再生粗骨料摻入粉煤灰水工混凝土流動性和抗壓性分析

石海蘭,趙正強

(海城市水利事務服務中心,遼寧 海城 114200)

經破碎、清洗、分級等一系列技術工藝處理后,將按國家標準拆除后的廢棄混凝土塊以適當比例混合配制成再生粗骨料替代天然骨料,可以配制出再生混凝土(RAC)。然而,在破碎過程中再生混凝土損傷積累,這使得內部通常存在許多細微裂縫,加之其孔隙率大、級配不佳等,較同配合比的普通混凝土其工作性和力學性能偏低[1-2]。再生與天然骨料相比存在較大差異,如再生骨料形狀多角、粒徑變化大、顆粒較粗,骨料上黏結有水泥漿或砂漿黏結,其黏結程度取決于扎碎的粒度和原混凝土等級,再生粗骨料具有吸水率高、抗磨性能低、質量輕、黏附力小等特點;另外,再生粗骨料往往存在一定的污染雜物,致使混凝土力學和耐久性較差。

粉煤灰是發電廠生產的一種礦物摻合料,在水化產物激發下可以發生反應生成具有凝膠特性的產物,有利于改善再生混凝土的表觀質量與力學性能,具有量大價優、降低生產成本、節約水、減少環境污染等優點。但與水泥相比粉煤灰的活性較低,摻粉煤灰再生混凝土的早期強度偏低,粉煤灰取代水泥量是影響其28d抗壓強度的重要因素。對于河道整治工程中透水性要求較高、強度要求較低的生態護坡,可以利用再生骨料配制多孔混凝土,充分發揮再生骨料的高透水性的特點,從而實現河流與岸坡之間的能量物質交換,更好地維護河岸帶生態環境、河堤護坡穩定性和生物多樣性。因此,本試驗利用均勻設計法,以資源化利用建筑垃圾為出發點,以粉煤灰、再生粗骨料等量替代水泥和天然粗骨料的方式探討再生水工混凝土性能,充分發揮粉體的界面強化效應和優化組合作用,切實提升再生水工混凝土的強度以及工作性能,為確定符合設計要求的最優配合比提供參考依據。

1 原材料性能

水泥:本試驗選用金隅牌P·O42.5級水泥,細度1.2%,初、終凝時間150min和190min,3d、28d抗壓強度24.2MPa和51.6MPa。

粉煤灰:本試驗選用鞍山誠達電廠生產的F類Ⅰ級粉煤灰,細度9.6%,密度2.45g/cm3,需水量比198%,燒失量2.20%,28d活性指數78%,主要化學成分見表1。

表1 粉煤灰化學成分

砂:本試驗選用海城市天然河砂,粒徑0.5～3.5mm,細度模數2.8,中砂,依據《建筑用砂》規定測試砂的物理性能及顆粒級配,如表2所示。

表2 砂的物理性能與級配

再生粗骨料:通過回彈檢測將廢棄水工構筑物快速分級,再利用顎式破碎機破碎、篩分配制成連續級配的碎石,其針片狀含量5.7%,壓碎值16.5%,密度2.55g/cm3,粒徑5～40mm,再生粗骨料10min、30min、1h、24h和28h吸水率依次為3.5%、3.8%、4.2%、4.6%、4.7%。

減水劑:本試驗選用科隆R-209型聚羧酸高性能減水劑,推薦摻量0.6%～1.2%(以膠凝材料總量計),減水率≥25%,泌水率比≤60%,含氣量≤6.0%,初凝試件之差-90～120min。拌和水用普通自來水。

2 試驗方案

2.1 配合比設計

試驗設計混凝土標號C30,以0%、10%、20%、30%、40%粉煤灰替代水泥和再生粗骨料等量替代天然粗骨料的方式,采用均勻設計法并參照《水工混凝土配合比設計規程》制定5組配合比,如表3所示。通過室內試驗,探討不同粉煤灰摻量和再生骨料替代率的混凝土流動性及7d、28d、60d抗壓強度。

表3 再生水工混凝土配合比

2.2 試件制作

根據設計配合比和現行規程有關要求,經稱量、拌和、振搗、成型養護等操作制作邊長150mm的立方體試件,并測定各試驗方案拌合物流動性及其7d、28d、60d抗壓強度,為了保證測試精度每組3個試件,每種配合比配制9個試塊,試驗共制作45個。

