[摘 要]從工作性能、力學(xué)性能、耐磨性能以及干縮等方面,研究了復(fù)合超細(xì)粉煤灰(CUFA)摻量對(duì)道路再生混凝土性能的影響,并初步探討了其影響機(jī)理。試驗(yàn)研究結(jié)果表明:摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%～35%的CUFA,可以有效改善再生混凝土的工作性能,同時(shí)保證其力學(xué)性能相同或稍有改善;摻CUFA再生混凝土的具有良好的路面耐磨性,干縮顯著減小,運(yùn)營(yíng)1a來(lái),再生混凝土路面綜合性能優(yōu)良,未見有開裂現(xiàn)象。這為CUFA再生混凝土應(yīng)用于水泥混凝土路面中提供了可靠的保障。
[關(guān)鍵詞]復(fù)合超細(xì)粉煤灰;再生混凝土;力學(xué)性能;耐磨性;干縮
廢棄混凝土的再利用對(duì)資源和環(huán)境具有重要的現(xiàn)實(shí)意義,許多國(guó)家對(duì)此給予了高度重視,并制定了相應(yīng)的制度和措施。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外的一些專家學(xué)者對(duì)再生混凝土技術(shù)進(jìn)行了大量的研究,在再生骨料的基本性能及強(qiáng)化、再生混凝土的配合比設(shè)計(jì)以及物理力學(xué)性能等方面取得了一定的成果[1～6],但是關(guān)于再生混凝土耐久性方面、尤其是耐磨性能方面的研究文獻(xiàn)并不多見。鑒于此,本文旨在探討復(fù)合超細(xì)粉煤灰(CUFA)與再生骨料相結(jié)合對(duì)道路路面用混凝土工作性能、力學(xué)性能、特別是耐磨性、干縮的影響,為再生混凝土應(yīng)用于水泥混凝土路面工程提供了技術(shù)支持和保障。
1 原材料與試驗(yàn)方法
1.1 原材料
水泥:42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥,水泥的物理性能和化學(xué)成分符合現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),水泥膠砂抗折強(qiáng)度Rf,3=5.40MPa,Rf,28=8.70MPa,抗壓強(qiáng)度RC,3=31.2MPa,RC,28=5817MPa;復(fù)合超細(xì)粉煤灰(CUFA):主要成分為電廠電收塵分選的超細(xì)粉煤灰,并摻入小于或等于5%的早強(qiáng)型激發(fā)劑復(fù)合而成。其中超細(xì)粉煤灰的密度2.26gPcm3,比表面積550m2Pkg,需水量比為93%,化學(xué)成分分析見表1;天然粗骨料(NA):湘江河卵石,級(jí)配合格,為5～31.5mm的連續(xù)級(jí)配;天然細(xì)骨料:河砂,級(jí)配合格,細(xì)度模數(shù)2.63;再生粗骨料(RA):用長(zhǎng)沙市某公路路面維修時(shí)廢棄的混凝土(原生混凝土的粗骨料為卵石),先經(jīng)人工破碎成中等尺度的碎塊,然后用顎式破碎機(jī)破碎成小顆粒,再篩分制得而成,級(jí)配合格,為5～31.5mm的連續(xù)級(jí)配,其有關(guān)性能,見表2;外加劑:高效減水劑(粉劑)。
1.2 試驗(yàn)方法
試件在試驗(yàn)室制作,采用50L攪拌機(jī)攪拌,振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)成型,在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)至一定齡期后進(jìn)行試驗(yàn)。再生混凝土的坍落度和表觀密度按照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法》(GBPT50080—2002)測(cè)試;力學(xué)性能按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》(GBPT50081—2002)進(jìn)行測(cè)試,其中立方體抗壓強(qiáng)度所用試件尺寸為100mm×100mm×100mm,抗折強(qiáng)度所用試件尺寸為100mm×100mm×400mm,棱柱體抗壓強(qiáng)度和彈性模量所用試件尺寸均為100mm×100mm×300mm,試驗(yàn)結(jié)果已乘相應(yīng)的換算系數(shù);耐磨性按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE30—2005)試驗(yàn)。
2試驗(yàn)結(jié)果及分析
