周文軒

(同濟大學,上海 200092)

超高性能混凝土,簡稱UHPC(Ultra-High Performance Concrete),起源于20世紀80年代,是一種新型的水泥基復合材料,主要由硅酸鹽水泥、硅灰、磨細石英粉、細骨料、高效減水劑和纖維組成。因具有優(yōu)異的力學性能和耐久性能夠滿足橋梁工程輕質高強、快速架設、經久耐用的需求,引起橋梁界的極大興趣和高度重視,在橋梁領域具有廣闊的應用前景[1]。自1997年世界上首個UHPC工程加拿大Sherbrooke人行橋建成以來,截止目前,UHPC已應用于全球1 000多座橋梁,中國約120座橋梁使用了UHPC材料[2]。此外,2021年,中國已生產約為33.1億m3商品混凝土[3],產量居世界首位。

UHPC為獲得更致密的水泥基體,UHPC用石英砂代替了普通混凝土中大劑量使用的粗骨料,石英砂(QS)在材料消耗中的占比往往能達到10%～65%[4]。此舉大大提高了UHPC的初始材料成本,并限制了UHPC在無法獲得細石英砂地方的應用。相關研究人員提出河砂代替石英砂并取得成功,然而,在這個時代,一些國家和地區(qū)甚至連河砂都嚴重短缺。以中國為例,在過去的20年里,中國許多地區(qū)的河砂供應量急劇下降,這主要是由于前所未有的大規(guī)模建設中對河砂的無計劃開采和過度消耗。河砂的開采不僅導致河砂價格飆升,而且對河流生態(tài)系統(tǒng)、航運和防洪產生了巨大影響。事實上,在中國的許多地區(qū),如福建、上海和浙江等,政府已經發(fā)布了禁止或限制在施工中使用河砂的法律或法規(guī),這使得進一步尋找砂的有效替代品來制備混凝土變得越來越緊迫[5]。

目前相關學者利用各種砂取代混凝土的天然河砂取得較為豐富的成果,包括人工砂、風積砂和再生砂均取得成功。劉超等[6]在研究中發(fā)現(xiàn)風積沙可以優(yōu)化骨料級配,改善混凝土的孔隙結構,加快水泥水化速度,提高混凝土工作、力學和耐久性能。

再生砂是一種由水泥、骨料、水和外加劑或部分水泥替代材料組成的非均質復合材料,與作為均質材料的天然砂有很大不同。再生砂的組成比天然砂的組成更復雜。再生砂可以近似地看作天然砂、水泥砂漿以及天然砂和水泥砂漿之間的界面過渡區(qū)(ITZ)的組成。水泥砂漿附著在天然砂表面。舊水泥砂漿中有許多裂縫,形成了強度低的薄弱區(qū)域。原始骨料和舊水泥砂漿之間的ITZ也很弱。因此,再生砂的強度由于這些薄弱區(qū)域而降低。此外,在再生砂的回收過程中,經過破碎、研磨等工序,會使再生砂中產生一些微裂紋,增加了再生砂的孔隙率[7]。

再生砂吸水率顯著高于天然砂,約為天然砂的4倍以上。吸水率增大的主要原因是由于細集料是通過機械破碎而形成的,因此在其制備過程中存有大量由于硬傷累積形成的微裂縫,導致再生細集料表觀密度下降,吸水率提高。此外再生砂中0.15 mm以下顆粒含量較多。由于再生砂來源于廢棄混凝土,因此這些粒徑集料主要以硬化水泥漿體為主,這些水泥漿體破碎成粉狀后,在表面積增大的同時,還有一定量的未水化相,對水有較強的吸附力,進一步提高了再生細集料的吸水率。再生砂的高吸水率勢必會對其周圍水泥水化進程產生不利的影響,即水化速度變緩,水化程度降低,水化產物數量減少,同時由于再生細骨料也是高吸水性材料,在其表面不會像天然河砂一樣形成水膜層,在上述因素影響下,界面過渡區(qū)內會出現(xiàn)水分匱乏現(xiàn)象,導致界面過渡區(qū)水化產物數量明顯減少,因此未在其界面過渡區(qū)見到明顯的Ca(OH)2富集,同時由于水分的匱乏,也使得界面過渡區(qū)水泥石微觀結構進一步劣化,界面過渡區(qū)的范圍進一步增大,從而形成導致再生細骨料混凝土微觀結構缺陷形成的一個重要原因[8]。

