粗骨料替代率對再生混凝土性能影響研究

張 愷,林 子 琪,尹 志 剛,王 亮,周 洪 仟

(1.大連理工大學 水利工程學院,遼寧 大連 116024; 2.長春工程學院 吉林省水工程安全與災害防治工程實驗室,吉林 長春 130012)

0 引 言

在“碳達峰、碳中和”戰略的推進下,中國工業固廢與建筑垃圾資源化的前行思路更加清晰,目標更加明確。將建筑固廢破碎后制備成再生骨料進行資源化回收利用,既能減少建筑工程對自然資源的過度消耗,又解決了建筑固廢的處理問題,同時也是實現綠色、可持續發展和循環經濟的重要途徑[1-3]。

目前,國內外學者對再生骨料混凝土(RAC)力學性能方面開展了大量的試驗研究。陳宗平等[4]認為隨著再生粗骨料替代率的增加,再生混凝土力學性能略有提高。侯永利等[5]研究卻發現,隨著再生粗骨料取代率的增加,再生混凝土力學性能均有不同程度降低,但隨著養護齡期的延長,降低幅度有所緩解。楊陽等[6]、郭遠新等[7]認為再生粗骨料的來源、品質和替代率對再生混凝土的力學性能有顯著影響。徐福衛等[8]推導并給出了界面過渡區厚度與再生骨料摻量之間的計算公式,為定量分析和研究界面過渡區對再生混凝土性能影響提供了理論參考。Zaharieva等[9]、Júnior等[10]的研究結果表明,再生粗骨料表面黏附老舊砂漿、吸水率高以及破碎過程中出現的微裂紋是引起再生混凝土力學性能和耐久性降低的主要原因。綜上可以看出,目前對再生混凝土的研究主要集中在宏觀力學性能和材料改性等方面,而對再生骨料混凝土力學性能和微觀孔隙結構隨養護齡期演變規律方面的研究還相對較少。同時,混凝土內部微觀孔隙結構對其宏觀性能具有直接影響。因此,研究不同粗骨料替代率的再生混凝土力學性能和微觀結構隨養護齡期的演變規律具有非常重要的意義。

近年來,低場核磁共振技術(LF-NMR)作為一種新型多孔介質微觀結構檢測方法,在混凝土、巖土工程領域應用越來越廣泛[11-12]。該方法以水為介質,具有測試速度快、無損、結果準確等諸多優點,目前已成為在線實時監測多孔介質內部孔隙結構演變過程的一種有力手段[13-14]。

基于上述分析,本文以不同再生粗骨料替代率(0,30%,50%,70%,100%)及養護齡期(3,7,14,28 d)作為研究變量,共計制備150個邊長為100 mm的立方體試塊和15個尺寸為50 mm×100 mm(直徑×高度)的圓柱體試樣。對上述立方體試塊養護至設定齡期后開展單軸抗壓強度和劈裂抗拉強度試驗,同時,利用低場核磁共振技術分析了不同條件下圓柱體芯樣內部孔結構的演變規律,以期為研究不同粗骨料替代率及齡期對再生混凝土力學性能的影響提供數據支撐。

1 試驗方案設計

1.1 試驗材料與配合比設計

試驗選用吉林亞泰鼎鹿牌P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥,天然粗骨料選用表觀密度為2 710 kg/m3,粒徑在4.75～37.5 mm之間的連續級配碎石,壓碎指標為5.67%;再生粗骨料來源于實驗室自制C35混凝土棱柱體試塊,在完成力學試驗后,經機械破碎然后再通過振動篩分、人工篩洗后,獲得粒徑范圍為4.5～37.5 mm的再生粗骨料。經測定再生粗骨料24 h吸水率為5.7%,壓碎指標為13.4%;細骨料選用細度模數為3.0的天然河砂;減水劑選用沈陽某公司生產的FDN-A型萘系減水劑,減水率為21%,摻量為水泥用量的0.8%;試驗用水為普通自來水。根據規范[15-16]要求,試驗具體配合比設計如表1所列。

表1 再生混凝土配合比設計Tab.1 Mix proportion of recycled concrete kg/m3

1.2 試驗方法與主要試驗設備

采用二次投料法制備再生混凝土,將澆筑成型的試塊在室溫下靜置24 h之后移入標準養護房內,養護至規定齡期后開展相應測試。利用WAW-2000kN電液伺服萬能試驗機進行力學性能測試,按照速率控制加載,加載速率為0.2 mm/min,當達到預估峰值的80%后,將加載速率調整為0.1 mm/min,直至試塊壓壞。

1.3 低場核磁共振測試

LF-NMR技術原理是:對待測樣品施加一個射頻磁場后,樣品內部的1H質子自旋系統被迫從低能態躍遷到高能態,當射頻磁場結束后,核自旋就從高能態的非平穩狀態恢復到低能態的平衡狀態,這一過程就是弛豫過程[11]。核磁共振的橫向弛豫時間T2曲線與樣品孔徑大小呈正比,因此可通過T2圖譜的峰面積來表征孔隙的數量和相應孔徑的占比。對于巖土、水泥基類等多孔介質,橫向弛豫時間T2可通過式(1)表征[12-13]:

(1)

式中:ρ2為待測樣品的表面弛豫速率;(S/V)為樣品孔隙表面積與流體體積的比值;Fs為孔隙幾何形狀因子;R為孔隙半徑。

在本次試驗中,使用MesoMR23-060H-I低場核磁共振儀器(紐邁,上海)測試不同替代率再生混凝土樣品微觀孔隙結構隨養護齡期的演變規律。設備的主振頻率為21.3 MHz,磁體強度為0.5±0.08T,線圈直徑為60 mm。主要測量參數設置如下:P1=13.00 μs,P2=26.00 μs,SW=200 kHz,TR=1 000 ms,NS=32,回波間隔時間為0.26 μs,回波計數為18 000。在測試期間,磁體和探頭組件的溫度保持在32±0.01 ℃。低場核磁共振測試流程具體見圖1。本次試驗共制備15個圓柱體試樣,每組3個,LF-NMR的測試結果取3個樣品的平均值。

圖1 低場核磁共振測試流程Fig.1 Flow chart of LF-NMR test

2 試驗結果與分析

2.1 抗壓強度

圖2(a)繪制了不同粗骨料替代率再生混凝土抗壓強度隨養護齡期的變化散點圖及擬合曲線。從圖中可以看出,不同替代率再生混凝土的強度增長規律基本相似,各組再生混凝土抗壓強度隨齡期基本呈對數增加的趨勢,但各組強度增長幅度不盡相同。

圖2 再生混凝土抗壓強度關系曲線Fig.2 Variation curves of compressive strength of RAC

為進一步直觀對比,將再生粗骨料替代率在不同養護齡期下的再生混凝土抗壓強度繪于圖2(b)。分析可知,隨著再生粗骨料替代率的增加,抗壓強度呈現先增后減的趨勢。各養護齡期下,RAC-30組的再生混凝土抗壓強度最高;RAC-50組再生混凝土28 d的抗壓強度稍高于對照組(RAC-0)的強度;當粗骨料替代率超過50%后,各養護齡期下的再生混凝土抗壓強度均明顯降低,與對照組(RAC-0)28 d的抗壓強度相比,RAC-70和RAC-100兩組再生混凝土28 d抗壓強度分別降低了7.55%,20.84%。

粗骨料替代率在50%時,再生混凝土的抗壓強度沒有明顯下降的原因是在澆筑制備過程中,再生粗骨料表面附著的舊水泥砂漿會吸收少量拌和的水,從而降低實際的水灰比。另外,也有研究表明,在后續養護的過程中,再生粗骨料吸附的部分水會逐漸釋放,使得這些粗骨料周圍水泥充分水化,形成一定的“內養護”條件,進而提高混凝土的抗壓強度[9-10]。當再生粗骨料替代率超過50%后,骨料自身的缺陷就會充分顯露出來。這是由于在制備再生粗骨料破碎過程中會產生微裂隙,這些初始隨機分布的微裂隙數量隨替代率的增加而不斷增大;同時,粗骨料含量越高,新、舊砂漿黏結界面過渡區也會越多,致使試塊整體密實性變差,最終表現為宏觀力學性能的下降。

2.2 劈裂抗拉強度與拉壓比

圖3(a)為相同齡期的劈裂抗拉強度隨粗骨料替代率的變化關系曲線。分析可知,隨著再生粗骨料替代率的增加,各組再生骨料混凝土的劈裂抗拉強度呈先增后減的趨勢。不同養護齡期下,RAC-30組的再生混凝土劈裂抗拉強度最大;當粗骨料替代率超過50%后,各養護齡期下的再生混凝土劈裂抗拉強度明顯降低。這主要是由于混凝土的劈裂抗拉強度主要取決于骨料的均勻性和骨料-砂漿界面間的黏結強度。隨著再生粗骨料替代率的增加,新、舊水泥砂漿之間的黏結面也越多,界面過渡區的含量也增多,從而導致劈裂抗拉強度的降低。

圖3 再生混凝土劈裂抗拉強度及拉壓比變化曲線Fig.3 Variation curves of splitting tensile strength and tension compression of RAC

拉壓比可在一定程度上反映混凝土的抗裂性能。圖3(b)為不同粗骨料替代率再生混凝土各養護齡期下劈裂抗拉強度與抗壓強度的拉壓比柱狀圖。分析可知,隨著養護齡期的增加,各組試塊的拉壓比基本呈逐漸增加的趨勢。養護至28 d齡期時,RAC-0、RAC-30、RAC-50、RAC-70和RAC-100各組再生混凝土的拉壓比分別為0.057,0.060,0.053,0.052和0.050。與養護齡期為3 d時相比,28 d齡期的各組混凝土拉壓比分別增長了64.7%,82.8%,38.4%,27.2%和49.8%。可以看出,相較其他對照組,RAC-30組的拉壓比增長幅度最高,表明該組再生骨料混凝土抗裂性能最好。