為探討CUFA與再生骨料相結(jié)合對(duì)混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響,試驗(yàn)了5個(gè)配合比,固定水膠比為0.38,再生骨料摻量為60%,砂率為35%,高效減水劑摻量為2.52kgPm3,試驗(yàn)結(jié)果見表3。
2.1 坍落度
從圖1知,在CUFA取代率小于50%的范圍內(nèi),再生混凝土的坍落度隨CUFA摻量的增加而顯著增大,從0mm增至100mm。根據(jù)試驗(yàn)觀察,摻CUFA后再生混凝土粘聚性和保水性明顯增強(qiáng)。CUFA能明顯提高再生混凝土的坍落度,這說(shuō)明CUFA具有明顯的減水效果,其主要機(jī)理在于CUFA的形態(tài)效應(yīng)與微集料填充效應(yīng)。有研究表明,CUFA本身帶有同種電荷,其靜電斥力維持了體系的分散性,起到了普通礦物減水劑的作用[7,8]。
2.2 抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度
從圖2(a)和圖2(b)可知(見圖2),當(dāng)CUFA取代率從15%變化到35%時(shí),再生混凝土3d和7d的抗壓和抗折強(qiáng)度隨CUFA取代率的增加而增大,而28d強(qiáng)度與基準(zhǔn)混凝土相近。這說(shuō)明CUFA具有顯著的早強(qiáng)效果,在保證混凝土后期強(qiáng)度的同時(shí)能夠在顯著提高再生混凝土的早期強(qiáng)度。當(dāng)CUFA取代率為50%時(shí),再生混凝土的抗壓強(qiáng)度顯著降低,這表明CUFA摻量不宜大于50%。圖2(a)和圖2(b)還表明,采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥,并以15%～35%CUFA等量取代水泥配制的道路再生混凝土,3～7d即可開放交通,28d抗折強(qiáng)度大于或等于5.0MPa,抗壓強(qiáng)度為40.3～45.5MPa,均完全滿足混凝土C35等級(jí)的強(qiáng)度要求。
2.3 彈性模量
保持混凝土中再生骨料摻量不變的條件下,CUFA摻量對(duì)再生混凝土彈性模量的影響,見圖2(c)。當(dāng)再生粗骨料的取代比例為60%,CUFA摻量分別為15%、25%和35%時(shí),其彈性模量與不摻CUFA的基準(zhǔn)混凝土相比接近或者稍有增加。摻入適量的CUFA可以有效改善再生混凝土的工作性能,同時(shí)保證其力學(xué)性能相同或稍有改善。
2.4 耐磨性能
本文的耐磨性試驗(yàn)是在各組混凝土膠凝材料恒定不變,通過(guò)調(diào)整用水量和CUFA摻量,研究CUFA摻量、再生骨料取代比例對(duì)再生混凝土耐磨性的影響,砂率為35%,高效減水劑摻量為2.52kgPm3,試驗(yàn)配合比及結(jié)果,見表4。
表4試驗(yàn)結(jié)果表明:①固定CUFA的摻量為25%,隨再生骨料比例增加,混凝土的用水量增加,當(dāng)坍落度接近時(shí),抗壓強(qiáng)度稍有減小,1#抗壓強(qiáng)度大于2#是由于再生粗骨料吸水,使其坍落度較2#小。再生混凝土的耐磨性能變化規(guī)律與抗壓強(qiáng)度一致。②當(dāng)固定再生粗骨料的比例為60%,用水量為160kgPm3時(shí),隨著CUFA用量的增加,混凝土的坍落度增加,抗壓強(qiáng)度則隨之降低,再生混凝土的耐磨性能也隨之降低,CUFA摻量為50%時(shí),其28d單位面積的磨耗量為3.75kgPm2,超過(guò)了規(guī)范要求的3.6kgPm2。③當(dāng)固定再生粗骨料的比例為80%(2#與6#),摻入的25%CUFA,混凝土的用水量從180kgPm3降為160kgPm3時(shí),同時(shí)混凝土的坍落度從20mm
增至50mm,而抗壓強(qiáng)度基本保持不變,再生混凝土的耐磨性能也接近,均小于規(guī)范要求的3.6kgPm2。說(shuō)明利用CUFA的減水增強(qiáng)效應(yīng),可以保證再生混凝土的抗壓強(qiáng)度與不摻CUFA的再生混凝土接近,坍落度相同時(shí)甚至可以提高,其耐磨性能變化規(guī)律與抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律一致。
再生混凝土耐磨性能提高的主要原因是:①在低水膠比條件下,CUFA的減水增強(qiáng)效應(yīng)非常明顯,有利于膠凝物質(zhì)對(duì)骨料粘結(jié)性能的提高;②CUFA玻璃微珠本身的強(qiáng)度很高,有資料表明粉煤灰厚壁空心微珠的抗壓強(qiáng)度在700MPa以上[8],并且玻璃微珠外層玻璃質(zhì)表面非常致密,本身的耐磨性很高。
2.5 干縮性能
