李彥鋒

(盤(pán)錦市水利服務(wù)中心,遼寧 盤(pán)錦 124000)

長(zhǎng)期以來(lái),險(xiǎn)工河段治理工程大都使用干砌或漿砌塊石護(hù)岸,隨著自然生態(tài)和環(huán)保要求的提高,其環(huán)境污染、資源浪費(fèi)、建設(shè)成本高、工程質(zhì)量差及資源開(kāi)采難等問(wèn)題日趨突出[1]。近年來(lái),再生混凝土護(hù)岸砌塊因具有綠色環(huán)保、經(jīng)濟(jì)效益突出、工程質(zhì)量可控、抗波浪能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于護(hù)岸工程,對(duì)于實(shí)現(xiàn)廢棄資源的充分利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)等具有積極作用。

關(guān)于再生混凝土國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了廣泛研究,如劉婷等[2]研究發(fā)現(xiàn)隨替代率的增加再生混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸下降,但未深入揭示微觀作用機(jī)理;劉超等[3]從微觀上利用SEM掃描電鏡研究再生混凝土強(qiáng)度變化機(jī)理,并提出其強(qiáng)度主要受界面過(guò)渡區(qū)的影響;岳公冰等[4]利用SEM電測(cè)技術(shù)和顯微硬度計(jì)研究了再生混凝土性能、顯微結(jié)構(gòu)、多重界面結(jié)構(gòu)特征受再生骨料強(qiáng)度的影響;Hasaba等研究認(rèn)為內(nèi)部的新老砂漿界面處是凍融過(guò)程中再生混凝土最先發(fā)生破壞的位置,該處黏結(jié)較弱大大降低了混凝土抗凍性;肖建莊等[5]試驗(yàn)表明再生與普通混凝土具有相同的破壞模式,其力學(xué)性能受粗骨料取代率影響較大;Hu等采用凍融循環(huán)試驗(yàn)探討了再生混凝土砌塊在3.5%氯化鈉或淡水溶液中的抗凍性,結(jié)果顯示30%再生骨料替代率的混凝土抗凍性最差,淡水高于氯化鈉溶液的抗凍破壞作用;焦雋雋[6]等探討了再生混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量和質(zhì)量損失率變化規(guī)律,結(jié)果發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)會(huì)降低再生混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量,增大質(zhì)量損失率?？傮w上,工程質(zhì)量控制措施、再生材料占比與來(lái)源、配合比、破碎工藝等是造成研究成果存在離散性的主要原因,特別是產(chǎn)地不同的原材料所形成的再生骨料性能具有明顯差異。

因此,為制備出適用于河道護(hù)岸工程的再生混凝土砌塊,本試驗(yàn)測(cè)定了再生骨料的主要性能,通過(guò)改變摻量及單、復(fù)摻方式探討其對(duì)混凝土抗凍融性能和強(qiáng)度的影響,為合理設(shè)計(jì)最優(yōu)配合比,保證護(hù)岸工程質(zhì)量提供決策依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 原材料

試驗(yàn)選用華新P·O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥、聚羧酸高效減水劑、細(xì)度模數(shù)2.8的天然河砂和最大粒徑20mm的連續(xù)級(jí)配天然粗骨料,選用細(xì)度模數(shù)2.6的再生細(xì)骨料和最大粒徑20mm且級(jí)配良好的再生粗骨料,主要來(lái)源于沈陽(yáng)市廢棄混凝土,通過(guò)破碎、篩分、分級(jí)、調(diào)整等一系列加工處理制成,再生骨科性能參數(shù),見(jiàn)表1。

表1 再生骨料的性能指標(biāo)

1.2 配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)《水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》合理設(shè)計(jì)單摻及復(fù)摻再生粗細(xì)骨料的13組配合比,配合比設(shè)計(jì),見(jiàn)表2。其中,再生骨料替代率為25%、50%、75%、100%,試驗(yàn)對(duì)照組J0為普通混凝土。

表2 配合比設(shè)計(jì) kg/m3

1.3 試件制作

參照設(shè)計(jì)配合比將各種原材料混合攪拌均勻,然后倒入100mm×100mm×100mm三聯(lián)模具(測(cè)試抗壓強(qiáng)度)和400mm×100mm×100mm模具(測(cè)試抗凍性能和抗折強(qiáng)度),經(jīng)澆筑振搗制成相應(yīng)的試件,成型時(shí)為防止水分蒸發(fā)用塑料薄膜密封裸露混凝土表面。在室溫靜置24h后拆模,并移入環(huán)境濕度>95%、溫度(20±2)℃的標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護(hù),養(yǎng)護(hù)3d、7d、28d、90d時(shí)依次取出測(cè)定抗壓強(qiáng)度,其它試件養(yǎng)護(hù)28d測(cè)試抗凍性能和抗折強(qiáng)度。

1.4 試驗(yàn)方法

抗壓和抗折強(qiáng)度按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)定,控制抗壓、抗折試驗(yàn)加載速率為0.5MPa/s和0.05MPa/s,以3個(gè)試件的強(qiáng)度平均值作為每個(gè)配合比的最終數(shù)據(jù)。

