再生細(xì)骨料殘余漿體對混凝土流變性和強度的影響

胡 立, 詹炳根, 洪 麗, 張趙強, 李景哲, 陳語陽

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.水泥基材料低碳技術(shù)與裝備教育部工程研究中心,安徽 合肥 230009)

0 引 言

隨著社會的發(fā)展,建筑行業(yè)也在不斷適應(yīng)大眾需求中穩(wěn)步前進。但我國建筑業(yè)在快速發(fā)展的同時,大面積的舊城改造和新建筑開發(fā),帶來了大量的建筑垃圾和建筑材料資源不足兩大難題[1]。

再生細(xì)骨料是指廢棄混凝土經(jīng)破碎篩分后粒徑小于4.75 mm的骨料顆粒,其骨料性能差、數(shù)據(jù)離散性大是制約其高效利用的主要原因。文獻[2]的研究表明,再生細(xì)骨料表面附著多孔洞、多裂紋的殘余漿體,使其較天然細(xì)骨料吸水率高、密度低。殘余漿體是影響再生細(xì)骨料基本性能及其混凝土制品各項性能的重要因素,其與原始骨料共同組成一個非勻質(zhì)、不穩(wěn)定且多變的多相體[3],這也是導(dǎo)致再生細(xì)骨料性質(zhì)差、利用率低的根本原因。

由再生細(xì)骨料部分或全部替代天然細(xì)骨料制備的再生混凝土(recycled aggregate concrete,RAC)的性質(zhì)都會劣于普通混凝土。在工作性能上,再生混凝土表現(xiàn)為坍落度小、流動性差,一方面取決于再生混凝土的配合比設(shè)計,另一方面由于殘余漿體的高吸水性。文獻[4]實驗表明,與河砂砂漿相比,再生細(xì)骨料砂漿會需要更多用水量來達到相同的和易性;文獻[5]研究表明,由于再生細(xì)骨料中存在微裂紋及內(nèi)部損傷積累,表觀密度越低,再生砂漿吸水率越高、吸水速度越快,導(dǎo)致保水性較差,并且再生細(xì)骨料粗糙的表面也會增大新拌再生混凝土的摩擦阻力,使得再生混凝土的屈服應(yīng)力較大;文獻[6]研究表明,再生細(xì)骨料的多棱角表面使得骨料空隙增大,需要更多的漿體填充空隙,導(dǎo)致用于潤滑的漿體量減少,影響流動性;文獻[7-9]研究表明,隨著再生細(xì)骨料替代率的提高,再生砂漿的需水量也在增加;文獻[10]研究發(fā)現(xiàn),再生細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)對再生砂漿的耗水量有密切影響,細(xì)度模數(shù)越小,再生細(xì)骨料的比表面積越大,再生砂漿的需水量越大。從上述研究可以看出,再生細(xì)骨料的加入會降低再生混凝土的流動性。

再生細(xì)骨料物理性能的劣化也會導(dǎo)致再生混凝土力學(xué)性能的劣化。文獻[11]研究表明這是由于再生細(xì)骨料的替代會增加再生混凝土中毛細(xì)孔和凝膠孔的數(shù)量,對其力學(xué)性能造成負(fù)面影響;文獻[12-13]研究結(jié)果表明,用再生細(xì)骨料制備的再生砂漿的力學(xué)性能會變差;文獻[14]研究發(fā)現(xiàn),再生混凝土的抗壓強度隨著再生細(xì)骨料替代率的增加而趨于降低;文獻[15]采用3種不同來源的再生細(xì)骨料代替天然細(xì)骨料制備再生砂漿,結(jié)果表明再生砂漿強度較天然砂漿強度都有不同程度的降低。另外微觀結(jié)構(gòu)分析可知,再生混凝土是一個由再生骨料和新、老砂漿以及新-老砂漿界面過渡區(qū)(interfacial transition zone,ITZ)組成的多相體。多重薄弱界面過渡區(qū)的存在也是再生混凝土力學(xué)性能差的主要原因[16]。

