再生骨料對高性能水工混凝土性能的試驗研究

穆慶華

(北鎮市水利事務服務中心,遼寧 北鎮 121300)

近年來,水利工程的建設發展消耗了大量自然資源,為滿足工程建設需求以及保護自然資源,有必要再生利用混凝土材料[1]。再生混凝土具有易碳化、耐久性差和強度低等特點,所以必須改性再生混凝土,其中最常用的改進材料是礦物摻合料。有研究表明,摻入適量的粉煤灰能夠改善混凝土耐久性和強度,控制再生混凝土徐變;對再生混凝土用納米二氧化硅和碳酸鈣進行改性,結果發現納米二氧化硅可以提高再生混凝土抗擊強度、抗拉和抗壓強度,改善基體微觀結構,而納米碳酸鈣的增強作用相對較弱[2-5]。有許多學者利用飛灰、鎳鐵渣、鐵尾礦砂和硅粉等改性再生混凝土特性,結果發現這些礦物成分均顯著影響著再生混凝土的微觀結構、耐久性和力學性能[6-8]。綜上分析,有關研究主要側重于再生混凝土微觀結構和強度受礦渣、鐵渣、飛灰、礦粉等礦物成分的影響,較少涉及再生骨料替代率、水膠比對再生混凝土的影響研究。鑒于此,文章利用聚羧酸高效減水劑,磨細礦渣粉、粉煤灰、普通硅酸鹽水泥等復合膠凝材料以及工業生產的再生粗骨料,通過設計再生骨料取代率和強度等級,全面分析再生混凝土劈裂、抗折、抗壓強度和彈性模量的變化規律。

1 原材料與配合比

1.1 原材料

1)水泥:海螺P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥,標稠用水量27.1%,密度3100kg/m3,28d抗折、抗壓強度8.2MPa和47.5MPa。

2)粉煤灰:F類Ⅱ級粉煤灰,比表面積336m2/kg,表觀密度2080kg/m3,細度20.5%,需水量比95%。

3)磨細礦渣粉:藍科環保凈水材料廠生產S95級礦粉,比表面積429m2/kg,28%活性指數76%,密度2900kg/m3。

4)細骨料:大連建材廠生產的中砂,表觀密度2660kg/m3,含水率3.0%,壓碎值12%,含泥量0.5%,孔隙率8%。

5)粗骨料:經顎式破碎機破碎、篩分、配制而成的連續級配再生骨料,其母體混凝土強度等級C30～C40,最大粒徑有10mm和31.5mm兩種規格,堆積密度1120kg/m3和2690kg/m3,表觀密度2690kg/m3和2590kg/m3,主要性能指標如表1;試驗用天然花崗巖連續級配碎石,最大粒徑31.0mm。

表1 再生粗骨料主要性能指標

6)減水劑:蘇博特聚羧酸高效減水劑,減水率≥26%,含氣量≤5.0%,泌水率比≤60%,初凝時間差處于-90～120min。拌和水用普通自來水。

1.2 試驗配合比

參照《水工混凝土配合比設計規程》和均勻設計的方法,合理設計不同再生骨料替代率(0%、25%、50%、75%、100%)和水膠比(0.30、0.35、0.40、0.45)的系列配合比,如表2所示。

2 試驗結果與分析

2.1 抗壓強度

試驗測定不同替代率和水膠比的混凝土7d、28d、60d的抗壓、抗折和劈裂抗拉強度試驗數據如表3所示。

表3 水工混凝土強度試驗數據

從表3可以看出,隨水膠比的減小高性能水工混凝土抗壓強度逐漸提高,強度等級處于C30～C60之間。替代率處于25%～75%之間時,同配比的水工混凝土強度相較于天然骨料混凝土均有所增加。配比不變條件下,各齡期抗壓強度隨替代率的增加表現出先上升再下降的變化特征,7d、28d、60d齡期的抗壓強度拐點依次發生在75%、50%、25%替代率處,在高水膠比情況下這種現象更加明顯。替代率達到100%時,同配比的水工混凝土各齡期強度相較于天然骨料混凝土有所減小,并且水膠比越小強度降幅越大,7d、28d、60d齡期的D-100混凝土(水膠比0.30)強度相較于D-0對照組分別下降16.8%、18.4%和24.7%,7d、28d、60d齡期的A-100混凝土(水膠比0.45)強度相較于A-0對照組分別下降8.5%、4.2%和1.1%。

替代率達到100%時強度等級為C50,水膠比0.36的C-100組與水膠比0.30的D-100組混凝土強度相差不大,說明再生骨料發生破壞,即使水膠比從0.36減少到0.30也無法有效增強混凝土強度。

