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        超細(xì)微粉對(duì)再生骨料混凝土性能的影響

        2021-03-19 08:38:44王浩楊魯譚鹽賓李林香葛昕鄭永杰
        鐵道建筑 2021年2期
        關(guān)鍵詞:硅灰微珠泵送

        王浩 楊魯 譚鹽賓 李林香 葛昕 鄭永杰

        (1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所,北京 100081;2.高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081)

        我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的規(guī)模越來(lái)越大,對(duì)混凝土材料的需求量空前龐大,但天然骨料資源逐漸匱乏,這導(dǎo)致了供需矛盾。再生骨料是指舊建筑物拆除后的廢棄混凝土,經(jīng)過(guò)分揀、破碎、加工得到的一種環(huán)保材料[1]。再生骨料作為新建構(gòu)筑物混凝土的骨料,不僅可以解決天然骨料資源短缺的問(wèn)題,還能解決因大量建筑垃圾導(dǎo)致的堆放占地、環(huán)境保護(hù)等問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì),目前我國(guó)建筑垃圾全年總排放量驚人,約為35 億t[2],合理地利用建筑垃圾成為當(dāng)下研究的熱點(diǎn)。采用再生骨料制備的混凝土力學(xué)性能會(huì)有不同程度的降低,抗凍性、抗碳化能力等耐久性能較差[3]。針對(duì)上述問(wèn)題,研究人員對(duì)再生骨料進(jìn)行改性,趙訓(xùn)等[4]以礦渣微粉漿液、水玻璃溶液和聚乙烯醇溶液為主要原料,按不同比例配制出再生骨料改性劑,探究了不同配合比的改性劑對(duì)再生骨料飽和吸水率和壓碎指標(biāo)的影響,并確定了改性劑最佳配合比。Akbarnezhad 等[5]采用高功率微波去除再生骨料表面的舊砂漿,利用黏附的砂漿和骨料電磁特性的差異,在砂漿與天然骨料的界面處產(chǎn)生高熱應(yīng)力使得砂漿層剝落,但骨料內(nèi)部也會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響,溫度場(chǎng)過(guò)高會(huì)對(duì)骨料強(qiáng)度造成損失。Ismail等[6]通過(guò)用不同濃度的酸溶液浸泡再生骨料,去除表面的舊砂漿,發(fā)現(xiàn)力學(xué)性能得到很好的改善。

        經(jīng)檢測(cè)可知,再生粗骨料的吸水率及吸水速率遠(yuǎn)大于天然骨料,這導(dǎo)致了再生骨料混凝土的工作性能降低,不利于混凝土泵送和澆筑。微波法、酸溶液浸泡等優(yōu)化骨料的方法工藝復(fù)雜,成本較高,無(wú)法大規(guī)模推廣使用。此外,研究人員對(duì)再生骨料混凝土泵送性能研究甚少。

        本文通過(guò)在再生骨料中摻加硅灰和玻璃微珠,系統(tǒng)地研究這2 種超細(xì)微粉對(duì)再生骨料混凝土泵送性能、力學(xué)性能和耐久性能的影響,并通過(guò)壓汞法測(cè)試硬化混凝土的孔結(jié)構(gòu),以期對(duì)再生骨料的應(yīng)用有一定的指導(dǎo)作用。

        1 原材料及混凝土配合比

        1.1 原材料

        1)水泥:北京金隅集團(tuán)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的P·O 42.5級(jí)水泥。

        2)石子:再生粗骨料,北京都市綠源環(huán)??萍加邢薰旧a(chǎn)的粒徑為5~20 mm 的骨料,基本性能見(jiàn)表1。

        3)砂:天然河砂,表觀密度2 590 kg/m3,細(xì)度模數(shù)為2.5。

        4)粉煤灰:唐山市浩冉商貿(mào)有限公司生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰。

        5)硅灰:甘肅三遠(yuǎn)硅材料有限公司生產(chǎn)。

        6)玻璃微珠:深圳道特科技有限公司生產(chǎn)。

        7)外加劑:河北三楷深發(fā)科技股份有限公司生產(chǎn)的聚羧酸減水劑。

        1.2 混凝土配合比

        本試驗(yàn)研究摻加硅灰和玻璃微珠對(duì)再生骨料混凝土性能的影響?;炷猎O(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C40,具體配合比見(jiàn)表2。其中,新拌混凝土坍落度為160~180 mm,含氣量為4%~5%。

        表2 混凝土配合比 kg·/m-3

        2 試驗(yàn)方案

        2.1 新拌混凝土泵送性能測(cè)試

        新拌混凝土進(jìn)行泵送時(shí),骨料向管道中心移動(dòng),形成一個(gè)“塞”,而管道內(nèi)壁形成容易變形的潤(rùn)滑層,從而大大降低了所需的泵送壓力,如圖1 所示。通常有2 種方式影響泵送過(guò)程,即“塞”內(nèi)的作用力傳遞以及管道壁面潤(rùn)滑層的剪切行為。

