UHPC再生砂混凝土抗压强度研究

周文轩

(同济大学,上海 200092)

超高性能混凝土,简称UHPC(Ultra-High Performance Concrete),起源于20世纪80年代,是一种新型的水泥基复合材料,主要由硅酸盐水泥、硅灰、磨细石英粉、细骨料、高效减水剂和纤维组成。因具有优异的力学性能和耐久性能够满足桥梁工程轻质高强、快速架设、经久耐用的需求,引起桥梁界的极大兴趣和高度重视,在桥梁领域具有广阔的应用前景[1]。自1997年世界上首个UHPC工程加拿大Sherbrooke人行桥建成以来,截止目前,UHPC已应用于全球1 000多座桥梁,中国约120座桥梁使用了UHPC材料[2]。此外,2021年,中国已生产约为33.1亿m3商品混凝土[3],产量居世界首位。

UHPC为获得更致密的水泥基体,UHPC用石英砂代替了普通混凝土中大剂量使用的粗骨料,石英砂(QS)在材料消耗中的占比往往能达到10%～65%[4]。此举大大提高了UHPC的初始材料成本,并限制了UHPC在无法获得细石英砂地方的应用。相关研究人员提出河砂代替石英砂并取得成功,然而,在这个时代,一些国家和地区甚至连河砂都严重短缺。以中国为例,在过去的20年里,中国许多地区的河砂供应量急剧下降,这主要是由于前所未有的大规模建设中对河砂的无计划开采和过度消耗。河砂的开采不仅导致河砂价格飙升,而且对河流生态系统、航运和防洪产生了巨大影响。事实上,在中国的许多地区,如福建、上海和浙江等,政府已经发布了禁止或限制在施工中使用河砂的法律或法规,这使得进一步寻找砂的有效替代品来制备混凝土变得越来越紧迫[5]。

目前相关学者利用各种砂取代混凝土的天然河砂取得较为丰富的成果,包括人工砂、风积砂和再生砂均取得成功。刘超等[6]在研究中发现风积沙可以优化骨料级配,改善混凝土的孔隙结构,加快水泥水化速度,提高混凝土工作、力学和耐久性能。

再生砂是一种由水泥、骨料、水和外加剂或部分水泥替代材料组成的非均质复合材料,与作为均质材料的天然砂有很大不同。再生砂的组成比天然砂的组成更复杂。再生砂可以近似地看作天然砂、水泥砂浆以及天然砂和水泥砂浆之间的界面过渡区(ITZ)的组成。水泥砂浆附着在天然砂表面。旧水泥砂浆中有许多裂缝,形成了强度低的薄弱区域。原始骨料和旧水泥砂浆之间的ITZ也很弱。因此,再生砂的强度由于这些薄弱区域而降低。此外,在再生砂的回收过程中,经过破碎、研磨等工序,会使再生砂中产生一些微裂纹,增加了再生砂的孔隙率[7]。

再生砂吸水率显著高于天然砂,约为天然砂的4倍以上。吸水率增大的主要原因是由于细集料是通过机械破碎而形成的,因此在其制备过程中存有大量由于硬伤累积形成的微裂缝,导致再生细集料表观密度下降,吸水率提高。此外再生砂中0.15 mm以下颗粒含量较多。由于再生砂来源于废弃混凝土,因此这些粒径集料主要以硬化水泥浆体为主,这些水泥浆体破碎成粉状后,在表面积增大的同时,还有一定量的未水化相,对水有较强的吸附力,进一步提高了再生细集料的吸水率。再生砂的高吸水率势必会对其周围水泥水化进程产生不利的影响,即水化速度变缓,水化程度降低,水化产物数量减少,同时由于再生细骨料也是高吸水性材料,在其表面不会像天然河砂一样形成水膜层,在上述因素影响下,界面过渡区内会出现水分匮乏现象,导致界面过渡区水化产物数量明显减少,因此未在其界面过渡区见到明显的Ca(OH)2富集,同时由于水分的匮乏,也使得界面过渡区水泥石微观结构进一步劣化,界面过渡区的范围进一步增大,从而形成导致再生细骨料混凝土微观结构缺陷形成的一个重要原因[8]。

