葉 煒 黃 恩 裘煜可 謝子令

(溫州大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 溫州 325035)

·建筑材料及應(yīng)用·

地質(zhì)聚合物再生混凝土的制備及其力學(xué)性能★

葉 煒 黃 恩 裘煜可 謝子令

(溫州大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 溫州 325035)

以粉煤灰地質(zhì)聚合物為膠凝材料，天然砂、碎石及再生粗骨料為集料，制備了地質(zhì)聚合物再生混凝土，并探討了再生骨料取代率及養(yǎng)護(hù)條件對其抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，地質(zhì)聚合物再生混凝土的強(qiáng)度隨再生骨料取代率的增加而呈現(xiàn)先增后降的變化趨勢，存在一個(gè)最佳的摻量；高溫養(yǎng)護(hù)能加速地質(zhì)聚合物再生混凝土強(qiáng)度的發(fā)展，并導(dǎo)致峰值強(qiáng)度的最佳摻量向低摻量方向偏移。

地質(zhì)聚合物，再生混凝土，高溫養(yǎng)護(hù)，抗壓強(qiáng)度

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，城鎮(zhèn)化的進(jìn)程日漸加快，各種基礎(chǔ)設(shè)施和住宅建筑進(jìn)行了更新、改造。在建設(shè)過程中，我國的砂石等資源過度開采，以至于砂石資源的短缺已經(jīng)嚴(yán)重影響我國的國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展，與此同時(shí)，大量廢舊建筑物被拆除，從而產(chǎn)生了大量的建筑垃圾。這些垃圾多被運(yùn)送到郊外進(jìn)行掩埋，堿性的廢渣會(huì)令大片土壤“失活”。此舉不僅要花費(fèi)大量的運(yùn)費(fèi)，而且會(huì)給城市郊區(qū)造成二次污染。其次，堆放掩埋這些建筑垃圾又要占用大量寶貴的土地資源，當(dāng)下該問題已成為城市的一大公害。如果能將這些廢棄的商品混凝土回收利用，制成再生混凝土重新運(yùn)用到新的建設(shè)中，此舉不僅能緩解日漸嚴(yán)重的砂石緊缺現(xiàn)象，又使廢棄混凝土得到了妥善的安排利用，同時(shí)解決了對土地資源的污染問題，貫徹了可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略，再生混凝土的研究已經(jīng)成為當(dāng)下混凝土的主要方向。

近年來，地質(zhì)聚合物作為新型膠凝材料取代傳統(tǒng)水泥，正在廣泛應(yīng)用于水泥制品、砂漿、復(fù)合板材、功能材料各個(gè)方面。Jannie S.J.van Deventer等人[1]認(rèn)為地質(zhì)聚合物的應(yīng)用是商業(yè)和技術(shù)上的進(jìn)步。而要作為新型材料投放市場，該材料應(yīng)滿足足夠的強(qiáng)度和耐久性。Bakharev T.[2，3]，Kumaravel S等人[4]研究了地質(zhì)聚合物在鈉和硫酸鎂及酸性環(huán)境下的耐久性，使用氫氧化鈉作為激發(fā)劑使得地質(zhì)聚合物的強(qiáng)度有保證，且養(yǎng)護(hù)溫度也起著重要的作用。Bakharev T.[5]還研究了地質(zhì)聚合物的熱穩(wěn)定性。地質(zhì)聚合物不存在硅酸鈣的水化反應(yīng)，其凝結(jié)產(chǎn)物為三維網(wǎng)絡(luò)凝膠體，相對水泥而言，與骨料聯(lián)接緊密，具有顯著的界面結(jié)合能力強(qiáng)的特點(diǎn)?？紤]這一特點(diǎn)，我們結(jié)合地質(zhì)聚合物和廢棄的混凝土制成新型地質(zhì)聚合物再生混凝土，并主要對力學(xué)性能進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 原材料

粉煤灰：購于溫州某電廠，其主要化學(xué)成分為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為49.1%的SiO2，36.7%的Al2O3，4.96%的CaO，3.67%的Fe2O3以及1.39%含量的TiO2等。

