摘要: 研究了5 種再生骨料級配對混凝土強度的影響,試驗表明,較小的最大公稱粒徑對混凝土強度有利. 提出了微粉體系級配范圍和關(guān)鍵粒徑的概念,研究了硅灰單摻、礦渣和硅灰復(fù)摻、粉煤灰和硅灰復(fù)摻以及這3 種摻和料復(fù)摻時的優(yōu)化級配. 指出了硅灰對獲得緊密堆積體系不可缺少,且摻和料復(fù)摻時比硅灰單摻更為有效,這為堆積密實度計算結(jié)果所證實. 流變學(xué)參數(shù)測定結(jié)果也表明,雙摻15 %(質(zhì)量分數(shù),下同) 硅灰和15 %粉煤灰時,漿體屈服應(yīng)力和塑性粘度最小,因而具有最優(yōu)級配.
關(guān)鍵詞: 再生骨料; 礦物摻和料微粉; 級配優(yōu)化; 再生混凝土
中圖分類號: TU528 文獻標識碼:A
所謂再生骨料,是指廢棄混凝土、磚塊等經(jīng)過解體、破碎、篩分等再加工過程,重新用于生產(chǎn)水泥混凝土的材料. 其中再生細骨料由于粉塵含量高、吸水量大等缺陷一般不用于澆筑再生混凝土.所以,目前的再生骨料混凝土主要是指利用再生粗骨料制備的混凝土. 由于再生骨料水泥混凝土技術(shù)帶來的巨大環(huán)保效應(yīng)和潛在經(jīng)濟效應(yīng),再生骨料的研究及應(yīng)用日益受到重視. 對再生混凝土的研究主要集中在以下幾個方面:一是對再生骨料基本性質(zhì)的研究[1 , 2 ] ;其次是對再生骨料進行強化處理[3 , 4 ] ;最后是對由再生骨料配制的再生混凝土性質(zhì)的探討. 對于再生混凝土的工作性[5 ] 、力學(xué)強度[6 ] 、耐久性[ 7 ] 和配合比設(shè)計[8 ] 已有較多實驗研究,并取得了一定的進展. 但是,尚未見有關(guān)再生混凝土級配系統(tǒng)研究的文獻報道. 由于再生骨料的物理、力學(xué)性能一定程度上劣于天然骨料,因此配制再生混凝土?xí)r,為改善混凝土性能,摻入礦渣、粉煤灰或硅灰等礦物摻和料已成為普遍的技術(shù)手段. 再生混凝土中,再生骨料形成骨架,水泥和礦渣、粉煤灰、硅灰等摻和料填充在骨架之中. 本文研究了再生骨料級配優(yōu)化和水泥、摻和料的級配優(yōu)化問題.
1 再生骨料級配優(yōu)化
1. 1 再生骨料級配
固定凈水膠比為0. 28 (本文所涉及的水膠比、砂率、摻量等除特別注明外均為質(zhì)量比或質(zhì)量分數(shù)) ;砂率為34 %;膠凝材料總量為550 kg/ m3 ,其中P ·O 42. 5 級普通硅酸鹽水泥375 kg/ m3 , I 級粉煤灰125 kg/ m3 ,硅灰50 kg/ m3 ;高效減水劑FDN 摻量為膠凝材料總量的0. 8 %.再生骨料系強度等級為C40 的水泥混凝土路面,經(jīng)過顎式破碎機和反擊式破碎機兩級破碎,然后重新篩分、分級而成的粗骨料. 研究了5 種不同再生骨料級配對再生骨料水泥混凝土(以下簡稱為再生混凝土) 28 d 抗壓、抗折強度的影響. 根據(jù)現(xiàn)行公路水泥混凝土路面施工技術(shù)規(guī)范(J TGF30 —2003) 推薦級配范圍,按級配中值設(shè)計了4 種連續(xù)級配A , B , C , D 和1 種單粒徑級配E. 其中A ,B ,C ,D 分別表示4. 75～31. 50 mm 連續(xù)級配、4. 75～26. 50 mm 連續(xù)級配、4. 75～19. 00 mm連續(xù)級配和4. 75～16. 00 mm 連續(xù)級配,E 表示9. 50～16. 00 mm 單粒徑級配.
1. 2 再生骨料級配對再生混凝土強度的影響
骨料級配對再生混凝土強度的影響如圖1 ,2 所示.