Poon等[9]在研究中发现用高性能混凝土再生骨料配制的再生混凝土的骨料-水泥石界面过渡区内水化产物密实,而用普通混凝土再生骨料配制的再生混凝土的骨料-水泥石界面过渡区主要由一些松散的水化产物组成,该区域呈现多孔状态,这也表明了UHPC再生砂利用具备的优势。

采用一定量的再生砂替代天然砂配制混凝土,其工作性、物理力学性能、抗氯离子渗透性能和抗碳化能力均与基准混凝土有明显差异[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强度。已经提出了几种解决方案来补偿再生砂混凝土的强度降低,例如使用纤维、增加水泥用量和添加矿物掺合料。

另外国家也出台了《混凝土和砂浆用再生细骨料》规范,表明再生砂正朝着大规模应用的方向发展。超高性能混凝土(UHPC)作为砂资源消耗的特殊材料,具有极高的回收价值。但由于UHPC的组分构成不同于普通混凝土,在UHPC中大量的石英砂往往作为一种昂贵的填充材料未能参与水化反应,因此对于UHPC的再生砂制备的混凝土的力学性能需要作进一步讨论,本文主要针对UHPC构件回收制备再生砂和利用再生砂制备普通混凝土的抗压强度进行试验研究,并分析UHPC再生砂制备混凝土的可行性。

1 试验

1.1 原材料

本研究中采用C50混凝土为基础,主要材料为52.5普通硅酸盐水泥、天然河砂以及粗玄武岩骨料(10 mm～20 mm)以及再生砂。

再生砂来源于UHPC旧料回收利用,原UHPC构件来源于实验室拉伸破坏性试验,其中粗骨料采用碎玄武岩,质量分数为25%,此外还掺加了0.75%～2%体积分数的钢纤维形成超高性能钢纤维增强混凝土(UHPRFC)。其余组分构成为：水泥、硅灰、石英粉、石英砂(0.15 mm～0.6 mm)超塑化剂以及水,抗压强度130 MPa～170 MPa。

在进行UHPF RC构件破碎时,为了提高破碎效率和再生骨料质量,将破碎流程分为三步：1)使用颚式破碎机进行大尺寸UHPF RC的初次破碎;2)使用锤式破碎机对得到的尺寸不大于100 mm的碎料进行第二次破碎;3)使用粗粉磨设备将二次破碎得到尺寸不大于25 mm的碎料进行研磨至粒径不大于5 mm的碎料。

然后利用永磁滚筒磁选机对碎料进行钢纤维剥离,得到不含钢纤维的碎料。该部分碎料根据原构件组成可知其组成成分为：部分水化的水泥、硅灰、石英粉、石英砂(0.15 mm～0.6 mm)、玄武岩(3 mm～5 mm),破碎的玄武岩。由于各组分粒径各有不同,我们将采用不锈钢筛网对粉料进行多次筛分,得到粒径为0.15 mm～0.6 mm的再生砂(如图1所示)。再生材料质量分数如图2所示：再生砂(37.8%),再生粉末(26.6%),再生细骨料(28%),再生粗骨料(3.9%),再生钢纤维(3.2%)以及其他。

从图2中可以看出再生砂是UHPC回收材料中质量占比最大的材料,再生砂的有效应用是实现UHPC循环再生利用的关键一步。UHPC中的再生砂主要成分为石英砂,表1为再生砂和河砂的对比表,在当前工程建设中,由于河砂的短缺,更多的石英砂开始代替河砂参与到工程建设中。

