再生骨料改性试验研究

再生骨料改性试验研究（精选7篇）

再生骨料改性试验研究 篇1

0 引言

伴随着城市建设的快速发展, 混凝土的需求量也迅猛增长, 而生产混凝土所消耗的能源、资源量逐渐增加。据不完全统计, 我国每年生产混凝土所消耗的天然骨料高达80亿t。近年来生产混凝土所用的砂、石等天然资源逐渐出现枯竭, 大量的开采也对自然环境产生了严重的破坏。另一方面, 我国建筑垃圾的产量十分惊人。据统计, 我国城市中建筑垃圾比例已占城市垃圾总量的40%~50%, 在1万m2的建筑工程中会产生500 t左右的建筑废弃物, 对建筑垃圾的综合利用也越来越受到人们的重视。而将建筑垃圾中的废弃混凝土经处理后制成再生骨料, 替代混凝土生产中使用的天然砂石骨料是解决上述问题的有效办法。但是, 由于再生骨料存在吸水率高、压碎值大、堆积密度低、颗粒形状不理想等问题, 制约着其在混凝土中的应用。因此, 应对再生骨料进行物理、化学等方法的强化, 改善再生骨料的性能, 使之更好地应用于混凝土的生产中。

1 试验原材料及方法

1.1 试验原材料

水泥:海南华盛天涯水泥有限公司生产的P.O42.5普通硅酸盐水泥, 其性能指标以及化学组成见表1和表2。

粉煤灰:海南恒盛兆业环保有限公司生产的符合GB/T 1596-2005标准的Ⅱ级粉煤灰。

粗骨料:海口利源料场提供的5~25 mm碎石, 简单破碎的5~25 mm建筑废弃物骨料。

改性剂:水性环氧基聚合物单体, 引发剂A, 促进剂B, 交联剂C。

细骨料:海口上屯砂场提供的符合JGJ 52-2006标准的Ⅱ区中砂。

外加剂:海南太和科技有限公司提供的聚羧酸高效减水剂。

水:自来水。

1.2 试验方法

将水性环氧基聚合物单体溶于水, 制成质量分数为10%的溶液。设计L9 (34) 正交试验, 研究不同引发剂A、促进剂B以及交联剂C的掺量情况下对再生骨料的改性作用, 正交试验各因素水平见表3。测试出改性后再生骨料的压碎值、吸水率等物理性能指标, 并将改性后的再生骨料分别用于强度等级为C30混凝土试样的制备中, 试样配合比见表4, 测试混凝土的7 d和28 d强度, 以确定改性后再生骨料对混凝土性能的影响规律。

2 试验结果及分析

将经过改性的骨料和未经改性的骨料进行压碎值和吸水率测定, 将处理后的骨料按照《普通混凝土力学性能试验方法标注》GB/T 50081-2002进行试样的成型与测试。

为了便于对上述实验数据的分析, 每个因素在不同水平变化对骨料及混凝土性能影响的结果见图1。

根据图1和表5和中的数据分析不同因素水平对再生骨料性能的影响, 可以得出:

(1) 引发剂A:对于再生骨料的吸水率和压碎值来说, 引发剂取2最好。

(2) 促进剂B:对于再生骨料的吸水率来说, 促进剂取3最好。对于再生骨料的压碎值来说, 促进剂取1或者3较好。

(3) 交联剂C:对于再生骨料的吸水率和压碎值来说, 交联剂取5最好。

另外可以看出, 在各因素对再生骨料的吸水率和压碎值的影响中, 引发剂A和交联剂C两个因素的极差较促进剂B的极差大很多, 是影响试验结果的主要因素。虽然引发剂A和交联剂C对再生骨料的吸水率和压碎值的影响作用大小不同, 但两个试验中都是取同一水平为最优。综合考虑, 对再生骨料性能影响的最好试验方案是A3B3C3。此方案没有出现在上述的试验中, 考虑到B因素对试验的影响很小, 这里选取A3B1C3为最优试验组合, 且从试验结果中可以看出, A3B1C3试验中的吸水率和压碎值指标都是最好的。

对未处理的再生骨料以及7号、8号和9号中处理后的再生骨料进行SEM分析, 结果见图2。

从图2中可以看出, 未经处理的再生骨料表面附着很多混凝土碎渣, 这些碎渣不仅影响再生骨料的吸水率, 更会影响再生骨料与混凝土的结合性能, 导致再生骨料配制的混凝土力学性能以及耐久性能的下降。经过处理后的再生骨料表面被环氧基聚合物紧紧包围, 不仅改善了再生骨料自身的性能, 也使改性后再生骨料配制的混凝土和易性更好, 耐久性改善。另外, 随着交联剂用量的增加, 明显可以看出7号试样中再生骨料表面环氧基聚合物成膜性最好, 不仅可以有效地降低再生骨料的吸水率, 而且随着交联剂用量的增加, 环氧基聚合物聚合后, 更好地填充了再生骨料表面的空隙, 使再生骨料的压碎值明显改善。

根据图1和表5中的数据分析不同因素水平对再生骨料性能的影响, 可以得出:

