葛曉麗, 褚洪巖

(1.江蘇省建筑工程質(zhì)量檢測中心有限公司, 江蘇 南京 210028; 2.南京林業(yè)大學 土木工程學院, 江蘇 南京 210037)

作為一種新型建筑材料,超高性能混凝土(UHPC)具有超高的力學性能和優(yōu)良的耐久性能[1].然而,在UHPC制備過程中需要消耗大量自然資源并產(chǎn)生非常多的溫室氣體,對人類賴以生存的自然環(huán)境具有破壞作用.天然砂需要幾千年的自然風化才能形成,并且絕大多數(shù)天然砂都被用于制備土木工程材料[2].隨著社會的發(fā)展,所需的土木工程材料越來越多,導致天然砂資源進一步枯竭.采用再生砂替代天然河砂或者石英砂來制備環(huán)保型UHPC,不僅可以降低UHPC的生產(chǎn)成本,減少天然砂的使用,還能化廢為材,減輕城市固體廢棄物的污染.從2018年上半年開始,由于國家限制天然砂開采、打擊非法采砂、加強環(huán)保督查等多重因素影響,導致中國大部分地區(qū)天然砂供不應求,天然砂價格持續(xù)高漲,有些地方甚至出現(xiàn)了無砂可供的情況.近年來,隨著中國城鎮(zhèn)化進程的推進,在新建、改建、擴建和拆除過程中,產(chǎn)生了大量的建筑垃圾.2017年中國建筑垃圾總量就達到了23.8億t,預計到2020年建筑垃圾將超過26億t,而目前中國建筑垃圾的利用率不到5%,遠低于日本、德國等國家[3].因此,將建筑垃圾制成再生砂,變成制備UHPC的原材料,不僅能實現(xiàn)建筑垃圾的資源化利用,而且能起到變廢為寶、節(jié)能減排作用,具有巨大的社會效益、自然環(huán)境效益和經(jīng)濟效益.

目前,關(guān)于采用再生砂制備普通再生混凝土已有大量的研究報道.如李美艷[4]發(fā)現(xiàn)采用顆粒整形再生砂制備的再生混凝土具有較為良好的工作性能、力學性能、收縮性能、抗碳化能力.古松[5]采用正交試驗發(fā)現(xiàn)隨著再生砂替代率的增大,再生混凝土的強度呈現(xiàn)下降趨勢.陳遠遠[6]指出,當水灰比和再生砂摻量固定時,隨著再生砂濕度的增大(從烘干到氣干再到飽和面干),再生混凝土的界面過渡區(qū)逐漸變得致密,界面結(jié)構(gòu)性能得到提高.胡飛佳[7]指出,再生混凝土的力學性能隨著水灰比的增大而降低.劉曉冬[8]的研究結(jié)果表明,砂率對再生骨料透水混凝土的強度影響較大,且存在一個最佳砂率.趙偉[9]通過對配合比的優(yōu)化,實現(xiàn)了再生混凝土的高強化(C60以上),并且對此類再生混凝土進行了力學性能和耐久性能研究.Kumar等[10]研究發(fā)現(xiàn),如果再生砂替代率低于20%,則再生混凝土工作性能基本不受影響.Xiao等[11]研究表明,如果再生砂替代率為100%,將導致再生混凝土的彈性模量降低45%.上述研究表明,目前可以用再生砂制備普通混凝土、高強和高性能混凝土,但是這些混凝土的強度依然較低(小于80MPa).此外,尚未看到用再生砂制備UHPC的報道,能否用再生砂制備UHPC尚不明確,對于再生砂UHPC的相關(guān)力學性能研究也非常匱乏.