再生水工混凝土的抗凍性參照DL/T 5150-2017《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行測(cè)試,結(jié)合河岸護(hù)坡工程特點(diǎn),再生混凝土主要位于水位變化和干濕交替部位,故設(shè)計(jì)最大凍融循環(huán)次數(shù)50次,抗凍等級(jí)F50。試驗(yàn)時(shí)控制混凝土中心溫度為(15±2)℃和(-15±2)℃,試件上表面距離水溶液的淹沒(méi)深度不低于5mm,分別測(cè)定凍融循環(huán)0次、25次、50次時(shí)的試件質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈模量,其計(jì)算公式為:

(1)

(2)

式中:Woi、Wni、△Wni為凍融循環(huán)試驗(yàn)前和n次后的質(zhì)量,g以及凍融n次后的質(zhì)量損失率,g;foi、fni、Pi為凍融循環(huán)試驗(yàn)前和n次后的動(dòng)彈模量,Hz以及凍融n次后的相對(duì)動(dòng)彈模量,%。

2 結(jié)果與分析

2.1 抗壓強(qiáng)度

以再生骨料替代率50%的C50、D50、F50試件為研究對(duì)象,不同養(yǎng)護(hù)齡期再生混凝土抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù),不同養(yǎng)護(hù)齡期的抗壓強(qiáng)度,見(jiàn)圖1。

圖1 不同養(yǎng)護(hù)齡期的抗壓強(qiáng)度

從圖1可以看出,抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)逐漸增大,特別是前7d呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì),而后期增幅逐漸變緩并基本穩(wěn)定,究其原因是再生骨料高于天然骨料的吸水速率和吸水率,骨料可以快速濕潤(rùn),從而加快水化速度,早期強(qiáng)度增長(zhǎng)較快。C50、D50、F50試件的28d抗壓強(qiáng)度達(dá)到90d齡期的93.2%～96.6%,再生混凝土90d齡期相較于28d的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率大于普通混凝土,該時(shí)段再生混凝土具有較快的強(qiáng)度發(fā)展速度,這是因?yàn)樵偕橇系膬?nèi)養(yǎng)護(hù)效應(yīng)加速了抗壓強(qiáng)度的發(fā)展。另外,在混凝土中摻入再生骨料會(huì)降低其抗壓強(qiáng)度,結(jié)合圖1變化特征,單摻再生粗骨料明顯高于單摻再生細(xì)骨料時(shí)的強(qiáng)度降幅,復(fù)摻條件下的強(qiáng)度降幅更加明顯。

以再生骨料替代率0%、25%、50%、75%、100%的試件為研究對(duì)象,不同摻入方式的再生混凝土28d抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù),不同摻量的28d抗壓強(qiáng)度,見(jiàn)圖2。

圖2 不同摻量的28d抗壓強(qiáng)度

從圖2可以看出,對(duì)于不同摻入方式,混凝土28d抗壓強(qiáng)度均隨著骨料替代率的增加表現(xiàn)出逐漸下降趨勢(shì),這是因?yàn)樵偕橇掀扑樯a(chǎn)時(shí)會(huì)形成許多微小裂縫,一般具有較高的孔隙率,在受壓時(shí)很容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況[7]。另外,附著于再生骨料表面的水泥砂漿也會(huì)降低骨料之間的黏結(jié)力,從而導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度的進(jìn)一步下降。與圖1相同,單摻再生粗骨料小于單摻再生細(xì)骨料時(shí)的強(qiáng)度,復(fù)摻條件下的抗壓強(qiáng)度更低。雖然摻入的百分比例相同,但不同摻入方式時(shí)摻加的再生骨料質(zhì)量不同,從高到低排序依次為復(fù)摻粗細(xì)骨料>單摻粗骨料>單摻細(xì)骨料,質(zhì)量越大所帶來(lái)的微裂縫就越多,所以再生骨料的摻入方式也是影響抗壓強(qiáng)度的重要因素。

研究表明,再生混凝土受壓破壞多發(fā)生于水泥漿體于骨料界面處,水泥漿體與再生或者天然骨料的界面過(guò)渡區(qū)都屬于薄弱環(huán)節(jié),該界面將率先產(chǎn)生受壓破壞[8]。統(tǒng)籌考慮再生骨料的利用率和河道護(hù)坡工程對(duì)強(qiáng)度的要求,文章選定替代率≥50%且抗壓強(qiáng)度達(dá)到40MPa的F50、F75、F100三組配合比,試驗(yàn)研究其抗凍性及抗折強(qiáng)度。

2.2 抗折強(qiáng)度

對(duì)再生骨料替代率為0%、50%、75%、100%試件的28d抗折強(qiáng)度,不同摻量的28d抗折強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比,見(jiàn)圖3,結(jié)果顯示28d抗折強(qiáng)度隨著再生骨料替代率的增加不斷下降。

