稻殼灰膠凝材料的再生混凝土性能研究

張理濤

(江西同瑞建筑工程有限公司,江西 九江 332000)

1 概 述

建筑物和構筑物的拆除是建設項目的重要組成部分。在舊建筑拆除的過程中,會產生大量的廢棄混凝土。拆除廢棄的混凝土被粉碎,可以用作生產新混凝土的骨料。但再生骨料的孔隙率較低,比破碎的石灰石差[1],導致混凝土質量較低,如強度和耐久性的下降。相關文獻表明,增加混凝土混合物中再生骨料的比例,會導致混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗折強度降低[2]。隨著再生骨料替代率的增加,嵌入再生骨料混凝土中的鋼筋粘結強度有降低的趨勢。混凝土耐久性在抗氯化物滲透方面降低。隨著再生細骨料替代天然細骨料體積的增加,氯離子的擴散和透水性也隨之增加[3]。

稻殼灰是稻殼燃燒中獲得的殘渣,研磨成高細度后,可以用作混凝土的粘結劑[4]。相關研究表明,稻殼灰砂漿質量好,孔隙率小,可以提高混凝土在鹽酸和硫酸環境下的耐久性,減少混凝土的自收縮[5]。稻殼灰替代水泥對混凝土的耐久性和強度有積極影響。

本文將稻殼灰研磨成高細度粉末,在稻殼灰質量替代率為0%、15%、30%和45%,再生細骨料含量為0%和100%,再生粗骨料含量為100%的情況下,對粗、細再生骨料混凝土的抗壓強度和氯化物滲透深度進行研究。

2 材料與方法

2.1 材 料

2.1.1 膠凝材料

采用符合《通用硅酸鹽水泥》(GB 175-2007)的普通硅酸鹽水泥,制備常規混凝土和再生混凝土。水泥的主要性能參數見表1。本研究使用的稻殼灰是從某家火電廠燃燒稻殼獲得的副產物。原稻殼灰的比重為1.76,顆粒留在開口尺寸為45μm的篩子上的質量為74.26%。為了獲得具有更高細度的優質稻殼灰,使用球磨機對稻殼灰進行研磨,研磨時間控制在5h,獲得的稻殼灰留在開口尺寸為45μm的篩子上質量為4.39%。

表1 水泥主要性能參數

普通硅酸鹽水泥和稻殼灰的化學成分見表2。稻殼灰的主要成分為89.8%的SiO2。稻殼灰的SO3含量為0.3%,燒失量為5.3%。SO3含量低的原因是由于在火電廠用作燃料的稻殼具有低硫的特點。

表2 水泥和稻殼灰的化學成分

2.1.2 天然骨料和再生骨料

采用當地河砂作為天然細骨料,其細度模數2.73,相對密度2.72,吸水率1.12%。使用破碎的石灰石作為混凝土的天然粗骨料,其最大粒徑20mm。石灰石的細度模數6.76,相對密度2.69,吸水率0.51%,壓碎值18.68%。

再生骨料通過顎式破碎機粉碎混凝土廢棄物來獲得。混凝土廢棄物粉碎后,用開口尺寸為4.75mm的篩子將粉碎后的混凝土分離,留在篩子上不超過20mm的破碎混凝土被用作再生粗骨料;采用小于4.75 mm的破碎混凝土作為再生細骨料。再生細骨料的細度模數2.69,相對密度2.42,吸水率8.98%;再生粗骨料的細度模數6.82,相對密度2.53,吸水率5.66%,壓碎值21.03%。

天然骨料和再生骨料的物理性質見圖1和圖2。再生細骨料的細度模數和相對密度與天然河砂相近,吸水率是天然河砂的8倍。再生粗骨料的細度模數、相對密度和壓碎值與破碎石灰石相近,吸水率是破碎石灰石的11倍。再生骨料具有較高的吸水率,其原因可能是附著在混凝土廢棄物表面的舊砂漿和水泥漿體的高孔隙率造成的。

圖1 河砂和再生細骨料的物理性質對比

圖2 碎石灰石和再生粗骨料的物理性質對比

2.2 混凝土配合比設計

試驗配合比以《普通混凝土配合比設計規程》(JGJ 55-2011)為依據,配合比設計應達到混凝土所需的工作性,以防止離析且便于澆筑。具體混凝土的配合比見表3。

表3 混凝土配合比

通過調節減水劑的用量,將新拌混凝土的坍落度控制在10～15cm范圍內,使所有混凝土的水膠比比值保持在0.45。由于再生骨料比天然骨料具有更高的吸水性,為了控制混凝土的坍落度在10～15cm范圍內,制備的天然骨料和再生骨料保持飽和面干。在稻殼灰質量替代率為0%、15%、30%和45%,再生細骨料含量為0%和100%,再生粗骨料含量為100%的情況下,制備9種混凝土。澆筑1天后,將混凝土試件放入水中養護,共分為3組:

