基于孔隙率和酸堿度的改性再生混凝土力學性能研究*

馬保亮,王 安

(中交二公局東萌工程有限公司,陜西 西安 710065)

0 引言

近年來,隨著人們環保意識的逐漸增強,廢棄混凝土對環境的危害引起了更多人的重視,如何將廢棄混凝土重新回收再利用成為土木工程領域研究的熱點。

一些學者利用室內單軸壓縮試驗研究混凝土再生料制備的改性再生混凝土抗壓強度,張向岡等[1]以再生輕骨料取代率和干表觀密度為變化參數,研究了再生輕骨料取代天然骨料對混凝土抗壓強度的影響。宋超等[2]、朱啟貴等[3]通過室內試驗研究了孔隙率、透水系數對再生混凝土抗壓強度的影響,結果表明透水系數和孔隙率與再生混凝土的抗壓強度成負相關,即透水系數和孔隙率越大,再生混凝土抗壓強度越小。丁東方[4]則利用等應力循環加卸載方法,得到了再生粗骨料混凝土的單軸受壓應力-應變全曲線,并建立了相應的數學模型。

隨著研究的進一步深入,相關研究人員開始在混凝土再生料拌合過程中加入不同材料,研究外加材料對再生混凝土力學性能的影響,盧缽等[5]、何政卿等[6]、陳龍等[7]通過在再生混凝土拌合過程中分別加入粉煤灰、煤矸石和水滑石等材料,然后通過室內試驗探討了粉煤灰、煤矸石及水滑石摻量對再生混凝土力學性能、孔隙率及凈水效果的影響。由于混凝土再生料表面呈堿性,不利于植物的生長,為了降低再生混凝土的pH值,制備出適合植物生長的植生型生態混凝土,胡春明等[8]、王志鵬等[9]分別利用蠟封法和硅烷浸漬法對多組生態混凝土進行降堿處理,后測定生態混凝土孔隙水環境的pH值,研究孔隙狀態、蠟封法及硅烷浸漬法對生態混凝土孔隙堿性水環境的影響。趙雪云等[10-11]分別對不同應變速率和高溫下的再生混凝土進行試驗,研究了再生混凝土在相應條件下的力學性能。

近些年來,我國每年都需燃燒近50萬t煤炭,煤炭的廣泛使用為我們的生活提供了便利,但煤炭燃燒過后遺留的廢棄煤渣不僅造成了嚴重的環境污染,還存在一定的資源浪費問題,如何使廢棄煤渣得到再利用成為亟需解決的問題。現有的混凝土再生料降堿技術并不適合在工程領域廣泛使用,亟需一種能廣泛使用且具有良好經濟性和環保效果的降堿方法。

本次試驗通過在再生混凝土拌合過程中加入不同含量的廢煤渣和銨明礬,探究廢煤渣和銨明礬對再生混凝土孔隙率、酸堿性及抗壓強度的影響。不僅解決了廢煤渣的再利用問題,同時還提出了一種新型的降堿技術,制備出的再生混凝土不僅具有良好的經濟性,還具有優良的環保效果,綜合效益十分顯著。

1 試驗研究

1.1 原材料

1)水泥 P·C 42.5復合硅酸鹽水泥,其主要化學組分和力學性能如表1,2所示。

表1 水泥主要化學組分

表2 水泥力學性能

2)再生骨料 再生粗骨料粒徑均為7～15mm,表觀密度為2 530kg/m3;再生細骨料粒徑均為3～6mm,表觀密度為2 310kg/m3。再生骨料相較于一般骨料具有孔隙率大和吸水性強等特點。