表1 再生砂与河砂对比表

1.2 配合比试验

再生砂(0.15 mm～0.6 mm)以35%的替代率取代C50中的河砂,在C50配合比的基础上进行改进,根据改进后的配合比进行混凝土抗压强度试验。此外,为降低再生砂吸水率对于混凝土的流动性影响,在再生砂混凝土中添加胶凝材料质量0.35%的高效减水剂(减水率为36%的液态聚羧酸系),详细配合比见表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配合比一览表

混凝土拌合物采用搅拌机搅拌,搅拌前将搅拌机冲洗干净,并预拌少量水胶比相同的砂浆;将称好的粗骨料、胶凝材料、细骨料和水依次加入搅拌机,减水剂与拌合水同时加入搅拌机,直至搅拌均匀。制备天然砂C50(NAC)150 mm×150 mm×150 mm一组3个;制备再生砂C50(RSC)70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm试块两组6个。参照GB/T 50081—2019普通混凝土力学性能试验方法标准[11]测定NSC以及RSC的力学性能。全部试块制备后24 h进行脱模,然后经过28 d标准养护(温度(20±3)℃,湿度95%)后采用最大压力为3 000 kN的全自动压力试验机进行立方体抗压强度试验,加载速率为1.2 MPa/s。

2 结果与分析

图3,图4分别为天然砂混凝土和再生砂混凝土单轴受压典型破坏形态。再生砂单轴受压呈现完全破坏形态,相比NSC呈现出更大的脆性,断面有着大量松散砂浆,粗骨料与砂浆之间黏结不强。

抗压强度试验结果如表3所示。

表3 抗压强度试验

由于再生砂混凝土和天然骨料混凝土制备的抗压强度试块尺寸不同,根据相关文献[12]查得C50立方体试件尺寸折减系数70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm /150 mm×150 mm×150 mm =0.916,通过计算得到经过修正后的再生砂混凝土的平均抗压强度为34.02×0.916=31.16 MPa,抗压强度对比基准组C50下降43%,但仍满足C30混凝土强度要求。

一般来说,由于再生砂包覆有黏附砂浆,引起多种弱界面过渡区的出现,是导致再生混凝土强度降低的主要原因,如图5所示,与使用纯天然河砂作为细骨料相比,使用再生砂制备的再生混凝土中含有更多类型的ITZ包含：黏附砂浆和新砂浆之间的过渡区(ITZ①),天然骨料和新砂浆之间的过渡区(ITZ②),天然骨料和黏附砂浆之间的过渡区(ITZ③),此外,多重破碎、研磨造成了再生砂容易出现一些微裂纹,这些微观表现导致了混凝土宏观强度的下降。

UHPC再生砂的直接应用并未在力学性能上取得突出进展,但这是一次有效的尝试,再生砂混凝土满足C30的要求,仍存在较大的应用范围,例如道路工程等等。但UHPC再生砂开辟了UHPC再生循环利用的先河,响应了国家的十四五规划要求,降低了混凝土材料成本和碳排放,在未来有着广阔的研究前景。

3 结论与展望

UHPC构件经过破碎、筛分、磁选等工序制得的粒径在0.15 mm～0.6 mm的再生砂,其主要成分为部分水化的水泥基体、石英砂(0.15 mm～0.6 mm)、破碎的玄武岩。将其以35%的替代率取代C50中的天然河砂制备混凝土,抗压强度下降43%,与C30强度相当,仍有着较大的应用空间。研究分析,微观的弱界面过渡区的引入是引起强度下降的主要原因。UHPC再生砂混凝土是一次突破性的尝试,降低了混凝土初始成本和碳排放,应进行进一步探索。

目前,很多学者对于再生骨料的改性增强研究相对比较丰富了,但是对于UHPC中的再生砂和再生粉末的预处理仍有所欠缺,这也将成为热门的研究方向。无论是近期热门的碳酸化、热处理或是微生物碳酸盐沉淀以及纳米TiO2处理技术都已初步呈现出不俗的效果。