Poon等[9]在研究中發(fā)現(xiàn)用高性能混凝土再生骨料配制的再生混凝土的骨料-水泥石界面過渡區(qū)內水化產物密實,而用普通混凝土再生骨料配制的再生混凝土的骨料-水泥石界面過渡區(qū)主要由一些松散的水化產物組成,該區(qū)域呈現(xiàn)多孔狀態(tài),這也表明了UHPC再生砂利用具備的優(yōu)勢。

采用一定量的再生砂替代天然砂配制混凝土,其工作性、物理力學性能、抗氯離子滲透性能和抗碳化能力均與基準混凝土有明顯差異[10]。再生砂的使用降低了混凝土的性能,因此有必要去提升再生混凝土的強度。已經提出了幾種解決方案來補償再生砂混凝土的強度降低,例如使用纖維、增加水泥用量和添加礦物摻合料。

另外國家也出臺了《混凝土和砂漿用再生細骨料》規(guī)范,表明再生砂正朝著大規(guī)模應用的方向發(fā)展。超高性能混凝土(UHPC)作為砂資源消耗的特殊材料,具有極高的回收價值。但由于UHPC的組分構成不同于普通混凝土,在UHPC中大量的石英砂往往作為一種昂貴的填充材料未能參與水化反應,因此對于UHPC的再生砂制備的混凝土的力學性能需要作進一步討論,本文主要針對UHPC構件回收制備再生砂和利用再生砂制備普通混凝土的抗壓強度進行試驗研究,并分析UHPC再生砂制備混凝土的可行性。

1 試驗

1.1 原材料

本研究中采用C50混凝土為基礎,主要材料為52.5普通硅酸鹽水泥、天然河砂以及粗玄武巖骨料(10 mm～20 mm)以及再生砂。

再生砂來源于UHPC舊料回收利用,原UHPC構件來源于實驗室拉伸破壞性試驗,其中粗骨料采用碎玄武巖,質量分數為25%,此外還摻加了0.75%～2%體積分數的鋼纖維形成超高性能鋼纖維增強混凝土(UHPRFC)。其余組分構成為：水泥、硅灰、石英粉、石英砂(0.15 mm～0.6 mm)超塑化劑以及水,抗壓強度130 MPa～170 MPa。

在進行UHPF RC構件破碎時,為了提高破碎效率和再生骨料質量,將破碎流程分為三步：1)使用顎式破碎機進行大尺寸UHPF RC的初次破碎;2)使用錘式破碎機對得到的尺寸不大于100 mm的碎料進行第二次破碎;3)使用粗粉磨設備將二次破碎得到尺寸不大于25 mm的碎料進行研磨至粒徑不大于5 mm的碎料。

然后利用永磁滾筒磁選機對碎料進行鋼纖維剝離,得到不含鋼纖維的碎料。該部分碎料根據原構件組成可知其組成成分為：部分水化的水泥、硅灰、石英粉、石英砂(0.15 mm～0.6 mm)、玄武巖(3 mm～5 mm),破碎的玄武巖。由于各組分粒徑各有不同,我們將采用不銹鋼篩網對粉料進行多次篩分,得到粒徑為0.15 mm～0.6 mm的再生砂(如圖1所示)。再生材料質量分數如圖2所示：再生砂(37.8%),再生粉末(26.6%),再生細骨料(28%),再生粗骨料(3.9%),再生鋼纖維(3.2%)以及其他。

從圖2中可以看出再生砂是UHPC回收材料中質量占比最大的材料,再生砂的有效應用是實現(xiàn)UHPC循環(huán)再生利用的關鍵一步。UHPC中的再生砂主要成分為石英砂,表1為再生砂和河砂的對比表,在當前工程建設中,由于河砂的短缺,更多的石英砂開始代替河砂參與到工程建設中。