國內(nèi)主要通過體積分?jǐn)?shù)為10%的鹽酸溶液腐蝕殘余漿體[17]和高溫劣化殘余漿體[18]去除再生粗骨料表面的殘余漿體,進而以再生粗骨料去除殘余漿體前后質(zhì)量的差值與再生粗骨料去除前質(zhì)量的比值得出再生粗骨料中殘余漿體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。文獻[19]以加熱摩擦法、機械撞擊法和輕量級的粒子與水分離流法去除再生粗骨料的殘余漿體,描述不同殘余漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)對再生粗骨料混凝土性能的影響。

已有的研究多集中在不同摻量、不同來源再生細(xì)骨料對再生混凝土性能的影響,但對主要影響再生細(xì)骨料性能的殘余漿體的研究較少。國內(nèi)外的研究也多集中于對再生粗骨料殘余漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測定,而對再生細(xì)骨料殘余漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的表征研究較少。究其原因,現(xiàn)階段適用于再生粗骨料殘余漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定方法并不適用于再生細(xì)骨料。機械剝離法[20]通過專業(yè)設(shè)備對再生骨料進行沖擊和研磨,可以最大限度地松散和分離粘附在骨料表面的漿體。但此類方法無法避免再生骨料之間因碰撞、摩擦等作用而出現(xiàn)微裂縫,降低了再生骨料在后續(xù)使用中的質(zhì)量且無法較為準(zhǔn)確地定量殘余漿體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。熱處理法[21]是將再生骨料放置于30 ℃以上的溫度里,加熱數(shù)小時,進行數(shù)次循環(huán),溫度應(yīng)力使骨料和黏附的漿體出現(xiàn)不同程度的膨脹,在溫度應(yīng)力的作用下兩者之間的黏結(jié)力減弱,界面易破裂出現(xiàn)微裂縫且漿體在高溫下脫水后易與骨料結(jié)合面脫離。但此類熱處理方法只適用于大粒徑骨料,因為可以輕易地分辨出脫落的漿體,而對再生細(xì)骨料并不適用。酸處理法[22]中的水泥漿體水化產(chǎn)物(C-S-H凝膠、Ca(OH)2、鈣礬石、水化硫鋁酸鈣等)可以溶解于酸性溶液中,經(jīng)過一系列化學(xué)反應(yīng)后,再生骨料表面的殘余漿體被溶解,經(jīng)過清洗后可以得到表面無殘余漿體的再生骨料,通過浸泡在合適的酸性溶液中可溶解絕大部分漿體,此類方法可較精準(zhǔn)定量再生骨料殘余漿體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

本文首先開展再生細(xì)骨料殘余漿體測定實驗,利用水楊酸-甲醇溶液浸泡再生細(xì)骨料粉末樣品,通過抽濾、烘干、稱重計算各組再生細(xì)骨料殘余漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù),并依據(jù)殘余漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)對再生細(xì)骨料進行分類制備再生混凝土,研究不同漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的再生細(xì)骨料對再生混凝土流變性及力學(xué)性能的影響。

1 原材料及實驗方法

1.1 原材料

實驗所用的水泥是巢湖牌P·O 42.5R級水泥,主要化學(xué)成分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表1所列。實驗所采用的再生細(xì)骨料由安徽省桐城市某高速公路拆除后,去除其中鋼筋并經(jīng)機械破碎、篩分而生產(chǎn)的再生細(xì)骨料,根據(jù)再生細(xì)骨料漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不同,共分為6個實驗組,物理性能指標(biāo)見表2所列。

表1 實驗用水泥的主要化學(xué)成分

表2 再生細(xì)骨料和天然細(xì)骨料的物理性能指標(biāo)

所用細(xì)骨料為安徽石強新型材料有限公司提供的天然細(xì)骨料。所用粗骨料為安徽石強新型材料有限公司提供的5～10 mm及1～20 mm 2種粒徑的天然粗骨料,物理性能指標(biāo)見表3所列。所采用的化學(xué)試劑為:500 mL鹽酸溶液(國藥集團化學(xué)試劑有限公司);250 g水楊酸固體粉末(天津市恒興集團有限公司);500 mL甲醇溶液(成都市科隆化學(xué)品有限公司)。所用化學(xué)試劑均為分析純。

