堿激發(fā)礦渣水泥再生骨料疲勞性能研究

冷風

摘要：通過對再生骨料混凝土進行疲勞試驗，并結(jié)合混凝土的疲勞損傷模型，從試驗、損傷模型兩方面對再生骨料混凝土的損傷性能進行探究。通過采取堿激發(fā)礦渣水泥做膠凝材料與再生骨料制備再生骨料混合料，用水玻璃作為堿激發(fā)劑，探究最佳的堿激發(fā)劑含量，并對堿激發(fā)再生骨料混合料的疲勞性能進行分析研究，得到了水玻璃激發(fā)礦渣再生骨料在不同應(yīng)力比下不同齡期的疲勞方程。通過試驗發(fā)現(xiàn)NaOH、Na2SiO3作為堿激發(fā)劑時，分別存在一個最優(yōu)摻量4%、6%，二者都能夠激發(fā)礦渣提高再生骨料性能。

關(guān)鍵詞：再生骨料?堿激發(fā)?疲勞性能?堿激發(fā)劑

中圖分類號：TU528.041

Research?on?the?Fatigue?Properties?of?Recycled?Aggregates?from?Alkali-Activated?Slag?Cement

LENG?Feng

The?Bridge?Engineering?Co.，?Ltd.，?of?CTCE?Group，Changchun，?Jilin?Province，130000?China

Abstract：?This?paper?carries?out?the?fatigue?test?of?recycled-aggregate?concrete，?and?combined?with?the?fatigue?damage?model?of?concrete，?it?explores?the?damage?performance?of?recycled-aggregate?concrete?from?the?two?aspects?of?the?test?and?the?damage?model.?This?paper?uses?alkali-activated?slag?cement?as?cementitious?materials?and?recycled?aggregates?to?prepare?recycled-aggregate?mixtures，?uses?water?glass?as?alkali?activators?to?explore?the?optimal?alkali?activator?content，?and?analyzes?and?studies?the?fatigue?performance?of?the?alkali-activated?recycled-aggregate?mixture.?Through?the?test，?it?is?found?that?when?NaOH，?Na2SiO3?are?used?as?alkali?activators，?there?is?an?optimal?content?of?4%?and?6%?respectively，?both?of?which?can?activate?slag?to?improve?the?performance?of?regenerated?aggregates，?and?that?water?glass?activates?the?fatigue?of?the?semi-rigid?base?of?the?regenerated?aggregate?of?slag，?and?fatigue?equations?at?different?stress?ratios?and?different?ages?are?finally?obtained.

Key?Words：?Recycled?aggregate;?Alkali?activation;?Fatigue?performance;?Alkali?activator

我國作為全球知名的基建大國，公路建設(shè)里程已有519.8萬km，比往年增加18.56萬km，公路里程中養(yǎng)護里程就有514.40萬km，占比99%[1]，是一個非常大的重要占比。12%左右道路都會進行或大或中的修繕[2]，再生骨料混凝土的性能與普通天然骨料混凝土性能相似，可用再生骨料組成級配碎石，配合水泥穩(wěn)定類材料一般為水泥穩(wěn)定碎石，將廢舊混凝土進行再生利用?[3-4]，具有重大戰(zhàn)略意義，符合建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的要求。

趙百超[5]、胡力群等人[6]以不同摻量再生骨料制備水穩(wěn)料，測定其性能發(fā)現(xiàn)，再生骨料的使用會降低水穩(wěn)料的力學強度。張超[7]試驗結(jié)果表明：再生骨料基層的性能與天然骨料基本相同，各項指標均能滿足現(xiàn)行的無機結(jié)合料穩(wěn)定基層規(guī)范。萬小梅等人[8]研究了再生骨料粉末在堿激發(fā)膠凝材料的應(yīng)用，彭武磊[9]試驗研究發(fā)現(xiàn)礦粉中?CaO、SiO2?和?A12O3等活性組分較粉煤灰的含量高，在激發(fā)劑作用下礦粉表現(xiàn)出較強的潛在水硬活性，在水化前期比粉煤灰反應(yīng)更充分、更劇烈，短時間內(nèi)可以形成數(shù)量更多的水化產(chǎn)物以促進強度發(fā)展。為此，本文研究水玻璃作為激發(fā)劑時的摻量影響，礦粉作為膠凝材料和再生骨料制備水穩(wěn)料，研究其疲勞工作性能。

1?試驗材料

試驗采用高爐礦渣（Ground?Granulated?Blast-Furnace?Slag，GGBS）和P·O?42.5水泥，其組成參數(shù)如表1所示。

本研究采用的堿激發(fā)劑有NaOH和Na2SiO3溶液，NaOH溶液利用純度98%的固體NaOH粒配制，Na2SiO3溶液利用模數(shù)為1的固體Na2SiO3配制。

