添加掺合料后再生混凝土的改性试验研究

2018-01-17刘喜平乔宇航

陕西理工大学学报(自然科学版) 2017年6期

刘喜平，乔宇航

(陕西理工大学土木工程与建筑学院，陕西汉中 723000)

混凝土材料是人类文明建设中不可缺少的物质基础，随着世界范围内城市化进程不断加快,混凝土材料的人均消费量越来越大,使用传统的建筑材料带来的资源过度开采和环境污染越来越显著。再生混凝土作为一种新型绿色环保材料，它的研究发展已成为行业发展的必然趋势。但再生混凝土与普通混凝土相比，由于再生集料自身的复杂性、变异性，导致两种混凝土的基本性能相差较大，使得再生骨料混凝土的应用受到很多限制，若要发展再生混凝土，必须对其进行性能改进研究。相比国外很多国家，如日本、美国、荷兰、丹麦、德国、俄罗斯，我国在再生混凝土的研究方面起步较晚，当前国内针对再生混凝土改性研究的现状大多集中在不同再生粗骨料取代率对再生混凝土的工作性能和力学性能的影响，以及再生混凝土的耐久性、弹性模量、极限拉伸值、拉压比和钢管再生混凝土力学性能和设计方法等[1-2]。所以本试验重点研究当再生混凝土中添加一些掺合料，如粉煤灰、矿粉及硅粉替代部分水泥用量后对再生混凝土的工作性能和力学性能的改变状况，对于克服再生混凝土较普通混凝土性能方面的一些不足进行改进，为工程实践提供参考依据。

1 试验

1.1 试验条件与材料

本试验全程在陕西理工大学土木工程与建筑学院建材实验室完成。

试验主要内容包括：再生粗骨料物理性能测试，观测再生混凝土拌合物在添加不同掺合料后工作性能的变化状况，以及由其制作的试件在经过标准养护后其抗压强度的测试值及受压过程的破坏形态变化情况。

试验材料主要包括再生混凝土粗骨料、水泥、天然细骨料、粉煤灰、矿粉、硅粉、减水剂、水，其中再生粗骨料为陕西理工大学建材实验室用于测试混凝土抗弯强度和抗剪强度后的混凝土梁经人工破碎、人工除杂、人工筛分制成，粒径范围为4.75～31.5 mm；水泥为汉中市汉江水泥厂生产的中材牌普通硅酸盐水泥P.O42.5；天然细骨料为当地的汉江河砂(属于中砂)；粉煤灰、矿粉、减水剂都由当地商品混凝土搅拌站提供(其中矿粉属于S75级别)；硅粉为西安霖源微硅粉有限公司提供,平均粒度0.1～0.15 μm；实验拌和用水来自实验室的自来水。

1.2 添加掺合料的再生混凝土的配合比设计

鉴于目前再生混凝土还没有统一的配合比设计规范，本试验采用天然骨料混凝土的配合比设计方法，按照《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55—2011)[3]进行。设计要求用100%的再生骨料配制再生混凝土，其中除了正常的混凝土拌和材料外，在每组拌合物中需要再分别添加粉煤灰、矿粉和硅粉，用选定的掺合料替代部分水泥量加入，而其中这3种掺合料的用量是根据文献[4-10]中查阅得出的研究人员认为普通混凝土中比较合理的掺入量而确定的，其中：普通减水剂的适宜掺量为0.2%～0.3%，减水率在10%左右；硅粉的合适取代率在20%～40%之间，试验分别选用30%和40%的硅粉取代水泥；粉煤灰取代水泥最适合的取代率为25%～45%，试验选用30%和40%的粉煤灰取代水泥；矿粉取代水泥最适合的取代率为30%～50%，试验选用35%和45%的矿粉取代水泥。根据普通混凝土配比原则，在计算各种材料的用量中用到的数据有：坍落度值范围选定为10～30 mm；水灰比共确定0.4,0.5,0.6三组；再生混凝土表观密度取2400 kg/m3[11]。拌和用水量考虑再生骨料的高吸水性，分两部分组成，一部分是按照普通混凝土配合比设计方法计算出的用水量，称为拌合水，这部分水完成水泥的水化反应；另一部分水不参与水泥的水化反应，其作用是补偿再生粗骨料的高吸水量，称为附加水。附加用水量为再生骨料的吸水率乘以再生骨料用量，本试验再生骨料吸水率选定为试验当时自然状态下测定的24 h的饱和吸水率，而非烘干状态下的吸水率取为2%。

