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        再生粗骨料碳化處理對混凝土力學(xué)性能影響研究

        2022-10-27 08:25:26顧凱文敖清文
        交通科技 2022年5期
        關(guān)鍵詞:抗折碳化持續(xù)時間

        顧凱文 楊 柳 敖清文

        (貴州宏信創(chuàng)達工程檢測咨詢有限公司 貴陽 550000)

        隨著我國城市化快速發(fā)展,廢舊建筑物改建和拆除過程產(chǎn)生的大量建筑垃圾多以隨意堆放、直接填埋等粗放手段處理,不僅對環(huán)境造成污染,且占用大量土地資源[1-4]。而再生混凝土技術(shù)可以解決上述問題,甚至可以解決當(dāng)前天然砂石資源面臨枯竭的難題,具有較大的經(jīng)濟潛力和社會效益。

        再生骨料是指由建(構(gòu))筑物中的混凝土、砂漿、石、磚瓦等經(jīng)粉碎、篩分、分級而成,按一定比例混合后,滿足不同使用要求的骨料。與天然骨料相比,再生骨料存在孔隙率高、吸水率高、壓碎指標(biāo)高、密度低等特征,導(dǎo)致再生混凝土力學(xué)性能普遍低于天然混凝土[5-7]。故為提高再生混凝土質(zhì)量,首要從提高再生骨料品質(zhì)角度入手。為了提高再生混凝土的性能,須對簡單破碎獲得的低品質(zhì)再生骨料進行強化處理,即通過改善骨料粒形和除去再生骨料表面所附著的硬化水泥石,提高骨料的性能。主要預(yù)處理方式有:再生骨料裹漿處理、聚合物浸漬再生骨料、機械法去除再生骨料附著舊砂漿等手段[8]。以上方法均在一定程度上可改善再生骨料品質(zhì),然而也存在一定副作用或局限性。另外,有學(xué)者[9]采用CO2強化再生骨料,取得較好效果。當(dāng)前碳化處理尚未作為再生骨料強化的主流手段,與其他強化技術(shù)相比,CO2強化技術(shù)成本較低,對再生骨料改善效果明顯,且屬于環(huán)境友好型技術(shù),具有較高的現(xiàn)實意義。

        再生骨料碳化處理指將再生骨料置于碳化室,通過調(diào)節(jié)碳化壓力和碳化持續(xù)時間控制再生骨料碳化質(zhì)量。本文通過調(diào)節(jié)碳化持續(xù)時間(0,30和60 min)、碳化壓力(0,0.75和1.5 bar),以及碳化再生骨料替代率(0%,50%和100%),研究再生粗骨料碳化處理對混凝土力學(xué)性能影響,并通過壓汞法分析混凝土孔隙結(jié)構(gòu),從而揭示碳化處理對混凝土力學(xué)性能作用機理。

        1 原材料與試驗方法

        1.1 原材料

        1) 水泥。采用P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥,其主要技術(shù)性能指標(biāo)見表1。

        表1 水泥主要技術(shù)性能

        2) 骨料。細骨料采用細度模數(shù)為2.5的天然河砂,表觀密度為2.638 g/cm3。粗骨料采用5~25 mm的連續(xù)級配天然碎石和再生骨料,其主要技術(shù)指標(biāo)見表2。

        表2 粗骨料主要技術(shù)性能

        3) 減水劑。采用聚羧酸減水劑,減水率高達25%,摻量為水泥質(zhì)量1.0%。

        4) 水。采用自來水作為拌和用水。

        1.2 試驗配合比設(shè)計

        依據(jù)JGJ 55-2011 《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》進行試驗配合比設(shè)計,混凝土設(shè)計強度為C20?;炷了嘤昧繛?30 kg/m3、水灰比為0.4、砂率為30%?;炷僚浜媳燃霸偕橇咸蓟幚磉^程見表3和表4。為保證配合比一致性,天然、再生粗骨料均烘干后進行拌和、試驗。

        表3 混凝土配合比 kg/m3

        表4 再生骨料碳化處理過程

        1.3 試驗方法

        依據(jù)GB 50080-2002 《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準》規(guī)定,采用坍落度法測試混凝土工作性。用于抗壓強度測試試樣尺寸為150 mm×150 mm×150 mm;用于測試抗折強度試樣尺寸為150 mm×150 mm×550 mm;用于測試彈性模量測試試樣尺寸為150 mm×150 mm×300 mm。

        從測完力學(xué)性能后破碎試樣的中間區(qū)域,挑選出水泥石與集料黏結(jié)部分,烘干后浸入無水乙醇3~5 d,選取距離粗集料表面5 mm內(nèi)水泥石用于壓汞法測試。