        圖1 混凝土泵送過(guò)程的“塞”流示意

        混凝土泵送性能使用德國(guó)Schleibinger 公司生產(chǎn)的滑管式流變儀評(píng)價(jià),并通過(guò)混凝土潤(rùn)滑界面層的流變參數(shù)和預(yù)測(cè)泵送壓力曲線表征。滑管式流變測(cè)試儀的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。其原理為:在滑管中裝入混凝土拌和物插搗密實(shí),上下移動(dòng)滑管5~10 次使混凝土與管壁之間形成潤(rùn)滑層;然后提起滑管,在滑管上套加重環(huán),讓滑管自由落下,同時(shí)在下部活塞頂端測(cè)試壓力(P)和滑管落下速率(換算為流量Q)。通過(guò)調(diào)整不同配重,使滑管以不同速率落下,即可得到2組以上P和Q的值。

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        圖2 滑管式流變測(cè)試儀

        測(cè)試時(shí)忽略混凝土自重,同時(shí)假設(shè)P和Q有線性關(guān)系P=A+BQ,則有[7]

        式中:a為潤(rùn)滑界面層的屈服應(yīng)力;b為界面層的有效黏度;A,B分別為直線P=A+BQ的截距和斜率;d和l分別為滑管的直徑和長(zhǎng)度,d=0.126 m,l=0.5 m。

        在Schleibinger 公司編寫(xiě)的Sliper Tester 應(yīng)用程序中輸入泵送管道直徑、泵送高程、混凝土密度及泵送距離,通過(guò)經(jīng)驗(yàn)?zāi)P图纯蓪?duì)混凝土泵送壓力進(jìn)行預(yù)測(cè)。本試驗(yàn)測(cè)試得到泵送性能預(yù)測(cè)參數(shù):混凝土密度為2 455 kg/m3,泵送管道直徑為0.126 m,泵送高程為0,泵送距離分別為50,100,200 m。

        2.2 硬化混凝土性能測(cè)試

        混凝土抗壓強(qiáng)度參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》,電通量和抗凍性能參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的測(cè)試方法。

        2.3 硬化混凝土孔結(jié)構(gòu)測(cè)試

        本試驗(yàn)選用Micromeritics 公司的Auto Pore IV 9520 型壓汞儀測(cè)試混凝土孔結(jié)構(gòu)特征。選取養(yǎng)護(hù)齡期為3 d 和56 d 混凝土中的砂漿試塊,并浸泡在無(wú)水乙醇中以終止水化,隨后放入真空干燥箱在60 ℃下烘干(不少于4 d),冷卻后置于密封袋中防止空氣碳化,測(cè)試水泥砂漿試塊的孔結(jié)構(gòu)。

        3 硅灰和玻璃微珠對(duì)再生骨料混凝土的影響

        3.1 泵送性能

        新拌混凝土RAT-100,RA-SF,RA-WZ的工作性能和泵送性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3,再生骨科混凝土泵送壓力預(yù)測(cè)曲線見(jiàn)圖3。

        由表3可知,硅灰和玻璃微珠的摻加能顯著降低新拌混凝土潤(rùn)滑界面層的有效黏度,其中混凝土RA-SF有效黏度為1 554.6 Pa·s/mm,較混凝土RAT-100 降低了31.2%;混凝土RA-WZ有效黏度為1 385.0 Pa·s/mm,較混凝土RAT-100降低了38.8%。可見(jiàn),摻加硅灰和玻璃微珠均能提高再生骨料混凝土的泵送性能,且玻璃微珠的降黏效果優(yōu)于硅灰。

        表3 新拌混凝土工作性能和泵送性能測(cè)試結(jié)果

        圖3 再生骨料混凝土泵送壓力預(yù)測(cè)曲線

        由圖3可知,當(dāng)混凝土流量和泵送距離相同時(shí),混凝土RA-SF,RA-WZ 的泵送壓力明顯比混凝土RAT-100 低,其中混凝土RA-WZ 的泵送壓力最小。原因可能是:玻璃微珠的微結(jié)構(gòu)呈光澤球形顆粒,可以起到“軸承”或“滾珠”作用,減小粒子間摩擦力,進(jìn)而降低了混凝土拌和物的黏度[8-9]。此外,由于硅灰和玻璃微珠的平均粒徑均小于水泥和粉煤灰顆粒,用硅灰或玻璃微珠替代部分粉煤灰時(shí),使得漿體堆積密度增加,在相同用水量下,它們的引入能部分替換原空隙中的拌和水,使之轉(zhuǎn)化為自由水,增加了包裹骨料漿體膜厚度,有效減少新拌混凝土漿體的塑性黏度[10]。雖然硅灰的微結(jié)構(gòu)也含有大量光滑球體,但它的粒徑很小,使得其比表面積遠(yuǎn)大于玻璃微珠,造成混凝土需水量有所增加,當(dāng)混凝土拌和水用量不變時(shí)使得混凝土潤(rùn)滑界面層黏度較大。