由圖1 可見,4. 75～16. 00 mm 連續(xù)級配(級配D) 再生混凝土的28 d 抗壓、抗折強度最大. 天然骨料混凝土中,由于骨料的強度較高,所以骨料強度并不是影響混凝土強度的主要因素. 而對生混凝土而言,因為再生骨料在解體、破碎等加工過程中容易受到損傷,使骨料內(nèi)部產(chǎn)生了大量微細裂紋,因而會給混凝土強度帶來不利影響. 但與天然骨料比較,再生骨料具有相對粗糙的表面,且其表面往往包裹有部分舊的水泥砂漿,故與新拌水泥砂漿之間結(jié)合更好. 因此再生混凝土中,再生骨料與砂漿基質(zhì)之間的粘聚力對混凝土強度的影響占有主導(dǎo)地位. 隨著最大公稱粒徑的減小,砂漿與再生粗骨料之間的接觸面積增大,增大了混凝土的粘聚力,從而使混凝土強度提高. 另外,在水膠比一定的情況下,隨最大公稱粒徑的減小,比表面積增大,骨料之間的漿體厚度變薄. 而根據(jù)deLarrard 等的研究[9 ] ,當水膠比相同時,混凝土抗壓強度f c 與骨料最大漿體厚度MPT 之間滿足方程f c∝MPT- r ,其中r 接近0. 13～0. 16 ,即混凝土抗壓強度隨最大漿體厚度的減小而增大,可見,這一結(jié)論對于再生混凝土也是適用的.
2 微粉級配優(yōu)化
再生混凝土中,水泥和摻和料組成微粉體系. 用L S - 601 激光粒度分析儀測定了水泥(C) 、粉煤灰( FA) 、礦渣(BS) 和硅灰(SF) 的粒度分布,其粒度分析結(jié)果整理如表1 所示.
2. 1 級配范圍
至今已有較多用來描述理想粉體級配的模型,較為廣泛接受的是Andreasen 方程[10 ] . 根據(jù)Andreasen 方程,當粉體滿足U ( D) = 100 ( D/ DL ) n 時可達到緊密堆積狀態(tài). 其中:U ( D) 表示粒徑D 對應(yīng)的篩孔通過百分率、DL 為體系的最大粒徑、n 為分布模數(shù). Andreasen 指出,隨著n 的減小,體系的空隙率減小; n = 0. 33 時粉體可達到理想的緊密堆積狀態(tài); n 繼續(xù)減小無實際意義. 所以,級配上限可根據(jù)n = 0. 33 計算. 取n = 0. 70 時的級配作為體系的級配下限. 理想級配范圍見表2.
2. 2 微粉組成
根據(jù)級配范圍和微粉的級配曲線,用Excel 電子表格進行計算和調(diào)整,以優(yōu)化微粉比例. La2bahn 等認為[11 ] :水泥熟料顆粒中,10μm 以下的顆粒對水泥砂漿早期強度有較大貢獻,10～30μm顆粒則對水泥砂漿7 ,28 d 強度有較好的相關(guān)性,而大于60μm 的顆粒則難以水化;盧迪芬等[12 ] 研究了礦渣顆粒尺寸分布對水泥砂漿強度的影響,結(jié)論認為:礦渣微粉中10～20μm 顆粒的含量對水泥砂漿7 ,28 d 強度的影響最大;郝文霞等[13 ] 經(jīng)研究發(fā)現(xiàn):粉煤灰中5μm 以下顆粒含量對水泥粉煤灰膠砂的流動度和抗壓強度影響最大,10～16μm 顆粒次之. 蔣永惠等[ 14 ] 則認為粉煤灰中10～20μm 顆粒對水泥砂漿強度起主要貢獻;硅灰中含有大量的0. 1μm 以下顆粒,對填充效應(yīng)的發(fā)揮起關(guān)鍵作用. 由于60. 0 ,30. 0 ,15. 0 ,10. 0 ,5. 0 ,0. 1μm 的粒徑對膠凝材料特性影響很大,故選擇它們作為關(guān)鍵粒徑,微粉合成級配力求盡可能多的粒徑接近級配上限,其他粒徑則要求落在級配范圍內(nèi). 對單摻、雙摻和三摻的“水泥- 摻和料”二元、三元和四元體系進行級配優(yōu)化. 優(yōu)化后的微粉配比和合成結(jié)果見表2.