(1) 引发剂A:对于再生骨料配制的混凝土7 d强度来说, 引发剂取2最好;对于28 d强度来说, 引发剂取1最好。

(2) 促进剂B:对于再生骨料配制的混凝土7 d和28 d强度来说, 促进剂取3最好。

(3) 交联剂C:对于再生骨料配制的混凝土7 d和28 d强度来说, 交联剂取5最好。

另外可以看出, 引发剂A的极差最大, 对强度试验的影响最大, 对于7 d强度来说引发剂A取3水平较好, 对于28 d强度来说, 引发剂A取2水平较好。交联剂C的极差及对强度试验的影响较引发剂A小, 交联剂C取3水平为好。促进剂B的极差最小, 对强度试验的影响最小, 促进剂B取3水平为好。又因本实验在研究混凝土的强度试验时, 在7 d强度和28 d强度都较空白样好的基础上, 应更重视混凝土后期强度的改善, 所以综合考虑, 最好的试验方案应该是A2B3C3。此方案没有出现在上述的试验中, 考虑到B因素对试验的影响很小, 这里选取A2B2C3为最优试验组合, 且从试验结果中可以看出, A2B2C3试验中混凝土的28 d强度最高。

3 结论

(1) 再生骨料改性后, 其吸水率和压碎值都有明显的改善, 最优试验组合为A3B1C3。未改性的再生骨料吸水率和压碎值为6.3%和26.6%, 最优试验组合的再生骨料吸水率和压碎值为1.4%和18.8%。

(2) 再生骨料经水性环氧基聚合物改性过程中, 不同的助剂添量对骨料的改性效果影响较大。通过SEM分析可以看出, 交联剂的掺量对改性后再生骨料表面性能的改善影响最大, 交联剂掺量为水性环氧聚合物的5%时, 改性后再生骨料表面性能最好。

(3) 再生骨料改性后, 配制的混凝土强度有明显改善, 最优试验组合为A2B2C3。未改性的再生骨料配制混凝土的7 d和28 d强度为19.6 MPa和28.6 MPa, 最优试验组合的再生骨料配制混凝土的7 d和28 d强度为26.2 MPa和36.6 MPa。但是再生骨料改性后吸水率、压碎值试验与混凝土强度试验的最优组合不同, 这有待于对试样的进一步微观测试与分析。

参考文献

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[2]古松, 雷挺, 陶俊林.再生混凝土配合比设计及早期强度试验研究[J].工业建筑, 2012, (4) :3.

再生粗骨料改性的试验研究 篇2

再生骨料混凝土(RAC)是指将废弃的混凝土块破碎后清洗分级作骨料,部分或全部代替天然骨料(砂、石),按一定配合比配制成的混凝土。在我国,每年仅施工建设所产生的废弃混凝土有1.36×107 t[1],因此,利用再生骨料是当今世界众多国家可持续发展战略追求目标之一,也是发展绿色混凝土主要措施。

目前再生骨料的应用范围还很窄,主要用来配制中低强度的混凝土或作为降低混凝土制造成本的填充材料。存在于混凝土中的骨料不仅构成了混凝土的骨架,而且在很大程度上还决定着混凝土拌合物的工作性、硬化混凝土的力学性能和混凝土构筑物的耐久性能。为了深入探索比较实用的再生骨料强化技术,本文对再生粗骨料的改性进行了研究。

1 试验

1.1 原材料

水泥:四川双马42.5R普通硅酸盐水泥,密度3.07 g/cm3,80μm筛筛余4.8%,比表面积417.9 m2/kg,标准稠度27%,凝结时间及强度见表1。

有机硅防水剂:四川眉山市永和科技发展有限公司生产。

盐酸:浓度为30%,市购。

水玻璃:模数为3.2,自制。

微膨胀高效抗裂防水剂:绵阳三三科技有限公司产品。

硅灰(SF):遵义铁合金厂产,其中Si O2含量92.1%,平均粒径0.1μm,比表面积20 000 m2/g,密度2.22 g/cm3,松散堆积密度0.21 g/cm3。

减水剂:四川晶华生产的萘系高效减水剂。

细骨料:河砂,细度模数2.5,含泥量2.3%。

天然粗骨料(NA):碎石,粒径5~25 mm,性能指标见表2。

再生粗骨料(RA):废弃路面混凝土,经破碎、清洗、分级后制得,其性能指标见表2。

再生粗骨料棱角多,表面粗糙,且仍有少量硬化水泥砂浆和小石屑嵌附在其表面,砂浆体中水泥石本身孔隙率较大,且在破碎过程中其内部会产生大量微细裂缝。因此与天然粗骨料相比,再生粗骨料的含水率和吸水率大得多。同样由于再生粗骨料表面残留的水泥砂浆和微细裂缝的存在,其表观密度和坚固性都比天然粗骨料低,空隙率增加。另外,由于采集再生骨料与天然骨料的操作环境不同,经破碎后获得的再生粗骨料除非进行水洗处理,否则因含有较多的泥土和泥块,这也会增加其含水率和吸水率[2]。

1.2 试验方法

1.2.1 再生粗骨料物理性能试验

再生骨料颗粒级配、压碎指标、表观密度、堆积密度、空隙率、含水率与吸水率的测试均按天然骨料的测试方法进行[3]。

1.2.2 再生粗骨料的改性试验

(1)盐酸对再生粗骨料的改性:量取适量盐酸,将其稀释至浓度为3%,把再生粗骨料倒入调配好的溶液中,浸泡1 h后,捞出并晾干,备用。

(2)有机硅防水剂对再生粗骨料的改性:将有机硅防水剂用5~6倍水稀释,把再生粗骨料倒入稀释的有机硅溶液中,浸泡24 h后,捞出并晾干,备用。

(3)水玻璃对再生粗骨料的改性:将水玻璃用水稀释至浓度为5%,把再生粗骨料倒入配制好的水玻璃溶液中,浸泡1 h后,捞出并晾干,备用。

(4)水泥外掺硅灰浆液对再生粗骨料的改性:按照m(水泥)∶m(硅灰)=1∶1,水胶比1∶1配制浆液,把再生粗骨料倒入配制好的浆液中,浸泡24 h后,捞出并晾干,备用。

