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        再生骨料混凝土的制備及抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)研究

        2022-01-08 08:59:36蘇孝偉王安琪肖俊榮楊震懷付毅兵巫緒濤
        關(guān)鍵詞:試塊粉煤灰水化

        蘇孝偉, 王安琪, 肖俊榮, 楊震懷, 付毅兵, 巫緒濤

        (合肥工業(yè)大學(xué),安徽 合肥 230009)

        近年來,隨著我國土木工程行業(yè)的發(fā)展,混凝土因作為工程中必不可少的原材料而需求量激增。但是,混凝土結(jié)構(gòu)因改造或到達(dá)一定使用年限的拆除會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄混凝土,給生態(tài)環(huán)境帶來了巨大的壓力。因此,研究再生粗骨料對混凝土性能的影響具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。再生骨料混凝土是由廢棄混凝土塊經(jīng)過破碎、清洗、篩分后,按照一定比例混合成骨料,用一部分或全部取代天然骨料配制而成的混凝土。但再生混凝土骨料孔隙率,吸水率較高,表觀密度較低,解體破碎過程中會(huì)產(chǎn)生大量細(xì)微裂隙,性能不如普通骨料。近年來,國內(nèi)外學(xué)者對再生骨料混凝土進(jìn)行了大量的研究,但由于改善再生骨料的工藝技術(shù)及材料消耗等方面的限制,再生骨料混凝土難以普及。

        通過對5種骨料替代率的再生骨料混凝土在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后,測試其抗壓強(qiáng)度,研究其對抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上,采用再生骨料改性、骨料砂漿界面強(qiáng)化處理等復(fù)合改性工藝,改善再生骨料本身性能及其與砂漿的黏結(jié)膠合狀況,分析改性工藝對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。

        1 試驗(yàn)概述

        1.1 試驗(yàn)原材料

        水泥:海螺牌普通硅酸鹽水泥42.5級水泥;細(xì)骨料:中國ISO標(biāo)準(zhǔn)砂(廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司出品);粗骨料(粒徑為4.75mm~16mm):天然粗骨料為碎石、再生粗骨料為廢棄混凝土梁,且其各項(xiàng)性能參考《再生骨料應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 240-2011);拌和水:農(nóng)夫山泉礦泉水;粉煤灰:一級粉煤灰,灰色或灰白色的粉末;納米SiO:粒度為1000目,白色的粉末;模具:Φ50mm×100mm圓柱體。

        1.2 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

        為確保試驗(yàn)的準(zhǔn)確性,先后進(jìn)行了2次試驗(yàn),完成試塊的制作共161塊。試驗(yàn)過程設(shè)置了3個(gè)對照試驗(yàn),分別是再生骨料替代率對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響、粉煤灰替代率對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響、納米SiO添加率對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響,且分別編號為G組、GF組、GN組。按照《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ55-2011)中的相關(guān)規(guī)定,制定混凝土配合比設(shè)計(jì)參數(shù),具體如表1~3所列。參考《粉煤灰混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50146-2014)中的相關(guān)規(guī)定,粉煤灰取代水泥采用超量取代法,且選定超量系數(shù)為1.3。納米SiO采用的是浸泡法,通過配置不同濃度的納米SiO溶液對粗骨料進(jìn)行浸泡。

        表1 G組混凝土配合比

        G組試樣考察再生骨料替代率對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響,共用五種配合比,分別采用0%、25%、50%、75%和100%的骨料替代率;GF組試樣探討粉煤灰替代率對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響,共用四種配合比,分別采用0%、15%、30%和45%的粉煤灰替代率;GN組試樣研究納米SiO對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響,共用四種配合比,分別采用0%、1%、2%和3%的納米SiO添加率。

        表2 GF組混凝土配合比

        表3 GN組混凝土配合比

        2 試驗(yàn)步驟

        2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

        選用等級相同的廢棄混凝土供再生粗骨料的獲取,通過人工將其破碎,利用石篩分別篩選粒徑為4.75mm~9mm和9mm~16mm的再生粗骨料,再通過人工篩選,去除不符合規(guī)范要求的廢棄石子。將符合規(guī)范要求的再生粗骨料進(jìn)行清洗,并使用農(nóng)夫山泉礦泉水對再生粗骨料進(jìn)行浸泡48h,隨即進(jìn)行翻曬。對GN組中的再生粗骨料,分別調(diào)配濃度為0%、1%、2%和3%的納米SiO溶液對其進(jìn)行浸泡48h,待其充分浸泡后進(jìn)行翻曬、晾干。

