再生細(xì)集料對(duì)水泥混凝土物理力學(xué)性能的影響

孫家瑛,車乘乘

(1.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院綠色建材與廢棄物資源化研究中心,寧波 315100; 2.上海大學(xué)土木工程系,上海 20072)

再生細(xì)集料對(duì)水泥混凝土物理力學(xué)性能的影響

孫家瑛1,2,車乘乘2

(1.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院綠色建材與廢棄物資源化研究中心,寧波 315100; 2.上海大學(xué)土木工程系,上海 20072)

廢棄混凝土通過一系列再生工藝可以得到再生混凝土細(xì)集料,將其部分或全部替代天然砂配制混凝土可以達(dá)到變廢為寶的目的,但是再生混凝土細(xì)集料特殊的性質(zhì)會(huì)使得摻再生細(xì)集料的混凝土性能與普通混凝土之間存在較大的差異。在研究再生混凝土細(xì)集料的粒徑和物理特性對(duì)水泥混凝土物理力學(xué)性能影響的基礎(chǔ)上,探討再生混凝土細(xì)集料對(duì)混凝土的抗氣滲性能、抗氯離子滲透性能、抗碳化性能的影響。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),再生細(xì)集料在破碎制備過程中產(chǎn)生了大量缺陷和粉料,采用一定量的再生細(xì)集料替代天然細(xì)集料配制混凝土,其物理力學(xué)性能、抗氯離子滲透性能和抗碳化能力均與基準(zhǔn)混凝土有明顯差異。如再生細(xì)集料最小粒徑從0.16 mm及以下提高到2.36 mm就可以明顯改善混凝土物理力學(xué)性能。

再生細(xì)集料;最小粒徑;物理力學(xué)性能;抗氣滲性能;氯離子滲透性能;

再生細(xì)集料是由廢棄混凝土經(jīng)過清洗、破碎、分級(jí)和篩選制得。由再生細(xì)集料部分或全部替代天然集料配置混凝土可以實(shí)現(xiàn)廢棄混凝土充分地利用,達(dá)到變廢為寶的目的,對(duì)于環(huán)境保護(hù)、節(jié)約資源、發(fā)展生態(tài)建筑更具有重要意義[1-4].但由于廢棄混凝土來源復(fù)雜造成再生細(xì)集料品性等與天然細(xì)集料相差很大,這些就會(huì)影響采用再生細(xì)集料所配制的混凝土的性能,目前對(duì)再生集料的研究更多是集中于再生粗集料,對(duì)再生細(xì)集料及相關(guān)混凝土材料性能還缺乏深入的、系統(tǒng)的研究。針對(duì)再生細(xì)集料特性分析了摻再生細(xì)集料對(duì)混凝土力學(xué)性能、工作性能、氣滲性能、氯離子滲透性能和碳化性能的影響.為改善再生細(xì)集料混凝土性能,實(shí)現(xiàn)再生細(xì)集料的資源化利用提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

水泥：采用海螺牌P.O42.5普通硅酸鹽水泥,其物理力學(xué)性能見表1。

表1 水泥的物理力學(xué)性質(zhì)

集料：天然粗集料采用5～31mm的石灰?guī)r.再生混凝土細(xì)集料采用中冶集團(tuán)十三冶有限公司生產(chǎn)的0～5 mm的再生混凝土細(xì)集料。

天然砂采用細(xì)度模數(shù)為2.5的天然河砂。

粉煤灰采用寧波北侖電廠二級(jí)粉煤灰。

礦渣微粉：采用上海寶田新型材料有限公司生產(chǎn)的礦渣粉,比表面積為400m2/kg。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

抗壓強(qiáng)度采用15 cm×15 cm×15 cm試件,按《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》(GB/T 50081-2002)成型,標(biāo)養(yǎng)后分別測(cè)定其7 d、28 d抗壓強(qiáng)度.混凝土氯離子滲透試驗(yàn)按照ASTM1202方法進(jìn)行.混凝土氣滲試驗(yàn)按照RILEMTC116—PCD試驗(yàn)方法進(jìn)行.混凝土碳化性能試驗(yàn)按照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》(GBJ82—85)進(jìn)行.

基準(zhǔn)混凝土配合比為水泥270 kg/m3;粉煤灰90 kg/m3;礦渣粉90 kg/m3;砂 743 kg/m3;碎石1027 kg/m3;水180 kg/m3.再生混凝土細(xì)集料摻量為RS0;0%,RS20;20%,RS40;40%,RS60;60%, RS80;80%,RS100;100%.