(5)微膨胀高效抗裂防水剂对再生粗骨料的改性:将微膨胀高效抗裂防水剂配制成10%的浆液,把再生粗骨料倒入配制好的浆液中,浸泡24 h后,捞出并晾干,备用。

1.2.3 再生粗骨料混凝土性能试验

再生粗骨料混凝土的配合比参照JGJ 55—2000《普通混凝土配合比设计规程》设计。混凝土的新拌工作性能采用坍落度筒法测试[4,5];抗压强度按GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法》测试,试件成型后,在实验室静置24 h后拆模,标准养护,试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm。

2 试验结果与讨论

2.1 改性方法对再生粗骨料基本性能的影响(见表3)

从表3可以看出,各种改性措施对于再生粗骨料的基本性能都有一定的改善。改性后的再生粗骨料吸水率都有所降低,压碎指标下降。盐酸改性是所有改性处理中效果最好的。这是因为盐酸与包裹在再生粗骨料表面的水泥砂浆中水化产物Ca(OH)2反应,破坏和改善再生粗骨料颗粒表面,从而改善再生骨料的性能。

改性效果仅次于盐酸的是有机硅防水剂。有机硅防水剂的主要成分是甲基硅醇钠和高沸硅醇钠,是一种小分子水溶性混合物,在空气中的二氧化碳和水的作用下,能生成甲基硅酸钠,然后进一步缩合成网状甲基硅树脂防水膜。它是一种憎水物质且具有较强的渗透能力,能渗透进入再生粗骨料表面一定深度,使再生粗骨料表面与水的接触角增大或对部分孔隙进行封堵,从而降低吸水率。从表3可知,有机硅防水剂处理后的再生粗骨料吸水率和压碎指标较未改性的明显降低,表明有机硅防水剂对再生骨料强化效果显著。

利用水泥外掺硅灰浆液以及水玻璃进行改性处理也有不错效果,微膨胀高效抗裂防水剂的改性效果相对较弱。水泥外掺硅灰浆液和水玻璃都具有胶体的性质,能直接作用于再生骨料的孔隙。用水泥掺硅灰浆液对再生粗骨料进行浸泡时,作为高活性超细矿物的硅灰能直接填充再生粗骨料的孔隙,或与粗骨料中某些成分(如原混凝土中水泥水化生成物Ca(OH)2、3Ca O·2Si O2·3H2O等)反应的产物填充孔隙,同时浆液能将再生粗骨料本身的微细裂纹粘合,从而改善再生粗骨料孔隙结构,解决再生破碎过程中粗骨料受力后存在的一些微裂纹而导致粗骨料强度低的问题;水玻璃则在硬化时析出硅酸凝胶,堵塞再生骨料的毛细孔,且水玻璃能与骨料表面水泥砂浆中的水化产物反应,生成水硬性硅酸钙胶体填充再生骨料的孔隙而使骨料的密实度和强度提高。由膨胀防水组份、减缩组份、减水组份、抗蚀组份、气密剂等无机物和有机物配制而成的微膨胀高效抗裂防水剂,充分填充再生粗骨料的孔隙,能起到防水抗渗的作用,但对再生粗骨料的基本性能改变不大。

2.2 改性方法对再生粗骨料孔结构的影响

与天然骨料不同,再生粗骨料具有多孔性。本试验采用压汞法对改性前后再生粗骨料的孔结构进行了分析。不同改性措施对再生粗骨料孔结构的影响见图1和表4。

由图1和表4可以看出,通过不同的改性处理,再生粗骨料的孔隙率有所下降,孔径的分布有较大变化。从孔径的分布看,未改性的再生粗骨料的孔径主要集中在0.5~3μm;经过盐酸和有机硅防水剂改性的再生骨料的孔径仍主要集中在该范围内,但3μm以上的孔在减少,0.5~3μm孔在增加;经过水泥外掺硅灰浆液改性的再生粗骨料的孔主要集中在10~50 nm。

盐酸对再生粗骨料的改性主要是通过破坏颗粒表面达到改性目的,而有机硅防水剂对再生粗骨料的改性是使颗粒表面的孔隙部分被封堵,使再生粗骨料的孔隙率降低,但是都只对大孔(大于3μm)有较好的改进效果。

水泥外掺硅灰浆液改性,再生粗骨料许多更小的孔隙被充分填充,且各组分反应生成物将微细裂纹粘合,从而大幅度降低再生粗骨料的孔隙率,抑制大孔(大于3μm)和中孔(0.05~3μm)的产生,有效改善微孔结构。

2.3 改性方法对再生混凝土抗压强度的影响

利用不同改性方法处理后的再生粗骨料取代60%的天然粗骨料,配制C40再生混凝土,每立方米混凝土配比为:水泥445 kg、水168 kg、砂702 kg、再生粗骨料627 kg、天然粗骨料415 kg、减水剂4.5 kg,改性方法对再生混凝土抗压强度的影响见表5。

注:(1)全部使用天然粗骨料的混凝土。

未改性再生粗骨料中部分再生骨料由于表面附着水泥砂浆,或少量的硬化砂浆单独成块,增加骨料表面的粗糙度、孔隙率,从而影响了新拌混凝土的工作性能。由表5可见,盐酸改性和水泥外掺硅灰浆液改性对新拌再生混凝土的工作性能改善效果最显著,坍落度比未改性分别提高了90 mm和130mm,但未改性混凝土的后期坍落度损失快。另外,水玻璃和有机硅防水剂改性虽然也能降低再生骨料的吸水率,但对于提高新拌再生混凝土的工作性能效果不明显,坍落度仅为60mm和90 mm。