摻和料單摻時,由于水泥、粉煤灰、礦渣中均不含0. 1μm 粒徑顆粒,水泥- 礦渣、水泥- 粉煤灰二元體系均不能滿足0. 1μm 關(guān)鍵粒徑通過百分率的要求,不能達到緊密堆積. 根據(jù)0. 1μm 粒徑合成級配要求,確定硅灰摻量大約為15 % ,故水泥- 硅灰二元體系的優(yōu)化組成為w (C) : w (SF)= 85 %∶15 %. 結(jié)合表1 ,2 可見,水泥的粒徑分布遠遠偏離理想緊密堆積分布,即級配上限. 摻入硅灰后,合成級配的0. 1 , 30. 0μm 關(guān)鍵粒徑通過百分率接近級配上限,其他粒徑通過百分率都落在級配范圍內(nèi). 也就是說,硅灰的摻入使體系的堆積結(jié)構(gòu)得到了大幅改善,更加接近Andreasen 方程的緊密堆積狀態(tài). 但是,仍有多個關(guān)鍵粒徑偏離了理想級配.摻和料雙摻時,微粉構(gòu)成三元體系. 同樣,由于0. 1μm 粒徑的要求,要達到緊密堆積,硅灰的摻入不可缺少,其摻量為15 %左右. 根據(jù)關(guān)鍵粒徑通過百分率和級配范圍要求,調(diào)整水泥- 粉煤灰摻量和水泥- 礦渣摻量,當w (C) ∶w ( FA) ∶w ( SF) = 70 % ∶15 % ∶15 % , w (C) ∶ w (BS) ∶ w(SF) = 80 % ∶5 % ∶15 %時,分別得到水泥- 粉煤灰- 硅灰、水泥- 礦渣- 硅灰三元體系的較理想合成級配. 由表2 可見,和單摻硅灰相比,合成級配粒徑中有更多的關(guān)鍵粒徑(0. 1 ,15. 0 ,30. 0 ,60. 0μm) 通過百分率接近理想Andreasen 方程,故硅灰和粉煤灰或礦渣雙摻時,體系能獲得更緊密的堆積排列,具有復(fù)合效應(yīng). 另外,水泥- 粉煤灰- 硅灰三元體系和水泥- 礦渣- 硅灰三元體系相比,前者具有更緊密的堆積結(jié)構(gòu). 這是由于礦渣顆粒較粗,礦渣摻入時的堆積密實效果不如粉煤灰所致.同時摻入礦渣、粉煤灰和硅灰構(gòu)成四元體系,其優(yōu)化的級配組成為: w (C) ∶w (BS) ∶w (FA) ∶w (SF) = 60 % ∶5 % ∶20 %∶15 %. 此時,0. 1 ,15. 0 ,30. 0 ,60. 0μm 等大多數(shù)的關(guān)鍵粒徑通過百分率接近理想級配.
2. 3 CPM模型驗證
可壓縮堆積模型(compressible packing model , CPM) 是由法國混凝土專家de Larrand 經(jīng)過10 多年的系統(tǒng)研究后提出來的,由于克服了Toufar 模型[15 ] 和Dewar 模型[16 ] 等經(jīng)典密實度模型單一粒徑假設(shè)的局限性,得到了各國研究者較廣泛的認同. CPM 模型是一個半經(jīng)驗的數(shù)學(xué)模型,其主要作用是可根據(jù)混合料中各種原材料顆粒的粒徑分布和組成比例,確定混合料體系的實際堆積密實度,即體系中每個顆粒相互堆積并保持原有形狀時固相體積占整個體系體積的百分率. CPM 模型首先計算或?qū)崪y各種原材料的剩余堆積密實度βi (即單位體積中其他粒級存在的情況下第i 級單粒級顆粒所能占據(jù)的最大固體體積) ,然后根據(jù)堆積結(jié)構(gòu)計算出具有不同粒徑分布的固體顆粒在達到理想堆積狀態(tài)時的虛擬堆積密實度γ,最后根據(jù)壓實指數(shù)K(反映不同堆積過程中虛擬堆積密實度與實際堆積密實度關(guān)系) 計算得到體系的實際堆積密實度Φ. 對于存在部分交互影響的顆粒體系,用aij ,bij 分別表示小顆粒的松開效應(yīng)系數(shù)和大顆粒的壁效應(yīng)系數(shù),則有
式(1) , (4) 中: yi , yj 分別表示第i , j 級顆粒的體積分數(shù).
