粗骨料替代率对再生混凝土性能影响研究

张 恺,林 子 琪,尹 志 刚,王 亮,周 洪 仟

(1.大连理工大学 水利工程学院,辽宁 大连 116024; 2.长春工程学院 吉林省水工程安全与灾害防治工程实验室,吉林 长春 130012)

0 引 言

在“碳达峰、碳中和”战略的推进下,中国工业固废与建筑垃圾资源化的前行思路更加清晰,目标更加明确。将建筑固废破碎后制备成再生骨料进行资源化回收利用,既能减少建筑工程对自然资源的过度消耗,又解决了建筑固废的处理问题,同时也是实现绿色、可持续发展和循环经济的重要途径[1-3]。

目前,国内外学者对再生骨料混凝土(RAC)力学性能方面开展了大量的试验研究。陈宗平等[4]认为随着再生粗骨料替代率的增加,再生混凝土力学性能略有提高。侯永利等[5]研究却发现,随着再生粗骨料取代率的增加,再生混凝土力学性能均有不同程度降低,但随着养护龄期的延长,降低幅度有所缓解。杨阳等[6]、郭远新等[7]认为再生粗骨料的来源、品质和替代率对再生混凝土的力学性能有显著影响。徐福卫等[8]推导并给出了界面过渡区厚度与再生骨料掺量之间的计算公式,为定量分析和研究界面过渡区对再生混凝土性能影响提供了理论参考。Zaharieva等[9]、Júnior等[10]的研究结果表明,再生粗骨料表面黏附老旧砂浆、吸水率高以及破碎过程中出现的微裂纹是引起再生混凝土力学性能和耐久性降低的主要原因。综上可以看出,目前对再生混凝土的研究主要集中在宏观力学性能和材料改性等方面,而对再生骨料混凝土力学性能和微观孔隙结构随养护龄期演变规律方面的研究还相对较少。同时,混凝土内部微观孔隙结构对其宏观性能具有直接影响。因此,研究不同粗骨料替代率的再生混凝土力学性能和微观结构随养护龄期的演变规律具有非常重要的意义。

近年来,低场核磁共振技术(LF-NMR)作为一种新型多孔介质微观结构检测方法,在混凝土、岩土工程领域应用越来越广泛[11-12]。该方法以水为介质,具有测试速度快、无损、结果准确等诸多优点,目前已成为在线实时监测多孔介质内部孔隙结构演变过程的一种有力手段[13-14]。

基于上述分析,本文以不同再生粗骨料替代率(0,30%,50%,70%,100%)及养护龄期(3,7,14,28 d)作为研究变量,共计制备150个边长为100 mm的立方体试块和15个尺寸为50 mm×100 mm(直径×高度)的圆柱体试样。对上述立方体试块养护至设定龄期后开展单轴抗压强度和劈裂抗拉强度试验,同时,利用低场核磁共振技术分析了不同条件下圆柱体芯样内部孔结构的演变规律,以期为研究不同粗骨料替代率及龄期对再生混凝土力学性能的影响提供数据支撑。

1 试验方案设计

1.1 试验材料与配合比设计

试验选用吉林亚泰鼎鹿牌P·O 42.5级普通硅酸盐水泥,天然粗骨料选用表观密度为2 710 kg/m3,粒径在4.75～37.5 mm之间的连续级配碎石,压碎指标为5.67%;再生粗骨料来源于实验室自制C35混凝土棱柱体试块,在完成力学试验后,经机械破碎然后再通过振动筛分、人工筛洗后,获得粒径范围为4.5～37.5 mm的再生粗骨料。经测定再生粗骨料24 h吸水率为5.7%,压碎指标为13.4%;细骨料选用细度模数为3.0的天然河砂;减水剂选用沈阳某公司生产的FDN-A型萘系减水剂,减水率为21%,掺量为水泥用量的0.8%;试验用水为普通自来水。根据规范[15-16]要求,试验具体配合比设计如表1所列。

表1 再生混凝土配合比设计Tab.1 Mix proportion of recycled concrete kg/m3

1.2 试验方法与主要试验设备

采用二次投料法制备再生混凝土,将浇筑成型的试块在室温下静置24 h之后移入标准养护房内,养护至规定龄期后开展相应测试。利用WAW-2000kN电液伺服万能试验机进行力学性能测试,按照速率控制加载,加载速率为0.2 mm/min,当达到预估峰值的80%后,将加载速率调整为0.1 mm/min,直至试块压坏。

1.3 低场核磁共振测试

LF-NMR技术原理是:对待测样品施加一个射频磁场后,样品内部的1H质子自旋系统被迫从低能态跃迁到高能态,当射频磁场结束后,核自旋就从高能态的非平稳状态恢复到低能态的平衡状态,这一过程就是弛豫过程[11]。核磁共振的横向弛豫时间T2曲线与样品孔径大小呈正比,因此可通过T2图谱的峰面积来表征孔隙的数量和相应孔径的占比。对于岩土、水泥基类等多孔介质,横向弛豫时间T2可通过式(1)表征[12-13]:

(1)

式中:ρ2为待测样品的表面弛豫速率;(S/V)为样品孔隙表面积与流体体积的比值;Fs为孔隙几何形状因子;R为孔隙半径。

在本次试验中,使用MesoMR23-060H-I低场核磁共振仪器(纽迈,上海)测试不同替代率再生混凝土样品微观孔隙结构随养护龄期的演变规律。设备的主振频率为21.3 MHz,磁体强度为0.5±0.08T,线圈直径为60 mm。主要测量参数设置如下:P1=13.00 μs,P2=26.00 μs,SW=200 kHz,TR=1 000 ms,NS=32,回波间隔时间为0.26 μs,回波计数为18 000。在测试期间,磁体和探头组件的温度保持在32±0.01 ℃。低场核磁共振测试流程具体见图1。本次试验共制备15个圆柱体试样,每组3个,LF-NMR的测试结果取3个样品的平均值。

图1 低场核磁共振测试流程Fig.1 Flow chart of LF-NMR test

2 试验结果与分析

2.1 抗压强度

图2(a)绘制了不同粗骨料替代率再生混凝土抗压强度随养护龄期的变化散点图及拟合曲线。从图中可以看出,不同替代率再生混凝土的强度增长规律基本相似,各组再生混凝土抗压强度随龄期基本呈对数增加的趋势,但各组强度增长幅度不尽相同。

图2 再生混凝土抗压强度关系曲线Fig.2 Variation curves of compressive strength of RAC

为进一步直观对比,将再生粗骨料替代率在不同养护龄期下的再生混凝土抗压强度绘于图2(b)。分析可知,随着再生粗骨料替代率的增加,抗压强度呈现先增后减的趋势。各养护龄期下,RAC-30组的再生混凝土抗压强度最高;RAC-50组再生混凝土28 d的抗压强度稍高于对照组(RAC-0)的强度;当粗骨料替代率超过50%后,各养护龄期下的再生混凝土抗压强度均明显降低,与对照组(RAC-0)28 d的抗压强度相比,RAC-70和RAC-100两组再生混凝土28 d抗压强度分别降低了7.55%,20.84%。

粗骨料替代率在50%时,再生混凝土的抗压强度没有明显下降的原因是在浇筑制备过程中,再生粗骨料表面附着的旧水泥砂浆会吸收少量拌和的水,从而降低实际的水灰比。另外,也有研究表明,在后续养护的过程中,再生粗骨料吸附的部分水会逐渐释放,使得这些粗骨料周围水泥充分水化,形成一定的“内养护”条件,进而提高混凝土的抗压强度[9-10]。当再生粗骨料替代率超过50%后,骨料自身的缺陷就会充分显露出来。这是由于在制备再生粗骨料破碎过程中会产生微裂隙,这些初始随机分布的微裂隙数量随替代率的增加而不断增大;同时,粗骨料含量越高,新、旧砂浆黏结界面过渡区也会越多,致使试块整体密实性变差,最终表现为宏观力学性能的下降。

2.2 劈裂抗拉强度与拉压比

图3(a)为相同龄期的劈裂抗拉强度随粗骨料替代率的变化关系曲线。分析可知,随着再生粗骨料替代率的增加,各组再生骨料混凝土的劈裂抗拉强度呈先增后减的趋势。不同养护龄期下,RAC-30组的再生混凝土劈裂抗拉强度最大;当粗骨料替代率超过50%后,各养护龄期下的再生混凝土劈裂抗拉强度明显降低。这主要是由于混凝土的劈裂抗拉强度主要取决于骨料的均匀性和骨料-砂浆界面间的黏结强度。随着再生粗骨料替代率的增加,新、旧水泥砂浆之间的黏结面也越多,界面过渡区的含量也增多,从而导致劈裂抗拉强度的降低。

图3 再生混凝土劈裂抗拉强度及拉压比变化曲线Fig.3 Variation curves of splitting tensile strength and tension compression of RAC

拉压比可在一定程度上反映混凝土的抗裂性能。图3(b)为不同粗骨料替代率再生混凝土各养护龄期下劈裂抗拉强度与抗压强度的拉压比柱状图。分析可知,随着养护龄期的增加,各组试块的拉压比基本呈逐渐增加的趋势。养护至28 d龄期时,RAC-0、RAC-30、RAC-50、RAC-70和RAC-100各组再生混凝土的拉压比分别为0.057,0.060,0.053,0.052和0.050。与养护龄期为3 d时相比,28 d龄期的各组混凝土拉压比分别增长了64.7%,82.8%,38.4%,27.2%和49.8%。可以看出,相较其他对照组,RAC-30组的拉压比增长幅度最高,表明该组再生骨料混凝土抗裂性能最好。

