姚烈波
(重慶市武隆區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)所,重慶 404100)
北方地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性失效的重要原因是混凝土凍融破壞,混凝土內(nèi)水體凍融循環(huán)造成結(jié)構(gòu)表層剝落和內(nèi)部?jī)雒涢_裂,降低了混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。粉煤灰的資源化利用,為混凝土提供了向綠色、環(huán)保發(fā)展的可能,應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)中,具有十分廣闊的前景[1-4]。本文試驗(yàn)研究粉煤灰品質(zhì)和取代率對(duì)再生混凝土的毛細(xì)吸水性能和凍融循環(huán)次數(shù)影響,以期優(yōu)化配合比,提高再生混凝土的抗凍性能。
試驗(yàn)用材料及其技術(shù)參數(shù)如下:
水泥:P.O 42.5普通硅酸鹽水泥,見表1和表2;粉煤灰:Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)粉煤灰,符合 《粉煤灰混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(GBJ 146-90)要求,其X射線分析結(jié)果見表3;砂:河砂,Ⅱ級(jí)砂,級(jí)配合理;再生粗骨料:Ⅰ類再生粗骨料,用EZ表示,見表4和表5;減水劑:高效聚羧酸減水劑,減水率為30%;水:自來(lái)水,符合《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 63-2006)要求。
表1 水泥的性能指標(biāo)
表4 再生粗骨料顆粒級(jí)配
表5 再生粗骨料的性能指標(biāo)
采用砂率為40%,減水劑取膠凝材料質(zhì)量的1.2%,控制坍落度160~200mm,確定用水量,測(cè)試試件的毛細(xì)吸水量和相對(duì)動(dòng)彈性模量,研究粉煤灰品質(zhì)和取代率對(duì)再生混凝土抗凍性能的影響,試驗(yàn)配合比見表6。
表6 再生混凝土試驗(yàn)配合比(以1m3計(jì))
顆粒整形法原理如圖1所示,再生粗骨料形貌圖如圖2所示。
圖1 顆粒整形法
圖2 Ⅰ類再生粗骨料形貌圖
廢棄混凝土經(jīng)顎式破碎機(jī)和顆粒整形機(jī)處理制得再生粗骨料,根據(jù)《混凝土用再生粗骨料》(GB/T 25177-2010)和針片狀顆粒含量、有機(jī)物含量、壓碎指標(biāo)、顆粒級(jí)配、吸水率、表觀密度和空隙率等參數(shù)區(qū)分品質(zhì),遴選出Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)再生粗骨料,見表7。
表7 顆粒整形法再生粗骨料品質(zhì)
參照 《混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082-2009),測(cè)試試件的毛細(xì)吸水量和相對(duì)動(dòng)彈性模量,詳細(xì)數(shù)據(jù)列表由于篇幅所限,不予贅述,詳見下節(jié)文字分析。
由圖3可知,粉煤灰再生混凝土抗凍性能為:Ⅰ級(jí)粉煤灰再生混凝土>Ⅱ級(jí)粉煤灰再生混凝土,且膠凝材料用量增大,粉煤灰再生混凝土的凍融循環(huán)次數(shù)增加,表明:粉煤灰再生混凝土的抗凍性能提高。
以圖3c為例,與Ⅰ級(jí)粉煤灰再生混凝土相比,當(dāng)Φz(mì)=10%時(shí),Ⅱ級(jí)粉煤灰再生混凝土的凍融循環(huán)次數(shù)減小了25次,相對(duì)動(dòng)彈性模量降低較快;當(dāng)Φz(mì)=20%時(shí),Ⅱ級(jí)粉煤灰再生混凝土的凍融循環(huán)次數(shù)減小了25次;當(dāng)Φz(mì)=30%時(shí),Ⅱ級(jí)粉煤灰再生混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量降低了15.3%。