2 結(jié)果與討論

2.1 再生混凝土細(xì)集料的特性

再生細(xì)集料與天然河砂外觀形貌特征如圖1所示.如該圖所示,圖1b天然河砂是由巖石經(jīng)長(zhǎng)期風(fēng)化或水流磨損作用下形成,因此其顆粒分布較為均勻,顆粒多為近似球狀,且表面少棱角、較光滑、有明顯光澤,堅(jiān)固度較好。圖1a再生細(xì)集料由于是經(jīng)機(jī)械破碎而成,且其母體材料以廢棄混凝土為主,因此顆粒尺寸差異較大,粉料多,且表面多棱角、有裂縫,同時(shí)易團(tuán)聚。

圖1 細(xì)集料顆粒外觀特征

再生細(xì)集料與天然河砂的級(jí)配及各種物理性能測(cè)試結(jié)果列于表2

表2 各種細(xì)集料級(jí)配與性質(zhì)/%

由表中實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,與天然砂相比,再生細(xì)集料的細(xì)度模數(shù)與之相同,均為2.8,但是累計(jì)篩余結(jié)果可見,再生細(xì)集料顆粒級(jí)配呈兩端大,中間小的特征,其1.18 mm以上顆粒和0.3mm以下粉料明顯多于天然河砂.

由表2給出的天然砂和再生細(xì)集料的物理性質(zhì)實(shí)驗(yàn)表明,再生細(xì)集料吸水率顯著高于天然砂,約為天然砂的4倍以上.吸水率增大的主要原因是由于細(xì)集料是通過機(jī)械破碎而形成的,因此在其制備過程中存有大量由于硬傷累積形成的微裂縫,導(dǎo)致再生細(xì)集料表觀密度下降,吸水率提高。此外再生細(xì)集料中, 0.15 mm以下顆粒含量較多,由于再生細(xì)集料來源于廢棄混凝土,因此這些粒徑集料主要以硬化水泥漿體為主,這些水泥漿體破碎成粉狀后,在表面積增大同時(shí),其中還有一定量的未水化相,其對(duì)水有較強(qiáng)的吸附力,因此進(jìn)一步提高了再生細(xì)集料的吸水率。

2.2 再生混凝土細(xì)集料對(duì)水泥混凝土物理力學(xué)性能影響

再生混凝土細(xì)集料等量替代天然砂配制混凝土的工作性能,7 d抗壓強(qiáng)度28 d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

由表3再生細(xì)集料混凝土坍落度實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知。在用水量一定的情況下,隨著再生細(xì)集料摻量的增加,混凝土的坍落度逐漸減小,當(dāng)其摻量由20%增大到40%時(shí),混凝土的坍落度就已經(jīng)開始明顯的下降,當(dāng)其摻量增加到80%時(shí)混凝土無任何流動(dòng)性.同時(shí)分析混凝土的1 h經(jīng)時(shí)坍落度損失可知,摻入再生細(xì)集料后混凝土經(jīng)時(shí)坍落度損失較大。

由表3中再生細(xì)集料混凝土的抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果可知,再生細(xì)集料取代率對(duì)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度fcu存在一定影響,隨著再生細(xì)集料摻量的增加,混凝土的7 d和28 d抗壓強(qiáng)度均逐漸降低。當(dāng)再生細(xì)集料摻量≤40%,混凝土的28 d立方體抗壓強(qiáng)度下降幅度較小,但是當(dāng)摻量＞40%時(shí),混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度下降較為明顯,再生細(xì)集料摻量為80%時(shí),其28 d立方體抗壓強(qiáng)度為29.7 MPa,與基準(zhǔn)混凝土相比下降37.9%了,已不能滿足C30混凝土技術(shù)要求。

表3 摻再生細(xì)集料混凝土物理力學(xué)性能

2.3 再生混凝土細(xì)集料最小粒徑對(duì)水泥混凝土物理力學(xué)性能影響

將再生細(xì)集料分級(jí)為：FJ0(0～5 mm)、FJ1 (0.16mm～5 mm)、FJ2(1.18 mm～5 mm)、FJ3 (2.36mm～5 mm),并取代天然砂40%RS40作為基準(zhǔn)混凝土配合比,分別試配混凝土,物理力學(xué)性能見表4。