本文主要探究用再生砂制備UHPC的可行性.首先,設(shè)計出采用天然河砂制備的28d抗壓強度在160MPa以上的普通UHPC;其次,以20%、40%、60%、80%、100%這5種再生砂替代率注本文涉及的替代率、含量和比值等除特別指明外均為質(zhì)量分數(shù)或質(zhì)量比.為變化參數(shù),對比研究普通UHPC和再生砂UHPC的力學性能,主要包括抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度、彈性模量;最后,探究再生砂UHPC的孔隙率和孔徑分布情況.本文的研究結(jié)果可為再生砂的進一步推廣應用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

1 試驗

1.1 試驗材料

膠凝材料：小野田P·Ⅱ 52.5水泥、埃肯微細硅灰和珠海明惠Ⅰ級粉煤灰.減水劑：江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的固含量為40%的減水劑,其減水率大于33%.細骨料：天然河砂,細度模數(shù)2.68,表觀密度2642kg/m3;對比試驗采用的再生砂來自中等強度等級(C35)的道路混凝土,其細度模數(shù)2.62,表觀密度2586kg/m3.鋼纖維：?？瞎旧a(chǎn)的平直鋼纖維,直徑0.20mm,長度13.0mm.

1.2 試驗配合比

本研究采用的配合比如表1所示.其中編號UR0代表再生砂替代率為0%的普通UHPC(對照組);UR20、UR40、UR60、UR80、UR100分別表示再生砂替代率為20%、40%、60%、80%和100%的再生砂UHPC.為了保證不同種類UHPC的工作性能一致,調(diào)整減水劑摻量,使其坍落擴展度基本相同,達到(550±10)mm.

普通UHPC和再生砂UHPC的制備工藝步驟為：(1)將水泥、硅灰、粉煤灰一起混合攪拌3min;(2)加入細集料(天然河砂和再生砂),繼續(xù)攪拌4min;(3)將減水劑加入3/4的水中,用玻璃棒攪拌均勻,然后加入上一步驟得到的混合物中,繼續(xù)攪拌3min;(4)將剩余的水首先沖洗盛減水劑的容器和玻璃棒,然后全部加入步驟(3)得到的混合物中,繼續(xù)攪拌5min;(5)均勻加入鋼纖維,再繼續(xù)攪拌5min.

根據(jù)表1所示的配合比,采用上述制備工藝,制備尺寸分別為100mm×100mm×100mm、100mm×100mm×400mm、100mm×100mm×300mm的普通及再生砂UHPC試件.試件制作完成后,在室內(nèi)自然養(yǎng)護1d后拆模,放入養(yǎng)護溫度為(21±1)℃、相對濕度不小于95%的養(yǎng)護室內(nèi)標準養(yǎng)護至28d.

1.3 試驗方法

不同種類UHPC的28d抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度和彈性模量試驗均參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》執(zhí)行.其中抗壓強度和劈裂抗拉強度試驗采用100mm×100mm×100mm立方體試件;抗折強度試驗采用100mm×100mm×400mm棱柱體試件;彈性模量試驗采用100mm×100mm×300mm棱柱體試件.采用Micromeritics Ⅳ-9510壓汞儀測量不同種類UHPC的孔隙率和孔徑分布.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 抗壓強度

圖1為UHPC的抗壓強度隨再生砂替代率變化的情況.由圖1可以看出,隨著再生砂替代率的增加,UHPC的抗壓強度呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢,這與Verma等[12]的研究結(jié)果一致.UR0、UR20、UR40、UR60、UR80、UR100的抗壓強度分別為167.12、170.18、173.74、170.26、167.69、163.75MPa,表明當再生砂替代率分別為20%、40%、60%時,再生砂UHPC的抗壓強度分別比對照組提高1.83%、3.96%、1.88%;當再生砂替代率為100%時,再生砂UHPC的抗壓強度略低于對照組.顯然，就再生砂UHPC的抗壓強度而言,再生砂的最優(yōu)替代率為40%.由于UHPC內(nèi)含水量非常低,UHPC的抗壓強度主要取決于其內(nèi)部集料和膠凝材料的堆積密度.Jiang等[13]研究表明,當天然砂被比其細度模數(shù)更小的風積沙替代時,UHPC的堆積密度在一定范圍內(nèi)是增大的.同理,本研究所用再生砂的細度模數(shù)略低于天然河砂,所以當再生砂的替代率較低時能提高UHPC的堆積密度,從而使其抗壓強度增大.此外,與天然河砂相比,再生砂的表面更加粗糙,可以在一定程度上提高再生砂UHPC中骨料與水泥漿體的黏結(jié)力,從而提高其抗壓強度.

