再生混凝土應(yīng)用于水利工程的主要性能研究

　　摘要: 再生混凝土性能研究和開發(fā)應(yīng)用已日益受到關(guān)注。通過強(qiáng)度和耐久性能試驗(yàn), 對(duì)比不同水灰比條件下普通混凝土和再生混凝土的性能差異, 研究再生混凝土應(yīng)用于水利工程的主要性能及其影響因素, 從而提出需解決的實(shí)際問題和措施。

　　關(guān)鍵詞: 再生混凝土; 強(qiáng)度; 耐久性; 水利工程

　　中圖分類號(hào): TV41 ; TV431 　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 　文章編號(hào): 1008-701X (2010) 01-0024-03

　　1 　問題的提出

　　目前, 全世界混凝土的年產(chǎn)量約28 億m3 , 我國的混凝土年產(chǎn)量達(dá)到13 億～14 億m3 , 約占世界總量的45 %。據(jù)測(cè)算, 我國每年解體舊混凝土的發(fā)生量約在4 000 萬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 kgPm3 。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。水為普通自來水。粗骨料的基本性能見表1。

　　由表1 可見, 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(見表2) 。

　　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3～5 min 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。

　　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。

　　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。

　　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,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, 不僅飽和水的開孔總體積增加,而且平均孔徑也增加, 在凍融過程中產(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, 通過減小水灰比來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

　　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。參考文獻(xiàn):

　　[1] 中華人民共和國水利部. SL 352 —2006 水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程[S] . 北京: 中國水利水電出版社, 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 , June2002 : 385 - 388.

　　作者簡(jiǎn)介: 徐蔚(1972 - ) , 女, 副教授, 工學(xué)碩士, 主要從事土木工程材料與結(jié)構(gòu)研究。