表4 摻再生細(xì)集料混凝土物理力學(xué)性能

由表4中實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,在再生細(xì)集料取代量一定前提下,隨著再生細(xì)集料的最小粒徑減小,水泥混凝土的坍落度逐漸下降,主要原因在于再生混凝土細(xì)集料吸水率隨最小粒徑減小而增加,其中Fj0時(shí)初始坍落度僅為90 mm,而Fj3的初始坍落度為190 mm,兩者相差100 mm,這就可以充分說明再生細(xì)集料的吸水率大主要是由粒徑小于2.36 mm的顆粒所造成的.

此外從抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果還可以知道,再生細(xì)集料的最小粒徑對(duì)混凝土強(qiáng)度影響非常大,隨再生細(xì)集料最小粒徑減小,混凝土7 d和28 d抗壓強(qiáng)度均逐漸降低.當(dāng)再生細(xì)集料顆粒尺寸從2.36～5 mm變?yōu)?～5mm,混凝土28 d抗壓強(qiáng)度從47.1 MPa降低至39.5 MPa,下降了20%左右.這可能是由于再生細(xì)集料最小粒徑減小,再生細(xì)集料中廢棄水泥混凝土粉料增加,表面積增大,從而使再生細(xì)集料缺陷和需水量增加所造成的.

2.4 再生混凝土細(xì)集料對(duì)混凝土氣體滲透性能的影響

采用0～5 mm再生細(xì)集料配制的混凝土的氣滲試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 摻再生細(xì)集料混凝土的氣滲試驗(yàn)結(jié)果

與天然細(xì)集料相比,再生細(xì)集料不僅表面粗糙、棱角較多,并且還含有相當(dāng)數(shù)量的水泥砂漿(水泥砂漿孔隙率大、表面積增大、吸水率高),因此摻再生細(xì)集料混凝土孔隙率較大,集料—漿體界面結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜,界面增多.而混凝土中水泥漿體與集料間的界面區(qū)是其最薄弱的1個(gè)環(huán)節(jié),常常成為侵蝕離子的滲透通道,從而導(dǎo)致混凝土材料耐久性能降低.

從表5實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,隨著再生細(xì)集料摻量的增加,再生混凝土的氣滲系數(shù)增加,抗氣滲性能變差.例如,不加再生細(xì)集料的混凝土(RS0)的氣滲系數(shù)為10.6×10-16m2,而加入60%再生細(xì)集料的混凝土(RS60)的氣滲系數(shù)達(dá)到20.3×10-16m2,氣滲系數(shù)增加了近1倍,抗氣滲性能大幅度下降.產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因是：由于再生細(xì)集料孔隙率高和粉料多,表面積大,吸水率也大,因此隨著再生細(xì)集料摻量的增加,再生細(xì)集料混凝土的孔隙率相應(yīng)變大,界面增多,從而導(dǎo)致?lián)皆偕?xì)集料混凝土的抗氣滲性能下降.

2.5 再生混凝土細(xì)集料對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能影響

圖2 再生細(xì)集料對(duì)混凝土氯離子滲透性的影響

再生細(xì)集料對(duì)混凝土的氯離子滲透性影響試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示.從圖中可以看出,隨著再生細(xì)集料摻量的增加,混凝土的通過電量增加,混凝土抗氯離子滲透性能變差.由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,不加再生細(xì)集料的混凝土(RS0)的通電量為1 432.8 C,而加入60%再生細(xì)集料的混凝土(RS60)的通電量達(dá)到1984C,通電量增加了近40%,抗氯離子滲透性能大幅度下降.產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因是：由于再生細(xì)集料孔隙率高、缺陷多、吸水率大,因此隨著再生細(xì)集料摻量的增加,混凝土的孔隙率相應(yīng)變大,界面增多,與遷移有關(guān)的性能均變差,從而造成摻再生細(xì)集料混凝土的抗氯離子滲透性能下降.