圖1 不同種類UHPC的抗壓強度Fig.1 Compressive strength of different kinds of UHPC

2.2 抗折強度

圖2為UHPC的抗折強度隨再生砂替代率變化的情況.由圖2可以看出,與UHPC的抗壓強度變化規(guī)律一致,隨著再生砂替代率的增大,UHPC的抗折強度也表現(xiàn)出先增大后減少的趨勢.UR0、UR20、UR40、UR60、UR80、UR100的抗折強度分別為17.23、18.22、18.73、19.45、17.89、17.38MPa,表明不管再生砂的替代率為多少,再生砂UHPC的抗折強度均高于對照組.對再生砂UHPC的抗折強度而言,再生砂的最優(yōu)替代率為60%,此時再生砂UHPC的抗折強度比對照組提高12.88%.

圖2 不同種類UHPC的抗折強度Fig.2 Flexural strength of different kinds of UHPC

2.3 劈裂抗拉強度

圖3為UHPC的劈裂抗拉強度隨再生砂替代率變化的情況.由圖3可以看出,與UHPC的抗壓強度、抗折強度變化規(guī)律一致,隨著再生砂替代率的增大,UHPC的劈裂抗拉強度也表現(xiàn)出先增大后減少的趨勢.UR0、UR20、UR40、UR60、UR80、UR100的劈裂抗拉強度分別為11.24、12.00、12.11、12.17、11.35、10.97MPa,表明當再生砂替代率低于80%時,再生砂UHPC的劈裂抗拉強度高于對照組;當再生砂替代率為100%時,再生砂UHPC的劈裂抗拉強度低于對照組.就再生砂UHPC的劈裂抗拉強度而言,再生砂的最優(yōu)替代率為60%,此時再生砂UHPC的劈裂抗拉強度比對照組提高8.27%.

圖3 不同種類UHPC的劈裂抗拉強度Fig.3 Splitting tensile strength of different kinds of UHPC

Wang等[14]研究表明,再生砂混凝土的抗折強度、劈裂抗拉強度取決于混凝土中的新砂漿強度、再生骨料自身強度以及二者的黏結(jié)強度.Zhao等[15]研究發(fā)現(xiàn),再生骨料上舊砂漿與混凝土中新砂漿的黏結(jié)強度高于骨料與混凝土中新砂漿的黏結(jié)強度.因此,摻入再生砂能夠提高再生砂混凝土的抗折強度和劈裂抗拉強度.從圖2和圖3可以看出,本文的試驗結(jié)果與Zhao等[15]研究結(jié)果一致.

2.4 彈性模量

圖4為UHPC的彈性模量隨再生砂替代率變化的情況.由圖4可以看出,與UHPC的抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度變化規(guī)律一致,隨著再生砂替代率的增大,UHPC的彈性模量同樣表現(xiàn)出先增大后減少的趨勢.UR0、UR20、UR40、UR60、UR80、UR100的彈性模量分別為47.94、48.15、48.83、50.65、46.78、44.37GPa,表明當再生砂替代率低于60%時,再生砂UHPC的彈性模量高于對照組;當再生砂替代率高于80%時,再生砂UHPC的彈性模量低于對照組.就再生砂UHPC的彈性模量而言,再生砂的最優(yōu)替代率為60%,此時再生砂UHPC的彈性模量比對照組提高5.65%.混凝土所采用的骨料剛度和內(nèi)部界面過渡區(qū)數(shù)量對其彈性模量影響較大[16].一般而言,再生砂的剛度低于天然河砂剛度,從這個角度出發(fā),摻入再生砂會導致UHPC的彈性模量降低.但是,Xu等[17]研究表明,由于再生砂具有較強的吸水性,從而能夠減小再生砂混凝土內(nèi)部界面過渡區(qū)的數(shù)量和界面過渡區(qū)的寬度,因此摻入再生砂又會導致UHPC的彈性模量增大.由此可見,再生砂的摻加對UHPC的彈性模量具有雙重影響.