由表5还可以看出,由于未改性再生粗骨料表面微裂缝的存在使新的水泥颗粒容易被吸入,接触区的水化更加完全,能形成致密的界面结构。另外,解体破碎的过程增加了棱角效应[6,7],也使得因再生骨料强度较低而导致的再生混凝土性能的劣化会得到一定程度的补偿。故此,未改性再生混凝土其7d、28 d抗压强度仍分别能达到40.2、45.6 MPa。

针对再生混凝土强度的影响因素,Travakoli和Soroushian强调其关键是再生骨料的强度、粒径分布和吸水率[8]。Amnon Katz认为再生骨料的性能及其对混凝土的影响与轻骨料和轻骨料混凝土有着类似的规律,尤其在强度和弹性模量方面[9]。根据表5的结果可看出,由于改性处理的作用,改性后的再生粗骨料其孔隙率、孔结构分布、表面微裂缝、自身强度、吸水率等方面情况都得到了或多或少的改善。这使得改性后的再生混凝土强度都有一定程度的提高。其中,盐酸改性和水泥掺硅灰浆液改性对再生混凝土的强度提高效果最佳,7d和28 d强度都有较大幅度的增长。水玻璃改性对再生混凝土的早期强度提高有较好效果,7 d抗压强度可达到45.7MPa,但是后期增长并不显著,28 d强度仅比7 d提高1.9MPa。这可能是水玻璃溶液在渗入再生骨料的孔隙、裂缝中的同时也包裹了骨料的表面,即使在表干的状态下当与水泥浆接触时,骨料表面以及骨料孔中已水解的改性剂的产物(含水硅胶)能与水泥矿物水解产生的Ca(OH)2反应生成难溶水化硅酸钙[10],从而加速水泥的水化凝结。有机硅防水剂改性后的再生混凝土强度几乎没有提高。该现象的出现是由于包覆在骨料表面或填塞于骨料孔隙的固化防水材料阻止了接触区水泥的水化,使得界面结合相对薄弱,从而导致混凝土强度不高。

总的来说,经过改性处理后的再生粗骨料,由于其基本性能的改善使其所配制的混凝土的工作性有较大提高,强度也有一定提高,但普遍不大。

3 结论

(1)再生粗骨料较天然粗骨料的表观密度小、吸水率高、强度低、压碎指标高。

(2)经过一定的改性处理,再生粗骨料的基本性能有所改善。处理后的再生骨料吸水率有所降低,强度有所提高,压碎指标值下降。

(3)各改性剂中改性效果最好的是浓度3%的盐酸,其后依次是有机硅防水剂、水泥外掺硅灰浆液、水玻璃、微膨胀高效抗裂防水剂。

(4)再生粗骨料的改性处理对新拌再生混凝土的工作性能有一定的改善。其中盐酸和水泥外掺硅灰浆液的改性效果较明显,水玻璃和有机硅防水剂的改善效果不明显。

(5)再生粗骨料的改性处理对再生混凝土的强度有改善作用。盐酸和水泥外掺硅粉浆液进行改性再生混凝土强度增加较为明显;水玻璃改性使再生混凝土早期强度提高较大,但增长速度很缓慢;有机硅防水剂改性对混凝土强度的发展影响不大。

参考文献

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[4]李占印.再生骨料混凝土性能的试验研究[D].西安:西安建筑科技大学,2003:35-37.

[5]王华生,赵慧如.混凝土工程便携手册[M].北京:机械工业出版社,2001:9-13.

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[7]Erdogdu K,TUrker P.Effects of fly ash particle size on strength of portland cement fly ash mortars[J].CUR,1998,2:1217-1222.

[8]Poon C S,Kou S C,Lam L.Use of recycled aggregate in molded concrete bricks and blocks[J].Construction and Building Materi-als,2002,16(5):281-289.

[9]JoséM V,Gómez-Soberón.Porosity of recycled concrete with substitution of recycled concrete aggregate an experimental study[J].Cement and Concrete Reserch,2002,32(8):1301-1311.

再生粗骨料的制备试验研究 篇3

建筑垃圾的资源化处理与利用不仅可以解决建筑垃圾引发的环境问题, 还可以节约大量的天然骨料, 可以缓解经济高速发展与天然资源日益紧张之间的矛盾。再生骨料是实现建筑垃圾资源化的主要途径, 根据GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》规定, 再生粗骨料定义为由建 (构) 筑废物中的混凝土、砂浆、石、砖瓦等加工而成, 用于配制混凝土的、粒径大于4.75 mm的颗粒。与天然粗骨料相比, 再生粗骨料存在许多缺点, 这些缺点使得再生粗骨料的应用范围非常狭小, 要改变这种情况, 就要从提升再生粗骨料的性能方面入手, 表面处理以及颗粒级配的优化是改善再生粗骨料性能的有效途径。

1 试验方法

1.1 再生骨料的制备

废弃混凝土加工成再生骨料的具体流程如图1 所示。

从图1 可以看出, 废弃混凝土通过2 次破碎及筛分可加工成2 种粒级的再生粗骨料。即5~10 mm单粒级再生粗骨料和5~25 mm连续粒级的再生粗骨料, 同时也产生了0.15~5 mm连续粒级再生细骨料和小于0.15 mm的再生细粉等副产物。制备不同粒级再生粗骨料的关键技术在于一次破碎后筛分尺寸和颚式二次破碎机出料口大小的选择。

1.2 再生粗骨料的表面处理

由于再生骨料本身的吸水率较大, 若表面处理的化学浆液的水胶比太小, 则浆体的黏度大, 不利于骨料吸收浆体;但水灰比若过大, 又会影响水泥石的结石率, 影响再生骨料抗压强度的增长, 达不到强化的目的, 因此本试验表面处理浆液的水胶比采用1∶1[2]。

