[摘 要] 從工作性能、力學(xué)性能、耐磨性能以及干縮等方面,研究了復(fù)合超細(xì)粉煤灰(CUFA) 摻量對(duì)道路再生混凝土性能的影響,并初步探討了其影響機(jī)理。試驗(yàn)研究結(jié)果表明: 摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15 %～35 %的CUFA ,可以有效改善再生混凝土的工作性能,同時(shí)保證其力學(xué)性能相同或稍有改善;摻CUFA 再生混凝土的具有良好的路面耐磨性,干縮顯著減小,運(yùn)營1 a 來,再生混凝土路面綜合性能優(yōu)良,未見有開裂現(xiàn)象。這為CUFA 再生混凝土應(yīng)用于水泥混凝土路面中提供了可靠的保障。
[關(guān)鍵詞] 復(fù)合超細(xì)粉煤灰; 再生混凝土; 力學(xué)性能; 耐磨性; 干縮
廢棄混凝土的再利用對(duì)資源和環(huán)境具有重要的現(xiàn)實(shí)意義,許多國家對(duì)此給予了高度重視,并制定了相應(yīng)的制度和措施。近年來,國內(nèi)外的一些專家學(xué)者對(duì)再生混凝土技術(shù)進(jìn)行了大量的研究,在再生骨料的基本性能及強(qiáng)化、再生混凝土的配合比設(shè)計(jì)以及物理力學(xué)性能等方面取得了一定的成果[1～6 ] ,但是關(guān)于再生混凝土耐久性方面、尤其是耐磨性能方面的研究文獻(xiàn)并不多見。鑒于此,本文旨在探討復(fù)合超細(xì)粉煤灰(CUFA) 與再生骨料相結(jié)合對(duì)道路路面用混凝土工作性能、力學(xué)性能、特別是耐磨性、干縮的影響,為再生混凝土應(yīng)用于水泥混凝土路面工程提供了技術(shù)支持和保障。
1 原材料與試驗(yàn)方法
1. 1 原材料
水泥: 42. 5 級(jí)普通硅酸鹽水泥,水泥的物理性能和化學(xué)成分符合現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn),水泥膠砂抗折強(qiáng)度Rf ,3 = 5. 40 MPa , Rf ,28 = 8. 70 MPa ,抗壓強(qiáng)度RC ,3 = 31. 2 MPa , RC , 28 = 5817 MPa ;復(fù)合超細(xì)粉煤灰(CUFA) : 主要成分為電廠電收塵分選的超細(xì)粉煤灰,并摻入小于或等于5 %的早強(qiáng)型激發(fā)劑復(fù)合而成。其中超細(xì)粉煤灰的密度2. 26 gPcm3 ,比表面積550 m2Pkg ,需水量比為93 %,化學(xué)成分分析見表1 ;天然粗骨料(NA) : 湘江河卵石,級(jí)配合格,為5～31. 5 mm的連續(xù)級(jí)配;天然細(xì)骨料:河砂,級(jí)配合格,細(xì)度模數(shù)2. 63 ;再生粗骨料(RA) : 用長沙市某公路路面維修時(shí)廢棄的混凝土(原生混凝土的粗骨料為卵石) ,先經(jīng)人工破碎成中等尺度的碎塊,然后用顎式破碎機(jī)破碎成小顆粒,再篩分制得而成,級(jí)配合格,為5～31. 5 mm的連續(xù)級(jí)配,其有關(guān)性能,見表2 ;外加劑: 高效減水劑(粉劑) 。
1. 2 試驗(yàn)方法
試件在試驗(yàn)室制作,采用50 L 攪拌機(jī)攪拌,振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)成型,在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)至一定齡期后進(jìn)行試驗(yàn)。再生混凝土的坍落度和表觀密度按照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法》(GBPT 50080 —2002)測(cè)試;力學(xué)性能按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》(GBPT 50081 —2002) 進(jìn)行測(cè)試,其中立方體抗壓強(qiáng)度所用試件尺寸為100 mm ×100 mm ×100 mm ,抗折強(qiáng)度所用試件尺寸為100 mm ×100 mm ×400 mm ,棱柱體抗壓強(qiáng)度和彈性模量所用試件尺寸均為100mm ×100 mm ×300 mm ,試驗(yàn)結(jié)果已乘相應(yīng)的換算系數(shù);耐磨性按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E30 —2005) 試驗(yàn)。
2 試驗(yàn)結(jié)果及分析
為探討CUFA 與再生骨料相結(jié)合對(duì)混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響,試驗(yàn)了5 個(gè)配合比,固定水膠比為0. 38 ,再生骨料摻量為60 % ,砂率為35 % ,高效減水劑摻量為2. 52 kgPm3 ,試驗(yàn)結(jié)果見表3。