3)廢煤渣 廢煤渣經破碎處理后,選擇粒徑7～10mm 的煤渣代替部分混凝土再生骨料,其表觀密度為1 350kg/m3,也具有吸水性強、孔隙率大等特點。

4)銨明礬(NH4Al(SO4)2·12H2O) 白色,密度為1.46g/cm3,其水溶液呈弱酸性。

5)水 正常自來水。

1.2 改性再生混凝土配合比設計

依據生態混凝土的結構特征和其本身的孔隙率屬性,1m3的生態混凝土可視為由相同體積的再生骨料堆積而成,水泥并沒有完全填充生態混凝土中的孔隙,其主要作用是將再生骨料顆粒互相黏結起來,從而使生態混凝土塊體具有一定的抗壓強度。因此,1m3的改性再生混凝土質量主要由再生骨料、水泥及水的質量構成,改性再生混凝土的密度為1 700～2 100kg/m3。其次,由于再生骨料和廢煤渣均具有良好的吸水性,且銨明礬也需溶于水中才能更好地參與酸堿中和反應,為使混凝土再生骨料不因過于干燥而導致無法黏結,在拌合改性再生混凝土過程中,應適當提高水與水泥的比例。根據以上原則,可對改性再生混凝土的配合比進行初步設計。不同銨明礬和廢煤渣取代率條件下的改性再生混凝土試驗配合比如表3所示。編號MF-1,MZ-1分別表示改性再生混凝土試塊中銨明礬和廢煤渣的取代率均為10%,其他編號表示類似。

表3 不同取代率下改性再生混凝土試驗配合比

1.3 試件制作及室內試驗

制作100mm×100mm×100mm改性再生混凝土試塊,每種取代率各3塊。首先向混凝土攪拌機中依次加入再生粗骨料、再生細骨料、細砂、水泥,攪拌3min,使各種再生骨料充分混合均勻;然后加入銨明礬,繼續攪拌3min,使銨明礬與再生混凝土混合料充分混合;最后向混凝土攪拌機中緩慢加入水和減水劑的混合溶液,繼續攪拌4min,使銨明礬充分遇水發生酸堿中和反應,達到降低混凝土再生骨料表面pH值的目的。將拌制好的改性再生混凝土分3次裝入模具中,每次填入厚度為35mm左右,每次填入改性再生混凝土后,將裝有改性再生混凝土的模具放在振動臺上進行插入振搗,使模具內的改性再生混凝土試塊黏結密實。將帶模的改性再生混凝土試塊在室內放置48h后,再進行脫模處理,使改性再生混凝土顆粒充分黏合,避免脫模過程中對試塊的外形造成損壞,進而影響改性再生混凝土的抗壓強度。將脫模處理后的改性再生混凝土試塊放入室外,上覆保濕布,每日進行灑水養護,如圖1所示。改性再生混凝土試塊養護至一定齡期后,對其進行室內單軸壓縮試驗,探究其力學性能。本次室內單軸壓縮試驗所采用的試驗裝置為電液伺服試驗機,加載速率為0.5mm/min,如圖2所示。

圖1 養護一定齡期的改性再生混凝土試塊

圖2 單軸壓縮示意

1.4 改性再生混凝土pH值的測定

首先將灑水養護至一定齡期的改性再生混凝土試塊放在干凈平板上進行破碎處理,后將碎塊放在室內進行約48h的風干處理,再將風干處理后的碎石塊放進研缽中進行研磨處理,最后將風干、研磨處理后的改性再生混凝土試塊過2mm篩,進行篩分處理,得到粒徑小于2mm的改性再生混凝土粉末;取10.0g篩分過后的改性再生混凝土粉末放置于100mL量筒內,隨后向量筒內加入40mL清水,用橡皮塞將量筒口塞住,防止碳化,用振動機對量筒進行間歇式振蕩、攪拌,每次間隔約10min,共攪拌3h,后靜置一定時間,取其上清液。將酸堿檢測計先按照說明書進行標定,然后將標定完成的酸堿檢測計插入上清液中,待酸堿檢測計讀數穩定后,進行讀數,檢測結果保留小數點后兩位。

1.5 改性再生混凝土孔隙率的測定

由于再生混凝土試塊形態較一般混凝土不同,孔隙較多,為更準確地測量出改性再生混凝土試塊的孔隙率,本次試驗采用烘干-浸泡法對改性再生混凝土試塊的孔隙率進行測量。首先將養護一定齡期后的改性再生混凝土試塊進行烘干處理,測量其干燥狀態下的質量M1,然后將干燥的改性再生混凝土試塊置于盛滿水的容器中,利用排水法測量出改性再生混凝土試塊的體積V,將其在盛滿水的容器中放置4d后,測得其在水中的質量M2,將得到的數據帶入公式S=(M2-M1)/(Vρw)×100%中,求得各個試塊的孔隙率S,取3個試塊的平均值作為該改性再生混凝土試塊的孔隙率。