先将水泥与粉煤灰按8∶2 的质量比在有折边的拌板上混匀;向拌板中加入适量水, 用铁锹将浆体拌匀;加入再生骨料, 在浆液中混匀, 使浆液浸过再生骨料上表面2~3 cm;每隔30min用铁锹均匀翻搅再生骨料1 次, 勿使浆体凝结;搅拌过程中仔细观察, 待再生骨料表面有水泥浆体凝结时停止搅拌;用4.75 mm方孔筛过滤再生骨料, 滤去多余的浆体;将骨料于4.75mm方孔筛上保持15 min, 每隔5 min用手摇筛1 次, 保证多余浆体彻底筛除;将再生骨料倒入钢盘, 放入养护室中养护28d;28 d后取出养护室, 在自然条件下风干备用。

1.3 再生粗骨料的颗粒级配设计

参考GB/T 25177—2010 以及GB/T 14685—2011《建筑用卵石、碎石》中有关骨料的筛分析试验方法。准备各种粒径的套筛由底盘开始从小到大排列;均匀取样放入最上层筛子并盖上盖子, 振筛机筛10 min;称量各筛上骨料质量, 计算累计筛余率。然后以5~10 mm单粒级粗骨料质量占20%, 5~25 mm连续粒级粗骨料质量占80%进行颗粒级配设计, 混合粗骨料的颗粒级配设计见表1。

2 结果与分析

2.1 废弃混凝土再生资源材料颗粒占比

通过对废弃混凝土的加工制备, 得到各种再生资源材料所占比例如表2 所示。

从表2 可以看出, 针对粗骨料而言, 5~25 mm连续粒级再生粗骨料最多, 占50%以上;其次是5~10 mm单粒级再生粗骨料。C30 废弃混凝土和C60 废弃混凝土经加工后累计上述2 类再生粗骨料的比例分别为65.15%和80.07%。因此, 研究5~25 mm连续粒级再生粗骨料和5~10 mm单粒级再生粗骨料的性能与应用, 对提高废弃混凝土的利用率具有实际价值。

2.2 表面处理试验结果

天然粗骨料、强化前后再生粗骨料的对比照片见图2。

从图2 可以看出, 强化前再生粗骨料的裂缝等缺陷, 经过水泥与粉煤灰浆体表面改性处理后得到了良好的弥补, 与强化前相比变得更加密实;表面形貌也变得相对圆润。

2.3 颗粒级配试验结果

5~10 mm单粒级各类骨料的筛分析试验结果见表3, 5~25 mm连续粒级各类骨料的筛分析试验结果见表4。

%

注:1采用了GB/T 2517—2010 要求的5~20 mm连续粒级累计筛余率。

从表3 可以看出, 5~10 mm单粒级各类粗骨料其颗粒级配都符合天然粗骨料颗粒级配标准要求, 但再生粗骨料的9.50 mm方孔筛累计筛余率都比天然粗骨料 (NA1) 低;其中C60 废弃混凝土再生粗骨料 (RA60S) 的9.50 mm方孔筛累计筛余率最低, 为0.17%。而将其用水泥及粉煤灰浆液强化后制得的再生粗骨料 (RRA60S) , 累计筛余率最接近天然粗骨料。

从表4 可以看出, 针对5~25 mm连续粒级各类粗骨料, 其颗粒级配都符合天然粗骨料颗粒级配标准要求, 其中C60废弃混凝土再生粗骨料 (RA60C) 的9.5 mm和16.0 mm方孔筛累计筛余率分别为97.7%和67.0%, 比天然粗骨料 (NA2) 高;将其用水泥及粉煤灰浆液表面处理后制得的再生粗骨料 (RRA60C) 其累计筛余率则分别降为92.4%和49.0%, 比天然粗骨料 (NA2) 低。而C30 废弃混凝土再生粗骨料 (RA30C) 的各筛孔累计筛余率都与天然粗骨料 (NA2) 相当。但各类型粗骨料的9.50 mm颗粒累计筛余率均大于90%, 与上一级16.0mm方孔筛累计筛余率比较变化梯度过大。因此, 需要进行更为合理的颗粒级配优化设计。

2.4 再生粗骨料的颗粒级配优化设计结果

按5~10 mm单粒级粗骨料质量占20%, 5~25 mm连续粒级粗骨料质量占80%优化设计混合粗骨料。优化设计的混合粗骨料累计筛余率分析结果见表5。

注:1采用了GB/T 2517—2010 要求的5~20 mm连续粒级累计筛余率。

从表5 可以看出:

(1) 优化设计后各类型再生粗骨料的颗粒级配与5~25 mm连续粒级的骨料相比, 各筛孔累计筛余率变化幅度更趋合理, 且19.0 mm、16.0 mm和9.50 mm颗粒累计筛余率降低幅度依次增大, 而26.5 mm和4.75 mm的筛孔累计筛余率变化不大。

(2) 优化设计后各类型再生粗骨料的颗粒级配与NA相比, RA60 粗骨料的19.0 mm和16.0 mm颗粒累计筛余率偏高, 而RRA60 偏低, RA30 与其相当。

3 结语

(1) 通过对废弃混凝土的加工制备, 可产生4 种再生资源, 即小于0.15 mm的再生细粉、0.15~5 mm连续粒级再生细骨料、5~10 mm单粒级再生粗骨料和5~25 mm连续粒级再生粗骨料, 废弃混凝土制备再生骨料的工艺流程可为企业开发混凝土用再生骨料提供参考。