        2.2 試塊制備

        各試驗(yàn)組制備3個(gè)試塊,按設(shè)計(jì)配合比稱量各材料,將粗骨料、砂、水泥和粉煤灰人工攪拌1min,再使用混凝土攪拌機(jī)干拌2min,確保各材料充分接觸且無結(jié)塊的現(xiàn)象后,加入拌和水繼續(xù)攪拌2min,隨后采用振動(dòng)臺進(jìn)行振搗、成型。為防止水分蒸發(fā),成型后的試塊使用不透水的薄膜覆蓋表面,并靜置于溫度為20±5℃環(huán)境中72h。在灌模前,對模具內(nèi)壁涂抹了適量的拆模用油,以使得混凝土試塊表面光滑,同時(shí)降低拆模過程發(fā)生破損的情況。檢查試塊各項(xiàng)指標(biāo)是否都符合規(guī)范要求。

        2.3 試塊養(yǎng)護(hù)

        混凝土養(yǎng)護(hù)進(jìn)行人工干預(yù),提供適宜的濕度和溫度條件,確保試塊在水泥水化作用下逐步硬化且強(qiáng)度增長。為了使混凝土試塊水化反應(yīng)充分,采用保溫箱對其進(jìn)行儲存,并使用霧狀噴壺對試塊進(jìn)行一日三次噴灑,使其所處環(huán)境的溫度穩(wěn)定在20±5℃,且具有95%的濕度條件。搭配毛氈布的使用,在維持濕度的同時(shí),防止溫度的流失,按以上措施養(yǎng)護(hù)28d。

        2.4 試塊加載

        試驗(yàn)使用萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載操作,控制加荷速度為0.5mm/min,完整加載過程控制在2min左右。在試塊加載初期,由于荷載較小,試樣側(cè)表面并未出現(xiàn)明顯裂縫。隨著荷載不斷增加,試塊表面逐漸出現(xiàn)細(xì)微裂縫,并呈現(xiàn)擴(kuò)張趨勢。當(dāng)裂縫發(fā)展到一定程度后,試塊側(cè)面出現(xiàn)破壞并剝落,與此同時(shí)計(jì)算機(jī)上試驗(yàn)力—位移圖像達(dá)到峰值,隨后曲線逐漸下降直至萬能試驗(yàn)機(jī)停止,記錄試驗(yàn)的峰值荷載及試驗(yàn)力—位移圖像供試驗(yàn)結(jié)果的分析使用。為清晰直觀表明試驗(yàn)規(guī)律,抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律圖像中所采用的數(shù)據(jù)均為各組試驗(yàn)所得平均值。

        3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

        3.1 再生骨料替代率對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

        G組試樣采用0%、25%、50%、75%和100%的骨料替代率,考察其對抗壓強(qiáng)度的影響。吳木東、張麗等多位學(xué)者的研究結(jié)果表明再生混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著替代率的增加而減小??箟簭?qiáng)度變化規(guī)律如圖1所示。

        圖1 G組抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律

        分析圖1可知,隨著再生骨料替代率的增加,試樣的抗壓強(qiáng)度不斷上升。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn),本試驗(yàn)采用的天然骨料為宣城市當(dāng)?shù)厥膹S購買的“瓜子片”,再生骨料為人工破碎的廢棄混凝土梁,并經(jīng)過人工篩選所得的石子?!肮献悠笔乔嗍闷扑闄C(jī)打碎,并通過加工處理得到的碎石片,在破碎過程中骨料內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到了極大地?fù)p壞,且其形狀較薄,作為混凝土的粗骨料而言其抗壓性能較為遜色;而再生骨料經(jīng)過人工破碎,篩分和挑選,其形狀更加趨于橢球狀或球狀,在混凝土試塊內(nèi)部承壓的能力較強(qiáng),且能更好的粘結(jié)水泥和細(xì)骨料,進(jìn)一步加強(qiáng)抗壓強(qiáng)度,這也是本試驗(yàn)得到的結(jié)論與多位學(xué)者存在異議的原因。

        3.2 粉煤灰單摻對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

        GF組試樣采用0%、15%、30%和45%的粉煤灰替代率,探討其對抗壓強(qiáng)度的影響。抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律如圖2所示。

        圖2 GF組抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律

        由圖2分析可知,隨著粉煤灰替代率的上升,抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)出先降低,后增加,達(dá)到一定添加率后再次降低的規(guī)律,且最佳粉煤灰替代率為30%。