        2 試驗結(jié)果與分析

        2.1 工作性

        圖1為基準混凝土(NAC)、再生骨料混凝土(RAC)及碳化再生骨料混凝土(RACCO2)坍落度測試結(jié)果。

        圖1 混凝土坍落度

        由圖1可見,RAC(50-0-0、100-0-0)坍落度分別為150 mm和140 mm,與NAC(0-0-0)相比,RAC坍落度明顯降低,且再生骨料替代率越高,混凝土坍落度越低。當(dāng)RACCO2替代率為50% 時,碳化處理對混凝土坍落度影響不明顯,當(dāng)RACCO2替代率為100%時,RACCO2(100-30-0.75,100-30-1.5,100-60-0.75和100-60-1.5)坍落度均在190 mm以上波動。這是因為:①碳化處理降低再生骨料吸水率,導(dǎo)致拌合物游離水增加,進而坍落度提高;②碳化處理阻止水分以標(biāo)準體積進入混凝土,多余水分滯留在水泥和砂之間,增大局部水灰比,導(dǎo)致混凝土坍落度較大。結(jié)果表明,碳化壓力和碳化時間對再生骨料混凝土坍落度無明顯影響。

        2.2 力學(xué)性能

        圖2~4分別為NAC、RAC及RACCO2在標(biāo)準養(yǎng)護室內(nèi)養(yǎng)護28 d抗壓強度、抗折強度,以及彈性模量測試結(jié)果。

        圖2 混凝土抗壓強度

        圖3 混凝土抗折強度

        圖4 混凝土彈性模量

        2.2.1抗壓強度

        由圖2可見,再生骨料經(jīng)較低碳化壓力(0.75 bar)處理后,RACO2在50%替代率時,RACCO2表現(xiàn)出較大抗壓強度,抗壓強度分別為35.12 MPa(50-30-0.75)和34.95 MPa(50-60-0.75)。結(jié)果表明,碳化持續(xù)時間越長,再生混凝土抗壓強度提升效果越明顯。這是因為碳化持續(xù)時間越長,再生骨料吸收CO2量越多,參與與水泥水化產(chǎn)物CH反應(yīng)的CO2量越多,填充混凝土孔隙效果越明顯,再生混凝土在宏觀上表現(xiàn)出較高的抗壓強度。與再生骨料經(jīng)0.75 bar碳化壓力處理混凝土相比(50-30-0.75和50-60-0.75),再生骨料經(jīng)1.5 bar高碳化壓力處理的混凝土(50-30-1.5和50-60-1.5)抗壓強度降低。這是因為碳化壓力越高,CO2以更快的速度進入再生骨料內(nèi)部,部分質(zhì)量較差的再生骨料被高碳化壓力壓碎,因此宏觀上呈現(xiàn)出抗壓強度降低。結(jié)果表明,低碳化壓力有利于改善再生骨料混凝土強度。

        RACO2在50%替代率時,RACCO2混凝土抗壓強度從高到低依次為35.12 MPa(50-60-0.75),35.01 MPa(50-30-0.75),32.5 MPa(50-60-1.5)和31.8 MPa(50-30-1.5),結(jié)果表明,RACCO2在50%骨料取代率時,碳化壓力對改善再生混凝土強度更明顯,碳化壓力越高,再生混凝土抗壓強度反而越低;另外,由圖2可知,碳化持續(xù)時間越長,混凝土強度越高。與50% 替代率RACCO2不同,100%替代率 RACCO2抗壓強度主要受碳化持續(xù)時間影響,混凝土抗壓強度從高到低依次為100-60-1.5,100-60-0.75,100-30-0.75和100-30-1.5。

        2.2.2抗折強度

        由圖3可見,當(dāng)RACO2替代率為50%時,RAC(50-0-0)具有較大抗折強度,甚至超過基準混凝土;其中,50-30-0.75和50-60-0.75混凝土抗折強度分別為4.25 MPa和4.20 MPa。而再生粗骨料替代率為100%的RAC(100-0-0)抗折強度僅為2.51 MPa,表現(xiàn)出最差的抗折強度。表明再生骨料碳化壓力越低和碳化持續(xù)時間越長,混凝土抗折強度越好,表明低碳化壓力和長碳化持續(xù)時間有助于提高混凝土黏結(jié)性能。

        RACO2為50%替代率時,RACCO2混凝土抗折強度從高到低依次為4.42 MPa(50-30-0.75),4.40 MPa(50-60-0.75),4.18 MPa(50-60-1.5)和3.96 MPa(50-30-1.5),結(jié)果表明,再生骨料取代率為50%時,碳化壓力對再生混凝土抗折強度提升更明顯,碳化壓力越高,再生混凝土抗折強度越低。與RACO2為50% 替代率時不同,當(dāng)RACO2為100%替代率時,混凝土抗折強度主要受碳化持續(xù)時間影響,混凝土抗折強度最高為3.98 MPa(100-60-1.5),抗折強度最低為3.01 MPa(100-30-1.5)。