表3 天然粗骨料的物理性能指標(biāo)

1.2 配合比

再生細(xì)骨料漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0時對應(yīng)的實驗組為基準(zhǔn)組,細(xì)骨料采用天然砂,其設(shè)計強度為C35,水灰比為0.65,粗骨料采用天然粗骨料,基準(zhǔn)組混凝土記為NC。配合比設(shè)計見表4所列。在此基礎(chǔ)上,所制備的再生混凝土分別記為RFC1、RFC2、RFC3、RFC4、RFC5。

1.3 實驗方法

1.3.1 殘余漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測定方法

1) 將代表性樣品置于干燥箱中,在105 ℃下烘干至恒重m,均勻取樣100 g作為實驗樣品。研磨樣品直至通過0.2 mm篩網(wǎng)。

2) 配制0.3 g/mL水楊酸-甲醇溶液,從100 g研磨后的樣品中均勻取樣0.5 g浸泡在50 mL水楊酸-甲醇溶液中,攪拌1 h使其充分反應(yīng)。

3) 用抽濾裝置進行過濾操作,并將甲醇溶液倒入漏斗清洗濾紙上的殘余物數(shù)次,直至液體變清澈,傾倒甲醇溶液的過程中注意液體濺出。

4) 將殘余粉末狀固體不溶物置于干燥箱,在30 ℃下烘干至恒重后稱其質(zhì)量m1,再生細(xì)骨料殘余漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)w的計算公式為:

(1)

1.3.2 再生細(xì)骨料基本性能的測定

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14684—2022《建設(shè)用砂》中的相關(guān)規(guī)定進行實驗,測定再生細(xì)骨料的表觀密度、堆積密度、壓碎指標(biāo)、吸水率等基本物理性能。

1.3.3 再生細(xì)骨料混凝土流變性能的測試

實驗使用的STHB-1型混凝土流變儀如圖1所示。對新拌再生細(xì)骨料混凝土進行流變性能測試,測試程序如圖2所示,以參數(shù)關(guān)系為τ=τ0+μγ表示的Bingham模型進行建模,得到屈服應(yīng)力和塑性黏度等流變參數(shù)。由圖2可知,測試程序包括20 s的預(yù)剪切期,速度恒定為0.50 r/s,然后以0.50～0.05 r/s的降序下降依次采集7個流變曲線點。

圖1 STHB-1型混凝土流變儀

圖2 流變儀測試程序

1.3.4 再生細(xì)骨料混凝土力學(xué)性能的測試

本性能測試的具體過程參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50081—2019《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對混凝土流變性能的影響

STHB-1型混凝土流變儀采集的實驗結(jié)果如圖3所示,并依據(jù)Bingham模型計算再生細(xì)骨料混凝土的屈服應(yīng)力和塑性黏度。

圖3 流變曲線測試結(jié)果

再生細(xì)骨料漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)對混凝土屈服應(yīng)力τ0的影響如圖4所示。由圖4可知,NC組的屈服應(yīng)力普遍低于RFC各組,再生細(xì)骨料殘余漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24.8%時制備的混凝土的屈服應(yīng)力最高,達到877.08 Pa,約為NC組的1.34倍。在RFC各組中,殘余漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高,再生混凝土屈服應(yīng)力越大。這是再生細(xì)骨料吸水率高、吸水速度快導(dǎo)致的。新拌再生混凝土中自由水不斷被再生細(xì)骨料表面的殘余漿體吸收,使得拌合物中自由水隨之降低,導(dǎo)致其屈服應(yīng)力迅速增大。同時,由于殘余漿體的存在,再生細(xì)骨料的表面具有棱角、更粗糙,與天然細(xì)骨料相比導(dǎo)致其動態(tài)屈服應(yīng)力較大[23]。隨著再生細(xì)骨料殘余漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增大,使得新拌再生細(xì)骨料混凝土中自由水的含量減小,最終表現(xiàn)為屈服應(yīng)力的升高[24]。

圖4 再生細(xì)骨料漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)對混凝土屈服應(yīng)力的影響

