摘要: 研究了5 種再生骨料級(jí)配對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響,試驗(yàn)表明,較小的最大公稱粒徑對(duì)混凝土強(qiáng)度有利. 提出了微粉體系級(jí)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(shí)的優(yōu)化級(jí)配. 指出了硅灰對(duì)獲得緊密堆積體系不可缺少,且摻和料復(fù)摻時(shí)比硅灰單摻更為有效,這為堆積密實(shí)度計(jì)算結(jié)果所證實(shí). 流變學(xué)參數(shù)測(cè)定結(jié)果也表明,雙摻15 %(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同) 硅灰和15 %粉煤灰時(shí),漿體屈服應(yīng)力和塑性粘度最小,因而具有最優(yōu)級(jí)配.
關(guān)鍵詞: 再生骨料; 礦物摻和料微粉; 級(jí)配優(yōu)化; 再生混凝土
中圖分類號(hào): TU528 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
所謂再生骨料,是指廢棄混凝土、磚塊等經(jīng)過(guò)解體、破碎、篩分等再加工過(guò)程,重新用于生產(chǎn)水泥混凝土的材料. 其中再生細(xì)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(lái)的巨大環(huán)保效應(yīng)和潛在經(jīng)濟(jì)效應(yīng),再生骨料的研究及應(yīng)用日益受到重視. 對(duì)再生混凝土的研究主要集中在以下幾個(gè)方面:一是對(duì)再生骨料基本性質(zhì)的研究[1 , 2 ] ;其次是對(duì)再生骨料進(jìn)行強(qiáng)化處理[3 , 4 ] ;最后是對(duì)由再生骨料配制的再生混凝土性質(zhì)的探討. 對(duì)于再生混凝土的工作性[5 ] 、力學(xué)強(qiáng)度[6 ] 、耐久性[ 7 ] 和配合比設(shè)計(jì)[8 ] 已有較多實(shí)驗(yàn)研究,并取得了一定的進(jìn)展. 但是,尚未見(jiàn)有關(guān)再生混凝土級(jí)配系統(tǒng)研究的文獻(xiàn)報(bào)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(jí)配優(yōu)化和水泥、摻和料的級(jí)配優(yōu)化問(wèn)題.
1 再生骨料級(jí)配優(yōu)化
1. 1 再生骨料級(jí)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?jǐn)?shù)) ;砂率為34 %;膠凝材料總量為550 kg/ m3 ,其中P ·O 42. 5 級(jí)普通硅酸鹽水泥375 kg/ m3 , I 級(jí)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(qiáng)度等級(jí)為C40 的水泥混凝土路面,經(jīng)過(guò)顎式破碎機(jī)和反擊式破碎機(jī)兩級(jí)破碎,然后重新篩分、分級(jí)而成的粗骨料. 研究了5 種不同再生骨料級(jí)配對(duì)再生骨料水泥混凝土(以下簡(jiǎn)稱為再生混凝土) 28 d 抗壓、抗折強(qiáng)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(jí)配范圍,按級(jí)配中值設(shè)計(jì)了4 種連續(xù)級(jí)配A , B , C , D 和1 種單粒徑級(jí)配E. 其中A ,B ,C ,D 分別表示4. 75～31. 50 mm 連續(xù)級(jí)配、4. 75～26. 50 mm 連續(xù)級(jí)配、4. 75～19. 00 mm連續(xù)級(jí)配和4. 75～16. 00 mm 連續(xù)級(jí)配,E 表示9. 50～16. 00 mm 單粒徑級(jí)配.
1. 2 再生骨料級(jí)配對(duì)再生混凝土強(qiáng)度的影響
骨料級(jí)配對(duì)再生混凝土強(qiáng)度的影響如圖1 ,2 所示.
由圖1 可見(jiàn),4. 75～16. 00 mm 連續(xù)級(jí)配(級(jí)配D) 再生混凝土的28 d 抗壓、抗折強(qiáng)度最大. 天然骨料混凝土中,由于骨料的強(qiáng)度較高,所以骨料強(qiáng)度并不是影響混凝土強(qiáng)度的主要因素. 而對(duì)生混凝土而言,因?yàn)樵偕橇显诮怏w、破碎等加工過(guò)程中容易受到損傷,使骨料內(nèi)部產(chǎn)生了大量微細(xì)裂紋,因而會(huì)給混凝土強(qiáng)度帶來(lái)不利影響. 但與天然骨料比較,再生骨料具有相對(duì)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(duì)混凝土強(qiáng)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(qiáng)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(dāng)水膠比相同時(shí),混凝土抗壓強(qiáng)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(qiáng)度隨最大漿體厚度的減小而增大,可見(jiàn),這一結(jié)論對(duì)于再生混凝土也是適用的.
