石粉對(duì)機(jī)制砂再生混凝土性能的影響研究

龐建榮，李文杰，張 鑫，宋朝奇，李世尚

(滄州交通學(xué)院，河北 滄州 061100)

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

原材料主要包括再生混凝土、機(jī)制砂、石粉、水泥、石子和水等。其中，再生混凝土取料于城市堆積的建筑廢料，對(duì)建筑廢料進(jìn)行破碎后，進(jìn)行人工清洗篩分備用。再生粗骨料需要滿足最大粒徑為40 mm、針片狀顆粒含量小于15%，物理性質(zhì)要滿足國標(biāo)要求。機(jī)制砂是將天然石材經(jīng)過人工破碎后得到的，經(jīng)試驗(yàn)測得其細(xì)度模數(shù)為3.0，屬中砂，顆粒級(jí)配屬于Ⅱ區(qū)。對(duì)所得機(jī)制砂進(jìn)行篩分，選擇級(jí)配好的，經(jīng)人工清洗曬干后使用。石粉為機(jī)制砂生產(chǎn)過程中的工業(yè)廢料，其主要成分與母巖相似。實(shí)驗(yàn)使用的石粉為6%、12%和18%的三種添加量。水泥選用C30硅酸鹽水泥。

1.2 試驗(yàn)方法

測定所用材料的物理性能，確定石子和再生混凝土骨料的最大粒徑、含水率、吸水率、壓碎指標(biāo)及表觀密度。測定機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)、顆粒級(jí)配、表觀密度和含泥量。計(jì)算不同石粉含量混凝土的配合比。由于再生混凝土骨料的孔隙率和吸水率都比天然骨料要高，且再生骨料的原材料強(qiáng)度不同，破碎工藝不同，用普通的公式計(jì)算無法滿足要求。目前，比較受認(rèn)可的計(jì)算再生混凝土配合比的方法是：在滿足混凝土和易性、強(qiáng)度要求、耐久性等條件的前提下，參照Bolomey公式，進(jìn)行各組成材料基本用量的計(jì)算，再采用附加用水量的方法對(duì)混凝土的配合比進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，得到最終配合比。

采用正交試驗(yàn)方法，試驗(yàn)因子分別為A細(xì)骨料替代率，B粗骨料替代率，C石粉摻量，D水膠比，E混凝土等級(jí)，水平數(shù)為3個(gè)。利用矩陣分析方法將各個(gè)因素的水平、對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響用權(quán)重來表示，從而確定影響因素的主次順序和最優(yōu)方案。根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析，不僅可以得出每個(gè)因素的最優(yōu)水平，還可得到各個(gè)因素對(duì)整體指標(biāo)影響的主次順序。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，制備150 mm×150 mm×150 mm的立方體試塊，根據(jù)試驗(yàn)操作規(guī)程測定混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉性能。

實(shí)驗(yàn)需要利用坍落度筒、搗棒、鋼尺等工具測試新拌混凝土的坍落度、擴(kuò)展度，以研究其工作性能。利用 NYL-2000型壓力機(jī)測試并記錄試塊抗壓強(qiáng)度來研究其力學(xué)性能。采用無損檢測方法，利用 NM-4A 非金屬超聲檢測分析儀測試試塊的動(dòng)彈性模量變化來研究試塊的損傷程度。對(duì)各個(gè)齡期的混凝土進(jìn)行質(zhì)量稱量。混凝土攪拌完成后，制成標(biāo)準(zhǔn)試件并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)28 d后，使試塊的強(qiáng)度達(dá)到要求，再進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)并做記錄。

2 石粉對(duì)機(jī)制砂再生混凝土性能的影響

2.1 石粉摻量對(duì)機(jī)制砂再生混凝土工作性能的影響

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，當(dāng)石粉含量為12%時(shí)，混凝土工作性能最佳，含量增加或減少，混凝土工作性能都隨之降低。這主要是因?yàn)槭鄣谋缺砻娣e較小，可以填充混凝土漿體的空隙，使粗細(xì)骨料之間的碰撞減小，從而在很大的程度上有效改善了混凝土拌和物的和易性。石粉作用效果的大小受機(jī)制砂含量、再生骨料添加率、水膠比等影響，通過實(shí)驗(yàn)分析，水膠比影響比重最大。石粉的加入，降低了混凝土拌和物的坍落度，增加了拌和物的黏聚性。

