再生混凝土應用于水利工程的主要性能研究

摘要: 再生混凝土性能研究和開發(fā)應用已日益受到關注。通過強度和耐久性能試驗, 對比不同水灰比條件下普通混凝土和再生混凝土的性能差異, 研究再生混凝土應用于水利工程的主要性能及其影響因素, 從而提出需解決的實際問題和措施。

關鍵詞: 再生混凝土; 強度; 耐久性; 水利工程

中圖分類號: TV41 ; TV431 　文獻標識碼: A 　文章編號: 1008-701X (2010) 01-0024-03

1 　問題的提出

目前, 全世界混凝土的年產(chǎn)量約28 億m3 , 我國的混凝土年產(chǎn)量達到13 億～14 億m3 , 約占世界總量的45 %。據(jù)測算, 我國每年解體舊混凝土的發(fā)生量約在4 000 萬t 以上, 它的產(chǎn)生與處理已經(jīng)對環(huán)境造成了很大的負荷?；炷辽a(chǎn)過程中骨料一般占混凝土總量的75 % , 將廢棄混凝土進行資源化利用, 已成為材料科學中的一個重要課題。

在水利工程中, 混凝土用量較大, 若能有效處理和利用廢棄混凝土, 加工成再生骨料進而配制成再生混凝土,使它成為循環(huán)性可利用再生資源, 既能減輕廢棄混凝土對環(huán)境的污染, 又能減小大量開采天然骨料對生態(tài)環(huán)境的影響, 符合生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的要求, 具有明顯的社會、經(jīng)濟和環(huán)境效益。本文主要從分析再生混凝土的強度和耐久性能的角度, 研究該材料在水利工程中應用的可行性和適應性。

2 　試驗設計

2．1 　試驗材料

水泥為32.5R 海螺牌普通硅酸鹽水泥, 其表觀密度為3 100 kgPm3 。砂為普通黃砂, 細度模數(shù)為2.75。天然粗骨料為連續(xù)級配的碎石, 最大粒徑為31.5 mm。再生骨料由某路面廢棄混凝土破碎加工而成, 該廢棄混凝土的技術資料不詳。水為普通自來水。粗骨料的基本性能見表1。

由表1 可見, 與天然粗骨料相比, 再生骨料的密度低、吸水率高、壓碎指標大, 表明再生骨料孔隙率高, 強度低,其主要原因是由于其表面附著有大量水泥砂漿。

2．2 　混凝土配合比

混凝土共分8 組, 其中4 組編號為NC 的是普通混凝土, 其余4 組編號為RC 的是再生混凝土, 再生骨料取代率取100 %。采用C20、C30 不同的強度等級, 經(jīng)過多次的試配, 在滿足混凝土和易性的基礎上確定了再生混凝土和普通混凝土的配合比(見表2) 。

2．3 　試件的澆注與養(yǎng)護

所有混凝土攪拌設備為一容量為50 L的攪拌機。投料順序為首先加入黃砂和水泥, 再加入粗骨料, 最后加入水,攪拌3～5 min 后測其坍落度。坍落度試驗完畢后將混凝土拌和物注入鋼模, 24 h 后拆模, 立即放入養(yǎng)護室, 在標準條件下養(yǎng)護28 d 后取出進行試驗。所有試件均為一批澆注完成。

2．4 　試驗方法

混凝土立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度及耐久性能試驗均按照《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL 352 —2006) 進行[1] 。

3 　試驗結(jié)果與分析

3．1 　混凝土的強度

從混凝土強度試驗結(jié)果(見表3) 中可以看出, 再生粗骨料對混凝土立方體抗壓強度起著較大影響, 對于混凝土的28 d 強度, 同一水灰比的再生混凝土的抗壓強度比普通混凝土低5 %～20 %。這與國內(nèi)外許多研究結(jié)論相符。

混凝土抗壓強度降低的原因主要是: ①由于再生粗骨料與新舊砂漿之間存在的粘結(jié)較為薄弱; ②再生骨料吸水率大, 再生混凝土本身的用水量有所增加; ③由于再生粗骨料孔隙率高, 在承受軸向應力時, 容易形成應力集中;④再生粗骨料的強度較低, 表現(xiàn)在壓碎值較大; ⑤由于初始損傷和2 次破壞損傷使得再生粗骨料內(nèi)部存在大量微裂縫。