再生骨料通過鄂式破碎機破碎廢舊混凝土，進行集中破碎、分選、磁選、強化和篩分，處理成粒徑為0～4.75?mm、4.75～9.5?mm、9.5～19?mm、19～31.5?mm的4種再生骨料。

2?試驗方案

將水泥熟料、礦渣和石膏粉按照質(zhì)量比?65∶30∶5進行預混制備礦渣水泥，NaOH、Na2SiO3以礦渣摻入量為標準，按照Na2O含量的4%摻入。

實驗中再生骨料級配設(shè)計為：0～4.75?mm∶4.75～9.5?mm∶9.5～19?mm∶19～31.5?mm=27∶21∶29∶23

為滿足交通荷載對半剛性基層要求，探究堿激發(fā)劑摻量對水穩(wěn)料的影響，對疲勞損傷力學性能指標進行評價。水泥摻入量4.0%、4.5%、5.0%，按照《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG?E51-2009）為指導進行試件制備和養(yǎng)護。

3?試驗結(jié)果分析

3.1?堿激發(fā)劑含量對水穩(wěn)料強度影響

通過試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)以NaOH、Na2SiO3作為激發(fā)劑激發(fā)礦渣都能提高再生水穩(wěn)料的7d、28d抗壓強度，在NaOH摻量為6%時，7d、28d抗壓強度分別提高了21.9%、21.1%，Na2SiO3摻量為4%時，7d、28d抗壓強度分別提高了28.1%、34.2%，并且在NaOH、Na2SiO3到達一定濃度后對激發(fā)作用不大。NaOH、Na2SiO3分別存在一個最優(yōu)濃度6%、4%，通過宏觀對比抗壓強度的增強效果看，Na2SiO3激發(fā)效果更好一點。

3.2?疲勞性能影響分析

3.2.1??S-N曲線模型

最早是德國人Whole提出并使用的，因此S-N曲線也稱為Whole曲線。S-N曲線即所謂的材料的應(yīng)力一壽命曲線，是表示疲勞應(yīng)力水平與直到破壞時的循環(huán)次數(shù)即疲勞壽命之間的函數(shù)關(guān)系式。其中S代表應(yīng)力水平，可以用循環(huán)過程中的最大應(yīng)力、最小應(yīng)力、循環(huán)比來表示，最常見的用應(yīng)力與靜載強度的比值來表示。N表示疲勞壽命，即試件從加載到疲勞破壞時所經(jīng)歷的循環(huán)周次。

冪函數(shù)模型：

式（1）中：S為應(yīng)力水平，即施加應(yīng)力與彎拉強度的比值；α、c為材料參數(shù)；N為疲勞壽命。

通過對兩邊同時取對數(shù)得到：

整理得到應(yīng)力水平和疲勞壽命的函數(shù)關(guān)系式：

因為ɑ、c都是材料的參數(shù)，所以重新定義材料參數(shù)a、b：、

為了研究疲勞的可靠性，提出具有一定保證率的S-N曲線的概念，而通常我們所說的S-N曲線，一般指的是保證率為50%的S-N曲線。

3.2.2??疲勞曲線和疲勞方程

4.5%礦渣水泥、水玻璃摻量為4%制成標準試件，進行養(yǎng)護進行疲勞試驗。不同齡期不同應(yīng)力比下的疲勞壽命如表3所示，其擬合的疲勞方程如表4所示。

在S-N擬合曲線中應(yīng)力比和疲勞壽命有很好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)都在0.8以上。在相同的應(yīng)力比情況下，長齡期水花反應(yīng)進行得更完全，膠凝產(chǎn)物C-S-H更多，強度和整體性較高，疲勞壽命比短齡期的大，水泥穩(wěn)定碎石的抗疲勞性能逐漸提高；同時，不同齡期下的水泥穩(wěn)定碎石材料若要達到相同的疲勞壽命，在短齡期情況下，較小的應(yīng)力比即較小的交通荷載作用下即可達到，而在長的齡期情況下，則對應(yīng)相對較大的應(yīng)力比即較大的交通荷載才能達到。由此可見，延長水泥穩(wěn)定碎石的養(yǎng)生時間可以有效地提高其抗疲勞耐久性。

4?結(jié)論

本文通過試驗研究得到了水玻璃激發(fā)礦渣再生骨料在不同應(yīng)力比下不同齡期的疲勞方程，并得出采用NaOH、Na2SiO3作堿激發(fā)劑時，分別存在一個最優(yōu)摻量4%、6%，兩種都能夠激發(fā)礦渣提高再生骨料性能，水玻璃激發(fā)礦渣再生骨料的半剛性基層的疲勞性，得到了不同應(yīng)力比下，不同齡期的疲勞方程。并且隨著齡期的增加，水泥穩(wěn)定碎石的抗疲勞性能逐漸提高，因此通過延長水泥穩(wěn)定碎石的養(yǎng)生時間可以有效地提高其抗疲勞耐久性。

參考文獻

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