再生骨料混凝土改性研究

王超宇 王子陽(yáng) 管少杰 張啟民 陜西理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院

1 前言

隨著時(shí)代進(jìn)步和城市化建設(shè)的進(jìn)展，拆遷征地遺留下來(lái)的廢舊混凝土帶來(lái)的二次污染和資源浪費(fèi)，已經(jīng)是迫在眉睫，基于原生骨料的相對(duì)有限性和推進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的潮流，對(duì)廢棄混凝土的再利用研究已經(jīng)成為混凝土和環(huán)境科學(xué)等研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。再生骨料大多來(lái)源于舊有建筑物拆除產(chǎn)生的混凝土，強(qiáng)度等級(jí)普遍偏低，對(duì)再生骨料的研究將隨著再生混凝土的應(yīng)用而越來(lái)越重要。

本文以廢棄混凝土骨料作為研究對(duì)象，通過(guò)摻入不同比例的秸稈灰，研究再生骨料混凝土力學(xué)性能，意在為配制再生混凝土提供必要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

近年來(lái)，世界上有些學(xué)者對(duì)再生骨料混凝土二次利用進(jìn)行了研究，再生骨料混凝土在部分工程中得以應(yīng)用。由于再生骨料混凝土自身的特性，再生骨料與天然骨料有所區(qū)別，與天然骨料相比，再生骨料在性能方面存在不同程度的降低，其應(yīng)用范圍受到一定限定。

針對(duì)上述問(wèn)題，王東旭等研究了陶瓷再生粗骨料混凝土力學(xué)性能，指出陶粒可以提高再生骨料混凝土的抗壓、抗劈裂強(qiáng)度；楊魯?shù)妊芯苛嗽偕橇咸娲蕦?duì)混凝土性能的影響；張萌研究了石墨烯混凝土的制備與性能，指出石墨烯可以提高再生骨料混凝土的抗壓和劈裂強(qiáng)度等，均取得了一定的研究成果。

在之前學(xué)者的研究基礎(chǔ)上，本試驗(yàn)旨在研究秸稈灰摻量為1%、3%、5%、7%、9%、11%對(duì)再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度的影響，為配制高性能的綠色再生骨料混凝土提供依據(jù)和參考。

2 試驗(yàn)原材料

2.1 再生骨料

本次試驗(yàn)的再生骨料來(lái)源于實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的梁構(gòu)件廢棄物，其強(qiáng)度為C30 的碎石混凝土，結(jié)構(gòu)試驗(yàn)破壞后的混凝土試件經(jīng)人工破碎過(guò)篩后分為5mm～20mm 的連續(xù)級(jí)配，其中16mm～19mm，累計(jì)篩余5%；9.5mm～16mm 累計(jì)篩余65%；4.75mm～9.5mm，累計(jì)篩余100%。三種粒徑的再生粗骨料進(jìn)行試驗(yàn)研究，其基本性能：堆積密度1220.74kg/m3，壓碎指標(biāo)17.62%，1h吸水率0.865%。

2.2 原生骨料

試驗(yàn)用原生粗骨料為5mm～20mm 碎石，試驗(yàn)采用5mm～20mm 的連續(xù)級(jí)配，其中16mm～19mm，累計(jì)篩 余5%；9.5mm～16mm 累計(jì)篩余65%；4.75mm～9.5mm，累計(jì)篩余100%；試驗(yàn)用細(xì)骨料為河砂，細(xì)度模數(shù)為2.48中砂，級(jí)配良好。

2.3 其他原料

試驗(yàn)采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，水泥細(xì)度、燒失量、安定性、凝結(jié)時(shí)間、強(qiáng)度均符合規(guī)定；

水為普通自來(lái)水；

石墨烯溶液：試驗(yàn)采用經(jīng)過(guò)改性處理的濃度為0.1g/L的石墨烯溶液；

秸稈灰是將水稻秸稈燃燒后的灰質(zhì)進(jìn)行過(guò)篩而成。

3 試驗(yàn)方案與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)方案

由于再生骨料的組成包括了原有骨料、表面附有水泥漿體的骨料和少量水泥石，使再生粗骨料外觀棱角較多、不規(guī)則，表面異常粗糙；小粒徑骨料比大粒徑骨料的粗糙程度要大，吸水率比天然骨料大，試驗(yàn)時(shí)需要考慮附加用水量問(wèn)題；石墨烯納米顆粒的尺寸小于100nm，可填充混凝土中水泥石部分的微孔，能夠提高混凝土密實(shí)性；由于石墨烯本身具有憎水性，分散性較差，很難保證摻入混凝土中的均勻性，試驗(yàn)采用石墨烯溶液可以在一定程度上解決了這一問(wèn)題，考慮石墨烯成本及顆粒過(guò)細(xì)問(wèn)題，試驗(yàn)各組均按0.8%摻入。