        3.2 抗壓強(qiáng)度

        不同配合比再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度見(jiàn)圖4??芍汗杌液筒A⒅榈膿郊泳煌潭鹊靥岣呋炷量箟簭?qiáng)度。齡期90 d 時(shí),混凝土RA-SF 抗壓強(qiáng)度為58.4 MPa,較混凝土RAT-100 提高了11.6%;混凝土RA-WZ抗壓強(qiáng)度為55.6 MPa,較混凝土RAT-100提高了7.8%。摻加硅灰的再生粗骨料混凝土抗壓強(qiáng)度大于摻加玻璃微珠的混凝土。摻加硅灰和玻璃微珠彌補(bǔ)了使用再生骨料降低混凝土抗壓強(qiáng)度的不足。

        圖4 不同配合比再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度

        3.3 電通量和抗凍性能

        不同配合比再生骨料混凝土電通量見(jiàn)圖5。可知:硅灰和玻璃微珠的摻加顯著降低了混凝土的電通量。28 d 齡期時(shí),混凝土RA-SF 電通量為771.5 C,較混凝土RAT-100降低了54.3%;混凝土RA-WZ電通量為1 012.3 C,較混凝土RAT-100降低了40.1%。

        圖5 不同配合比再生骨料混凝土電通量

        不同配合比再生骨料混凝土抗凍性能見(jiàn)圖6??芍夯炷罵A-SF,RA-WZ經(jīng)過(guò)300次凍融循環(huán)后的相對(duì)動(dòng)彈性模量明顯高于混凝土RAT-100。

        圖6 不同配合比再生骨料混凝土抗凍性能

        摻加了硅灰和玻璃微珠的再生骨料混凝土耐久性均得到提高,且摻加硅灰的混凝土密實(shí)度(通過(guò)電通量表征)和抗凍性能均高于摻加玻璃微珠的混凝土。為了探究硅灰和玻璃微珠能夠提高混凝土耐久性的原因,須進(jìn)一步研究硅灰和玻璃微珠對(duì)硬化水泥漿體孔結(jié)構(gòu)的影響。

        3.4 再生骨料混凝土孔結(jié)構(gòu)

        采用壓汞法分別測(cè)試齡期為3 d 和56 d 再生骨料混凝土的孔結(jié)構(gòu),測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4和圖7。

        表4 不同齡期再生骨料混凝土孔結(jié)構(gòu)測(cè)試結(jié)果

        圖7 超細(xì)微粉對(duì)硬化混凝土孔徑分布的影響

        由表4可知:隨著齡期增加,混凝土孔隙率和平均孔徑呈現(xiàn)降低的趨勢(shì);硅灰和玻璃微珠的摻加均能降低硬化混凝土的孔隙率和平均孔徑;混凝土RA-SF 孔隙率和平均孔徑均小于混凝土RA-WZ。

        由圖7 可知:硅灰和玻璃微珠的摻加均可改善混凝土孔結(jié)構(gòu),使得小于100 nm 的微孔比例提高;硅灰細(xì)化混凝土孔結(jié)構(gòu)的能力優(yōu)于玻璃微珠,使得混凝土RA-SF 小于100 nm 的微孔比例更高,且孔隙率和平均孔徑更小。

        出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是:

        1)硅灰中無(wú)定型SiO2與水泥水化產(chǎn)物CH 結(jié)合,生成穩(wěn)定的低堿C-S-H 凝膠,這種C-S-H 凝膠較無(wú)硅灰時(shí)更緊湊,硅灰的摻加使得硬化水泥漿體的大孔被小孔所取代,從而使得硬化混凝土的孔隙率下降,結(jié)構(gòu)的密實(shí)度提高。

        2)硅灰顆粒及其水化產(chǎn)物起著填充作用,改善了硬化水泥石界面過(guò)渡區(qū)的結(jié)構(gòu);硅灰顆粒及其水化產(chǎn)物還能填充于再生骨料內(nèi)部的毛細(xì)孔及大孔中,將粗大的毛細(xì)通道全部阻塞或部分阻塞,從而形成更為致密的骨料-膠凝材料體系,使得硬化混凝土更為密實(shí)[11]。

        4 結(jié)論

        1)在再生骨料混凝土中摻加適量硅灰和玻璃微珠,均能提高混凝土泵送性能、力學(xué)性能和耐久性能,其中摻加玻璃微珠的混凝土拌和物泵送性能優(yōu)于摻加硅灰的,而硅灰對(duì)硬化混凝土力學(xué)性能和耐久性能的提升效果優(yōu)于玻璃微珠。

        2)硅灰和玻璃微珠的摻加均能改善混凝土孔結(jié)構(gòu),降低混凝土孔隙率和平均孔徑,使得硬化混凝土密實(shí)度增加。

        3)摻加硅灰的混凝土孔結(jié)構(gòu)優(yōu)于摻加玻璃微珠的混凝土,使得摻加硅灰的混凝土密實(shí)度更高。

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