1)常規混凝土(C0),由碎石灰石和河砂組成的混凝土,此組為對照組。

2)再生粗骨料混凝土(CA0,CA15,CA30,CA45),由河砂和再生粗骨料組成的混凝土,其中編碼的數值表示稻殼灰的質量替代率。

3)再生骨料混凝土(CB0,CB15,CB30,CB45),是由再生細骨料和再生粗骨料組成的混凝土,其中編碼的數值表示稻殼灰的質量替代率。

2.3 試驗方法

2.3.1 抗壓強度測試

按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081-2016),制備尺寸為150mm×150mm×150mm的混凝土立方體試塊,用于抗壓強度試驗。澆筑1天后脫模,將混凝土試塊放入水中養護,分別在7、28、60和90天齡期對混凝土試塊進行測試,以確定其抗壓強度。每個齡期每組測試3個混凝土試塊,取平均值作為混凝土試塊的抗壓強度。

2.3.2 氯離子滲透試驗

采用28天齡期的圓柱形混凝土試樣進行氯化物滲透試驗,圓柱形混凝土試樣直徑70mm、高度50mm。除混凝土頂部表面外,混凝土試樣表面涂滿不收縮的環氧樹脂。將所有試樣浸泡在裝有3%氯化鈉溶液的測試容器中90和180天,然后垂直劈開混凝土試樣,噴灑0.1N硝酸銀標準溶液,分析氯離子滲透深度。

3 結果和討論

3.1 抗壓強度

圖3和圖4分別為稻殼灰不同替代率下再生粗骨料混凝土、再生骨料混凝土與對照組不同齡期的抗壓強度。試驗結果表明,在相同齡期下,CA0混凝土(100%河砂+100%再生粗骨料)抗壓強度高于CB0混凝土(100%再生細骨料+100%再生粗骨料)。此外,CA0和CB0混凝土的抗壓強度隨著再生骨料用量的增加而降低。在28天齡期時,CA0和CB0混凝土的抗壓強度為39.3和33.6MPa,分別為對照組混凝土抗壓強度的83.3%和71.2%;在90天齡期時,CA0和CB0混凝土的抗壓強度分別為43.2和35.6MPa,分別為對照組混凝土抗壓強度的86.2%和71.1%。這是由于附著在再生骨料周圍的舊水泥漿體和砂漿具有較高的孔隙率,而且再生粗骨料的高吸水率(為碎石灰石的11倍)和再生細骨料的高吸水率(為河砂的8倍),導致與對照組混凝土相比具有更高的含水量。同時,從再生粗骨料的破碎值高于碎石灰石的破碎值中可以看出,舊水泥漿體對再生骨料的影響降低了混凝土的抗壓強度。

圖3 再生粗骨料混凝土不同齡期的抗壓強度

圖4 再生骨料混凝土不同齡期的抗壓強度

從圖3可以看出,用稻殼灰部分替代水泥,對再生混凝土早期28天抗壓強度沒有顯著提高,但在后期(60天及以上)提高了再生混凝土的抗壓強度。60天齡期時,CA15混凝土的抗壓強度(稻殼灰替代率為15%)為42.9MPa,是對照組混凝土的86.5%;CA0混凝土的抗壓強度為42.1 MPa,是對照組混凝土的84.9%。在90天齡期時,CA0和CA15混凝土抗壓強度為43.2和44.5MPa,分別為對照組混凝土的86.2%和88.8%。但對于CA30和CA45混凝土,抗壓強度分別為39.2和32.3MPa,僅為對照組混凝土的78.2%和64.5%,表明稻殼灰替代率為30%和45%時,并沒有促進其抗壓強度的增強。

從圖4可以看出,用再生細骨料和再生粗骨料制成的混凝土也得到了類似結果。CB0和CB15混凝土在60天齡期的抗壓強度為34.9和35.2MPa,分別是對照組混凝土的70.4%和71.0%。在90天齡期的抗壓強度增加至35.6和36.8 MPa,分別是對照組混凝土的71.1%和73.5%。相同齡期時,CB30和CB45混凝土的強度低于CB0和CB15混凝土。在再生混凝土中加入較多的稻殼灰,其抗壓強度損失更大,這是由于大量的稻殼灰替代水泥,導致水泥的含量降低,水泥水化產物Ca(OH)2在混凝土中的占比變小。