2. 1 坍落度
從圖1 知,在CUFA 取代率小于50 %的范圍內(nèi),再生混凝土的坍落度隨CUFA 摻量的增加而顯著增大,從0 mm 增至100 mm。根據(jù)試驗(yàn)觀察,摻CUFA后再生混凝土粘聚性和保水性明顯增強(qiáng)。CUFA能明顯提高再生混凝土的坍落度,這說明CUFA 具有明顯的減水效果,其主要機(jī)理在于CUFA 的形態(tài)效應(yīng)與微集料填充效應(yīng)。有研究表明,CUFA 本身帶有同種電荷,其靜電斥力維持了體系的分散性,起到了普通礦物減水劑的作用[7 ,8 ] 。
2. 2 抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度
從圖2 (a) 和圖2 (b) 可知(見圖2) ,當(dāng)CUFA 取代率從15 %變化到35 %時(shí),再生混凝土3 d 和7 d 的抗壓和抗折強(qiáng)度隨CUFA 取代率的增加而增大,而28 d 強(qiáng)度與基準(zhǔn)混凝土相近。這說明CUFA 具有顯著的早強(qiáng)效果,在保證混凝土后期強(qiáng)度的同時(shí)能夠在顯著提高再生混凝土的早期強(qiáng)度。當(dāng)CUFA 取代率為50 %時(shí), 再生混凝土的抗壓強(qiáng)度顯著降低,這表明CUFA 摻量不宜大于50 %。圖2 (a) 和圖2 (b)還表明,采用42. 5 級(jí)普通硅酸鹽水泥,并以15 %～35 %CUFA 等量取代水泥配制的道路再生混凝土,3～7 d 即可開放交通,28 d 抗折強(qiáng)度大于或等于5. 0MPa ,抗壓強(qiáng)度為40. 3～45. 5 MPa ,均完全滿足混凝土C35等級(jí)的強(qiáng)度要求。
2. 3 彈性模量
保持混凝土中再生骨料摻量不變的條件下,CUFA 摻量對(duì)再生混凝土彈性模量的影響,見圖2(c) 。當(dāng)再生粗骨料的取代比例為60 % ,CUFA 摻量分別為15 %、25 %和35 %時(shí),其彈性模量與不摻CUFA 的基準(zhǔn)混凝土相比接近或者稍有增加。摻入適量的CUFA 可以有效改善再生混凝土的工作性能,同時(shí)保證其力學(xué)性能相同或稍有改善。
2. 4 耐磨性能
本文的耐磨性試驗(yàn)是在各組混凝土膠凝材料恒定不變,通過調(diào)整用水量和CUFA 摻量,研究CUFA摻量、再生骨料取代比例對(duì)再生混凝土耐磨性的影響,砂率為35 % ,高效減水劑摻量為2. 52 kgPm3 ,試驗(yàn)配合比及結(jié)果,見表4。
表4 試驗(yàn)結(jié)果表明: ① 固定CUFA 的摻量為25 % ,隨再生骨料比例增加,混凝土的用水量增加,當(dāng)坍落度接近時(shí),抗壓強(qiáng)度稍有減小,1 # 抗壓強(qiáng)度大于2 # 是由于再生粗骨料吸水,使其坍落度較2 #小。再生混凝土的耐磨性能變化規(guī)律與抗壓強(qiáng)度一致。②當(dāng)固定再生粗骨料的比例為60 % ,用水量為160 kgPm3 時(shí),隨著CUFA 用量的增加,混凝土的坍落度增加,抗壓強(qiáng)度則隨之降低,再生混凝土的耐磨性能也隨之降低,CUFA 摻量為50 %時(shí),其28 d 單位面積的磨耗量為3. 75 kgPm2 ,超過了規(guī)范要求的3. 6 kgPm2 。③當(dāng)固定再生粗骨料的比例為80 %(2 # 與6 # ) ,摻入的25 %CUFA ,混凝土的用水量從180 kgPm3 降為160 kgPm3 時(shí),同時(shí)混凝土的坍落度從20 mm
增至50 mm ,而抗壓強(qiáng)度基本保持不變,再生混凝土的耐磨性能也接近,均小于規(guī)范要求的3. 6 kgPm2 。說明利用CUFA 的減水增強(qiáng)效應(yīng),可以保證再生混凝土的抗壓強(qiáng)度與不摻CUFA 的再生混凝土接近,坍落度相同時(shí)甚至可以提高,其耐磨性能變化規(guī)律與抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律一致。
再生混凝土耐磨性能提高的主要原因是: ①在低水膠比條件下,CUFA 的減水增強(qiáng)效應(yīng)非常明顯,有利于膠凝物質(zhì)對(duì)骨料粘結(jié)性能的提高; ②CUFA 玻璃微珠本身的強(qiáng)度很高,有資料表明粉煤灰厚壁空心微珠的抗壓強(qiáng)度在700 MPa 以上[8 ] ,并且玻璃微珠外層玻璃質(zhì)表面非常致密,本身的耐磨性很高。
2. 5 干縮性能