圖1 給出了再生混凝土抗壓強度隨水灰比的變化關系。從圖中可以看出, 當水灰比高于0.5 時, 再生混凝土的抗壓強度隨水灰比的增大而減小, 這一點與普通混凝土基本一致; 當水灰比低于0.5 時, 再生混凝土的抗壓強度隨水灰比的降低而有效增加不明顯。因此嚴格控制水灰比對再生混凝土的強度有重要意義。

對于再生混凝土抗拉性能, 試驗結(jié)果表明, 再生混凝土的劈裂抗拉強度較普通混凝土降低2 %～10 %。再生混凝土抗拉強度可取為立方體抗壓強度的1/15～1/10 , 其拉壓比較普通混凝土略高。

3．2 　混凝土的耐久性

3．2．1 　抗?jié)B性

抗?jié)B性是混凝土耐久性的核心問題, 主要包括氣體分子, 水分子, 以及氯離子的擴散。本文主要研究再生混凝土在抵抗水的滲透方面與普通混凝土的差異。

從各組混凝土試件的抗?jié)B性試驗結(jié)果(見表4) 中可以看出: ①混凝土設計強度等級為C20 的前4 組試件的抗?jié)B等級差別較為明顯, 其中普通混凝土的抗?jié)B等級明顯高于再生混凝土, 并且水灰比為0.5 的再生混凝土的抗?jié)B等級高于水灰比為0.55 的再生混凝土; ②混凝土設計強度等級為C30 的后4 組試件, 普通混凝土和再生混凝土的抗?jié)B性差別不大。但從趨勢上看, 普通混凝土的抗?jié)B性略優(yōu)于再生混凝土。

總體上, 再生混凝土的抗?jié)B性比普通混凝土的抗?jié)B性差, 再生混凝土的抗?jié)B性隨混凝土強度等級的提高而增加,水灰比的增加而降低。這主要是由以下原因造成的: ①由于再生混凝土的再生骨料表面裹有已硬化的水泥漿, 故再生混凝土中新舊水泥砂漿總含量較普通混凝土高, 因此其孔隙率比天然混凝土高, 透水性強, 抗?jié)B性差; ②與普通混凝土一樣, 水灰比也是再生混凝土滲透性的主要影響因素。在一定范圍內(nèi), 隨著水灰比的增大, 再生混凝土的抗?jié)B性有逐漸降低的趨勢。這是因為水灰比越大, 包圍水泥顆粒的水層就越大, 水在水泥石中就會逐漸形成相互貫通的、無規(guī)則的毛細孔系統(tǒng), 使水泥石的孔隙率不斷增加,混凝土的抗?jié)B性就越差。

此外, 由于再生混凝土的界面區(qū)域不如普通混凝土牢固, 水泥砂漿中的自然孔隙會因界面區(qū)域的孔隙裂紋等得到擴展, 成為貫通水泥砂漿的連續(xù)通道, 進而使再生混凝土的滲透性增加, 影響其抗?jié)B性。再生骨料在生產(chǎn)的過程中, 由于損傷積累使得再生骨料內(nèi)部存在大量微細裂紋,降低了骨料對毛細孔的阻隔作用。

3．2．2 　抗凍性

在寒冷地區(qū), 混凝土受凍融循環(huán)作用往往是導致混凝土劣化的主要因素, 嚴重影響混凝土建筑物的長期使用和安全運行。通過對前述8 組混凝土試件的抗凍性試驗結(jié)果得出:

(1) 總體上, 再生混凝土的抗凍融破壞循環(huán)次數(shù)較普通混凝土要低, 質(zhì)量變化率也更大, 表明再生混凝土的抗凍性能較普通混凝土差。再生骨料吸水率較大, 內(nèi)部孔隙的水飽和程度較高, 易先于新水泥基體發(fā)生凍融破壞, 成為再生混凝土抗凍性能的薄弱環(huán)節(jié)。

(2) 水灰比小的再生混凝土的抗凍性高于水灰比大的再生混凝土。因為水灰比直接影響混凝土的孔隙率及孔結(jié)構。隨著水灰比的增加, 不僅飽和水的開孔總體積增加,而且平均孔徑也增加, 在凍融過程中產(chǎn)生的冰脹壓力和滲透壓力就大, 因而混凝土的抗凍性必然降低。