3 基于核磁共振技术的微观孔隙结构表征

3.1 核磁共振横向弛豫时间T2分布

不同粗骨料替代率条件下,各组混凝土核磁共振横向弛豫时间T2随养护龄期的变化曲线如图4所示。可以看出,各组样品的横向弛豫时间T2分布曲线呈明显的“三峰”状分布,从左至右分别对应再生混凝土的微孔、中孔和大孔的变化情况,且各级孔隙之间有较好的连续性。

图4 不同养护龄期下再生混凝土T2分布曲线的变化Fig.4 Changes of relaxation time distribution curves of RAC under different curing age

进一步分析图4可知,再生粗骨料替代率对核磁共振的信号幅度和横向弛豫时间的分布范围均有较大影响。养护至28 d后,RAC-0到RAC-100各组T2图谱面积分别降低14.25%,23.47%,34.24%,39.34%和45.85%。以RAC-50组数据为例分析,与3 d龄期时的T2谱面积相比,7,14 d和28 d龄期的T2谱面积分别降低了12.80%,19.12%和34.24%。

此外,随着养护龄期的增长,再生骨料混凝土的横向弛豫时间T2分布范围逐渐变窄,信号幅度降低,尤其是第一峰下降幅度最为显著。这主要是由于水泥的水化进程在不断地发生变化,产生的水化胶凝产物填充周围孔隙,混凝土的密实性增大[14]。另外,随着龄期的增加,横向弛豫时间信号幅度在降低的同时,第一峰的峰值点也伴有“左移”趋势,这意味着混凝土内部的孔隙结构也在逐渐细化。

3.2 孔结构与粗骨料替代率关系

吴中伟等[17]将混凝土内部的孔隙结构划分为无害孔(<20 nm)、低害孔(20～50 nm)、有害孔(50～200 nm)和多害孔(>200 nm)。图5为28 d龄期时不同粗骨料替代率再生混凝土的孔结构分布柱状图。可以看到,各组再生混凝土的无害孔和多害孔的孔径占比差别明显,RAC-30组的无害孔含量最多,其次为RAC-0组和RAC-50组。RAC-50、RAC-70和RAC-100组多害孔占比比RAC-30组分别增大了28.1%,65.5%和74.3%。由此可知,替代率超过50%后,再生混凝土的无害孔占比随着替代率的增加而不断降低,多害孔占比随替代率的增加而不断增大。

图5 28 d龄期时不同粗骨料替代率再生混凝土的孔结构分布Fig.5 Pore structure distribution of RAC with different replacement rate of coarse aggregate at 28 d curing age

3.3 孔隙率与力学性能的相关性分析

文献[18]总结了常用水泥基类材料强度与孔隙率的半经验模型。在此,基于核磁共振下孔隙率结果与其力学性能进行拟合,图6(a)和(b)分别给出了不同替代率条件下再生混凝土抗压、劈裂抗拉强度与核磁共振孔隙率的散点图及拟合曲线。从图6中可以看出,无论是抗压强度还是劈裂抗拉强度均随孔隙率的增大而逐渐降低。这主要是由于随着养护龄期的推移,水泥的水化程度也在不断进行,孔隙水逐渐被消耗,大孔逐渐演变为中孔、小孔,使得再生混凝土内部的密实度增加,宏观上表现为孔隙率降低,力学性能逐渐增大。

图6 核磁共振下孔隙率与再生混凝土强度的关系Fig.6 Relationship between porosity and strength of RAC under NMR

4 结 论

(1) 再生粗骨料替代率对混凝土的力学性能有较大影响。当再生骨料替代率为30%时,再生混凝土立方体试块的抗压性能和抗裂性能最好。28 d龄期时,RAC-30组的抗压强度和劈裂抗拉强度较基准混凝土分别提升了22.3%和26.6%。替代率超过50%以后,再生混凝土的各项力学性能开始明显下降。

(2) 养护龄期对低场核磁共振的信号幅度和弛豫时间的分布范围均有较大影响。不同替代率下的再生混凝土核磁共振横向弛豫时间T2分布曲线均表现为“三峰”分布。随着养护龄期的增加,弛豫峰面积逐渐降低,孔隙率及微孔、中孔和大孔的比例降低;整体来看,T2分布范围逐渐变窄,第一峰有左移的趋势。表明利用低场核磁共振技术可以很好地表征混凝土内部孔隙结构随养护龄期的演变规律。

(3) 对不同替代率再生混凝土的孔隙率和力学性能试验数据进行拟合,建立了基于核磁共振孔隙率与不同替代率再生混凝土的强度预测模型,相关系数均在0.726以上。