對(duì)表4中的1#、2#、3#及6#再生混凝土進(jìn)行了干縮試驗(yàn),如3圖所示。由圖3可以看出:再生混凝土的干燥收縮隨著再生骨料摻量的增加而增大,28d齡期后趨于明顯,如60d齡期時(shí)摻100%再生骨料的混凝土比摻60%再生骨料的混凝土干縮值增大了52με。90d以后再生混凝土的收縮值增長(zhǎng)幅度趨于平緩,各組混凝土的180d干縮均未超過(guò)500με。比較1#與6#的干縮可以看出,在同樣再生骨料摻量的條件下,摻CUFA的再生混凝土干縮明顯降低,且隨齡期的增長(zhǎng)降低幅度有增大的趨勢(shì)。由此可見,再生骨料在一定程度上增大混凝土的干縮值,但CUFA的摻入能夠顯著降低再生混凝土的干縮,因此,摻CUFA的再生混凝土具有良好的抗開裂能力。其減縮機(jī)理可以認(rèn)為:由于超細(xì)粉煤灰的減水增強(qiáng)效應(yīng)非常明顯,有利于膠凝物質(zhì)對(duì)集料粘結(jié)性能的提高,從而有效地減小干縮;超細(xì)粉煤灰具有優(yōu)良的微集料效應(yīng),加之其本身強(qiáng)度較高(700MPa),因此所形成的堅(jiān)實(shí)的微骨架強(qiáng)化了水泥基材[9～11]。
3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
3.1 工程概況
江西省吉安市直屬公路段管轄區(qū)的G105國(guó)道吉安段,共計(jì)110km,日交通量平均1.5萬(wàn)輛左右,重載、超載車多,造成水泥混凝土路面破損嚴(yán)重,破損率達(dá)25%,嚴(yán)重影響了行車速度和行車安全,急需修補(bǔ)。同時(shí),為了避免大量混凝土路面碎塊廢棄造成對(duì)環(huán)境的污染和節(jié)約投資,經(jīng)研究決定采用中南大學(xué)研制的“再生混凝土技術(shù)”進(jìn)行修復(fù)鋪筑。2005年8月在江西省吉安市公路局遂川分局管轄區(qū)的G105遂川段應(yīng)用,試驗(yàn)結(jié)果表明該修補(bǔ)區(qū)的混凝土72h達(dá)到開放交通的要求,得到了吉安市公路局遂川分局領(lǐng)導(dǎo)和工程技術(shù)人員的充分肯定。
3.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及結(jié)果
從現(xiàn)場(chǎng)拌合情況來(lái)看,新拌混凝土坍落度為30～50mm,粘聚性良好,說(shuō)明再生混凝土的工作性能良好。根據(jù)江西省吉安市公路局遂川分局工程質(zhì)量檢測(cè)中心對(duì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的再生混凝土檢測(cè)報(bào)告,檢測(cè)結(jié)果表明:采用摻CUFA和再生骨料配制的再生混凝土的72h抗折強(qiáng)度能達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%(5.0MPa×70%=3.5MPa)及以上,滿足快速開放交通的要求。運(yùn)營(yíng)一年來(lái),再生骨料混凝土路面綜合性能優(yōu)良,未見有開裂現(xiàn)象,再生骨料混凝土路面使用性能優(yōu)良。再生混凝土現(xiàn)場(chǎng)施工配合比見表5,現(xiàn)場(chǎng)施工試驗(yàn)檢測(cè)報(bào)告部分匯總,見表6。
4 結(jié)論
①摻入15%～35%CUFA等量取代水泥,可以有效改善再生混凝土的工作性能,同時(shí)保證其力學(xué)性能相同或稍有改善,3～7d即可開放交通,28d抗折強(qiáng)度大于5.0MPa,抗壓強(qiáng)度為40.3～45.5MPa,均完全滿足混凝土C35等級(jí)的強(qiáng)度要求。
②摻CUFA再生混凝土具有良好的耐磨性能,滿足規(guī)范要求的3.60kgPm2,為工業(yè)廢渣再生骨料與CUFA結(jié)合用于路面混凝土提供可靠保障。
③再生骨料摻量的增加在增大混凝土的干縮值,CUFA的摻入能夠顯著降低再生混凝土的干縮,摻CUFA的再生混凝土具有良好的抗開裂能力。
④工地應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果表明:摻80%～100%再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度均符合C35設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)要求,抗折強(qiáng)度均大于5.0MPa,滿足重交通和特重交通開放交通的要求,運(yùn)營(yíng)一年來(lái),再生混凝土路面綜合性能優(yōu)良,未見有開裂現(xiàn)象。
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