根据研究需要，最终确定了21组配比方案，其中100%再生粗骨料和水泥配制的混凝土，根据水灰比的不同共设计3组，而粉煤灰、矿粉、硅粉以不同的取代率分别取代水泥与再生粗骨料配制的混凝土，在水灰比同上的基础上，各取6组数据。各组混凝土试块的配比和编号情况具体见表1所示。

1.3 再生混凝土试块的制作、养护及试验方法

本试验共做150 mm×150 mm×150 mm的标准试块21组，每组3块，共计63个，具体编号和材料配比情况见表1。各组混凝土试块均采用人工搅拌，标准钢模成型，人工振捣密实，24 h拆模，在温度(20±2) ℃，相对湿度>95%的标准条件下养护28 d。试验中采用坍落度筒法测试新拌再生混凝土的流动性，用观察法判断其保水性和黏聚性；试块装模完成及拆模结束时称量了各试块的质量；按照《普通混凝土力学性能试验方法》(GB/T50081—2002)[12]进行抗压强度试验，试验设备为液压式压力试验机，最大压力值为1000 kN。强度测试按照11.25～18 kN/s的加荷速度加载,直至试样破坏。

2 试验结果分析

2.1 添加不同掺合料后再生混凝土的工作性能变化规律

通过以上试验可以看出，再生混凝土、掺有粉煤灰(适量)的再生混凝土、掺有矿粉的再生混凝土和掺有硅粉(含有减水剂)的再生混凝土的工作性能变化是有一定差异的,其基本规律如下。

2.1.1 添加粉煤灰后再生混凝土的工作性能变化规律

当不添加任何外加剂时，再生混凝土会随着水灰比的增大，其黏聚性和保水性明显下降，同时塌落度值(即流动性)也随着水灰比的增大而减小。而向再生混凝土中添加适量的粉煤灰后，再生混凝土的流动性和保水性明显提高，但对新拌再生混凝土的黏聚性影响不大。总体而言，适量的粉煤灰添加到再生混凝土中可明显改善新拌再生混凝土的工作性能。

表1 添加掺合料的再生混凝土试块的配合条件、工作性能、28 d抗压强度

注：无1—无3代表不同水灰比时无掺合料的再生混凝土;粉1—粉6代表不同水灰比下，单独添加粉煤灰，且粉煤灰取代水泥量不同时的再生混凝土；矿1—矿6代表不同水灰比下，单独添加矿粉，且矿粉取代水泥量不同时的再生混凝土；硅1—硅6代表不同水灰比下，单独添加硅粉和减水剂，且硅粉取代水泥量不同时的再生混凝土。

2.1.2 添加矿粉后再生混凝土的工作性能变化规律

掺有矿粉的再生混凝土的流动性随着水灰比的增大而减小，这与再生混凝土和添加粉煤灰的再生混凝土的流动性变化性规律一致。但在较高的水灰比下，掺有矿粉的再生混凝土的黏聚性和保水性明显改善。同时，在相同的水灰比下，矿粉取代率较高的再生混凝土的流动性较强。总之，矿粉可以提高再生混凝土的流动性，同时，在较高的水灰比下，掺有矿粉的再生混凝土的黏聚性和保水性均有所提高。

2.1.3 添加硅粉(含有减水剂)后再生混凝土的工作性能变化规律

试验显示：掺有硅粉(含有减水剂)的再生混凝土，当硅粉取代率相同时，流动性随着水灰比的变化几乎不变，无变化规律可寻；但当水灰比相同时，掺有硅粉(含有减水剂)的再生混凝土的流动性却会随着硅粉的取代率减小而大幅增大，这说明硅粉的掺入量过大不但不能提高再生混凝土的流动性，反而会降低其流动性。这与掺有粉煤灰(适量)的再生混凝土和掺有矿粉的再生混凝土的趋势相反。另外，掺有硅粉(含有减水剂)的再生混凝土的黏聚性和保水性相对于再生混凝土的黏聚性和保水性有所提高。

2.2 添加不同掺合料后再生混凝土的抗压强度变化规律和破坏形态比较

2.2.1 抗压性能比较

影响混凝土强度的因素很多，主要包括三个方面，从原材料方面主要表现为水泥强度，水灰比，集料的种类、质量和数量，外加剂和掺合料；从生产工艺方面主要包括施工条件(如搅拌和振捣)和养护条件以及龄期；第三个方面为试验因素，包括试件形状尺寸、表面状态、含水程度和加载速度等。鉴于本试验中试验因素和生产工艺完全相同，原材料中水泥强度，集料的种类、质量相同，所以最终再生混凝土强度的区别主要体现在水灰比和掺合料种类的不同上，因此将表1中试验数据进行汇总之后，得到表2中添加不同掺合料后，不同水灰比下不同种类再生混凝土的抗压强度比较值。