2.2 石粉摻量對(duì)機(jī)制砂再生混凝土抗壓性能的影響

試件的受壓破壞過程實(shí)際上是裂縫從產(chǎn)生、擴(kuò)展一直到貫穿的整個(gè)過程。裂縫先從粗骨料和水泥石中間產(chǎn)生，再不斷蔓延。混凝土的抗壓強(qiáng)度作為混凝土強(qiáng)度質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)，十分重要，主要受水泥強(qiáng)度和水膠比的影響，石粉摻量可以提高抗壓強(qiáng)度，但提高的幅度不同，總體呈先增加后降低的趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)中，石粉摻量在0%～12%，混凝土立方體的抗壓強(qiáng)度均隨石粉含量的增加而提高；大于12%后，會(huì)呈現(xiàn)出隨石粉含量的增加而降低的趨勢(shì)。當(dāng)石粉含量為12%時(shí)，混凝土強(qiáng)度達(dá)到最優(yōu)，隨再生粗骨料取代率增加，混凝土抗壓強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)先下降后增加且都小于無取代率時(shí)的抗壓強(qiáng)度，當(dāng)取代率為60%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到最小值，取代率為90%時(shí)，會(huì)達(dá)到比較大的值。因此隨著混凝土強(qiáng)度的增加，再生混凝土的替代率也會(huì)隨之有較明顯的上升趨勢(shì)，這是增加再生混凝土替代率的一種方法，摻雜再生混凝土新構(gòu)件的強(qiáng)度不會(huì)下降。

出現(xiàn)以上情況的原因是石粉在水泥的水化反應(yīng)中發(fā)生了填充效應(yīng)，使混凝土更密實(shí)，以提高混凝土強(qiáng)度。但當(dāng)石粉含量超過12%時(shí)，會(huì)出現(xiàn)較多的負(fù)面作用，造成需水量增多，混凝土拌和物的和易性差，均勻性和密實(shí)度降低，這些情況會(huì)使混凝土抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

2.3 石粉含量對(duì)機(jī)制砂再生混凝土抗劈裂性能的影響

石粉摻量的添加在總體上來說，提高了劈裂抗拉的強(qiáng)度，但是這個(gè)幅度會(huì)隨著摻量的不同而發(fā)生不同的變化，它會(huì)與普通混凝土一樣經(jīng)歷彈性階段、彈塑性階段與破壞性階段。混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度會(huì)比混凝土抗壓強(qiáng)度的值小，這個(gè)值一般為抗壓強(qiáng)度的1/5～1/10。石粉摻量在0%～12%時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度會(huì)隨石粉含量的增加而有所提高；當(dāng)大于12%后，隨石粉含量的增加，劈裂抗拉強(qiáng)度會(huì)有不同程度的降低。不論粗骨料取代率是多少，石粉含量為12%時(shí)，混凝土強(qiáng)度均達(dá)到最優(yōu)值。

應(yīng)適量地增加石粉，因?yàn)槠漕w粒較小，有包裹粗骨料的效果，可有效提高粗骨料與水泥之間的黏結(jié)強(qiáng)度，使抗拉強(qiáng)度提高。如果石粉摻量超過12%，那么劈裂抗拉強(qiáng)度就會(huì)隨著石粉摻量的增加出現(xiàn)下降趨勢(shì)。粗骨料的制備所產(chǎn)生的骨料強(qiáng)度有所不同，使得混凝土強(qiáng)度有變動(dòng)。實(shí)驗(yàn)采用同一強(qiáng)度的混凝土材料破碎后作為骨料，但由于破碎工藝的問題，導(dǎo)致材料強(qiáng)度不均，此問題有待解決。經(jīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，隨著再生骨料強(qiáng)度提高，混凝土強(qiáng)度也會(huì)隨之增大，可以通過改善再生骨料的破碎工藝來保證再生骨料的強(qiáng)度。

3 結(jié)論

通過正交試驗(yàn)并結(jié)合矩陣分析，得出原材料對(duì)機(jī)制砂再生混凝土強(qiáng)度影響的重要度依次為水膠比>石粉摻量>再生骨料替代率>機(jī)制砂替代率。要想增加石粉的摻量，就要配置合理的水膠比。石粉摻量為12%時(shí)，可以使機(jī)制砂、再生混凝土、抗壓強(qiáng)度和抗劈裂強(qiáng)度都達(dá)到最優(yōu)的工作狀態(tài)。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到，再生混凝土粗骨料取代率達(dá)到90%時(shí)，抗壓強(qiáng)度和抗劈裂強(qiáng)度均達(dá)到最大值。