在凍融循環(huán)過(guò)程中,游離水體積膨脹產(chǎn)生靜水壓和滲透壓,從而引起游離水遷移,沖刷擠脹混凝土內(nèi)孔隙和裂縫,最終混凝土結(jié)構(gòu)破壞。由凍融破壞機(jī)理可知,混凝土抗凍性主要取決于水泥品種和用量,骨料品質(zhì)、強(qiáng)度,平均氣泡間距等[5]。粉煤灰中含有大量活性二氧化硅及氧化鋁,與混凝土內(nèi)堿性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成膠凝物質(zhì)。粉煤灰的 “火山灰效應(yīng)”,堵塞了混凝土中的毛細(xì)孔,能提高混凝土的抵抗水侵蝕的能力,這種物理化學(xué)作用提高了粉煤灰類混凝土的抗凍性能[6]。
由表3可知,Ⅰ級(jí)粉煤灰的需水量和燒失量分別比Ⅱ級(jí)粉煤灰低12.6%和34.7%,表明:Ⅱ級(jí)粉煤灰再生混凝土內(nèi)部存在的自由水遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Ⅰ級(jí)粉煤灰再生混凝土;且用壓汞法測(cè)得,Ⅱ級(jí)粉煤灰再生混凝土的孔隙率比Ⅰ級(jí)粉煤灰再生混凝土高3.2%。
在凍融循環(huán)中,粗骨料同樣發(fā)生游離水遷移,當(dāng)游離水產(chǎn)生的靜水壓超過(guò)骨料-水泥漿界面強(qiáng)度,混凝土表面的受凍骨料就會(huì)剝落[7]。Ⅱ級(jí)粉煤灰再生混凝土的界面區(qū)顯微硬度低以及內(nèi)部存在相對(duì)較多的孔隙,導(dǎo)致Ⅱ級(jí)粉煤灰再生混凝土抗凍性差于Ⅰ級(jí)粉煤灰再生混凝土。
混凝土凍融破壞的必要條件是處于接近水飽和狀態(tài)[7]。兩類粉煤灰再生混凝土的毛細(xì)吸水量初期均大致呈線性增長(zhǎng),后期增勢(shì)變緩,最終趨于穩(wěn)定。線性擬合的直線斜率即為毛細(xì)吸水系數(shù),反映了粉煤灰品質(zhì)和取代率對(duì)再生混凝土毛細(xì)吸水性能的影響。相比Ⅰ級(jí)粉煤灰再生混凝土,Ⅱ級(jí)粉煤灰再生混凝土的毛細(xì)吸水量較高,表明其孔隙率較高,水的遷移活動(dòng)和吸水過(guò)程更加流暢,從而減弱了再生混凝土的抗凍性。
增大粉煤灰的取代率,Ⅱ級(jí)粉煤灰再生混凝土凍融循環(huán)次數(shù)減少,Ⅰ級(jí)粉煤灰再生混凝土的凍融循環(huán)次數(shù)先增多后減少。
研究表明:相同質(zhì)量引氣劑(本文未添加)和工藝水平條件下,混凝土含氣量大致相當(dāng),減小水膠比,水泥漿內(nèi)的可凍水含量減小,可凍水間隙形成的氣泡結(jié)構(gòu)數(shù)量會(huì)多,則氣泡間隔系數(shù)越小,利于提高混凝土抗凍性能[8]。
如圖4a所示,隨著Φz(mì)的增大,Ⅱ級(jí)粉煤灰再生混凝土的水膠比增大,則氣泡間隔系數(shù)增大。相比Ⅱ級(jí)粉煤灰再生混凝土,Ⅰ級(jí)粉煤灰再生混凝土的抗拉強(qiáng)度提高了1.1%~9.8%,提高了其抗凍性能。
在電子顯微鏡下,Ⅰ級(jí)粉煤灰中含有粒形完整、表面光滑、質(zhì)地致密玻璃微珠,含量高達(dá)70%。這些玻璃微珠起到減水和致密作用。粉煤灰中微米級(jí)粒徑的微珠和碎屑,極大地提高了混凝土及制品的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[9]。由圖4b可知,隨著Φz(mì)的增大,Ⅰ級(jí)粉煤灰再生混凝土的水膠比減小,氣泡間隔系數(shù)降低。Φz(mì)增大至20%前,Ⅰ級(jí)粉煤灰再生混凝土的強(qiáng)度高于未添加粉煤灰的再生混凝土,這兩種因素導(dǎo)致Ⅰ級(jí)粉煤灰再生混凝土抗凍性能提高;當(dāng)Φz(mì)繼續(xù)增大至30%,Ⅰ級(jí)粉煤灰再生混凝土的強(qiáng)度降低,毛細(xì)吸水量也有同樣的變化特征,這使得Ⅰ級(jí)粉煤灰再生混凝土抗凍性能減小,最終表現(xiàn)為Ⅰ級(jí)粉煤灰再生混凝土的抗凍性能先增大后減小。
圖4 粉煤灰取代率對(duì)再生混凝土水膠比的影響
(1)隨著粉煤灰取代率的增大,Ⅱ級(jí)粉煤灰再生混凝土毛細(xì)吸水性能減小,Ⅰ級(jí)粉煤灰再生混凝土的毛細(xì)吸水性能先增大后減小。
(2)Ⅰ級(jí)粉煤灰再生混凝土抗凍性能高于Ⅱ級(jí)粉煤灰再生混凝土,且增大膠凝材料用量,粉煤灰再生混凝土的抗凍性能提高。
(3)增大粉煤灰取代率,Ⅱ級(jí)粉煤灰再生混凝土抗凍性能減小,Ⅰ級(jí)粉煤灰再生混凝土的抗凍性能先增大后減小。