碱激发矿渣水泥再生骨料疲劳性能研究

冷风

摘要：通过对再生骨料混凝土进行疲劳试验，并结合混凝土的疲劳损伤模型，从试验、损伤模型两方面对再生骨料混凝土的损伤性能进行探究。通过采取碱激发矿渣水泥做胶凝材料与再生骨料制备再生骨料混合料，用水玻璃作为碱激发剂，探究最佳的碱激发剂含量，并对碱激发再生骨料混合料的疲劳性能进行分析研究，得到了水玻璃激发矿渣再生骨料在不同应力比下不同龄期的疲劳方程。通过试验发现NaOH、Na2SiO3作为碱激发剂时，分别存在一个最优掺量4%、6%，二者都能够激发矿渣提高再生骨料性能。

关键词：再生骨料 碱激发 疲劳性能 碱激发剂

中图分类号：TU528.041

Research on the Fatigue Properties of Recycled Aggregates from Alkali-Activated Slag Cement

LENG Feng

The Bridge Engineering Co.， Ltd.， of CTCE Group，Changchun， Jilin Province，130000 China

Abstract： This paper carries out the fatigue test of recycled-aggregate concrete， and combined with the fatigue damage model of concrete， it explores the damage performance of recycled-aggregate concrete from the two aspects of the test and the damage model. This paper uses alkali-activated slag cement as cementitious materials and recycled aggregates to prepare recycled-aggregate mixtures， uses water glass as alkali activators to explore the optimal alkali activator content， and analyzes and studies the fatigue performance of the alkali-activated recycled-aggregate mixture. Through the test， it is found that when NaOH， Na2SiO3 are used as alkali activators， there is an optimal content of 4% and 6% respectively， both of which can activate slag to improve the performance of regenerated aggregates， and that water glass activates the fatigue of the semi-rigid base of the regenerated aggregate of slag， and fatigue equations at different stress ratios and different ages are finally obtained.

Key Words： Recycled aggregate; Alkali activation; Fatigue performance; Alkali activator

我国作为全球知名的基建大国，公路建设里程已有519.8万km，比往年增加18.56万km，公路里程中养护里程就有514.40万km，占比99%[1]，是一个非常大的重要占比。12%左右道路都会进行或大或中的修缮[2]，再生骨料混凝土的性能与普通天然骨料混凝土性能相似，可用再生骨料组成级配碎石，配合水泥稳定类材料一般为水泥稳定碎石，将废旧混凝土进行再生利用 [3-4]，具有重大战略意义，符合建设资源节约型、环境友好型社会的要求。

赵百超[5]、胡力群等人[6]以不同掺量再生骨料制备水稳料，测定其性能发现，再生骨料的使用会降低水稳料的力学强度。张超[7]试验结果表明：再生骨料基层的性能与天然骨料基本相同，各项指标均能满足现行的无机结合料稳定基层规范。万小梅等人[8]研究了再生骨料粉末在碱激发胶凝材料的应用，彭武磊[9]试验研究发现矿粉中 CaO、SiO2 和 A12O3等活性组分较粉煤灰的含量高，在激发剂作用下矿粉表现出较强的潜在水硬活性，在水化前期比粉煤灰反应更充分、更剧烈，短时间内可以形成数量更多的水化产物以促进强度发展。为此，本文研究水玻璃作为激发剂时的掺量影响，矿粉作为胶凝材料和再生骨料制备水稳料，研究其疲劳工作性能。

1 试验材料

试验采用高炉矿渣（Ground Granulated Blast-Furnace Slag，GGBS）和P·O 42.5水泥，其组成参数如表1所示。

本研究采用的碱激发剂有NaOH和Na2SiO3溶液，NaOH溶液利用纯度98%的固体NaOH粒配制，Na2SiO3溶液利用模数为1的固体Na2SiO3配制。

再生骨料通过鄂式破碎机破碎废旧混凝土，进行集中破碎、分选、磁选、强化和筛分，处理成粒径为0～4.75 mm、4.75～9.5 mm、9.5～19 mm、19～31.5 mm的4种再生骨料。

2 试验方案

将水泥熟料、矿渣和石膏粉按照质量比 65∶30∶5进行预混制备矿渣水泥，NaOH、Na2SiO3以矿渣掺入量为标准，按照Na2O含量的4%掺入。

实验中再生骨料级配设计为：0～4.75 mm∶4.75～9.5 mm∶9.5～19 mm∶19～31.5 mm=27∶21∶29∶23

为满足交通荷载对半刚性基层要求，探究碱激发剂掺量对水稳料的影响，对疲劳损伤力学性能指标进行评价。水泥掺入量4.0%、4.5%、5.0%，按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）为指导进行试件制备和养护。