(2) 经过对再生骨料制备试验研究表明, 5~25 mm连续粒级再生粗骨料和5~10 mm单粒级再生粗骨料在各粒级中所占比例极大, 开展此类再生骨料的研发具有现实意义。

(3) 采用水泥与粉煤灰浆体浸泡再生粗骨料的强化方法, 不仅原材料来源方便, 不会给混凝土带入新的成分影响其各成分的相容性和混凝土的性能, 而且很好的弥补并提高了再生粗骨料的一些较为薄弱性能。

(4) 按5~10 mm单粒级粗骨料质量占20%, 5~25 mm连续粒级粗骨料质量占80%进行颗粒级配优化设计后, 各类型粗骨料的各筛孔累计筛余率的变化幅度减小, 且整体颗粒分布更为合理。

摘要：利用不同强度等级的废弃混凝土试块在实验室制备了混凝土用再生粗骨料。探讨了利用废弃混凝土制备再生骨料的工艺流程。利用水泥与粉煤灰浆体浸泡的化学强化方法对再生骨料进行了表面处理。按510 mm单粒级粗骨料质量占20%, 525 mm连续粒级粗骨料质量占80%进行颗粒级配的优化设计。试验结果表明, 525 mm连续粒级再生粗骨料和510 mm单粒级再生粗骨料在各粒级中所占比例较大;表面改性处理可以弥补再生粗骨料的缺陷;经过颗粒级配优化设计后的再生粗骨料, 累计筛余率变化梯度减小, 整体颗粒分布更为合理。

关键词：再生粗骨料,天然粗骨料,颗粒级配

参考文献

[1]姜越川.再生骨料改性处理研究[J].混凝土, 2011 (7) :85-90.

再生骨料混凝土导热系数试验研究 篇4

研究表明:再生骨料替代率、孔隙率、骨料类型、干湿状态和混凝土密度等因素对混凝土的热导率有很大的影响。随着再生骨料替代率的提高, 混凝土的导热系数呈现出较大的差异性[1]。T.Z.Harmathy[2]等提出孔隙率对混凝土的导热系数影响, 随着孔隙率的增大, 混凝土的导热系数明显减小。本文从再生骨料替代率和水灰比的角度出发, 研究其对再生混凝土导热系数的影响, 为再生混凝土实际工程的应用提供一定的参考。

1 混凝土导热系数试验

1.1 试验原理

线热法的基本原理是在均匀的大块材料中, 放置一根长直细电阻丝, 当电阻丝中通以稳恒电流加热时, 就构成了一个以热丝为轴的长直圆柱体导热模型。根据热传导理论[3], 由热传导方程和边界条件可知, 试件的导热系数为:

式中:λ-介质中的导热系数, W/ (m·K) ;r-介质中测温点距热线的距离, m;a-介质的热扩散系数, m2/s;θ-介质在r处τ时刻的温升, K;τ-热线源放热所经历的时间, s;q-热线源单位长度的热流率, W·k。

1.2 试验设备与方法

混凝土导热系数测定采用美国DECAGON公司生产的便携式热导仪KD2Pro, 其使用瞬时线形热源方法进行测量, 通过监测样品中给定某一电压的线形探针的热耗散和温度, 计算物质的热特性。

2 试验结果及分析

2.1 再生骨料替代率对混凝土导热系数的影响

再生骨料替代率对混凝土导热系数的影响如图1所示。由图1可知, 再生骨料混凝土的导热系数比自然骨料混凝土导热系数低, 随着再生骨料替代率的增加, 混凝土的导热系数减小, 当再生骨料替代率达到100% (质量分数) 时, 混凝土的导热系数降低了14.5%。

2.2水灰比对混凝土导热系数的影响

水灰比对混凝土导热系数的影响如图2所示。由图2可知, 混凝土的导热系数随着水灰比的增加而减小。当水灰比为0.35时, 混凝土的导热系数为1.652W/ (m·K) , 当水灰比0.55时, 混凝土的导热系数为1.478W/ (m·K) , 导热系数降低了10.5%。水灰比越低, 混凝土搅拌时的含水量越小, 包裹在骨料周围和水泥石中的自由水越少, 由于水化时混凝土中的孔隙率越低, 混凝土越密实, 因此导热系数相对水灰比高时而增大。

3结语

在水灰比相同的情况下, 随着再生骨料替代率的增大, 混凝土的导热系数减小;在再生骨料替代率相同的情况下, 随着水灰比的增大, 混凝土的导热系数减小。

参考文献

[1]肖建庄, 宋志文, 张枫.混凝土导热系数试验与分析[J].建筑材料学报, 2010, 13 (1) :17-21.

[2]HARMATHY T Z.Thermal properties ofconcrete at elevated temperatures.[J].Journal ofMaterials, 1970, 5 (1) :47-74.

再生骨料改性试验研究 篇5

由于外界激励的作用, 结构体系会形成振动, 当外界激励停止作用的时候, 这时各种外界阻力以及系统自身的的原因, 引起能量的耗散的总和就称为阻尼。阻尼的取值在结构动力学的研究中具有非常重要的意义, 因为这关系到结构的动态响应。目前对阻尼的处理方式是只是根据结构的不同对给出的公式进行简单的修正处理。但事实上材料的阻尼值不能简单的取为常数, 阻尼值是随着应力或变形的增大而增大[1]。本章试验通过稳态激励, 采用相位差法得到再生骨料混凝土在大变形情况下的阻尼值, 并得到阻尼与应变之间的关系。