對于水泥- 摻和料粉體體系,假設(shè)由n 種材料所組成,各組分所占固體體積比為Yi ( i = 1 , ⋯,n) . 每種原材料分別有各自的粒徑分布曲線,但具有共同的m 個粒級區(qū)間,每個粒級的特征粒徑為dj ( j = 1 ,2 , ⋯, m) . 設(shè)第i 種材料的第j 個粒級區(qū)間的顆粒在該種材料中的體積比為y ji ,其剩余堆積密實度為βji . 則可以由式(5) 將一個n 相體系轉(zhuǎn)化為一個m 級混合體系. 其中每級的粒徑為dj ,固體體積為y3j ,剩余堆積密實度為β3j .
首先,用最小需水量法實測測得水泥、粉煤灰、礦渣和硅灰的實際堆積密實度分別為0. 629 ,0. 666 ,0. 619 ,0. 536 ;接著根據(jù)式(4) 反算它們的剩余堆積密實度βi ;然后由式(5) 計算混合料各粒級區(qū)間的剩余堆積密實度β3j ;再由式(1) 計算混合料的虛擬堆積密實度γj ;最后由式(4) 求解水泥- 摻和料混合體系的實際堆積密實度Φ. 根據(jù)上述步驟編寫Matlab 程序,分別計算二元體系、三元體系、四元體系優(yōu)化級配的實際堆積密實度Φ,結(jié)果見表3.
由表3 可見,無論硅灰單摻、粉煤灰與硅灰雙摻、礦渣與硅灰雙摻還是粉煤灰、礦渣、硅灰同時摻入,與不摻摻和料時相比,其堆積密實度均有不同程度提高. 從堆積密實度計算結(jié)果分析,堆積效果由優(yōu)至劣的順序為四元體系> 三元體系> 二元體系> 單摻水泥. 在三元體系中,從堆積密實度結(jié)果分析,硅灰與粉煤灰復(fù)配效果優(yōu)于硅灰與礦渣復(fù)配時的效果.
2. 4 流變學(xué)參數(shù)
水泥- 摻和料凈漿接近賓漢姆體,其流變學(xué)參數(shù)可以用屈服應(yīng)力和塑性粘度來表征. 保持水泥用量為70 %,水膠比為0. 28 ,FDN 摻量為0. 8 %. 改變粉煤灰和硅灰的摻量,制得凈漿. 用同軸旋轉(zhuǎn)粘度計測定了水泥- 粉煤灰- 硅灰三元體系的屈服應(yīng)力和塑性粘度,結(jié)果見圖3 ,4.
由圖3 ,4 可知,當粉煤灰摻量為15 % ,即w (水泥) ∶w (粉煤灰) ∶w (硅灰) = 70 % ∶15 % ∶15 %時,體系具有緊密的堆積結(jié)構(gòu),從而漿體具有最小的屈服應(yīng)力和塑性粘度.
3 結(jié)論
1. 再生骨料最大公稱粒徑影響再生混凝土的抗壓強度和抗折強度. 對于再生骨料,由于骨架作用的削弱,粘聚力占有更為重要的地位. 較小的最大公稱粒徑由于增大了總表面積,提高了粘聚力,從而對提高混凝土強度有利. 建議采用4. 75～16. 00 mm 的連續(xù)級配.
2. 微粉體系的級配范圍為n = 0. 33 和n = 0. 70 時對應(yīng)的Andreasen 方程,60. 0 ,30. 0 ,15. 0 ,10. 0 ,5. 0 ,0. 1μm 關(guān)鍵粒徑應(yīng)盡可能接近級配上限.
3. 水泥的粒度分布遠遠不能滿足Andreasen 方程,不能實現(xiàn)粉體的緊密堆積排列. 摻入適量的礦渣、粉煤灰和硅灰可使水泥漿體體系獲得緊密堆積結(jié)構(gòu). 由于硅灰中含有其他微粉中缺少的0. 1μm 以下顆粒,因此硅灰是水泥漿體體系獲得緊密堆積不可缺少的摻和料.
4. 硅灰、粉煤灰、礦渣的摻入使水泥漿體體系獲得更高的堆積密實度,因此具有更緊密的堆積結(jié)構(gòu). 粉煤灰、硅灰雙摻或礦渣、粉煤灰、硅灰復(fù)配比單摻硅灰有效,礦物摻和料之所以具有復(fù)合效應(yīng),是因為體系能獲得更好的堆積排列. 在緊密堆積狀態(tài)下,微粉體系具有較低的屈服應(yīng)力和塑性粘度,這為流變學(xué)參數(shù)的試驗結(jié)果所證實.
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