3 基于核磁共振技術的微觀孔隙結構表征

3.1 核磁共振橫向弛豫時間T2分布

不同粗骨料替代率條件下,各組混凝土核磁共振橫向弛豫時間T2隨養護齡期的變化曲線如圖4所示。可以看出,各組樣品的橫向弛豫時間T2分布曲線呈明顯的“三峰”狀分布,從左至右分別對應再生混凝土的微孔、中孔和大孔的變化情況,且各級孔隙之間有較好的連續性。

圖4 不同養護齡期下再生混凝土T2分布曲線的變化Fig.4 Changes of relaxation time distribution curves of RAC under different curing age

進一步分析圖4可知,再生粗骨料替代率對核磁共振的信號幅度和橫向弛豫時間的分布范圍均有較大影響。養護至28 d后,RAC-0到RAC-100各組T2圖譜面積分別降低14.25%,23.47%,34.24%,39.34%和45.85%。以RAC-50組數據為例分析,與3 d齡期時的T2譜面積相比,7,14 d和28 d齡期的T2譜面積分別降低了12.80%,19.12%和34.24%。

此外,隨著養護齡期的增長,再生骨料混凝土的橫向弛豫時間T2分布范圍逐漸變窄,信號幅度降低,尤其是第一峰下降幅度最為顯著。這主要是由于水泥的水化進程在不斷地發生變化,產生的水化膠凝產物填充周圍孔隙,混凝土的密實性增大[14]。另外,隨著齡期的增加,橫向弛豫時間信號幅度在降低的同時,第一峰的峰值點也伴有“左移”趨勢,這意味著混凝土內部的孔隙結構也在逐漸細化。

3.2 孔結構與粗骨料替代率關系

吳中偉等[17]將混凝土內部的孔隙結構劃分為無害孔(<20 nm)、低害孔(20～50 nm)、有害孔(50～200 nm)和多害孔(>200 nm)。圖5為28 d齡期時不同粗骨料替代率再生混凝土的孔結構分布柱狀圖。可以看到,各組再生混凝土的無害孔和多害孔的孔徑占比差別明顯,RAC-30組的無害孔含量最多,其次為RAC-0組和RAC-50組。RAC-50、RAC-70和RAC-100組多害孔占比比RAC-30組分別增大了28.1%,65.5%和74.3%。由此可知,替代率超過50%后,再生混凝土的無害孔占比隨著替代率的增加而不斷降低,多害孔占比隨替代率的增加而不斷增大。

圖5 28 d齡期時不同粗骨料替代率再生混凝土的孔結構分布Fig.5 Pore structure distribution of RAC with different replacement rate of coarse aggregate at 28 d curing age

3.3 孔隙率與力學性能的相關性分析

文獻[18]總結了常用水泥基類材料強度與孔隙率的半經驗模型。在此,基于核磁共振下孔隙率結果與其力學性能進行擬合,圖6(a)和(b)分別給出了不同替代率條件下再生混凝土抗壓、劈裂抗拉強度與核磁共振孔隙率的散點圖及擬合曲線。從圖6中可以看出,無論是抗壓強度還是劈裂抗拉強度均隨孔隙率的增大而逐漸降低。這主要是由于隨著養護齡期的推移,水泥的水化程度也在不斷進行,孔隙水逐漸被消耗,大孔逐漸演變為中孔、小孔,使得再生混凝土內部的密實度增加,宏觀上表現為孔隙率降低,力學性能逐漸增大。

圖6 核磁共振下孔隙率與再生混凝土強度的關系Fig.6 Relationship between porosity and strength of RAC under NMR

4 結 論

(1) 再生粗骨料替代率對混凝土的力學性能有較大影響。當再生骨料替代率為30%時,再生混凝土立方體試塊的抗壓性能和抗裂性能最好。28 d齡期時,RAC-30組的抗壓強度和劈裂抗拉強度較基準混凝土分別提升了22.3%和26.6%。替代率超過50%以后,再生混凝土的各項力學性能開始明顯下降。

(2) 養護齡期對低場核磁共振的信號幅度和弛豫時間的分布范圍均有較大影響。不同替代率下的再生混凝土核磁共振橫向弛豫時間T2分布曲線均表現為“三峰”分布。隨著養護齡期的增加,弛豫峰面積逐漸降低,孔隙率及微孔、中孔和大孔的比例降低;整體來看,T2分布范圍逐漸變窄,第一峰有左移的趨勢。表明利用低場核磁共振技術可以很好地表征混凝土內部孔隙結構隨養護齡期的演變規律。

(3) 對不同替代率再生混凝土的孔隙率和力學性能試驗數據進行擬合,建立了基于核磁共振孔隙率與不同替代率再生混凝土的強度預測模型,相關系數均在0.726以上。