礦渣：其成分主要為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32.3%的SiO2，37.9%的CaO，13.8%的Al2O3及2.74%的Fe2O3等。

細(xì)骨料砂子采用福建砂，其松散堆積密度為1 400 kg/m3，細(xì)度模數(shù)為2.4，級配良好的Ⅱ區(qū)中砂。天然碎石采用粗細(xì)骨料(5 mm～10 mm，40%；10 mm～20 mm，60%)搭配，篩分析結(jié)果表明搭配后級配良好，可以使集料空隙率減小，提高地質(zhì)聚合物混凝土的密實(shí)性，進(jìn)而提高其力學(xué)性能,而且能使地質(zhì)聚合物膠凝材料包裹集料表面的潤滑層增加，使拌合物工作性能得到改善。

再生骨料：將150 mm×150 mm×150 mm的C20混凝土試塊，用鄂式破碎機(jī)進(jìn)行破碎，并對破碎后的骨料的物理力學(xué)性能進(jìn)行了測試分析。篩分析結(jié)果如表1所示，壓碎指標(biāo)為14.3%，吸水率為6.5%，根據(jù)GB/T 25177—2010混凝土用再生粗骨料規(guī)范[6]進(jìn)行判定，則該破碎再生骨料屬于5～25連續(xù)粒級，堅(jiān)固性及吸水率均滿足Ⅲ類再生骨料的要求。

表1 再生骨料的篩分析結(jié)果

激發(fā)劑：采用18 mol/L的氫氧化鈉溶液與市售泡花堿，按質(zhì)量比1∶3混合而成的復(fù)合激發(fā)劑，復(fù)合激發(fā)劑通常提前1 d配置，密封保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 地質(zhì)聚合物混凝土制備

基于前期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，地質(zhì)聚合物混凝土的流動(dòng)性受礦粉摻量影響較大，考慮到再生骨料石粉含量以及吸水率較高，會(huì)增加激發(fā)劑的用量，為在不增加激發(fā)劑摻量的條件下盡量提高拌合物的流動(dòng)性，將礦渣的摻量控制在30%，具體配比見表2。首先將砂、石骨料以及粉煤灰、礦渣等干料倒入雙臥軸混凝土攪拌機(jī)中干拌5 min，加入規(guī)定量的激發(fā)劑溶液再攪拌5 min，將拌合物裝入試模中，振動(dòng)1 min成型，為防止水分散失，試樣表面覆蓋保鮮膜，為探討?zhàn)B護(hù)溫度對地質(zhì)聚合物再生混凝土的強(qiáng)度發(fā)展的影響，將部分試樣放置在 60 ℃恒溫養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)24 h后拆模，拆模后放置在室內(nèi)環(huán)境中至測試的齡期；部分試樣直接放置在室內(nèi)環(huán)境，3 d后拆模并室溫條件養(yǎng)護(hù)至測試齡期(60 d)。為探討高溫養(yǎng)護(hù)是否會(huì)導(dǎo)致地質(zhì)聚合物再生混凝土強(qiáng)度倒縮的現(xiàn)象，對經(jīng)60 ℃養(yǎng)護(hù)24 h，齡期分別為3 d及60 d的試樣分別進(jìn)行了立方體抗壓強(qiáng)度測試。

