再生混凝土应用于水利工程的主要性能研究

徐 蔚,方 荣

(浙江水利水电专科学校,浙江 杭州 310018)

1 问题的提出

目前,全世界混凝土的年产量约28亿m3,我国的混凝土年产量达到13亿～14亿m3,约占世界总量的45%。据测算,我国每年解体旧混凝土的发生量约在4 000万t以上,它的产生与处理已经对环境造成了很大的负荷。混凝土生产过程中骨料一般占混凝土总量的75%,将废弃混凝土进行资源化利用,已成为材料科学中的一个重要课题。

在水利工程中,混凝土用量较大,若能有效处理和利用废弃混凝土,加工成再生骨料进而配制成再生混凝土,使它成为循环性可利用再生资源,既能减轻废弃混凝土对环境的污染,又能减小大量开采天然骨料对生态环境的影响,符合生态可持续发展的要求,具有明显的社会、经济和环境效益。本文主要从分析再生混凝土的强度和耐久性能的角度,研究该材料在水利工程中应用的可行性和适应性。

2 试验设计

2.1 试验材料

水泥为32.5R海螺牌普通硅酸盐水泥,其表观密度为3 100 kg/m3。砂为普通黄砂,细度模数为2.75。天然粗骨料为连续级配的碎石,最大粒径为31.5 mm。再生骨料由某路面废弃混凝土破碎加工而成,该废弃混凝土的技术资料不详。水为普通自来水。粗骨料的基本性能见表1。

表1 粗骨料的基本性能表

由表1可见,与天然粗骨料相比,再生骨料的密度低、吸水率高、压碎指标大,表明再生骨料孔隙率高,强度低,其主要原因是由于其表面附着有大量水泥砂浆。

2.2 混凝土配合比

混凝土共分8组,其中4组编号为NC的是普通混凝土,其余4组编号为RC的是再生混凝土,再生骨料取代率取100%。采用C20、C30不同的强度等级,经过多次的试配,在满足混凝土和易性的基础上确定了再生混凝土和普通混凝土的配合比(见表2)。

表2 混凝土的配合比表

2.3 试件的浇注与养护

所有混凝土搅拌设备为一容量为50 L的搅拌机。投料顺序为首先加入黄砂和水泥,再加入粗骨料,最后加入水,搅拌3～5min后测其坍落度。坍落度试验完毕后将混凝土拌和物注入钢模,24 h后拆模,立即放入养护室,在标准条件下养护28 d后取出进行试验。所有试件均为一批浇注完成。

2.4 试验方法

混凝土立方体抗压强度、劈裂抗拉强度及耐久性能试验均按照 《水工混凝土试验规程》(SL 352—2006)进行[1]。

3 试验结果与分析

3.1 混凝土的强度

从混凝土强度试验结果(见表3)中可以看出,再生粗骨料对混凝土立方体抗压强度起着较大影响,对于混凝土的28 d强度,同一水灰比的再生混凝土的抗压强度比普通混凝土低5%～20%。这与国内外许多研究结论相符。

混凝土抗压强度降低的原因主要是:①由于再生粗骨料与新旧砂浆之间存在的粘结较为薄弱;②再生骨料吸水率大,再生混凝土本身的用水量有所增加;③由于再生粗骨料孔隙率高,在承受轴向应力时,容易形成应力集中;④再生粗骨料的强度较低,表现在压碎值较大;⑤由于初始损伤和2次破坏损伤使得再生粗骨料内部存在大量微裂缝。

表3 混凝土的强度试验结果表

图1给出了再生混凝土抗压强度随水灰比的变化关系。从图中可以看出,当水灰比高于0.5时,再生混凝土的抗压强度随水灰比的增大而减小,这一点与普通混凝土基本一致;当水灰比低于0.5时,再生混凝土的抗压强度随水灰比的降低而有效增加不明显。因此严格控制水灰比对再生混凝土的强度有重要意义。

对于再生混凝土抗拉性能,试验结果表明,再生混凝土的劈裂抗拉强度较普通混凝土降低2%～10%。再生混凝土抗拉强度可取为立方体抗压强度的1/15～1/10,其拉压比较普通混凝土略高。

图1 混凝土的抗压强度与水灰比的关系图

3.2 混凝土的耐久性

3.2.1 抗渗性

抗渗性是混凝土耐久性的核心问题,主要包括气体分子,水分子,以及氯离子的扩散。本文主要研究再生混凝土在抵抗水的渗透方面与普通混凝土的差异。

从各组混凝土试件的抗渗性试验结果(见表4)中可以看出:①混凝土设计强度等级为C20的前4组试件的抗渗等级差别较为明显,其中普通混凝土的抗渗等级明显高于再生混凝土,并且水灰比为0.5的再生混凝土的抗渗等级高于水灰比为0.55的再生混凝土;②混凝土设计强度等级为C30的后4组试件,普通混凝土和再生混凝土的抗渗性差别不大。但从趋势上看,普通混凝土的抗渗性略优于再生混凝土。

表4 混凝土的抗渗性能试验结果表

总体上,再生混凝土的抗渗性比普通混凝土的抗渗性差,再生混凝土的抗渗性随混凝土强度等级的提高而增加,随水灰比的增加而降低。这主要是由以下原因造成的:①由于再生混凝土的再生骨料表面裹有已硬化的水泥浆,故再生混凝土中新旧水泥砂浆总含量较普通混凝土高,因此其孔隙率比天然混凝土高,透水性强,抗渗性差;②与普通混凝土一样,水灰比也是再生混凝土渗透性的主要影响因素。在一定范围内,随着水灰比的增大,再生混凝土的抗渗性有逐渐降低的趋势。这是因为水灰比越大,包围水泥颗粒的水层就越大,水在水泥石中就会逐渐形成相互贯通的、无规则的毛细孔系统,使水泥石的孔隙率不断增加,混凝土的抗渗性就越差。