表2 不同水灰比下各类再生混凝土抗压强度对比表

分析试验数据可知，随着水灰比的增加，掺入粉煤灰(适量)和矿粉的再生混凝土的抗压强度同无掺合料的再生混凝土抗压强度变化规律相同，都呈现出减小的趋势，这也与普通混凝土强度变化规律一致。而掺有硅粉(含有减水剂)的再生混凝土的抗压强度却随着水灰比的增大而增加；粉煤灰的添加不能提高再生混凝土的抗压强度，而且在水灰比相同的条件下，基本上呈现出添加的数量越多，强度下降越大的趋势。

添加适量的矿粉得到的再生混凝土的强度变化规律如下：当水灰比较小时(如0.4)，添加矿粉后，混凝土的强度值会下降；而当水灰比较大时(如0.5和0.6)，添加矿粉后再生混凝土的强度值明显升高，且替代量越多，强度增大越多。这充分说明矿粉其实可以提高再生混凝土的强度，但在用量上一定要把握适度，当水灰比为0.5，而替代率为0.45左右时效果最好，其他配比下再生混凝土强度改善不明显。

添加适量的硅粉(含有减水剂)得到的再生混凝土强度变化规律如下：当水灰比较小时(如0.4)，添加硅粉后，混凝土的强度值会下降，且替代量越大，强度值越低；而当水灰比较大时(如0.5和0.6)，添加硅粉后再生混凝土的强度值明显升高，且替代量越少，强度增大越多。如当取代率为40%的硅粉再生混凝土的抗压强度提高了大约70%，取代率为30%的硅粉再生混凝土的抗压强度提高了大约一倍。综上所述，当水灰比较大时，添加有减水剂的硅粉可以大幅度提高再生混凝土的强度。这充分说明硅粉在水泥水化过程中参加了反应，可能是硅粉中的SiO2与水泥水化反应产物Ca(OH)2反应生成了新的更为致密的水化硅酸钙凝胶，填充了水泥颗粒之间的空隙，改善了再生混凝土的界面结构，以及提高了水泥砂浆和再生粗骨料之间的黏结力，从而提高了再生混凝土的抗压强度。但要想提高混凝土的强度，硅粉的添加量也不可太多。

总体而言，添加矿粉和硅粉后的再生混凝土在水灰比较小时，无法提高其强度，但水灰比较大时，强度明显能够提高，且在水灰比相同时添加硅粉比添加矿粉提高混凝土强度的幅度更明显。

2.2.2 试块抗压时破坏形态比较

普通混凝土受力破坏一般出现在粗骨料和水泥石的分界面上，主要原因是水泥砂浆和粗骨料的弹性模量值相差较大,由于荷载的作用、水泥水化反应和温湿度的变化导致二者变形不一致,从而产生了界面裂缝,成为混凝土最容易破坏的地方，同时也是混凝土强度的最薄弱环节，这就是常见的黏结面破坏形式。另外，当水泥石的强度太低时，也有可能出现水泥石本身破坏，这也是常见的破坏形式。

而对于再生混凝土而言,由于再生粗骨料表面被水泥砂浆包裹着,使得再生粗骨料与新的水泥砂浆之间弹性模量相差减小,黏结力和界面结合能力有所提高。同时,再生粗骨料的吸水性较强,许多微小裂缝吸入新的水泥颗粒,使其水化反应更加完全,形成更加致密的界面结构，使得黏结力和界面结合有所加强,从而在一定程度上补偿由于再生粗骨料强度较低而导致的再生混凝土强度不足的缺陷。另外，由于再生粗骨料表面附着大量的已经凝结的水泥砂浆，从而使得再生粗骨料的表面粗糙度要远远大于天然骨料的表面粗糙度。又由于在人工破碎过程中，部分石子因受力而导致开裂，使得再生粗骨料的表面粗糙度相对于天然粗骨料的表面粗糙度又有所提高，这也增加了棱角效应。众多现象分析可知，再生粗骨料的性能对于提高再生混凝土的强度是有利的。

抗压试验过程显示：再生混凝土的破坏形态与普通混凝土的破坏形态相比并不存在任何差异，也属于黏结面破坏形式，试块破坏后均为残存的棱锥体。而掺有粉煤灰(适量)、矿粉、硅粉(含有减水剂)的再生混凝土的破坏形态与再生混凝土的破坏形态也完全相同，仍属于黏结面破坏形式。图1为再生混凝土抗压试验过程中拍摄的破坏形态。由此可见，再生混凝土粗骨料的本身强度还是比较大的，而想提高再生混凝土抗压强度，必须保证再生混凝土中粗骨料和水泥浆的良好结合。