表2 地質(zhì)聚合物再生混凝土的配比 kg

2 結(jié)果與分析

2.1 養(yǎng)護(hù)條件及再生骨料取代率對強(qiáng)度發(fā)展的影響

圖1給出的是養(yǎng)護(hù)條件及再生骨料取代率對地質(zhì)聚合物混凝土強(qiáng)度的影響。如圖1中標(biāo)識為“■”曲線所示，自然條件養(yǎng)護(hù)，齡期60 d的地質(zhì)聚合物再生骨料混凝土的強(qiáng)度隨再生骨料取代率的增加出現(xiàn)先增后降的變化趨勢，在再生骨料摻量為60%時(shí)，出現(xiàn)了峰值65.4 MPa，隨后隨再生骨料摻量的進(jìn)一步增加，地質(zhì)聚合物再生混凝土的強(qiáng)度出現(xiàn)降低，在摻量為80%，減小至45.7 MPa，較摻量為0%時(shí)的62.5 MPa降低了近27%，全再生粗骨料時(shí)進(jìn)一步減少至39.8 MPa，較摻量為0%的減小了36.3%。提高養(yǎng)護(hù)溫度可加快受激材料的聚合化反應(yīng)，增加地質(zhì)聚合物混凝土早期強(qiáng)度，如圖1中標(biāo)識為“◆”曲線所示，經(jīng)60 ℃養(yǎng)護(hù)24 h，3 d齡期的地質(zhì)聚合物再生混凝土立方抗壓強(qiáng)度已接近自然條件下齡期為60 d的試樣。與自然條件下養(yǎng)護(hù)的試樣類似，經(jīng)高溫條件養(yǎng)護(hù)的試樣，其強(qiáng)度的發(fā)展隨再生骨料摻量的增大呈現(xiàn)先增后降的趨勢，但高溫養(yǎng)護(hù)導(dǎo)致出現(xiàn)強(qiáng)度峰值的再生骨料摻量向小摻量方向偏移，出現(xiàn)在摻量為40%～60%之間。進(jìn)一步對比分析可見，經(jīng)高溫養(yǎng)護(hù)的試樣，在再生骨料摻量為0%時(shí)，強(qiáng)度59.5 MPa，較自然養(yǎng)護(hù)試樣低4.8%左右；在取代率為40%時(shí)，高溫養(yǎng)護(hù)試樣強(qiáng)度達(dá)到62.5 MPa，與自然養(yǎng)護(hù)試樣的63.8 MPa相差不足2%；當(dāng)取代率進(jìn)一步提高至60%，高溫養(yǎng)護(hù)試樣的強(qiáng)度較摻量為40%的試樣有所降低，降低至60.2 MPa，略高于摻量為0%的試樣，但與自然養(yǎng)護(hù)試樣的強(qiáng)度偏差達(dá)到了80%；隨再生骨料取代率的進(jìn)一步增大，強(qiáng)度呈現(xiàn)降低的趨勢，養(yǎng)護(hù)溫度帶來的強(qiáng)度偏差又有所降低，可見不同再生骨料摻量下試樣對高溫養(yǎng)護(hù)的響應(yīng)存在一定的差別。

2.2 養(yǎng)護(hù)齡期及再生骨料取代率對強(qiáng)度發(fā)展的影響

圖2給出的是養(yǎng)護(hù)齡期及再生骨料取代率對地質(zhì)聚合物混凝土強(qiáng)度的影響。如圖2中“■”曲線所示60 ℃養(yǎng)護(hù)24 h，齡期3 d的地質(zhì)聚合物再生骨料混凝土的強(qiáng)度隨再生骨料取代率的增加出現(xiàn)先增后降的變化趨勢。在再生粗骨料摻量為40%時(shí)出現(xiàn)強(qiáng)度峰值62.5 MPa。隨后隨再生粗骨料的進(jìn)一步增加，地質(zhì)聚合物再生混凝土的強(qiáng)度出現(xiàn)降低，在摻量為60%，減小至60.2 MPa，較摻量為40%時(shí)的62.5 MPa，略微減小了3.8%，但仍較摻量為0時(shí)的59.5 MPa高1.18%；在摻量為80%，減小至45.2 MPa，較摻量為0%時(shí)的59.5 MPa降低了近24%，全再生粗骨料時(shí)進(jìn)一步減少至36.8 MPa，較摻量為0%的減小了38.2%。增加養(yǎng)護(hù)齡期卻并不會(huì)顯著增加地質(zhì)聚合物再生骨料混凝土的強(qiáng)度。如圖2中“◆”曲線所示，養(yǎng)護(hù)齡期為60 d的試塊強(qiáng)度與齡期為3 d的試塊在各再生粗骨料取代率下趨勢相差不大，強(qiáng)度增長不明顯。在取代率為80%時(shí)，強(qiáng)度為45.8 MPa，較齡期3 d的45.2 MPa增加1.33%；在全取代率時(shí)，強(qiáng)度為39.2 MPa，較齡期3 d的36.8 MPa增加6.5%。這說明前期經(jīng)高溫養(yǎng)護(hù)處理的試樣，其強(qiáng)度的發(fā)展基本完成，后期室溫條件養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度增長不明顯，但齡期60 d的強(qiáng)度高于3 d的強(qiáng)度。說明在該配合比下，受激材料中礦渣的摻加沒有導(dǎo)致強(qiáng)度倒縮。

