堿激發再生微粉水工混凝土強度試驗研究

賀詩涵

(沈陽市文林水土工程設計有限公司，遼寧 沈陽 110000)

1 材料與方法

1.1 試驗材料

水泥為通用的普通硅酸鹽水泥，強度等級P·O42.5，初凝時間4.17 h，終凝時間5.13 h，3 d抗壓強度24.5 MPa，抗折強度為5.2 MPa，28 d抗壓強度為50.8 MPa，抗折強度為7.4 MPa，標準稠度用水量為26%；再生微粉的制作原料為某水利工程除險加固施工中拆除溢洪道底板獲得的廢棄混凝土，原設計強度等級C35；細骨料為細度模數2.5的天然河砂，表觀密度2673 kg/m3，堆積密度1510 kg/m3，含泥量0.33%，含水率0.38%；粗骨料為粒徑5～20 mm的人工石灰巖碎石，表觀密度2624 kg/m3，堆積密度1577 kg/m3，含泥量1.14%，含水率1.21%；纖維材料為聚丙烯纖維，直徑0.02 mm，延伸率15%，抗拉強度550.0 MPa，彈性模量3.8 GPa；減水劑為聚羧酸減水劑；堿激發劑為模數3.3的工業硅酸鈉(俗稱水玻璃)和氫氧化鈉；水為普通自來水。

1.2 再生微粉和堿激發劑制作

將廢棄混凝土塊利用顎式破碎機破碎，再利用振篩機進程篩分，將篩分獲取的2～5 mm的細料進行二次破碎和篩分，獲得粒徑1.2 mm以下的細料[1]。將細料放入烘干箱在60 ℃的條件下烘干12 h，保證去除骨料中的絕大部分水分。對烘干后的細骨料利用球磨機進行研磨，并利用負壓篩析儀對其細度進行測試，當45μm篩余量<10%時結束研磨，獲得再生微粉[2]。

經測定，再生微粉堆積密度855.9 kg/m3，表觀密度2355 kg/m3，比表面積467 m2/kg，Mastersizer2000激光粒度儀測得其表面積平均粒徑12.86 μm，體積平均粒徑42.60 μm。利用ZSX Primus Ⅱ型X 射線熒光光譜儀對再生微粉化學成分進行分析，結果如表1所示。

表1 再生微粉化學組成 %

為防止氫氧化鈉水解熱對混凝土性能造成不利影響，研究中將堿激發材料混凝配制成液態堿激發劑，在混凝土制作過程中將其與粉體材料拌和。由于試驗中使用的工業水玻璃的模數為3.3，因此需要加入一定量的氫氧化鈉進行模數的調控，最后獲得模數為1.4、含堿量為6%的堿激發劑[3]。具體步驟：首先根據要求稱量好水玻璃和氫氧化鈉的用量，然后將適量的工業水玻璃倒入容器并緩慢攪拌30 s，再加入適量的氫氧化鈉繼續攪拌，使氫氧化鈉能夠均勻溶解，之后將溶液靜置6 h冷卻至常溫后再次稱重，對于產生的質量損失用水補齊。制作完畢的堿激發劑要在48 h內使用。

1.3 試驗方法

試驗研究按照水利工程建設中常用的C30混凝土確定配合比，然后以內摻的方式確定不同再生微粉摻量水平，通過對比試驗獲得再生微粉對水工混凝土強度的影響規律[4]。混凝土的水膠比確定為0.35，膠凝材料用量581 kg/m3，細骨料用量599 kg/m3，粗骨料用量1020 kg/m3，聚丙烯纖維用量1.2 kg/m3，減水劑用量2.5 kg/m3。根據相關研究經驗試驗中確定0%、5%、10%、15%、20%、25%和30%等7種不同的取代率進行試驗。

按照確定的水工混凝土配合比稱量好原材料，將稱量好的再生微粉和堿激發劑混合攪拌均勻靜置備用。在攪拌機內倒入骨料和聚丙烯纖維干拌2 min，然后加入水泥、水以及減水劑攪拌3 min，最后倒入再生微粉和堿激發劑混合物繼續攪拌2 min。將制作完成的混凝土材料迅速倒入試模并振搗成型，在靜置24 h后拆模編號放入標準養護室，在標準條件下養護至試驗規定齡期。

