碎石比表觀密度小,因此隨著再生石的增加,混凝土的容重降低。機(jī)制砂與細(xì)砂的孔隙率都較大,其它材料不變,混凝土的容重與混合砂緊密密度正相關(guān)。
表9 泌水極差分析
影響泌水的因素順序?yàn)?ABCD,機(jī)制砂對(duì)泌水的影響最大,其次是砂率,再生骨料和摻合料的影響較低。隨著機(jī)制砂的摻入比例由5:5增加到8:2,泌水率先降低后升高。一方面細(xì)砂石粉和粉煤灰礦粉的加入,微集料效應(yīng)改善體系的顆粒分布,同時(shí)也使泌水通道變長(zhǎng),對(duì)降低泌水率有利。另一方面,細(xì)砂比表面積大需水量高,機(jī)制砂中的石粉也有吸水的特性,細(xì)砂石粉的加入增大了混凝土的需水量,體系的自由水量減少。當(dāng)機(jī)制砂與細(xì)砂的比例為7:3時(shí),體系的顆粒級(jí)配效應(yīng)與細(xì)砂石粉的需水疊加,泌水率最低。再生石的高吸水率對(duì)混凝土的保水性有利,隨著再生石的增加泌水率呈降低趨勢(shì)。
表10 強(qiáng)度極差分析
影響7d強(qiáng)度因素的順序ACDB,影響28d強(qiáng)度因素的順序ACBD。機(jī)制砂的摻量對(duì)強(qiáng)度影響最大,其次是再生石。砂率和摻合料的影響略小。
隨著機(jī)制砂與細(xì)砂的比例有5:5增加到8:2,7d和28d強(qiáng)度均呈
表1 機(jī)制砂對(duì)強(qiáng)度的影響
先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)機(jī)制砂摻量60%細(xì)度模數(shù)為2.41時(shí),混合砂為中砂符合Ⅱ區(qū),骨料實(shí)現(xiàn)最大密度堆積,強(qiáng)度最佳。機(jī)制砂質(zhì)地堅(jiān)硬,破碎表面新鮮,具有較高的表面能,且表面粗糙,形狀不規(guī)則,限制了水泥石的變形,改善水泥石和機(jī)制砂的界面性能。減少界面的孔隙,降低界面應(yīng)力集中。適量的石粉不僅可以改善混凝土的和易性,而且改善混凝土的微結(jié)構(gòu)。有研究表明,細(xì)石灰石粉在早期為水化硅酸鈣凝膠提供有利成核和生長(zhǎng)的表面,加速水泥水化[2]。
表2 再生骨料對(duì)強(qiáng)度的影響
再生骨料的取代率從15%增加到45%,平均強(qiáng)度為別為36.2mpa、34.6mpa和35.3mpa,變化不大,再生骨料取代率30%時(shí)最高強(qiáng)度達(dá)39.2mpa,與純天然骨料和天然中砂配制的混凝土相差無(wú)幾。再生骨料中存在著未水化的膠凝材料,拌制成混凝土?xí)r再次水化,再生骨料的再次水化效應(yīng)與吸水性相應(yīng)疊加造成混凝土實(shí)際水膠比降低。其次,再生石的高吸水率,在拌制過(guò)程中吸入大量的自由水,當(dāng)水泥水化時(shí),新砂漿內(nèi)自由水不斷被消耗,于是再生石與新水泥砂漿界面產(chǎn)生濕度梯度,由于毛細(xì)管的壓力差,再生石內(nèi)的自由水向新的水泥石內(nèi)遷移,使界面過(guò)渡區(qū)水化更充分,提高界面強(qiáng)度,產(chǎn)生“內(nèi)養(yǎng)護(hù)效應(yīng)”。取代率由45%增至60%時(shí),強(qiáng)度明顯下降。從破壞形態(tài)上來(lái)區(qū)分,混凝土的破壞有三種:水泥砂漿破壞,骨料破壞,水泥砂漿和骨料界面破壞。混凝土的強(qiáng)度由三者中最弱的部位決定,再生骨料情況較復(fù)雜,僅界面就存在三種不同形式:一、原始骨料與原始砂漿之間的界面;二、原始砂漿與新砂漿之間的界面;三、原始骨料與新砂漿之間的界面。由這些界面構(gòu)成的混凝土過(guò)渡區(qū)對(duì)混凝土的力學(xué)性能產(chǎn)生較大的影響。其次再生石在加工過(guò)程中附著的砂漿層容易產(chǎn)生微裂縫,這種原始的損傷也將成為混凝土結(jié)構(gòu)最薄弱的環(huán)節(jié)之一。當(dāng)再生骨料的摻量上升至 60%后,界面缺陷以及加工產(chǎn)生的裂縫產(chǎn)生的負(fù)面影響占主導(dǎo),因此強(qiáng)度下降明顯。
通過(guò)試驗(yàn)研究本文得出如下結(jié)論:
(1)混凝土坍落度影響因素依次為:混合砂>再生骨料>砂率>摻合料?;旌仙盎炷辽奥什灰诉^(guò)高,本文機(jī)制砂與細(xì)砂比例為6:4,砂率40%時(shí),混凝土的工作性能與力學(xué)性能與天然砂混凝土無(wú)異。
(2)混凝土泌水影響因素依次為:混合砂>砂率>再生骨料>摻合料,適量的石粉加入可以改善混凝土的泌水。
(3)水膠比為0.5時(shí),混凝土強(qiáng)度影響因素依次為:混合砂>再生骨料>砂率>摻合料。再生石取代率不大于45%時(shí),對(duì)混凝土和易性和強(qiáng)度影響不大。