2 試驗結果及分析

依據GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》進行抗壓強度試驗,得到改性再生混凝土試塊在不同廢煤渣和銨明礬取代率下7,14,28d的抗壓強度,取其平均值,按照上述方法測得改性再生混凝土平均孔隙率和pH值,試驗結果如表4所示。

表4 不同齡期改性再生混凝土平均抗壓強度

2.1 改性再生混凝土抗壓強度分析

銨明礬取代率為0時,改性再生混凝土抗壓強度隨煤渣取代率和養護齡期的變化規律如圖3所示。結合表4可得出含廢煤渣的改性再生混凝土整體抗壓強度為5.18～6.79MPa。

圖3 廢煤渣對改性再生混凝土抗壓強度的影響

廢煤渣取代率為0時,改性再生混凝土抗壓強度隨銨明礬取代率和養護齡期的變化規律如圖4所示。結合表4可得出含銨明礬的改性再生混凝土整體抗壓強度在1.81～7.08MP。

圖4 銨明礬對改性再生混凝土抗壓強度的影響

由圖3可知,銨明礬取代率為0時,隨著廢煤渣取代率的增加,改性再生混凝土試塊的抗壓強度逐漸降低。隨著養護齡期的增加,改性再生混凝土試塊的抗壓強度逐漸增大,但增大幅度逐漸減小,說明改性再生混凝土在7～14d強度增長較快。改性再生混凝土抗壓強度隨廢煤渣取代率增加而降低的主要原因有:混凝土再生料一般是石子或石子與水泥的混合塊體,其本身強度相較于廢棄煤渣強度要高;廢煤渣孔隙多,吸水性較強,煤渣骨料總的比表面積較大,包裹煤渣骨料所需的水泥漿液較多;此外,廢煤渣孔隙較多,影響了骨料之間的相互黏結,骨料之間黏結力降低,進而導致了改性再生混凝土試塊的抗壓強度降低。

由圖4可知,在廢煤渣取代率為0時,隨著銨明礬取代率的增加,改性再生混凝土試塊的抗壓強度逐漸降低,且當銨明礬含量由0增加至10%和由30%增加至50%時,改性再生混凝土抗壓強度的下降幅度均小于銨明礬含量由10%增加至30%時改性再生混凝土抗壓強度的下降幅度。含銨明礬改性再生混凝土抗壓強度降低的主要原因有:隨著銨明礬取代率的增加,水泥含量逐漸減小,易發生水化反應的礦物成分(如SiO2)含量降低,導致了再生骨料之間的黏結力逐漸減小,進而導致改性再生混凝土的抗壓強度逐漸降低。從抗壓強度的降低幅度來看,銨明礬取代率從10%增加到30%時,降幅最大,普遍降幅在40%左右,但隨著銨明礬取代率的繼續增加,降低幅度又逐漸減弱,分析原因可能為當銨明礬含量由10%增至30%時,水泥含量明顯減少,銨明礬在混凝土再生骨料之間形成的黏結力弱于水泥在混凝土再生料之間形成的黏結力,混凝土骨料之間的黏結力明顯減弱,改性再生混凝土的破壞形式逐漸由骨料顆粒受壓破壞向骨料間膠結受壓出現破壞裂縫轉變,再生混凝土試塊破壞形式的變化導致了改性再生混凝土試塊的抗壓強度出現較大幅度降低。隨著銨明礬含量的繼續增多,Al3+含量增多,酸堿中和反應后生成的Al(OH)3含量增多,在一定程度上減弱了水泥礦物質含量降低對改性再生混凝土抗壓強度的影響。

結合圖3,4,分析含有銨明礬和廢煤渣的改性再生混凝土試塊抗壓強度隨養護齡期增加而增加的主要原因是:灑水養護促進了水泥中礦物質的水化反應,如硅酸二鈣和硅酸三鈣含量增多,增大了再生骨料之間的黏結力,進而導致改性再生混凝土試塊抗壓強度上升,但隨著養護齡期的增加,礦物質的水化反應速率逐漸減緩,可用于水化反應的礦物質含量逐漸減少,因此改性再生混凝土試塊的抗壓強度增加幅度也逐漸減弱。