表1 再生砂與河砂對比表

1.2 配合比試驗

再生砂(0.15 mm～0.6 mm)以35%的替代率取代C50中的河砂,在C50配合比的基礎上進行改進,根據改進后的配合比進行混凝土抗壓強度試驗。此外,為降低再生砂吸水率對于混凝土的流動性影響,在再生砂混凝土中添加膠凝材料質量0.35%的高效減水劑(減水率為36%的液態(tài)聚羧酸系),詳細配合比見表2,NSC是天然砂C50混凝土,RSC是再生砂C50混凝土。

表2 再生砂C50配合比一覽表

混凝土拌合物采用攪拌機攪拌,攪拌前將攪拌機沖洗干凈,并預拌少量水膠比相同的砂漿;將稱好的粗骨料、膠凝材料、細骨料和水依次加入攪拌機,減水劑與拌合水同時加入攪拌機,直至攪拌均勻。制備天然砂C50(NAC)150 mm×150 mm×150 mm一組3個;制備再生砂C50(RSC)70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm試塊兩組6個。參照GB/T 50081—2019普通混凝土力學性能試驗方法標準[11]測定NSC以及RSC的力學性能。全部試塊制備后24 h進行脫模,然后經過28 d標準養(yǎng)護(溫度(20±3)℃,濕度95%)后采用最大壓力為3 000 kN的全自動壓力試驗機進行立方體抗壓強度試驗,加載速率為1.2 MPa/s。

2 結果與分析

圖3,圖4分別為天然砂混凝土和再生砂混凝土單軸受壓典型破壞形態(tài)。再生砂單軸受壓呈現(xiàn)完全破壞形態(tài),相比NSC呈現(xiàn)出更大的脆性,斷面有著大量松散砂漿,粗骨料與砂漿之間黏結不強。

抗壓強度試驗結果如表3所示。

表3 抗壓強度試驗

由于再生砂混凝土和天然骨料混凝土制備的抗壓強度試塊尺寸不同,根據相關文獻[12]查得C50立方體試件尺寸折減系數70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm /150 mm×150 mm×150 mm =0.916,通過計算得到經過修正后的再生砂混凝土的平均抗壓強度為34.02×0.916=31.16 MPa,抗壓強度對比基準組C50下降43%,但仍滿足C30混凝土強度要求。

一般來說,由于再生砂包覆有黏附砂漿,引起多種弱界面過渡區(qū)的出現(xiàn),是導致再生混凝土強度降低的主要原因,如圖5所示,與使用純天然河砂作為細骨料相比,使用再生砂制備的再生混凝土中含有更多類型的ITZ包含：黏附砂漿和新砂漿之間的過渡區(qū)(ITZ①),天然骨料和新砂漿之間的過渡區(qū)(ITZ②),天然骨料和黏附砂漿之間的過渡區(qū)(ITZ③),此外,多重破碎、研磨造成了再生砂容易出現(xiàn)一些微裂紋,這些微觀表現(xiàn)導致了混凝土宏觀強度的下降。

UHPC再生砂的直接應用并未在力學性能上取得突出進展,但這是一次有效的嘗試,再生砂混凝土滿足C30的要求,仍存在較大的應用范圍,例如道路工程等等。但UHPC再生砂開辟了UHPC再生循環(huán)利用的先河,響應了國家的十四五規(guī)劃要求,降低了混凝土材料成本和碳排放,在未來有著廣闊的研究前景。

3 結論與展望

UHPC構件經過破碎、篩分、磁選等工序制得的粒徑在0.15 mm～0.6 mm的再生砂,其主要成分為部分水化的水泥基體、石英砂(0.15 mm～0.6 mm)、破碎的玄武巖。將其以35%的替代率取代C50中的天然河砂制備混凝土,抗壓強度下降43%,與C30強度相當,仍有著較大的應用空間。研究分析,微觀的弱界面過渡區(qū)的引入是引起強度下降的主要原因。UHPC再生砂混凝土是一次突破性的嘗試,降低了混凝土初始成本和碳排放,應進行進一步探索。

目前,很多學者對于再生骨料的改性增強研究相對比較豐富了,但是對于UHPC中的再生砂和再生粉末的預處理仍有所欠缺,這也將成為熱門的研究方向。無論是近期熱門的碳酸化、熱處理或是微生物碳酸鹽沉淀以及納米TiO2處理技術都已初步呈現(xiàn)出不俗的效果。