秸稈灰富含無(wú)機(jī)物，尤其是其中活性SiO2和Al2O3的含量較高，理論上可以替代部分水泥作為膠凝材料，可以更好地起到凝結(jié)作用。為了探究秸稈灰的最佳摻量，本次試驗(yàn)選用的秸稈灰摻量為1%、3%、5%、7%、9%、11%六個(gè)水平。

本次試驗(yàn)混凝土配合比的設(shè)計(jì)方法依據(jù)JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》進(jìn)行，采用再生骨料以取代率為25%取代天然碎石，固定摻入0.8%石墨烯用以提高混凝土的密實(shí)性，通過(guò)摻入秸稈灰為1%、3%、5%、7%、9%、11%設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C30混凝土，坍落度為120mm，水膠比為0.6，配合比為水泥∶砂∶石∶水=1∶2.13∶3.50∶0.6。

試驗(yàn)采用人工拌合的方法進(jìn)行配制，按照配比稱(chēng)量各種材料，現(xiàn)將再生骨料加入附加用水量進(jìn)行預(yù)拌合，再與天然骨料混合均勻，其余與普通混凝土拌合一致，使用150mm×150mm×150mm 標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行成型，養(yǎng)護(hù)的條件為自然養(yǎng)護(hù)，試件按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試7d、28d的抗壓強(qiáng)度。

3.2 結(jié)果分析

本試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果如表1、圖1、圖2所示。

圖1 7d、28d抗壓強(qiáng)度

圖2 同一摻量下7d、28d抗壓強(qiáng)度對(duì)比圖

根據(jù)表1、圖1 分析，隨著秸稈灰摻量的增加，再生骨料混凝土7d 抗壓強(qiáng)度先增加后減小，根據(jù)圖1擬合分析，估計(jì)在6%附近達(dá)到極值，極值大于26.26MPa。其中，秸稈灰摻量在1%～5%范圍內(nèi)，隨秸稈灰摻量的增加，再生骨料混凝土7d 抗壓強(qiáng)度提升明顯；當(dāng)秸稈灰摻量在5%～7%區(qū)間時(shí)，隨秸稈灰摻量的增加，再生骨料混凝土7d抗壓強(qiáng)度幾乎無(wú)變化，且維持在較高水平；當(dāng)秸稈灰摻量大于7%后，隨秸稈灰摻量的增加，再生骨料混凝土7d 抗壓強(qiáng)度下降明顯。

根據(jù)表1、圖1 分析，隨著秸稈灰摻量的增加，再生骨料混凝土28d 抗壓強(qiáng)度先增加后減小，根據(jù)圖1擬合分析，估計(jì)在6%附近達(dá)到極值，極值大于35.14MPa。其中，秸稈灰摻量在1%～5%范圍內(nèi)，隨秸稈灰摻量的增加，再生骨料混凝土28d抗壓強(qiáng)度提升明顯；當(dāng)秸稈灰摻量在5%～7%區(qū)間時(shí)，隨秸稈灰摻量的增加，再生骨料混凝土28d 抗壓強(qiáng)度幾乎無(wú)變化，且維持在較高水平；當(dāng)秸稈灰摻量大于7%后，隨秸稈灰摻量的增加，再生骨料混凝土28d抗壓強(qiáng)度下降明顯。

表1 不同摻量秸稈灰的再生骨料混凝土強(qiáng)度指標(biāo)