此外,由于再生混凝土的界面区域不如普通混凝土牢固,水泥砂浆中的自然孔隙会因界面区域的孔隙裂纹等得到扩展,成为贯通水泥砂浆的连续通道,进而使再生混凝土的渗透性增加,影响其抗渗性。再生骨料在生产的过程中,由于损伤积累使得再生骨料内部存在大量微细裂纹,降低了骨料对毛细孔的阻隔作用。

3.2.2 抗冻性

在寒冷地区,混凝土受冻融循环作用往往是导致混凝土劣化的主要因素,严重影响混凝土建筑物的长期使用和安全运行。通过对前述8组混凝土试件的抗冻性试验结果得出:

(1)总体上,再生混凝土的抗冻融破坏循环次数较普通混凝土要低,质量变化率也更大,表明再生混凝土的抗冻性能较普通混凝土差。再生骨料吸水率较大,内部孔隙的水饱和程度较高,易先于新水泥基体发生冻融破坏,成为再生混凝土抗冻性能的薄弱环节。

(2)水灰比小的再生混凝土的抗冻性高于水灰比大的再生混凝土。因为水灰比直接影响混凝土的孔隙率及孔结构。随着水灰比的增加,不仅饱和水的开孔总体积增加,而且平均孔径也增加,在冻融过程中产生的冰胀压力和渗透压力就大,因而混凝土的抗冻性必然降低。

(3)混凝土强度等级C30的再生混凝土的抗冻性能高于C20的再生混凝土。表明再生混凝土强度越高抗冻性能越好。

3.2.3 抗冲磨性

混凝土抗冲磨性能主要受混凝土强度、骨料性能及面层混凝土质量的影响。对比普通混凝土与再生混凝土的抗冲磨性能的优劣:①再生混凝土的抗冲磨性较普通混凝土差,这与再生混凝土孔隙率大,密实性差,界面区粘结不牢固有直接的关系。②水灰比对再生混凝土的耐磨性有较大的影响,水灰比越大,耐磨性越差。③强度高的再生混凝土的耐磨性优于强度低的再生混凝土。

4 性能改善措施

4.1 提高再生混凝土的强度

在水工建筑物中,主要采用中、低强度的混凝土,再生骨料性质对其强度的影响相对较小。研究表明,从以下几个方面可以一定程度上提高再生混凝土的强度:

(1)通过控制水灰比,掺入高效减水剂与高活性超细矿物掺合料如粉煤灰、硅灰等,可以配制出高强度且工作性能良好的再生混凝土。

(2)通过机械活化和酸液活化方法对再生骨料表面的状态加以改善,用界面剂、有机耦合剂或环氧树脂等事先涂抹在集料表面可以增强骨料与水泥浆体之间的粘结强度。

(3)二次搅拌工艺由于投料顺序的改变,可以促进水泥颗粒的分散程度,使水泥水化充分,提高再生混凝土的强度达10%以上[2]。

4.2 提高再生混凝土的耐久性

(1)选择合适的水灰比。通过降低再生混凝土的水灰比可以提高再生混凝土的抗渗性能。在水工混凝土中,由于建筑物本身的需要,水工混凝土的水灰比要比普通建筑物的水灰比低,通过减小水灰比来提高再生混凝土的抗冻性,这与对水工混凝土的技术要求相容。

(2)合理选择再生骨料的粒径。相比用较大粒径骨料配制的再生混凝土而言,较小粒径骨料配制的再生混凝土结构紧密。通过减小再生骨料的最大粒径可以提高再生混凝土的抗冻、抗渗、抗碳化等耐久性指标,同时有助于减少再生混凝土的收缩。再生骨料的最大粒径建议使用16～20 mm[3]。

(3)掺加活性掺和料和外加剂。粉煤灰能细化再生骨料的毛细孔道,改善再生混凝土的抗渗性。试验研究表明,掺入10%的粉煤灰与未掺加粉煤灰的混凝土相比,掺加粉煤灰的再生混凝土的渗透深度、吸水率和重量损失率分别降低了约10%、30%和40%[4]。在水工混凝土中掺粉煤灰已被广泛使用,其应用技术较为成熟。添加引气剂对于改善再生混凝土的抗冻性能也有明显的效果。

5 结 语

总体而言,再生混凝土的综合性能低于普通混凝土。然而,只要采取合理的措施,完全可以满足一般水利工程等级对混凝土性能的要求,从而体现较好的社会和经济效益。为加快再生混凝土在较高等级工程中的推广利用,尚需做进一步的研究工作。

[1]中华人民共和国水利部.SL 352—2006水工混凝土试验规程[S].北京:中国水利水电出版社,2006.

[2]孙成城,袁东,宋建学.二次搅拌工艺对再生混凝土强度的影响研究[J].混凝土,2008(6):125-128.

[3]吴红利,宋少民.再生骨料混凝土耐久性试验研究 [J].商品混凝土,2006(4):25-30.

[4]Mandal S,Chakraborty S and Gupta A.Some studies on durability ofrecycled aggregate concrete[J].The Indian Concrete Journal,June 2002:385-388.