對(duì)表4 中的1 # 、2 # 、3 # 及6 # 再生混凝土進(jìn)行了干縮試驗(yàn),如3 圖所示。由圖3 可以看出: 再生混凝土的干燥收縮隨著再生骨料摻量的增加而增大,28 d 齡期后趨于明顯,如60 d 齡期時(shí)摻100 %再生骨料的混凝土比摻60 %再生骨料的混凝土干縮值增大了52με。90 d 以后再生混凝土的收縮值增長幅度趨于平緩,各組混凝土的180 d 干縮均未超過500με。比較1 # 與6 # 的干縮可以看出,在同樣再生骨料摻量的條件下,摻CUFA的再生混凝土干縮明顯降低,且隨齡期的增長降低幅度有增大的趨勢(shì)。由此可見,再生骨料在一定程度上增大混凝土的干縮值,但CUFA 的摻入能夠顯著降低再生混凝土的干縮,因此,摻CUFA 的再生混凝土具有良好的抗開裂能力。其減縮機(jī)理可以認(rèn)為: 由于超細(xì)粉煤灰的減水增強(qiáng)效應(yīng)非常明顯,有利于膠凝物質(zhì)對(duì)集料粘結(jié)性能的提高,從而有效地減小干縮;超細(xì)粉煤灰具有優(yōu)良的微集料效應(yīng),加之其本身強(qiáng)度較高(700MPa) ,因此所形成的堅(jiān)實(shí)的微骨架強(qiáng)化了水泥基材[9～11 ] 。
3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
3. 1 工程概況
江西省吉安市直屬公路段管轄區(qū)的G105 國道吉安段,共計(jì)110 km ,日交通量平均1. 5 萬輛左右,重載、超載車多,造成水泥混凝土路面破損嚴(yán)重,破損率達(dá)25 % ,嚴(yán)重影響了行車速度和行車安全,急需修補(bǔ)。同時(shí),為了避免大量混凝土路面碎塊廢棄造成對(duì)環(huán)境的污染和節(jié)約投資,經(jīng)研究決定采用中南大學(xué)研制的“再生混凝土技術(shù)”進(jìn)行修復(fù)鋪筑。2005 年8 月在江西省吉安市公路局遂川分局管轄區(qū)的G105 遂川段應(yīng)用,試驗(yàn)結(jié)果表明該修補(bǔ)區(qū)的混凝土72 h 達(dá)到開放交通的要求,得到了吉安市公路局遂川分局領(lǐng)導(dǎo)和工程技術(shù)人員的充分肯定。
3. 2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及結(jié)果
從現(xiàn)場(chǎng)拌合情況來看,新拌混凝土坍落度為30～50 mm ,粘聚性良好,說明再生混凝土的工作性能良好。根據(jù)江西省吉安市公路局遂川分局工程質(zhì)量檢測(cè)中心對(duì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的再生混凝土檢測(cè)報(bào)告,檢測(cè)結(jié)果表明: 采用摻CUFA 和再生骨料配制的再生混凝土的72 h 抗折強(qiáng)度能達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70 %(5. 0MPa ×70 % = 3. 5MPa) 及以上,滿足快速開放交通的要求。運(yùn)營一年來,再生骨料混凝土路面綜合性能優(yōu)良,未見有開裂現(xiàn)象,再生骨料混凝土路面使用性能優(yōu)良。再生混凝土現(xiàn)場(chǎng)施工配合比見表5 ,現(xiàn)場(chǎng)施工試驗(yàn)檢測(cè)報(bào)告部分匯總,見表6。
4 結(jié)論
①摻入15 %～35 %CUFA 等量取代水泥,可以有效改善再生混凝土的工作性能,同時(shí)保證其力學(xué)性能相同或稍有改善,3～7 d 即可開放交通,28 d 抗折強(qiáng)度大于5. 0MPa ,抗壓強(qiáng)度為40. 3～45. 5 MPa ,均完全滿足混凝土C35等級(jí)的強(qiáng)度要求。
②摻CUFA 再生混凝土具有良好的耐磨性能,滿足規(guī)范要求的3. 60 kgPm2 ,為工業(yè)廢渣再生骨料與CUFA 結(jié)合用于路面混凝土提供可靠保障。
③再生骨料摻量的增加在增大混凝土的干縮值,CUFA 的摻入能夠顯著降低再生混凝土的干縮,摻CUFA 的再生混凝土具有良好的抗開裂能力。
④工地應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果表明: 摻80 %～100 %再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度均符合C35 設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)要求,抗折強(qiáng)度均大于5. 0 MPa ,滿足重交通和特重交通開放交通的要求,運(yùn)營一年來,再生混凝土路面綜合性能優(yōu)良,未見有開裂現(xiàn)象。
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