再生細(xì)骨料漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)對混凝土塑性黏度的影響如圖5所示。

圖5 再生細(xì)骨料漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)對混凝土塑性黏度的影響

由圖5可知,NC組的塑性黏度值普遍高于RFC各組,這是由于塑性黏度μ主要受漿體中水泥分子間的相互引力影響。因為RFC各組的附加水含量均高于NC組,所以其拌合物中水泥顆粒更加分散,加大了水泥分子間的距離,導(dǎo)致水泥分子間的相互引力減小,最終使得RFC各組的塑性黏度值低于NC組。

綜上所述,再生混凝土的流變性與再生細(xì)骨料漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈負(fù)相關(guān)。

2.2 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對混凝土強度的影響

再生細(xì)骨料混凝土強度的實驗結(jié)果見表5所列。再生細(xì)骨料漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)對混凝土強度的影響如圖6所示。

圖6 再生細(xì)骨料漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)對混凝土強度的影響

由圖6可知,隨著再生細(xì)骨料殘余漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高,用其制備的再生混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度也隨之減小。殘余漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24.8%時,再生細(xì)骨料混凝土的3、7、28 d抗壓強度分別為15.9、22.8、25.1 MPa,相較于天然細(xì)骨料混凝土的抗壓強度,只有其強度的67.8%、76.5%、78.2%;再生細(xì)骨料混凝土的3、7、28 d劈裂抗拉強度分別為1.19、1.41、1.52 MPa,相較于天然細(xì)骨料混凝土的抗壓強度,只有其強度的49.2%、51.6%、51.4%。其原因在于再生細(xì)骨料表面附著的殘余漿體會阻礙再生細(xì)骨料與水泥漿體之間的粘結(jié)[25-27]。隨著再生細(xì)骨料表面的殘余漿體逐漸減少,骨料性能明顯改善,經(jīng)處理后的再生細(xì)骨料與再生混凝土中的新水泥漿之間界面區(qū)域的接觸更加緊密。因為水泥漿與骨料之間的界面結(jié)合在混凝土結(jié)構(gòu)中至關(guān)重要,并且是支配混凝土強度發(fā)展的一個重要因素[28-29],所以界面區(qū)的增強反映了經(jīng)處理的再生細(xì)骨料混凝土強度的提高。同時再生細(xì)骨料混凝土具有新舊雙界面,在劈裂破壞時,新舊雙界面均發(fā)生斷裂[30]。并且舊界面斷裂能比新界面低,對再生細(xì)骨料混凝土的劈裂抗拉強度影響更大[31]。再生細(xì)骨料由于殘余漿體的存在,再生混凝土在承受軸向應(yīng)力時,其較高的孔隙率容易使舊界面形成應(yīng)力集中現(xiàn)象,從而導(dǎo)致再生混凝土抗拉強度下降[32]。結(jié)合前人研究成果可知[33-35],對于再生細(xì)骨料混凝土而言,漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小可以減少再生細(xì)骨料混凝土雙界面的數(shù)量,從而使得劈裂破壞薄弱區(qū)減少,表現(xiàn)為劈裂抗壓強度的增大。

3 結(jié) 論

1) 再生細(xì)骨料殘余漿體的高吸水率會使新拌混凝土的坍落度和擴展度損失加快,屈服應(yīng)力增大,塑性黏度降低。在RFC各組中,再生細(xì)骨料殘余漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24.8%時制備的混凝土的屈服應(yīng)力最高,能夠達到877.08 Pa,約為NC組的1.34倍。隨著殘余漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減少,再生細(xì)骨料表面棱角減少,吸水率下降,再生細(xì)骨料混凝土的屈服應(yīng)力逐漸減小,塑性黏度值逐漸增大。

2) 隨著再生細(xì)骨料殘余漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的減小,用其制備的再生混凝土抗壓強度和劈裂抗拉隨之增大。當(dāng)殘余漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14.9%時,骨料水泥漿體界面過渡區(qū)粘結(jié)緊密,再生細(xì)骨料混凝土的28 d抗壓強度、劈裂抗拉強度分別為28.5、2.30 MPa,約為普通混凝土的89%、77%。