徐 蔚,方 榮

(浙江水利水電?？茖W(xué)校,浙江 杭州 310018)

1 問(wèn)題的提出

目前,全世界混凝土的年產(chǎn)量約28億m3,我國(guó)的混凝土年產(chǎn)量達(dá)到13億～14億m3,約占世界總量的45%。據(jù)測(cè)算,我國(guó)每年解體舊混凝土的發(fā)生量約在4 000萬(wàn)t以上,它的產(chǎn)生與處理已經(jīng)對(duì)環(huán)境造成了很大的負(fù)荷。混凝土生產(chǎn)過(guò)程中骨料一般占混凝土總量的75%,將廢棄混凝土進(jìn)行資源化利用,已成為材料科學(xué)中的一個(gè)重要課題。

在水利工程中,混凝土用量較大,若能有效處理和利用廢棄混凝土,加工成再生骨料進(jìn)而配制成再生混凝土,使它成為循環(huán)性可利用再生資源,既能減輕廢棄混凝土對(duì)環(huán)境的污染,又能減小大量開(kāi)采天然骨料對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響,符合生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的要求,具有明顯的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。本文主要從分析再生混凝土的強(qiáng)度和耐久性能的角度,研究該材料在水利工程中應(yīng)用的可行性和適應(yīng)性。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)材料

水泥為32.5R海螺牌普通硅酸鹽水泥,其表觀密度為3 100 kg/m3。砂為普通黃砂,細(xì)度模數(shù)為2.75。天然粗骨料為連續(xù)級(jí)配的碎石,最大粒徑為31.5 mm。再生骨料由某路面廢棄混凝土破碎加工而成,該廢棄混凝土的技術(shù)資料不詳。水為普通自來(lái)水。粗骨料的基本性能見(jiàn)表1。

表1 粗骨料的基本性能表

由表1可見(jiàn),與天然粗骨料相比,再生骨料的密度低、吸水率高、壓碎指標(biāo)大,表明再生骨料孔隙率高,強(qiáng)度低,其主要原因是由于其表面附著有大量水泥砂漿。

2.2 混凝土配合比

混凝土共分8組,其中4組編號(hào)為NC的是普通混凝土,其余4組編號(hào)為RC的是再生混凝土,再生骨料取代率取100%。采用C20、C30不同的強(qiáng)度等級(jí),經(jīng)過(guò)多次的試配,在滿足混凝土和易性的基礎(chǔ)上確定了再生混凝土和普通混凝土的配合比(見(jiàn)表2)。

表2 混凝土的配合比表

2.3 試件的澆注與養(yǎng)護(hù)

所有混凝土攪拌設(shè)備為一容量為50 L的攪拌機(jī)。投料順序?yàn)槭紫燃尤朦S砂和水泥,再加入粗骨料,最后加入水,攪拌3～5min后測(cè)其坍落度。坍落度試驗(yàn)完畢后將混凝土拌和物注入鋼模,24 h后拆模,立即放入養(yǎng)護(hù)室,在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d后取出進(jìn)行試驗(yàn)。所有試件均為一批澆注完成。

2.4 試驗(yàn)方法

混凝土立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度及耐久性能試驗(yàn)均按照 《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL 352—2006)進(jìn)行[1]。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 混凝土的強(qiáng)度

從混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)表3)中可以看出,再生粗骨料對(duì)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度起著較大影響,對(duì)于混凝土的28 d強(qiáng)度,同一水灰比的再生混凝土的抗壓強(qiáng)度比普通混凝土低5%～20%。這與國(guó)內(nèi)外許多研究結(jié)論相符。

混凝土抗壓強(qiáng)度降低的原因主要是:①由于再生粗骨料與新舊砂漿之間存在的粘結(jié)較為薄弱;②再生骨料吸水率大,再生混凝土本身的用水量有所增加;③由于再生粗骨料孔隙率高,在承受軸向應(yīng)力時(shí),容易形成應(yīng)力集中;④再生粗骨料的強(qiáng)度較低,表現(xiàn)在壓碎值較大;⑤由于初始損傷和2次破壞損傷使得再生粗骨料內(nèi)部存在大量微裂縫。

表3 混凝土的強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表

圖1給出了再生混凝土抗壓強(qiáng)度隨水灰比的變化關(guān)系。從圖中可以看出,當(dāng)水灰比高于0.5時(shí),再生混凝土的抗壓強(qiáng)度隨水灰比的增大而減小,這一點(diǎn)與普通混凝土基本一致;當(dāng)水灰比低于0.5時(shí),再生混凝土的抗壓強(qiáng)度隨水灰比的降低而有效增加不明顯。因此嚴(yán)格控制水灰比對(duì)再生混凝土的強(qiáng)度有重要意義。