2.3 流動性試驗

參照《普通混凝土拌合物性能測試方法標準》測定不同配合比再生水工混凝土流動性,如表4所示。結合坍落度試驗可知,以0%、10%、20%、30%、40%粉煤灰等量替代水泥和再生粗骨料等量替代天然粗骨料配制的混凝土保水性、黏聚性較好,可以滿足施工技術要求。

表4 拌合物坍落度測試值

2.4 抗壓強度試驗

采用WHY-2000微機控制壓力試驗機測定各試驗方案混凝土的7d、28d、60d抗壓強度,控制加載速率0.5～0.8MPa/s,試驗數據取3個試件平均值,結果如表5。

表5 再生水工混凝土抗壓強度

3 結果與分析

3.1 拌合物流動性

以粉煤灰摻量為變量測試不同配合比的拌合物坍落度,以揭示再生水工混凝土流動性受粉煤灰摻量的影響特征,如圖1所示。

圖1 拌合物流動性

流動性是反映水工混凝土和易性的主要參數之一,對保證混凝土的正常澆筑施工具有重要作用。從圖1可以看出,隨著粉煤灰摻量的增加拌合物坍落度表現出先上升再下降的變化趨勢,摻30%粉煤灰時拌合物的流動性最好,摻量不超過40%時粉煤灰可以在一定程度上改善拌合物流動性,更好地滿足正常施工要求。

從作用機理上,這是因為F類Ⅰ級粉煤灰中存在大量的玻璃體等微珠,微粉顆粒較細發揮著一定的滾珠效應,有利于減小骨料與漿體間的界面摩擦力,從而使得再生水工混凝土流動性明顯提高。另外,粉煤灰的微集料效應保證了再生水工混凝土良好的保水性、黏聚性,但是在單位用水量和水膠比不變的情況下,粉煤灰摻量達到30%以上時整個粉料體系具有較高的比表面積,若此時仍保持用水量不變則會降低拌合物坍落度。

3.2 不同齡期抗壓強度

以粉煤灰摻量為變量測試不同配合比的試件7d、28d、60d抗壓強度,以揭示再生水工混凝土力學性能受粉煤灰摻量的影響特征,如圖2所示。

圖2 再生水工混凝土抗壓強度

由圖2可知,粉煤灰摻量越高則再生水工混凝土強度越低,尤其是7d、28d抗壓強度呈明顯變化特征,摻10%粉煤灰時再生水工混凝土抗壓強度最高,28d、60d齡期最高達到40.6MPa和48.6MPa。

從作用機理上,這是因為在用水量保持不變的情況下,顆粒較細的粉煤灰具有減緩水化反應速率的作用,從而使得7d(早期)抗壓強度整體低于基準試件。研究認為,再生水工混凝土中摻入粉煤灰可以改善其表觀質量與力學性能,粉煤灰充分發揮微集料效應、活性和形態效應,明顯改善了再生水工混凝土的致密性與結構強度。雖然摻20%、30%、40%粉煤灰組的28d抗壓強度均小于基準組(0%),但隨著齡期的延長,摻粉煤灰組與基準組(0%)的60d齡期抗壓強度基本持平,即60d齡期抗壓強度可以達到C30設計強度要求。

4 結 論

1)隨著粉煤灰摻量的增加拌合物坍落度表現出先上升再下降的變化趨勢,摻30%粉煤灰時拌合物的流動性最好。這是因粉煤灰中存在大量的玻璃體等微珠,微粉顆粒較細發揮著一定的滾珠效應,有利于減小骨料與漿體間的界面摩擦力,使得再生水工混凝土流動性明顯提高。

2)各齡期再生水工混凝土抗壓強度均隨著粉煤灰摻量的增加而減小,摻10%、20%、30%粉煤灰時再生水工混凝土28d抗壓強度達到40.6MPa、38.0MPa和34.1MPa,可以達到C30設計強度要求;摻40%粉煤灰時,雖然28d抗壓強度較低,但隨著齡期的延長,在60d齡期時依然能夠達到C30設計強度要求。

3)在再生水工混凝土中摻入適量粉煤灰,既有利于消耗大量建筑垃圾、節約資源,又能夠減輕環境污染,同時解決提高粉煤灰利用率、建筑垃圾處理以及混凝土原生集料替代品問題。因此,摻粉煤灰再生水工混凝土符合生態、綠色、環保的發展要求,未來必將成為水利工程領域廣泛應用的一種高性能綠色材料。