3 试验结果分析

3.1 碱激发剂含量对水稳料强度影响

通过试验数据发现以NaOH、Na2SiO3作为激发剂激发矿渣都能提高再生水稳料的7d、28d抗压强度，在NaOH掺量为6%时，7d、28d抗压强度分别提高了21.9%、21.1%，Na2SiO3掺量为4%时，7d、28d抗压强度分别提高了28.1%、34.2%，并且在NaOH、Na2SiO3到达一定浓度后对激发作用不大。NaOH、Na2SiO3分别存在一个最优浓度6%、4%，通过宏观对比抗压强度的增强效果看，Na2SiO3激发效果更好一点。

3.2 疲劳性能影响分析

3.2.1  S-N曲线模型

最早是德国人Whole提出并使用的，因此S-N曲线也称为Whole曲线。S-N曲线即所谓的材料的应力一寿命曲线，是表示疲劳应力水平与直到破坏时的循环次数即疲劳寿命之间的函数关系式。其中S代表应力水平，可以用循环过程中的最大应力、最小应力、循环比来表示，最常见的用应力与静载强度的比值来表示。N表示疲劳寿命，即试件从加载到疲劳破坏时所经历的循环周次。

幂函数模型：

式（1）中：S为应力水平，即施加应力与弯拉强度的比值；α、c为材料参数；N为疲劳寿命。

通过对两边同时取对数得到：

整理得到应力水平和疲劳寿命的函数关系式：

因为ɑ、c都是材料的参数，所以重新定义材料参数a、b：、

为了研究疲劳的可靠性，提出具有一定保证率的S-N曲线的概念，而通常我们所说的S-N曲线，一般指的是保证率为50%的S-N曲线。

3.2.2  疲劳曲线和疲劳方程

4.5%矿渣水泥、水玻璃掺量为4%制成标准试件，进行养护进行疲劳试验。不同龄期不同应力比下的疲劳寿命如表3所示，其拟合的疲劳方程如表4所示。

在S-N拟合曲线中应力比和疲劳寿命有很好的相关性，相关系数都在0.8以上。在相同的应力比情况下，长龄期水花反应进行得更完全，胶凝产物C-S-H更多，强度和整体性较高，疲劳寿命比短龄期的大，水泥稳定碎石的抗疲劳性能逐渐提高；同时，不同龄期下的水泥稳定碎石材料若要达到相同的疲劳寿命，在短龄期情况下，较小的应力比即较小的交通荷载作用下即可达到，而在长的龄期情况下，则对应相对较大的应力比即较大的交通荷载才能达到。由此可见，延长水泥稳定碎石的养生时间可以有效地提高其抗疲劳耐久性。

4 结论

本文通过试验研究得到了水玻璃激发矿渣再生骨料在不同应力比下不同龄期的疲劳方程，并得出采用NaOH、Na2SiO3作碱激发剂时，分别存在一个最优掺量4%、6%，两种都能够激发矿渣提高再生骨料性能，水玻璃激发矿渣再生骨料的半刚性基层的疲劳性，得到了不同应力比下，不同龄期的疲劳方程。并且随着龄期的增加，水泥稳定碎石的抗疲劳性能逐渐提高，因此通过延长水泥稳定碎石的养生时间可以有效地提高其抗疲劳耐久性。

参考文献

[1] 交通运输部.2020年交通运输行业发展统计公报[N].中国交通报，2021-05-19.

[2] 刘晓娜.道路基层水泥稳定碎石结构材料的再生利用[D].成都：成都理工大学，2007.

[3] 丁琴. 地聚合物再生混凝土改性及力学性能研究[D].长沙：中南大学， 2022.

[4] 王超然.碱激发矿渣再生混凝土力学性能与耐久性试验研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2019.

[5] 赵百超.废弃混凝土对水泥稳定土疲劳特性影响研究[D].沈阳：沈阳工业大学，2020.

[6] 胡力群，沙爱民.水泥稳定废粘土砖再生集料基层材料性能试验[J].中国公路学报，2012，25（3）：73-79，86.

• 张超.废弃混凝土路面板在道路改建中的再利用[J].交通运输学报，2003，3（4）：5-9.
• 万小梅，车雪萍，朱亚光，等.再生混凝土微粉在碱激发胶材体系中的作用效应研究[J].材料导报，2023，37 （19）：114-120.
• 彭武磊.碱激发再生混凝土力学与微观性能研究及配合比设计[D].深圳：深圳大学，2016.