        據(jù)試驗(yàn)結(jié)果做如下分析:粉煤灰的火山灰效應(yīng),能使水泥的水化產(chǎn)物Ca(OH)與之發(fā)生二次水化反應(yīng),反應(yīng)生成的水硬性膠凝物質(zhì)充分填充混凝土的內(nèi)部裂隙,增加密實(shí)性,進(jìn)而提高混凝土強(qiáng)度。但是,當(dāng)粉煤灰替代量較少時(shí)(即本試驗(yàn)中0~15%替代率),其發(fā)揮作用的程度不及混凝土中水泥用量減少而導(dǎo)致的強(qiáng)度降低的程度大,故圖像呈下降趨勢;隨著粉煤灰替代率的增加,其發(fā)揮的作用效應(yīng)能彌補(bǔ)并超出水泥用量減少所造成的強(qiáng)度損失,進(jìn)而強(qiáng)度會(huì)升高;但是,當(dāng)粉煤灰的替代率繼續(xù)提高,混凝土強(qiáng)度又會(huì)降低(即本試驗(yàn)替代率>30%的部分)。這是由于水泥含量在此時(shí)只有70%,發(fā)生水化反應(yīng)產(chǎn)生的堿性物質(zhì)過少,大量的粉煤灰沒有足夠的堿性物質(zhì)刺激產(chǎn)生二次水化反應(yīng)。

        研究表明,在再生骨料替代率為25%時(shí),其在最佳粉煤灰替代率下的抗壓強(qiáng)度并未超過不加粉煤灰時(shí)的強(qiáng)度,而50%替代率時(shí)卻可以,這與上文所分析內(nèi)容有些許出入。補(bǔ)充分析如下:對于再生骨料較少的混凝土,水泥能相對充分的進(jìn)入再生骨料中的微裂隙,相當(dāng)于總體裂隙減少,對強(qiáng)度提升有幫助。但是,因?yàn)榉勖夯业募尤耄怪饕z凝材料水泥的含量減少,導(dǎo)致骨料間連接面強(qiáng)度薄弱,裂隙相比初始時(shí)增多,故替代率30%時(shí)相對于不添加粉煤灰強(qiáng)度要低。

        3.3 納米二氧化硅單摻對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

        GN組試樣采用0%、1%、2%和3%的納米SiO添加率,研究其對抗壓強(qiáng)度的影響??箟簭?qiáng)度變化規(guī)律如圖3所示。

        圖3 GN組抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律

        由圖3分析可知,納米SiO對水泥基材料的早期水化有明顯的促進(jìn)效果,在加入納米SiO后,水泥凈漿流動(dòng)性急劇變小,當(dāng)摻量達(dá)到2%時(shí),水泥流動(dòng)性最小,此后摻量繼續(xù)增加,流動(dòng)性出現(xiàn)相反的趨勢,說明SiO濃度過大時(shí)不能充分分散,以至于強(qiáng)度有所降低。

        研究表明,納米SiO的水化產(chǎn)物會(huì)包裹并阻止砂漿中水泥顆粒的水化,從而阻礙砂漿的后期強(qiáng)度發(fā)展。同時(shí),由于納米SiO的表面能大,顆粒周圍大量存在的不飽和鍵易吸附自由水,導(dǎo)致新拌混凝土中自由水減少,使得混凝土的工作性顯著降低。由于試驗(yàn)過程中采用的是浸泡法,在攪拌浸泡時(shí),使得納米SiO溶液的效力減弱,而出現(xiàn)強(qiáng)度降低的情況。

        4 結(jié)束語

        再生骨料混凝土是當(dāng)前社會(huì)節(jié)約資源和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇,對其抗壓強(qiáng)度的研究有助于再生混凝土的性能優(yōu)化與應(yīng)用擴(kuò)展。通過對于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和總結(jié),得到結(jié)論如下:

        (1)粗骨料形狀對混凝土抗壓強(qiáng)度有顯著影響,當(dāng)采用橢球狀或球狀的再生粗骨料替代扁平原生骨料時(shí),抗壓強(qiáng)度隨骨料替代率增加而增加;

        (2)單摻粉煤灰作為添加劑時(shí),隨著粉煤灰替代率的上升,混凝土抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)為先降低后增加又降低的規(guī)律,最佳粉煤灰替代率為30%;

        (3)單摻納米SiO作為添加劑時(shí),隨著納米SiO添加率的上升,混凝土抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)為先降低后增加又降低的規(guī)律,最佳納米SiO添加率為2%;

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