2.2 抗折強度

結合表3中數據,28d齡期混凝土抗折強度處于4.9～7.7MPa之間,28d抗壓-抗折強度關系如圖1所示。

圖1 28d齡期抗壓-抗折強度關系線

結果顯示,混凝土抗壓與抗折強度呈線性增長關系,這說明水膠比與抗折強度之間存在比例關系,該規律能夠為合理設計再生水工混凝土配合比提供數據支持[9]。

結合表3中數據,可以明確7d、28d齡期混凝土抗折強度變化特征。替代率≤50%時,水工混凝土7d、28d抗折強度相比于同流動度、同配比的天然骨料混凝土略有增加或持平;替代率達到75%時抗折強度呈分散特征,具體表現出減小或增大的變化趨勢,但變化幅度均≤5%;替代率達到100%時其抗折強度小于基準混凝土,降幅約為10%。研究認為替代率≤50%的情況下,通過調整水膠比能夠配制出抗折強度處于4.9～7.7MPa的混凝土,與天然骨料混凝土相比其抗折強度相差不大;替代率達到100%時,同配比的水工混凝土抗折強度相較于天然骨料混凝土減少約10%,但仍滿足實際工程對抗折強度的要求。

2.3 劈裂抗拉強度

由表3中數據可知,28d齡期水工混凝土劈裂抗拉強度處于2.38～4.36MPa之間,劈裂抗拉與抗折強度變化趨勢相似;替代率不超過50%時,7d、28d齡期混凝土劈裂抗拉強度相較于天然骨料混凝土略高或相當;替代率達到75%時劈裂抗拉數據呈分散特征,替代率達到100%時劈裂抗拉強度有所減少,降幅處于5%～15%之間。

2.4 彈性模量

彈性模量是反映水工混凝土應力-應變關系的重要參數,也是計算水工結構裂縫、變形的關鍵指標之一,不同替代率和水膠比的28d齡期水工混凝土彈性模量如表3所示。水膠比從0.45減少到0.30,替代率為0%的天然骨料混凝土強度明顯增加,其彈性模量也相應地增大,從29.8GPa增大到43.0GPa,增幅達到44.3%,28d彈性模量與抗壓強度關系如圖2所示。

結果表明,再生混凝土抗壓強度和彈性模量受水膠比的影響較為顯著,隨水膠比的減小替代率100%的混凝土彈性模量逐漸增大,從21.6GPa增大到30.7GPa,其變化規律與天然骨料混凝土基本一致。從圖3(b)可以看出,替代率100%混凝土的彈性模量-抗壓強度關系與天然骨料混凝土相似,說明兩者的彈性模量變化特征相近。另外,再生骨料替代率與混凝土彈性模量密切相關,混凝土彈性模量隨著替代率的增加而減小。替代率達到100%時其彈性模量與天然骨料混凝土相比減小約30%,從彈性性質上體現在韌性增強,受力相同時具有較大的變形。究其原因是天然骨料具有較低的孔隙率,而原骨料上附著的水泥砂漿大大降低了再生骨料彈性模量,所以采用該材料配制的混凝土相較于天然骨料混凝土,其彈性模量減少約30%,這增強了再生混凝土的抗動荷載和抗震性能。

(a)天然骨料混凝土

3 結 論

1)隨水膠比的減小高性能水工混凝土抗壓強度逐漸提高,強度等級處于C30～C60范圍,替代率處于25%～75%之間時,同配比的水工混凝土強度相較于天然骨料混凝土均有所增加。替代率達到100%時,同配比的水工混凝土各齡期強度相較于天然骨料混凝土有所減小,降幅處于15%～25%之間。混凝土抗壓與抗折強度呈線性增長關系,替代率≤50%的情況下,通過調整水膠比配制出的混凝土抗折強度與天然骨料混凝土相比相差不大,替代率達到100%時抗折強度相減少約10%。

2)28d齡期水工混凝土劈裂抗拉強度處于2.38～4.36MPa,替代率≤50%時,再生混凝土劈裂抗拉強度相較于天然骨料混凝土相差不大,替代率達到100%時劈裂抗拉強度降幅處于5%～15%之間。

3)再生混凝土抗壓強度和彈性模量受水膠比的影響較為顯著,其中彈性模量隨水膠比的減小逐漸增大,而隨著替代率的增加逐漸減小。替代率達到100%時其彈性模量與天然骨料混凝土相比減小約30%,從彈性性質上體現在韌性增強,受力相同時具有較大的變形。