2 微粉級(jí)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(cè)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(jí)配范圍
至今已有較多用來(lái)描述理想粉體級(jí)配的模型,較為廣泛接受的是Andreasen 方程[10 ] . 根據(jù)Andreasen 方程,當(dāng)粉體滿足U ( D) = 100 ( D/ DL ) n 時(shí)可達(dá)到緊密堆積狀態(tài). 其中:U ( D) 表示粒徑D 對(duì)應(yīng)的篩孔通過(guò)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(shí)粉體可達(dá)到理想的緊密堆積狀態(tài); n 繼續(xù)減小無(wú)實(shí)際意義. 所以,級(jí)配上限可根據(jù)n = 0. 33 計(jì)算. 取n = 0. 70 時(shí)的級(jí)配作為體系的級(jí)配下限. 理想級(jí)配范圍見(jiàn)表2.
2. 2 微粉組成
根據(jù)級(jí)配范圍和微粉的級(jí)配曲線,用Excel 電子表格進(jìn)行計(jì)算和調(diào)整,以優(yōu)化微粉比例. La2bahn 等認(rèn)為[11 ] :水泥熟料顆粒中,10μm 以下的顆粒對(duì)水泥砂漿早期強(qiáng)度有較大貢獻(xiàn),10～30μm顆粒則對(duì)水泥砂漿7 ,28 d 強(qiáng)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(duì)水泥砂漿強(qiáng)度的影響,結(jié)論認(rèn)為:礦渣微粉中10～20μm 顆粒的含量對(duì)水泥砂漿7 ,28 d 強(qiáng)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(duì)水泥粉煤灰膠砂的流動(dòng)度和抗壓強(qiáng)度影響最大,10～16μm 顆粒次之. 蔣永惠等[ 14 ] 則認(rèn)為粉煤灰中10～20μm 顆粒對(duì)水泥砂漿強(qiáng)度起主要貢獻(xiàn);硅灰中含有大量的0. 1μm 以下顆粒,對(duì)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(duì)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(jí)配力求盡可能多的粒徑接近級(jí)配上限,其他粒徑則要求落在級(jí)配范圍內(nèi). 對(duì)單摻、雙摻和三摻的“水泥- 摻和料”二元、三元和四元體系進(jìn)行級(jí)配優(yōu)化. 優(yōu)化后的微粉配比和合成結(jié)果見(jiàn)表2.
摻和料單摻時(shí),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(guò)百分率的要求,不能達(dá)到緊密堆積. 根據(jù)0. 1μm 粒徑合成級(jí)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(jiàn),水泥的粒徑分布遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離理想緊密堆積分布,即級(jí)配上限. 摻入硅灰后,合成級(jí)配的0. 1 , 30. 0μm 關(guān)鍵粒徑通過(guò)百分率接近級(jí)配上限,其他粒徑通過(guò)百分率都落在級(jí)配范圍內(nèi). 也就是說(shuō),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(gè)關(guān)鍵粒徑偏離了理想級(jí)配.摻和料雙摻時(shí),微粉構(gòu)成三元體系. 同樣,由于0. 1μm 粒徑的要求,要達(dá)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(guò)百分率和級(jí)配范圍要求,調(diào)整水泥- 粉煤灰摻量和水泥- 礦渣摻量,當(dāng)w (C) ∶w ( FA) ∶w ( SF) = 70 % ∶15 % ∶15 % , w (C) ∶ w (BS) ∶ w(SF) = 80 % ∶5 % ∶15 %時(shí),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(jí)配. 由表2 可見(jiàn),和單摻硅灰相比,合成級(jí)配粒徑中有更多的關(guān)鍵粒徑(0. 1 ,15. 0 ,30. 0 ,60. 0μm) 通過(guò)百分率接近理想Andreasen 方程,故硅灰和粉煤灰或礦渣雙摻時(shí),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(shí)的堆積密實(shí)效果不如粉煤灰所致.同時(shí)摻入礦渣、粉煤灰和硅灰構(gòu)成四元體系,其優(yōu)化的級(jí)配組成為: w (C) ∶w (BS) ∶w (FA) ∶w (SF) = 60 % ∶5 % ∶20 %∶15 %. 此時(shí),0. 1 ,15. 0 ,30. 0 ,60. 0μm 等大多數(shù)的關(guān)鍵粒徑通過(guò)百分率接近理想級(jí)配.