1 试验原理与内容

本文采用相位差法测量阻尼。其测量的原理是是:阻尼是存在的, 且是材料的一种固有特征, 这个假设是的确存在且被学者们所广泛认可的。对试块施加正弦稳态荷载后, 这时同时采集应力、应变分别与时间关系的曲线, 由于材料具有阻尼的特性, 由激励后产生的应力会快于应变, 应变会落后于应力。此时两条曲线之间的差值就是相位差, 即两条曲线起始点之间的时间差。

试验的原理图如图1:本试验采用DH5937型号的动态信号采集仪收集信号通过同时采集应力应变的相关信号分析所采集的信号, 可以得出它们之间的差值, 并通过计算得到阻尼值。

本试验加载装置为PA-500微机控制电液压伺服动静疲劳试验机, 试验机是通过采用微机操控、油缸加压, 能够施加动静荷载的万能试验机。加载量最大值为500k N。数据采集仪器为DH5937动态应变仪。本试验取用的是五种不同取代率的再生骨料混凝土试块, 其粗骨料取代率分别为0%、30%、50%、70%、100%。激振频率选取5Hz频率的稳态正弦曲线, 采集信号频率为10k Hz。通过本试验可获取时间差 (ΔT) , T表示稳态振动周期。通过计算可以得出相位角差, 并且根据相位差角正切Ф和阻尼比的相互之间的换算关系得出阻尼比[2]。计算公式如下:

在本试验之前通过万能实验机得出了五种不同取代率再生骨料混凝土的压强度分别为40.4MPa, 39.8Mpa, 38.2MPa, 34.7MPa, 32.6Mpa。

2 实验结果分析

根据以上图表, 发现随着施加的荷载逐渐增加, 阻尼比也成线性增大, 随着再生骨料取代率的增大, 强度降低, 其阻尼比也相对增大。主要原因可能是再生骨料混凝土随着取代率的增加, 强度降低, 在施加压力的过程中, 内部损伤会越大, 导致内部的裂缝会增多, 而裂缝的增多就会使摩擦耗能的界面也随之增加, 再生粗骨料的界面与新硬化的水泥砂浆界面会因此变弱, 导致阻尼耗能加大。随着再生粗骨料用量的增加, 其对混凝土的阻尼性能不利因素也随之加大。

3 结束语

相位差法主要测试试块在施加荷载的过程中阻尼随施加力不断变大而变大的过程。通过以上试验发现, 随着再生骨料取代率的提高, 其阻尼性能也相应提高。本试验是构件级别的, 可以属于单元级别的, 因此这种单元级别分析可以为有限元理论的精密设计提供理论支持。对抗震结构设计具有一定的借鉴意义。同时此方法是在一个连续加载的过程中测出阻尼值的, 对应于建筑物受力过程, 这个加载和测量同时进行的过程也具有参考意义。

摘要：随着近些年来土木工程行业的迅猛发展, 对再生骨料混凝土研究与利用越来越为热门。其中对再生骨料混凝土的物理力学性能研究较多, 而对其阻尼的研究比较少。因此对再生骨料混凝土的阻尼取值以及阻尼性能研究就显得非常必要。

关键词：再生骨料混凝土,阻尼测量,相位差法

参考文献

[1]李鹏.材料阻尼对钢及钢筋混凝土结构动力响应影响研究[D].北京交通大学, 2006.

[2]董军, 邓洪洲, 王肇民.结构动力分析阻尼模型研究[J].世界地震工程, 2000, 16 (4) :63-69.

再生骨料改性试验研究 篇6

关键词：棉花秸秆,粗骨料,表面改性,吸水率

棉花秸秆是一种产量大、可再生的农业废弃物。合理有效地开发利用棉花秸秆制作超轻粗骨料不仅可以节能利废,还可以享受众多优惠政策和免税待遇,而且在同等产品性能下,综合生产能耗少(不需要高温烧制)、生产成本低、经济效益好、社会效益显著[1]。本研究以棉花秸秆颗粒为主并添加界面改性剂,改善其界面性能,开发绿色保温可以替代普通陶粒的超轻粗骨料。由棉花秸秆制作的绿色有机超轻粗骨料,无需高温烧制,经简单养护就可成型,并且堆积密度比较小,可达200kg/m3,保温性能较好。

植物有机材料作为轻骨料的研究目前比较少,究其原因主要在于目前常用的植物有机材料木质成分含量较低,不易成型,强度较低,且吸水率高。但棉花秸秆木质成分含量较高,力学性能较好[2]。经多次实验研究表明,表面未处理的棉花秸秆颗粒在拌和过程中具有较高的吸水率,会提高胶凝材料拌和用水量,影响强度,所以必须对其进行憎水性裹灰处理,降低吸水率。在后续处理过程中发现,棉花秸秆颗粒是一种具有一定弹性的颗粒,而现行的陶粒裹灰处理方式其裹灰材料是一种脆性的硬质材料。本研究主要就棉花秸秆的含水量、直径对棉花秸秆轴向压缩的弹性模量以及抗压强度的影响进行试验和分析,测试棉花秸秆超轻粗骨料的力学性能,为棉花秸秆超轻粗骨料的应用提供参考。

1 实验

1.1 原材料

棉秆取自新疆石河子市郊区,取样地面积约2亩,试样为2014年年末人工收割的生长良好的棉花秸秆。采用专用工具去除细枝、叶片和棉壳,外部擦拭干净。棉花秸秆最好上下通直、枝叶较细、没有明显缺陷、表皮损伤较小、无开裂。将上述试样隔空放置在室外自然风干,第2年春季采用专用工具对其加工制作,获取合适的棉花秸秆颗粒备用。每1批次的每组实验都是从50株棉秆中随机取8株。随后制作试样、编号,并测量记录试样直径、高度,试样直径为9~23 mm,平均直径为15.5 mm,精确至0.1 mm。