(3) 混凝土強度等級C30 的再生混凝土的抗凍性能高于C20 的再生混凝土。表明再生混凝土強度越高抗凍性能越好。

3．2．3 　抗沖磨性

混凝土抗沖磨性能主要受混凝土強度、骨料性能及面層混凝土質(zhì)量的影響。對比普通混凝土與再生混凝土的抗沖磨性能的優(yōu)劣: ①再生混凝土的抗沖磨性較普通混凝土差, 這與再生混凝土孔隙率大, 密實性差, 界面區(qū)粘結(jié)不牢固有直接的關系。②水灰比對再生混凝土的耐磨性有較大的影響, 水灰比越大, 耐磨性越差。③強度高的再生混凝土的耐磨性優(yōu)于強度低的再生混凝土。

4 　性能改善措施

4．1 　提高再生混凝土的強度

在水工建筑物中, 主要采用中、低強度的混凝土, 再生骨料性質(zhì)對其強度的影響相對較小。研究表明, 從以下幾個方面可以一定程度上提高再生混凝土的強度:

(1) 通過控制水灰比, 摻入高效減水劑與高活性超細礦物摻合料如粉煤灰、硅灰等, 可以配制出高強度且工作性能良好的再生混凝土。

(2) 通過機械活化和酸液活化方法對再生骨料表面的狀態(tài)加以改善, 用界面劑、有機耦合劑或環(huán)氧樹脂等事先涂抹在集料表面可以增強骨料與水泥漿體之間的粘結(jié)強度。

(3) 二次攪拌工藝由于投料順序的改變, 可以促進水泥顆粒的分散程度, 使水泥水化充分, 提高再生混凝土的強度達10 %以上[2 ] 。

4．2 　提高再生混凝土的耐久性

(1) 選擇合適的水灰比。通過降低再生混凝土的水灰比可以提高再生混凝土的抗?jié)B性能。在水工混凝土中, 由于建筑物本身的需要, 水工混凝土的水灰比要比普通建筑物的水灰比低, 通過減小水灰比來提高再生混凝土的抗凍性, 這與對水工混凝土的技術要求相容。

(2) 合理選擇再生骨料的粒徑。相比用較大粒徑骨料配制的再生混凝土而言, 較小粒徑骨料配制的再生混凝土結(jié)構緊密。通過減小再生骨料的最大粒徑可以提高再生混凝土的抗凍、抗?jié)B、抗碳化等耐久性指標, 同時有助于減少再生混凝土的收縮。再生骨料的最大粒徑建議使用16～20 mm[3 ] 。

(3) 摻加活性摻和料和外加劑。粉煤灰能細化再生骨料的毛細孔道, 改善再生混凝土的抗?jié)B性。試驗研究表明,摻入10 %的粉煤灰與未摻加粉煤灰的混凝土相比, 摻加粉煤灰的再生混凝土的滲透深度、吸水率和重量損失率分別降低了約10 %、30 %和40 %[4] 。在水工混凝土中摻粉煤灰已被廣泛使用, 其應用技術較為成熟。添加引氣劑對于改善再生混凝土的抗凍性能也有明顯的效果。

5 　結(jié)語

總體而言, 再生混凝土的綜合性能低于普通混凝土。然而, 只要采取合理的措施, 完全可以滿足一般水利工程等級對混凝土性能的要求, 從而體現(xiàn)較好的社會和經(jīng)濟效益。為加快再生混凝土在較高等級工程中的推廣利用, 尚需做進一步的研究工作。參考文獻:

[1] 中華人民共和國水利部. SL 352 —2006 水工混凝土試驗規(guī)程[S] . 北京: 中國水利水電出版社, 2006.

[2] 孫成城, 袁東, 宋建學. 二次攪拌工藝對再生混凝土強度的影響研究[J] . 混凝土, 2008 (6) : 125 - 128.

[3] 吳紅利, 宋少民. 再生骨料混凝土耐久性試驗研究[J] . 商品混凝土, 2006 (4) : 25 - 30.

[4] Mandal S , Chakraborty S and Gupta A. Some studies on durability ofrecycled aggregate concrete [J] .

The Indian Concrete Journal , June2002 : 385 - 388.

作者簡介: 徐蔚(1972 - ) , 女, 副教授, 工學碩士, 主要從事土木工程材料與結(jié)構研究。