對養護完畢的試件利用WET-2000型微機伺服多功能試驗機、W6-572-006 萬能試驗機和壓力試驗機進行試件的抗壓強度、抗折強度以及劈裂抗拉強度試驗[5]。試驗中每種方案測試三個試件，以其試驗結果的均值作為最終試驗結果。

2 試驗結果與分析

2.1 抗壓強度

對混凝土試件進行抗壓強度試驗，根據試驗數據，計算7 d、14 d和28 d齡期的抗壓強度，結果如表2所示，不同齡期試件抗壓強度隨再生微粉摻量的變化曲線如圖1所示。

圖1 抗壓強度隨再生微粉摻量的變化曲線

表2 抗壓強度試驗結果

由試驗結果可以看出，隨著堿激發再生微粉摻量的增加，不同齡期混凝土的抗壓強度值均呈現先增加后迅速下降的變化特點。具體來看，當堿激發再生微粉的摻量<15%時，混凝土的抗壓強度值呈現出不斷增長的變化趨勢，當堿激發再生微粉的摻量>15%時，抗壓強度值會迅速下降，且下降的速率不斷增大。究其原因，雖然再生微粉與粉煤灰類似，存在一定的火山灰效應，在摻入一定的再生微粉時，可以發揮對混凝土力學性能的改善作用，表現為混凝土抗壓強度值的提升。但是，隨著再生微粉摻量的進一步增大，混凝土中水泥材料的占比不斷降低，水泥漿體材料很難將更多的再生微粉和骨料包裹。另一方面，由于再生微粉具有較強的吸水性，在混凝土的拌和過程中會吸收混凝土材料中的自由水，從而影響水泥的后期水化反應，也會對抗壓強度造成不利影響。總體來看，當混凝土中堿激發再生微粉的摻量為15%時，混凝土的抗壓強度值最大，28 d齡期的抗壓強度值為51.42 MPa，與未摻加堿激發再生微粉的混凝土的抗壓強度值相比，提升了約12.91%。

2.2 抗折強度

對混凝土試件進行抗折強度試驗，根據試驗數據，計算7 d、14 d和28 d齡期的抗折強度，結果如表3所示，不同齡期試件抗折強度隨再生微粉摻量的變化曲線如圖2所示。

圖2 抗折強度變化曲線

表3 抗折強度試驗結果

由計算結果可以看出，不同堿激發再生微粉摻量方案下水工混凝土的抗折強度變化規律和抗壓強度類似，隨著堿激發再生微粉摻量的增加，混凝土的抗折強度呈現出先小幅增大后迅速減小的變化特點，但是變化的幅度比抗壓強度稍小。

由此可見，堿激發再生微粉對混凝土的抗折強度影響較抗壓強度小。從具體的試驗數據來看，當堿激發再生微粉摻量為15%時混凝土試件的抗折強度值最大。以28 d齡期試驗數據為例，抗折強度為8.32 MPa，與未摻加再生微粉方案相比，混凝土的抗折強度增加了約8.76%。

2.3 劈裂抗拉強度

對混凝土試件進行劈裂抗拉強度試驗，根據試驗數據，計算7 d、14 d和28 d齡期的劈裂抗拉強度值，結果如表4所示，不同齡期試件劈裂抗拉強度隨再生微粉摻量的變化曲線如圖3所示。由計算結果可以看出，不同堿激發再生微粉摻量方案下水工混凝土的劈裂抗拉強度變化規律和抗壓強度以及抗折強度類似，隨著堿激發再生微粉摻量的增加，混凝土的劈裂抗拉強度呈現出先小幅增大后迅速減小的變化特點，其原因和作用機理類似，這里不再復述。從具體試驗數據來看，當堿激發再生微粉的摻量為15%時混凝土的劈裂抗拉強度值最大，其28 d劈裂抗拉強度值為7.40 MPa，與未摻加堿激發再生微粉的方案相比，劈裂抗拉強度增加了約8.66%。

圖3 劈裂抗拉強度變化曲線

表4 劈裂抗拉強度試驗結果

3 結 論

(1)隨著堿激發再生微粉摻量的增加，混凝土的抗壓強度、抗折強度和劈裂抗拉強度均呈現出先小幅增加后迅速下降的變化特點。

(2)當堿激發再生微粉的摻量為15%時，混凝土的強度最大，其強度指標較未摻加方案可提升8%～15%。

(3)根據試驗結果，建議在工程應用中加入15%左右的堿激發再生微粉材料，可以對混凝土強度性能起到一定的改善作用，同時還可以降低混凝土的制作成本。