2.2 改性再生混凝土pH值分析

由表4可知,隨著銨明礬取代率的增加,改性再生混凝土試塊的pH值逐漸減小,分析pH值降低的主要原因如下。

1)銨明礬溶于水后,其水溶液呈弱酸性,溶液中含有大量H+,NH4+及Al3+,其中H+,NH4+與OH-發生酸堿中和反應,Al3+也會與OH-發生反應,生成Al(OH)3沉淀,這些化學反應均降低了OH-的含量,從而降低改性再生混凝土的pH值,具體化學反應方程式如下:

NH4++OH-=NH3↑+H2O

(1)

Al3++3HO-=Al(OH)3↓

(2)

H++ OH-=H2O

(3)

2)銨明礬取代率的增加,降低了水泥含量,水泥水化反應后產生的堿性物質(如Ca(OH)2)減少,從而降低了改性再生混凝土塊體的pH值。

煤渣取代率為0時,改性再生混凝土pH值隨銨明礬取代率和養護齡期的變化情況如圖5所示。由圖5可知,隨著養護齡期的增加,改性再生混凝土試塊的pH值逐漸減小,分析pH值降低的主要原因是:灑水養護促進了水泥的水化反應,進而促進了H+,NH4+與OH-之間的酸堿中和反應,進而導致混凝土試塊的pH值降低,但隨著養護齡期的增加,水泥水化反應減弱,銨明礬溶液酸性減弱,進而導致了pH值降低速度逐漸放緩。

圖5 銨明礬對改性再生混凝土pH值的影響

此外,由表4可知,隨著廢煤渣取代率的增加,改性再生混凝土試塊28d的pH值逐漸減小,分析pH值減小的主要原因是:廢煤渣的堿性略小于混凝土再生料的堿性,因此用廢煤渣取代部分混凝土再生料時,制出的改性再生混凝土pH值偏小。根據相關文獻研究可知,雖然pH值在8.5～9.5的環境屬于強堿環境,但在改性再生混凝土上部覆蓋5～10cm土壤時,土壤與改性再生混凝土組成的環境仍適合一些高羊茅、波斯菊、苜蓿等耐堿性草本植物的生長。

2.3 改性再生混凝土孔隙率分析

銨明礬取代率為0時,改性再生混凝土試塊的孔隙率隨著廢煤渣取代率的變化情況如圖6所示。由圖6可知,隨著廢煤渣取代率的增加,改性再生混凝土試塊的孔隙率逐漸增大,廢煤渣取代率從0%增加到10%時,孔隙率增幅為2.55%,從10%增加到30%時,孔隙率增幅達3.87%,可知廢煤渣取代率越大,孔隙率的增幅越大,分析其原因可能與廢煤渣的多孔隙特性有關。但廢煤渣的取代率從0%增加到30%時,孔隙率僅增加了1.51%,增加量并不顯著。孔隙率的增加也是導致改性再生混凝土試塊抗壓強度隨廢煤渣取代率增加而降低的原因之一。

圖6 廢煤渣對改性再生混凝土孔隙率的影響

3 結語

1)單摻廢煤渣的改性再生混凝土試塊28d抗壓強度均值為5.81～6.79MPa,單摻銨明礬的改性再生混凝土試塊28d抗壓強度均值為3.17～6.09MPa,能滿足實際工程需要,且銨明礬對改性再生混凝土的抗壓強度降幅影響較大。

2)銨明礬能有效降低混凝土再生料的pH值,隨著銨明礬取代率的增加,單摻銨明礬的改性再生混凝土28d的pH值為9.18～9.82,在一定程度上能滿足植物生長對周圍環境的堿性要求。由于選用的廢煤渣堿性略小于混凝土再生料的堿性,導致用廢煤渣取代一部分混凝土再生料時,pH值略有降低。

3)廢煤渣可取代一部分混凝土再生料,制作出的改性再生混凝土具有很好的經濟性和環保效果,且經降堿處理過后的含廢煤渣改性再生混凝土的pH值也能一定程度上滿足植物的生長需求。

4)用廢煤渣代替一部分的混凝土再生料,不僅在一定程度上能降低再生混凝土表面的pH值,也具有較好的抗壓強度,因此用廢煤渣制作出的生態混凝土具有良好的經濟性和環保效果。