3.2 抗氯離子滲透性能

圖5和圖6分別為不同稻殼灰替代率時,再生粗骨料混凝土和再生骨料混凝土中氯離子的滲透深度。使用再生粗骨料替代碎石灰石時(CA0混凝土),由于附著在再生骨料上的砂漿和水泥漿體的孔隙性率較高,在相同的浸泡時間內,氯離子的滲透深度比對照組混凝土高,表明CA0混凝土具有較高的吸收率。因此,以氯離子形式存在的氯化物很容易滲透到CA0混凝土的孔隙中。

圖5 稻殼灰不同替代率時再生粗骨料混凝土(CA)的氯離子滲透深度

圖6 稻殼灰不同替代率時再生骨料混凝土(CB)的氯離子滲透深度

對于100%再生粗骨料和100%再生細骨料(CB0混凝土)制成的混凝土,在3%NaCl中浸泡相同時間時,CB0混凝土的氯離子滲透深度高于CA0混凝土。使用再生細骨料代替河砂,導致CB0混凝土的孔隙率高于CA0混凝土,氯離子更容易滲透到CB0混凝土中。

從圖5可以看出,在混凝土中添加稻殼灰對混凝土抗氯化物滲透能力有積極影響。CA15、CA30和CA45混凝土在90天齡期時,氯離子的滲透深度分別為14.1、11.0和6.7mm;180天齡期時,氯離子的滲透深度分別增加至18.2、13.5和10.3mm。而對照組混凝土在90和180天齡期時,氯離子的滲透深度分別為17.9和23.4mm。

從圖6可以看出,使用再生骨料完全取代天然骨料后,氯離子在CB15、CB30和CB45混凝土中,90天齡期的滲透深度分別為15.5、12.1和8.7mm;180天齡期時,分別增加至21.1、14.9和12.2 mm。結果表明,再生混凝土的抗氯離子滲透性能隨著稻殼灰替代率的增加而增強。

不含稻殼灰時,C0、CA0和CB0混凝土抗壓強度與氯離子滲透深度的關系見圖7。圖7結果表明,當抗壓強度增加,氯化物滲透到混凝土中變得更加困難。

圖7 氯離子滲透深度與混凝土抗壓強度的關系

圖8為3組混凝土抗壓強度與氯離子滲透深度結果。從C0、CA45和CB45混凝土氯離子滲透深度可以看出,稻殼灰能夠有效降低氯離子對混凝土的滲透。在相同強度下,與再生骨料混凝土相比,稻殼灰能夠更有效地降低氯化物對再生粗骨料混凝土的滲透。如CA45混凝土抗壓強度為32.3MPa,氯離子滲透深度為6.7mm;而CB30混凝土的抗壓強度為31.2MPa,氯離子滲透深度為12.3mm。此外,CA15和CB15混凝土的抗壓強度分別為44.5和36.8MPa,氯離子滲透深度分別為14.1和15.2 mm;而CA45和CB45混凝土的抗壓強度分別為32.3和27.1MPa,但氯離子滲透深度分別為6.7和8.2mm,表明稻殼灰替代能更有效地降低氯離子對混凝土的滲透,而抗壓強度對降低氯離子滲入混凝土的影響較小。

圖8 90天齡期混凝土抗壓強度和氯離子滲透深度的關系

4 結 論

本文研究了稻殼灰代替水泥作為膠凝材料時再生混凝土的性能,通過試驗結果,得出以下結論:

1)不摻入稻殼灰時,與對照組混凝土相比,再生混凝土的抗壓強度降低,抗氯離子滲透性能降低。再生粗骨料混凝土相較于再生骨料混凝土,具有更高的抗壓強度和更高的抗氯離子性能。

2)稻殼灰替代率為15%制備的再生混凝土,在60天齡期和90天齡期的抗壓強度明顯高于其他試驗組。摻入稻殼灰后,顯著提高了再生混凝土的抗氯離子滲透能力;與不加稻殼灰的再生混凝土相比,稻殼灰替代率為45%時,抗氯離子滲透能力最強。

3)與對照組混凝土相比,添加稻殼灰的再生混凝土抗壓強度略有降低,但在抗氯離子滲透能力方面有積極作用。

4)稻殼灰能顯著提高再生混凝土的抗氯離子滲透能力,抗壓強度對抗氯離子滲透能力影響較小。