2.6 再生混凝土細(xì)集料對(duì)混凝土抗碳化性能的影響

表6所示再生細(xì)集料對(duì)混凝土抗碳化性能的影響

表6 摻再生細(xì)集料混凝土的碳化試驗(yàn)結(jié)果

從表中可以看出,同氣滲試驗(yàn)結(jié)果一樣,隨著再生細(xì)集料摻量的增加,混凝土在各個(gè)齡期內(nèi)的碳化深度均有不同程度的增大,即混凝土的抗碳化能力下降.再生細(xì)集料摻量為60%時(shí),再生混凝土(RS60)的碳化深度最大,28 d達(dá)到了6.4mm,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基準(zhǔn)混凝土(RS0)的28 d碳化深度3.7mm.此現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是再生細(xì)集料的孔隙率高、缺陷多,由此制得的混凝土的孔隙率也高,抗?jié)B性差之故。

另外,與普通混凝土一樣,各種摻量再生細(xì)集料配制的混凝土碳化速度隨著碳化時(shí)間的延長(zhǎng)均逐漸減小.在碳化初期,再生細(xì)集料混凝土內(nèi)部可供碳化反應(yīng)的Ca(OH)2充足,當(dāng)CO2滲透至混凝土內(nèi)部,便會(huì)和Ca(OH)2發(fā)生化學(xué)反應(yīng),此時(shí),碳化速度取決于CO2在混凝土內(nèi)部的滲透能力,碳化反應(yīng)劇烈.隨著碳化反應(yīng)的不斷進(jìn)行,Ca(OH)2不斷被消耗,CO2滲透至混凝土后,能與之發(fā)生反應(yīng)的Ca (OH)2不斷減少,化學(xué)反應(yīng)速度降低.此外當(dāng)再生細(xì)集料混凝土發(fā)生碳化反應(yīng)后,生成的CaCO3填充于空隙內(nèi),使得完全碳化區(qū)內(nèi)的孔隙率減少,CO2擴(kuò)散能力減少,也促使碳化反應(yīng)速度降低.當(dāng)然,隨著時(shí)間的延長(zhǎng),摻再生細(xì)集料混凝土內(nèi)部的水化不斷進(jìn)行,混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)隨之得到改善,也在一定程度上抑制了碳化反應(yīng)的進(jìn)行.

3 結(jié) 論

1)再生細(xì)集料混凝土的工作性能和力學(xué)性能隨再生細(xì)集料最小粒徑尺寸減小而迅速劣化,再生細(xì)集料的最小粒徑越小,其配制的混凝土坍落度越小,強(qiáng)度越低。

2)再生細(xì)集料的摻入會(huì)導(dǎo)致混凝土工作性變差,同時(shí)經(jīng)時(shí)坍落度損失較大,隨再生細(xì)集料摻量增加和最小粒徑減小,混凝土坍落度變小和經(jīng)時(shí)坍落度損失更加明顯.

3)再生細(xì)集料的孔隙率較高,在破碎制備過程中產(chǎn)生了大量缺陷,因此摻再生細(xì)集料混凝土抗壓強(qiáng)度、抗氯離子滲透性能和抗碳化能力均較基準(zhǔn)混凝土差.

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(編輯 胡 玲)

Influence of Fine Recycled Aggregate on Physical and Mechanical Properties of Concrete

SUNJia-ying1,2,CHECheng-cheng2

(1.Research Center of Green Building Materials and W aste Resources Reuse,N ingbo Institute of Technology Zhejiang University,Ningbo 315100,P.R.China;2.Department of Civil Engineering,Shanghai University,Shanghai200072,P.R.China)

Based on a series of recycle process,waste concrete can be made intofine recycled aggregate which can be used com pletely or partly to com pound concrete as a substitute for natural sand.But the special propertiesof fine recycled aggregatemake the perform ance of concretew ith fine recycled aggregate different from norm al concrete.Characteristics of fine recycled aggregate and its influence on physical and mechanical propertiesof concrete are studied.On this basis,the influence of fine recycled aggregate on gas permeation properties,chloride permeability,and carbonation resistance of concrete are also studied.It is found that fine recycled aggregate produces a lot of defects in crushing preparation.And the compressive strength,the chloride permeability and the carbonation resistance of the concrete w ith fine recycled aggregate as substitution show difference from that of normal concrete.

fine recycled aggregate;the sm allest aggregate size;physical and mechanical properties;gas permeation properties;chloride permeability

TU522.09

A

1674-4764(2011)03-0143-04

2010-12-15

科技部國(guó)際合作重大項(xiàng)目(2010FA 24590);國(guó)家自然科學(xué)基金(50808160)

孫家瑛(1960-),男,教授,主要從事建筑材料研究,(E-mail)jakys@163.com。