2. 3 CPM模型驗(yàn)證
可壓縮堆積模型(compressible packing model , CPM) 是由法國(guó)混凝土專家de Larrand 經(jīng)過(guò)10 多年的系統(tǒng)研究后提出來(lái)的,由于克服了Toufar 模型[15 ] 和Dewar 模型[16 ] 等經(jīng)典密實(shí)度模型單一粒徑假設(shè)的局限性,得到了各國(guó)研究者較廣泛的認(rèn)同. CPM 模型是一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)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(shí)際堆積密實(shí)度,即體系中每個(gè)顆粒相互堆積并保持原有形狀時(shí)固相體積占整個(gè)體系體積的百分率. CPM 模型首先計(jì)算或?qū)崪y(cè)各種原材料的剩余堆積密實(shí)度βi (即單位體積中其他粒級(jí)存在的情況下第i 級(jí)單粒級(jí)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(jì)算出具有不同粒徑分布的固體顆粒在達(dá)到理想堆積狀態(tài)時(shí)的虛擬堆積密實(shí)度γ,最后根據(jù)壓實(shí)指數(shù)K(反映不同堆積過(guò)程中虛擬堆積密實(shí)度與實(shí)際堆積密實(shí)度關(guān)系) 計(jì)算得到體系的實(shí)際堆積密實(shí)度Φ. 對(duì)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(kāi)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(jí)顆粒的體積分?jǐn)?shù).
對(duì)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(gè)粒級(jí)區(qū)間,每個(gè)粒級(jí)的特征粒徑為dj ( j = 1 ,2 , ⋯, m) . 設(shè)第i 種材料的第j 個(gè)粒級(jí)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(shí)度為βji . 則可以由式(5) 將一個(gè)n 相體系轉(zhuǎn)化為一個(gè)m 級(jí)混合體系. 其中每級(jí)的粒徑為dj ,固體體積為y3j ,剩余堆積密實(shí)度為β3j .
首先,用最小需水量法實(shí)測(cè)測(cè)得水泥、粉煤灰、礦渣和硅灰的實(shí)際堆積密實(shí)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(shí)度βi ;然后由式(5) 計(jì)算混合料各粒級(jí)區(qū)間的剩余堆積密實(shí)度β3j ;再由式(1) 計(jì)算混合料的虛擬堆積密實(shí)度γj ;最后由式(4) 求解水泥- 摻和料混合體系的實(shí)際堆積密實(shí)度Φ. 根據(jù)上述步驟編寫(xiě)Matlab 程序,分別計(jì)算二元體系、三元體系、四元體系優(yōu)化級(jí)配的實(shí)際堆積密實(shí)度Φ,結(jié)果見(jiàn)表3.
由表3 可見(jiàn),無(wú)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(shí)摻入,與不摻摻和料時(shí)相比,其堆積密實(shí)度均有不同程度提高. 從堆積密實(shí)度計(jì)算結(jié)果分析,堆積效果由優(yōu)至劣的順序?yàn)樗脑w系> 三元體系> 二元體系> 單摻水泥. 在三元體系中,從堆積密實(shí)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(shí)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(lái)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(jì)測(cè)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(jiàn)圖3 ,4.
由圖3 ,4 可知,當(dāng)粉煤灰摻量為15 % ,即w (水泥) ∶w (粉煤灰) ∶w (硅灰) = 70 % ∶15 % ∶15 %時(shí),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(qiáng)度和抗折強(qiáng)度. 對(duì)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(duì)提高混凝土強(qiáng)度有利. 建議采用4. 75～16. 00 mm 的連續(xù)級(jí)配.
2. 微粉體系的級(jí)配范圍為n = 0. 33 和n = 0. 70 時(shí)對(duì)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(jí)配上限.
3. 水泥的粒度分布遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足Andreasen 方程,不能實(shí)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(shí)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?yàn)轶w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(yàn)結(jié)果所證實(shí).
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