        2.2.3彈性模量

        由圖4可見,與RAC相比,再生混凝土彈性模量呈現(xiàn)急劇下降趨勢,且再生骨料替代率越高,混凝土彈性模量越低,100%再生骨料替代率混凝土(100-0-0)彈性模量為22.1 GPa,較基準混凝土降低了41.1%,表明再生骨料碳化處理可一定程度上改善混凝土彈性模量。

        與混凝土其他力學(xué)性能類似,當(dāng)RACCO2替代率為50%時,混凝土彈性模量最高為34.95 GPa(50-30-0.75)表明,低碳化壓力可改善再生骨料品質(zhì)及再生混凝土彈性模量。具有100%替代率的RACCO2彈性模量由碳化持續(xù)時間和碳化壓力共同決定。其中,100-60-0.75混凝土彈性模量為21.86 GPa,表現(xiàn)出最佳的彈性模量,隨之是彈性模量為21.83 GPa的100-60-1.5系列混凝土。結(jié)果表明,CO2處理可改善再生混凝土彈性模量,但改善效果低于抗壓、抗折強度等力學(xué)性能,這是因為混凝土彈性模量很大程度上取決于再生骨料孔隙率和密度,CO2處理改善再生骨料效果有限。

        2.3 孔結(jié)構(gòu)分析

        有文獻[10-11]將混凝土中的孔劃為:無害孔(<20 nm)、少害孔(20~50 nm)、有害孔(>50~200 nm)和多害孔(>200 nm)。由于再生混凝土力學(xué)性能很大程度上取決于混凝土孔隙率和密實度,故本研究對混凝土進行MIP測試,從而通過觀察混凝土孔隙結(jié)構(gòu),揭示宏觀力學(xué)性能特征。圖5~7為混凝土孔結(jié)構(gòu)測試結(jié)果。

        圖5 總孔隙率

        圖6 平均孔徑

        由圖5和圖6可見,RAC總孔隙率和平均孔徑明顯高于NAC,碳化處理可明顯降低混凝土總孔隙率,且RACCO2平均孔徑分別為0.293 nm(50-30-0.75),0.298 nm(50-30-1.5),0.291 nm(50-60-0.75)和0.296 nm(50-60-1.5),基本接近普通混凝土平均孔徑,表明再生骨料碳化處理可減少混凝土孔隙率,細化混凝土孔徑。

        由圖7可見,50%替代率RACCO2碳化壓力越低,混凝土無害孔和少害孔比例越高,相應(yīng)地有害孔和多害孔比例越低;100%替代率RACCO2碳化持續(xù)時間越長,混凝土無害孔和少害孔比例越高,相應(yīng)地有害孔和多害孔比例越低。表明再生骨料碳化處理可優(yōu)化混凝土孔隙結(jié)構(gòu),且低取代率(RA50%)時,碳化壓力為主要因素,高取代率(RA100%)時,碳化持續(xù)時間為主要因素。

        圖7 混凝土各檔孔隙孔徑分布率

        3 結(jié)論

        1) 當(dāng)RACO2替代率為50%時,混凝土坍落度在140 mm左右波動,當(dāng)RACO2替代率為100%,混凝土坍落度略大于190 mm,表明混凝土坍落度隨碳化再生骨料取代率提高而提高。

        2) 碳化壓力越低,碳化持續(xù)時間越長,再生混凝土力學(xué)性能越高,表明較低碳化壓力和較長碳化時間有利于改善混凝土力學(xué)性能。此外,再生骨料替代率為50%時,碳化壓力為主導(dǎo)因素,而再生骨料替代率為100%時,碳化持續(xù)時間為主導(dǎo)因素。

        3) 經(jīng)MIP測試結(jié)果可知,碳化處理再生骨料可優(yōu)化混凝土孔隙結(jié)構(gòu)和水化產(chǎn)物,細化孔徑,減小孔隙率,優(yōu)化孔隙結(jié)構(gòu)。

        4) 試驗表明,碳化處理對再生骨料混凝土的坍落度及力學(xué)性能有一定改善,在再生粗骨料的實際應(yīng)用及水泥混合料的設(shè)計中,應(yīng)綜合考慮再生料摻量、碳化處理方式,根據(jù)設(shè)計目標(biāo)及經(jīng)濟性綜合考慮碳化處理方案。

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