根據(jù)表1、圖1 分析，秸稈灰摻量從1%增加到3%，再生骨料混凝土7d 抗壓強(qiáng)度提高4.97%，28d 抗壓強(qiáng)度提高6.62%；秸稈灰摻量從3%增加到5%，再生骨料混凝土7d抗壓強(qiáng)度提高9.97%，28d抗壓強(qiáng)度提高10.26%。從整體來(lái)看，秸稈灰摻量從1%增加至最佳摻量6%，再生骨料混凝土7d抗壓強(qiáng)度提高大于15.43%，28天抗壓強(qiáng)度提高大于17.56%，秸稈灰對(duì)再生骨料混凝土后期的抗壓強(qiáng)度作用效果更為明顯，長(zhǎng)時(shí)間的養(yǎng)護(hù)更有利于秸稈灰中的活性物質(zhì)發(fā)揮作用，增強(qiáng)其凝結(jié)作用。秸稈灰摻量從6%增加到11%，再生骨料混凝土7d、28d抗壓強(qiáng)度均降低，且在此范圍內(nèi)秸稈灰對(duì)再生骨料混凝土28d 抗壓強(qiáng)度的削弱效果比7d更明顯。

根據(jù)圖2 分析，秸稈灰在1%摻量條件下，28d 抗壓強(qiáng)度比7d抗壓強(qiáng)度提高31.4%；秸稈灰在3%摻量條件下，28d 抗壓強(qiáng)度比7d 抗壓強(qiáng)度提高33.5%；秸稈灰在5%摻量條件下，28d 抗壓強(qiáng)度比7d 抗壓強(qiáng)度提高33.8%；秸稈灰在7%摻量條件下，28d 抗壓強(qiáng)度比7d 抗壓強(qiáng)度提高33.9%；秸稈灰在9%摻量條件下，28d 抗壓強(qiáng)度比7d 抗壓強(qiáng)度提高33.9%；秸稈灰在11%摻量條件下，28d抗壓強(qiáng)度比7d抗壓強(qiáng)度提高32.1%。秸稈灰摻量在1%和11%時(shí)，再生骨料混凝土的7d～28d 抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)值較小；而秸稈灰摻量在3%、5%、7%、9%時(shí)，再生骨料混凝土的7d～28d 抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)值較大，但整體上再生骨料混凝土的7d～28d抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)值差別不大。

經(jīng)分析，試驗(yàn)結(jié)果的原因是：秸稈灰中富含無(wú)機(jī)物，尤其是其中活性二氧化硅和三氧化二鋁的含量可以高達(dá)到55%以上，可以替代一部分水泥作為膠凝材料，且可以更好地起到凝結(jié)作用，使再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度提高。但秸稈灰由于是由秸稈燃燒而成，其中可能存在燃燒不完全等各類(lèi)雜質(zhì)，并且秸稈灰吸水性較強(qiáng)，當(dāng)摻量過(guò)多時(shí)，這些雜質(zhì)可能會(huì)對(duì)再生骨料混凝土的性能產(chǎn)生負(fù)面影響，也會(huì)使再生骨料混凝土和易性變差，從而不利于性能的發(fā)揮，使再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度下降。

綜上分析：在試驗(yàn)范圍內(nèi)，秸稈灰摻量對(duì)再生骨料混凝土7d、28d 抗壓強(qiáng)度影響趨勢(shì)大體相同，抗壓強(qiáng)度先增加后減小，摻量為6%附近是最佳摻量，7d強(qiáng)度超過(guò)26.26MPa，28d強(qiáng)度超過(guò)35.14MPa。

4 試驗(yàn)結(jié)論

（1）秸稈灰摻量在1%～5%范圍內(nèi)，隨秸稈灰摻量增加，再生骨料混凝土7d、28d抗壓強(qiáng)度提高；秸稈灰摻量在7%～11%范圍內(nèi)，隨秸稈灰摻量增加，再生骨料混凝土7d、28d 抗壓強(qiáng)度降低；當(dāng)秸稈灰摻量為5%～7%時(shí)，再生骨料混凝土7d、28d抗壓強(qiáng)度處于較高水平。

（2）對(duì)于再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度而言，秸稈灰的最佳摻量在為6%左右，此時(shí)，再生骨料混凝土7d抗壓強(qiáng)度大于26.26MPa，28d 抗壓強(qiáng)度大于35.14MPa。

（3）秸稈灰摻量從1%增加至最佳摻量6%，再生骨料混凝土7d 抗壓強(qiáng)度提高大于15.43%，28d 抗壓強(qiáng)度提高大于17.56%，秸稈灰對(duì)再生骨料混凝土后期的抗壓強(qiáng)度作用效果更為明顯，長(zhǎng)時(shí)間的養(yǎng)護(hù)更有利于秸稈灰中的活性物質(zhì)發(fā)揮作用，增強(qiáng)其凝結(jié)作用。