圖3 不同摻量的28d抗折強(qiáng)度

通過(guò)分析J0和F75試件的斷裂破壞形態(tài)可知,天然骨料與再生骨料配制的混凝土破壞均發(fā)生在漿體骨料黏結(jié)處,兩者的破壞形式相同。因此,天然和再生混凝土承載的薄弱環(huán)節(jié)都是界面過(guò)渡區(qū);另外,再生混凝土內(nèi)部發(fā)現(xiàn)少量微小孔洞,這也在一定程度上降低了再生混凝土強(qiáng)度。

2.3 抗凍性能

1)破壞特征。通過(guò)觀察混凝土凍融損傷情況發(fā)現(xiàn),天然骨料和再生骨料混凝土的外觀形貌變化特征基本相似。凍融循環(huán)25次時(shí)不同配合比試件的外觀形貌基本完好,整體變化不明顯,其中再生混凝土有輕微掉渣情況,局部棱角出現(xiàn)破碎;凍融循環(huán)50次時(shí)混凝土有少量漿體剝落,表面形成許多孔洞,其中J0和F50混凝土表面僅發(fā)現(xiàn)輕微孔洞,表觀較為完好,而F75、F100混凝土面層孔洞逐漸擴(kuò)展連通使得其表面呈現(xiàn)麻狀,表面孔洞和掉渣較多。

2)質(zhì)量損失率。對(duì)不同凍融循環(huán)作用下混凝土質(zhì)量損失率變化趨勢(shì)進(jìn)行對(duì)比,不同凍融次數(shù)的質(zhì)量損失率,見(jiàn)圖4。從圖4可以看出,凍融循環(huán)達(dá)到25次及50次時(shí)F50和J0混凝土的質(zhì)量損失率極小且基本相同,明顯低于F75和F100混凝土。其中,質(zhì)量損失率最高的是F100混凝土,剛開(kāi)始凍融循環(huán)就有較大的質(zhì)量損失,質(zhì)量損失速率隨著凍融次數(shù)的增加而增大,50次凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失最大達(dá)到1.50%。研究表明,當(dāng)替代率≤50%時(shí),摻入再生細(xì)骨料并不會(huì)顯著影響質(zhì)量損失率,而替代率>50%時(shí)則會(huì)明顯提高質(zhì)量損失率。由于孔隙率較高,再生細(xì)骨料的摻入會(huì)提高混凝土吸水率,內(nèi)部溶液凝固膨脹形成的水分遷移重分布、滲透壓機(jī)靜水壓促使內(nèi)部裂縫機(jī)孔隙的形成擴(kuò)展,導(dǎo)致大量漿體或骨料脫落。所以,隨著再生細(xì)骨料摻量的提高混凝土質(zhì)量損失率逐漸增加。

圖4 不同凍融次數(shù)的質(zhì)量損失率

3)相對(duì)動(dòng)彈模量。對(duì)不同凍融循環(huán)作用下混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量損失率變化趨勢(shì)進(jìn)行對(duì)比,不同凍融次數(shù)的相對(duì)動(dòng)彈模量,見(jiàn)圖5。從圖5可以看出,混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量損失率隨著凍融次數(shù)的增加不斷上升。F50相較于J0混凝土的動(dòng)彈模量損失更小,說(shuō)明摻入適量的再生細(xì)骨料有利于提高動(dòng)彈模量,增強(qiáng)混凝土抗凍性能;而F75、F100混凝土的抗凍性變差,其動(dòng)彈模量損失率略高于J0且最大損失率能夠達(dá)到3.1%。

圖5 不同凍融次數(shù)的相對(duì)動(dòng)彈模量

綜合考慮凍融循環(huán)作用下混凝土的動(dòng)彈模量損失、質(zhì)量損失及表面形貌變化情況可知,與普通混凝土抗凍性能相比,摻入一定再生細(xì)骨料的F50混凝土并未變差,對(duì)動(dòng)彈模量甚至有一定的提升作用,可以達(dá)到河道護(hù)岸工程對(duì)抗凍性能的要求。另外,雖然其它摻量的混凝土抗凍性低于基準(zhǔn)對(duì)照組,但依然滿足護(hù)坡工程的使用要求。

3 結(jié) 論

1)文章統(tǒng)籌考慮再生骨料的利用率和河道護(hù)坡工程對(duì)強(qiáng)度的要求,選定替代率≥50%且抗壓強(qiáng)度達(dá)到40MPa的F50、F75、F100三組配合比進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果顯示F50混凝土的抗折強(qiáng)度最高,F100混凝土的抗折強(qiáng)度最低。

2)綜合考慮凍融循環(huán)作用下混凝土的動(dòng)彈模量損失、質(zhì)量損失及表面形貌變化情況,最終確定抗凍性最優(yōu)和最差的是F50、F100混凝土。在抗壓、抗折強(qiáng)度和耐久性上,優(yōu)選的F50、F75、F100三組混凝土略低于普通混凝土,但可以滿足河道護(hù)岸工程的使用要求。因此,最終確定F50混凝土的綜合性能最優(yōu),在實(shí)際護(hù)坡工程中推薦選用該配合比制作護(hù)坡砌塊。