對(duì)于再生混凝土抗拉性能,試驗(yàn)結(jié)果表明,再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度較普通混凝土降低2%～10%。再生混凝土抗拉強(qiáng)度可取為立方體抗壓強(qiáng)度的1/15～1/10,其拉壓比較普通混凝土略高。

圖1 混凝土的抗壓強(qiáng)度與水灰比的關(guān)系圖

3.2 混凝土的耐久性

3.2.1 抗?jié)B性

抗?jié)B性是混凝土耐久性的核心問(wèn)題,主要包括氣體分子,水分子,以及氯離子的擴(kuò)散。本文主要研究再生混凝土在抵抗水的滲透方面與普通混凝土的差異。

從各組混凝土試件的抗?jié)B性試驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)表4)中可以看出:①混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C20的前4組試件的抗?jié)B等級(jí)差別較為明顯,其中普通混凝土的抗?jié)B等級(jí)明顯高于再生混凝土,并且水灰比為0.5的再生混凝土的抗?jié)B等級(jí)高于水灰比為0.55的再生混凝土;②混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30的后4組試件,普通混凝土和再生混凝土的抗?jié)B性差別不大。但從趨勢(shì)上看,普通混凝土的抗?jié)B性略優(yōu)于再生混凝土。

表4 混凝土的抗?jié)B性能試驗(yàn)結(jié)果表

總體上,再生混凝土的抗?jié)B性比普通混凝土的抗?jié)B性差,再生混凝土的抗?jié)B性隨混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高而增加,隨水灰比的增加而降低。這主要是由以下原因造成的:①由于再生混凝土的再生骨料表面裹有已硬化的水泥漿,故再生混凝土中新舊水泥砂漿總含量較普通混凝土高,因此其孔隙率比天然混凝土高,透水性強(qiáng),抗?jié)B性差;②與普通混凝土一樣,水灰比也是再生混凝土滲透性的主要影響因素。在一定范圍內(nèi),隨著水灰比的增大,再生混凝土的抗?jié)B性有逐漸降低的趨勢(shì)。這是因?yàn)樗冶仍酱?包圍水泥顆粒的水層就越大,水在水泥石中就會(huì)逐漸形成相互貫通的、無(wú)規(guī)則的毛細(xì)孔系統(tǒng),使水泥石的孔隙率不斷增加,混凝土的抗?jié)B性就越差。

此外,由于再生混凝土的界面區(qū)域不如普通混凝土牢固,水泥砂漿中的自然孔隙會(huì)因界面區(qū)域的孔隙裂紋等得到擴(kuò)展,成為貫通水泥砂漿的連續(xù)通道,進(jìn)而使再生混凝土的滲透性增加,影響其抗?jié)B性。再生骨料在生產(chǎn)的過(guò)程中,由于損傷積累使得再生骨料內(nèi)部存在大量微細(xì)裂紋,降低了骨料對(duì)毛細(xì)孔的阻隔作用。

3.2.2 抗凍性

在寒冷地區(qū),混凝土受凍融循環(huán)作用往往是導(dǎo)致混凝土劣化的主要因素,嚴(yán)重影響混凝土建筑物的長(zhǎng)期使用和安全運(yùn)行。通過(guò)對(duì)前述8組混凝土試件的抗凍性試驗(yàn)結(jié)果得出:

(1)總體上,再生混凝土的抗凍融破壞循環(huán)次數(shù)較普通混凝土要低,質(zhì)量變化率也更大,表明再生混凝土的抗凍性能較普通混凝土差。再生骨料吸水率較大,內(nèi)部孔隙的水飽和程度較高,易先于新水泥基體發(fā)生凍融破壞,成為再生混凝土抗凍性能的薄弱環(huán)節(jié)。

(2)水灰比小的再生混凝土的抗凍性高于水灰比大的再生混凝土。因?yàn)樗冶戎苯佑绊懟炷恋目紫堵始翱捉Y(jié)構(gòu)。隨著水灰比的增加,不僅飽和水的開(kāi)孔總體積增加,而且平均孔徑也增加,在凍融過(guò)程中產(chǎn)生的冰脹壓力和滲透壓力就大,因而混凝土的抗凍性必然降低。