圖4 不同種類UHPC的彈性模量Fig.4 Elastic modulus of different kinds of UHPC

2.5 孔徑分布和孔隙率

圖5為UHPC的孔徑分布和孔隙率(體積分數(shù),下同)隨再生砂替代率變化的情況.由圖5(a)可以看出,在不同再生砂替代率下,再生砂UHPC的孔徑分布曲線變化趨勢基本保持一致,均呈現(xiàn)多峰狀.由圖5(b)可以看出,隨著再生砂替代率的增大,UHPC的孔隙率表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢.UR0、UR20、UR40、UR60、UR80、UR100的孔隙率分別為2.27%、2.22%、2.16%、2.13%、2.29%、2.32%,表明當再生砂替代率低于60%時,再生砂UHPC的孔隙率低于對照組;當再生砂替代率高于80%時,再生砂UHPC的孔隙率高于對照組,這與上述再生砂UHPC的各種力學性能先增大后減小的試驗結(jié)果基本相符.就再生砂UHPC的孔隙率而言,再生砂的最優(yōu)替代率為60%,此時再生砂UHPC的孔隙率比對照組減小6.17%.由于再生砂具有較強的吸水性,從而能夠減小再生砂混凝土內(nèi)界面過渡區(qū)的數(shù)量和界面過渡區(qū)的寬度[17],因而能使再生砂UHPC的孔隙率降低.然而,當再生砂替代率超過80%后,由于再生砂自身包含的微裂紋過多,又會導致再生砂UHPC的孔隙率增大.

根據(jù)Meng等[18]的研究,混凝土內(nèi)部的孔隙可分為凝膠孔(小于10nm)、毛細孔(10～5000nm)、大孔(大于5000nm),圖5(b)給出了上述3類孔在UHPC中的分布情況.在不同再生砂替代率下,UR0、UR20、UR40、UR60、UR80、UR100中的毛細孔占總孔隙率的比例分別為43.43%、44.54%、45.85%、48.15%、41.74%、40.13%,也就是說,隨著再生砂替代率的增加,再生砂UHPC中的毛細孔占比呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢.這表明由于再生砂的摻加,在一定程度上可以優(yōu)化UHPC的孔徑結(jié)構(gòu),這是導致再生砂UHPC各種力學強度增大的另一個原因.

圖5 不同種類再生砂UHPC的孔徑分布Fig.5 Pore size distribution and porosity of different kinds of UHPC

3 結(jié)論

(1)通過試驗研究,證明可以用再生砂制備UHPC.根據(jù)再生砂UHPC的各種力學性能試驗結(jié)果,再生砂在UHPC中的優(yōu)選替代率為40%～60%.

(2)當再生砂的替代率為60%時,再生砂UHPC具有較好的力學性能,其抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度和彈性模量依次為170.26、19.45、12.17MPa和50.65GPa,比再生砂替代率為0%的對照組分別提高了1.88%、12.88%、8.27%、5.65%.即使再生砂替代率為100%時,制備出的再生砂UHPC各項力學性能也與對照組的力學性能基本相當.

(3)隨著再生砂替代率的增加,再生砂UHPC中的毛細孔占比呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢,表明摻入再生砂可以在一定程度上優(yōu)化UHPC的孔徑結(jié)構(gòu).

(4)力學性能試驗結(jié)果證明,完全可以用再生砂制備UHPC.但是仍需要進一步研究再生砂UHPC的蠕變行為、傳輸行為和耐久性等,才能推動其在實際工程中的應用.