3 結(jié)語

制備了不同再生骨料取代率的地質(zhì)聚合物再生骨料混凝土，對試樣進(jìn)行了不同條件的前期養(yǎng)護(hù)處理，部分試樣進(jìn)行了60 ℃24 h的高溫養(yǎng)護(hù)，部分試樣完全采取室內(nèi)環(huán)境的自然養(yǎng)護(hù)，達(dá)到規(guī)定齡期后對試樣進(jìn)行立方抗壓強(qiáng)度測試，結(jié)果表明：

1)地質(zhì)聚合物再生混凝土的強(qiáng)度隨再生骨料取代率的增加而呈現(xiàn)先增后降的變化趨勢，存在一個(gè)最佳的摻量，高溫養(yǎng)護(hù)能加速地質(zhì)聚合物再生混凝土強(qiáng)度的發(fā)展，并導(dǎo)致峰值強(qiáng)度的最佳摻量向低摻量方向偏移；

2)前期經(jīng)高溫養(yǎng)護(hù)處理的試樣，其強(qiáng)度的發(fā)展基本完成，后續(xù)的室溫條件養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度增長不明顯，受激材料中礦渣的摻加沒有導(dǎo)致強(qiáng)度倒縮的現(xiàn)象。

[1] Jannie S.J.van Deventer,Jhon L.Provis,Peter Duxson.Technical and commerial progress in the adoption of geopolymer cement[J].Minerals Engineering,2012(29):89-104.

[2] Bakharev T.Durability of geopolymer materials in sodium and magnesium sulfate solutions[J].Cement and Concrete Research,2005(35):1233-1246.

[3] Bakharev T.Resistance of geopolymer materials to acid attack[J].Cement and Concrete Research,2005(35):658-670.

[4] Kumaravel S,Girija K.Acid and salt resistance of geopolymer concrete with varying concentration of NaOH[J].Journal of Engineering Research and Studies,2013,4(4):1-3.

[5] Bakharev T.Thermal behaiviour of geopolymers prepared using calss F fly ash and elevated temperature curing[J].Cement and Concrete Research,2006(36):1134-1147.

[6] GB/T 25177—2010，混凝土用再生粗骨料[S].

Preparation and mechanical properties of geopolymer recycled concrete★

Ye Wei Huang En Qiu Yuke Xie Ziling

(CollegeofArchitectureandCivilEngineering,UniversityofWenzhou,Wenzhou325035,China)

With the fly ash geopolymer as cementitious material, natural sand, gravel and recycled coarse aggregate as aggregate, we prepared the geopolymer recycled concrete. And we discussed the influence of recycled aggregate replacement ratio and curing conditions on the compressive strength of cubic. The results show that the geopolymer recycled concrete strength increase with the increase of recycled aggregate replacement rate and increased first then decreased. There is an optimum dosage. High temperature curing can accelerate the development strength of geopolymer recycled concrete, and lead the optimal dosage of the peak intensity shifts to the low dosage direction.

geopolymer, recycled concrete, high temperature curing, compressive strength

1009-6825(2017)02-0113-03

2016-11-06

葉 煒(1995- )，男，在讀本科生； 黃 恩(1995- )，男，在讀本科生； 裘煜可(1995- )，男，在讀本科生； 謝子令(1978- )，男，講師

TU522.35

A

★：浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃(新苗人才計(jì)劃)項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：2015R426040)；溫州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：S20140010)