(3)混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30的再生混凝土的抗凍性能高于C20的再生混凝土。表明再生混凝土強(qiáng)度越高抗凍性能越好。

3.2.3 抗沖磨性

混凝土抗沖磨性能主要受混凝土強(qiáng)度、骨料性能及面層混凝土質(zhì)量的影響。對(duì)比普通混凝土與再生混凝土的抗沖磨性能的優(yōu)劣:①再生混凝土的抗沖磨性較普通混凝土差,這與再生混凝土孔隙率大,密實(shí)性差,界面區(qū)粘結(jié)不牢固有直接的關(guān)系。②水灰比對(duì)再生混凝土的耐磨性有較大的影響,水灰比越大,耐磨性越差。③強(qiáng)度高的再生混凝土的耐磨性優(yōu)于強(qiáng)度低的再生混凝土。

4 性能改善措施

4.1 提高再生混凝土的強(qiáng)度

在水工建筑物中,主要采用中、低強(qiáng)度的混凝土,再生骨料性質(zhì)對(duì)其強(qiáng)度的影響相對(duì)較小。研究表明,從以下幾個(gè)方面可以一定程度上提高再生混凝土的強(qiáng)度:

(1)通過(guò)控制水灰比,摻入高效減水劑與高活性超細(xì)礦物摻合料如粉煤灰、硅灰等,可以配制出高強(qiáng)度且工作性能良好的再生混凝土。

(2)通過(guò)機(jī)械活化和酸液活化方法對(duì)再生骨料表面的狀態(tài)加以改善,用界面劑、有機(jī)耦合劑或環(huán)氧樹(shù)脂等事先涂抹在集料表面可以增強(qiáng)骨料與水泥漿體之間的粘結(jié)強(qiáng)度。

(3)二次攪拌工藝由于投料順序的改變,可以促進(jìn)水泥顆粒的分散程度,使水泥水化充分,提高再生混凝土的強(qiáng)度達(dá)10%以上[2]。

4.2 提高再生混凝土的耐久性

(1)選擇合適的水灰比。通過(guò)降低再生混凝土的水灰比可以提高再生混凝土的抗?jié)B性能。在水工混凝土中,由于建筑物本身的需要,水工混凝土的水灰比要比普通建筑物的水灰比低,通過(guò)減小水灰比來(lái)提高再生混凝土的抗凍性,這與對(duì)水工混凝土的技術(shù)要求相容。

(2)合理選擇再生骨料的粒徑。相比用較大粒徑骨料配制的再生混凝土而言,較小粒徑骨料配制的再生混凝土結(jié)構(gòu)緊密。通過(guò)減小再生骨料的最大粒徑可以提高再生混凝土的抗凍、抗?jié)B、抗碳化等耐久性指標(biāo),同時(shí)有助于減少再生混凝土的收縮。再生骨料的最大粒徑建議使用16～20 mm[3]。

(3)摻加活性摻和料和外加劑。粉煤灰能細(xì)化再生骨料的毛細(xì)孔道,改善再生混凝土的抗?jié)B性。試驗(yàn)研究表明,摻入10%的粉煤灰與未摻加粉煤灰的混凝土相比,摻加粉煤灰的再生混凝土的滲透深度、吸水率和重量損失率分別降低了約10%、30%和40%[4]。在水工混凝土中摻粉煤灰已被廣泛使用,其應(yīng)用技術(shù)較為成熟。添加引氣劑對(duì)于改善再生混凝土的抗凍性能也有明顯的效果。

5 結(jié) 語(yǔ)

總體而言,再生混凝土的綜合性能低于普通混凝土。然而,只要采取合理的措施,完全可以滿足一般水利工程等級(jí)對(duì)混凝土性能的要求,從而體現(xiàn)較好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。為加快再生混凝土在較高等級(jí)工程中的推廣利用,尚需做進(jìn)一步的研究工作。

[1]中華人民共和國(guó)水利部.SL 352—2006水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程[S].北京:中國(guó)水利水電出版社,2006.

[2]孫成城,袁東,宋建學(xué).二次攪拌工藝對(duì)再生混凝土強(qiáng)度的影響研究[J].混凝土,2008(6):125-128.

[3]吳紅利,宋少民.再生骨料混凝土耐久性試驗(yàn)研究 [J].商品混凝土,2006(4):25-30.

[4]Mandal S,Chakraborty S and Gupta A.Some studies on durability ofrecycled aggregate concrete[J].The Indian Concrete Journal,June 2002:385-388.