水泥:42.5级普通硅酸盐水泥,青松水泥股份有限公司。

粉煤灰:Ⅱ级粉煤灰。

丙烯酸酯防水涂料:固体含量为50%,市售。

1.2 实验方法

试样应满足下列条件:

(1)试样要求1<H/D<3,其中:H为秸秆颗粒的长度,mm;D为秸秆颗粒的直径,mm。

(2)试样必须平直,两端平齐,避免影响试验结果。

所选择的棉秆试样一般情况下至少包含7个不同的直径,试样直径范围为8~20 mm,试样长度范围为10~20 mm,并挂上标签进行标识。

试样含水率测试采用干燥法,参照GB/T 1931—2009《木材含水率测定方法》进行。将同组试样一并放入干燥箱内,在(60±2)℃下干燥12 h后,从中选定2~3个试样进行第1次试称,以后每隔2 h试称1次,至最后2次称量之差不超过0.05g时,即认为试样达到全干。

2 棉花秸秆超轻粗骨料的表面改性研究

2.1 棉花秸秆超轻粗骨料的表面包覆方法

棉花秸秆颗粒是一种具有一定弹性形变的颗粒,目前常用的裹灰处理采用脆性的硬质材料。采用这种脆性的硬质材料对棉花秸秆颗粒进行包覆处理后,二者表面的裹灰层特别容易脱落,不能共同发生相应的形变。为此必须采用新的裹灰处理方式对棉花秸秆颗粒表面进行改性,提高棉花秸秆与表面裹灰层的黏结能力,确保裹灰层与棉花秸秆颗粒的可靠黏结。本研究采用以下2种包裹方法[3]:

(1)分层包裹。先包裹1层丙烯酸酯防水涂料,厚度为0.2~0.5 mm,再包裹1层水泥或者粉煤灰,厚度为0.1~0.5 mm。具体方法为将棉花秸秆颗粒放入容器中,添加适量防水涂料进行搅拌,目测防水涂料完全包裹住棉花秸秆颗粒后,采用少量多次的方式添加水泥或者粉煤灰,并不断搅拌,目测防水涂料表面均沾有水泥或者粉煤灰时停止,取出混合包裹后的颗粒在20℃、相对湿度70%条件下养护3 d,得到棉花秸秆超轻粗骨料。

(2)混合包裹。按照防水涂料50%~70%、水泥或者粉煤灰30%~50%的质量比在容器内混合,待混合均匀后将棉花秸秆颗粒放入容器中,再搅拌直至棉花秸秆颗粒被完全包裹后出料,取出混合包裹后的颗粒在20℃、相对湿度70%条件下养护3 d,得到棉花秸秆超轻粗骨料。

采用上述方法制作的棉花秸秆超轻粗骨料工艺简单,无需大型煅烧设备,经简单搅拌即可制备,由于本产品采用免烧工艺,因此与焙烧工艺相比,具有节能和低碳等环保效果,并且堆积密度小,吸水率低。利用该技术制备的棉花秸秆超轻粗骨料外形为长度10~20 mm、直径8~15 mm的圆柱形颗粒,堆积密度150~200 kg/m3,筒压强度0.5~1.0 MPa,1 h吸水率10%~20%。

2.2 棉花秸秆超轻粗骨料的表面改性微观结构分析

未改性的棉花秸秆颗粒见图1。

丙烯酸酯防水涂料与水泥混合凝固后具有较大的变形性能,而这个变形性能使其能够与棉秆颗粒的变形协调一致。本次实验采用丙烯酸酯防水涂料对棉花秸秆颗粒进行包裹处理,通过扫描电镜分析丙烯酸酯防水涂料的包裹效果。包裹材料以及方式为:先将棉花秸秆颗粒放入容器内,然后将丙烯酸酯防水涂料适量掺入以完全包裹住棉花秸秆颗粒为标准,接着将42.5级普通硅酸盐水泥逐步撒入容器内,并同时进行搅拌,待颗粒表面完全黏附住水泥颗粒时停止。将上述包裹方式制作的颗粒自然养护至28 d时进行电镜分析。表面改性后的棉花秸秆颗粒照片见图2,丙烯酸酯防水涂料与水泥的界面SEM分析见图3(a),未采用丙烯酸酯防水涂料包裹的棉秆颗粒与水泥砂浆的界面SEM分析见图3(b)。

由图3(a)可知,采用丙烯酸酯防水涂料与水泥包覆后,丙烯酸酯防水涂料凝固后具有成膜连续、粘附性强的特点,再加上表面吸附的水泥显示出包覆效果较好的特征。丙烯酸酯防水涂料浓的地方成膜连续,而表面吸附的水泥水化孔洞较多,在它们的界面交接处体现出聚合物水泥的特征,结构致密,包覆完整。由图3(b)可知,未采用丙烯酸酯防水涂料包裹的棉秆颗粒与水泥砂浆搅拌后,秸秆表皮分离。由此可知,外表裸露的棉花秸秆,会在混凝土拌合过程中释放出糖分,同时也会吸收混凝土中的水分,这就导致了水泥砂浆与棉杆颗粒的结合是不牢固的,有害的。而经过丙烯酸酯防水涂料包裹后的棉花秸秆颗粒表皮细胞被疏水性丙烯酸酯防水涂料所包裹,所以包裹后的棉花秸秆颗粒就不会在混凝土拌合过程中吸收水分。

3 棉花秸秆超轻粗骨料的吸水率实验

一般来说轻骨料都具有孔状结构,这使得其吸水率比普通骨料高很多。不同种类轻骨料由于孔隙率及孔结构差别,吸水率也往往相差较大。轻骨料的吸水率越高,预饱水程度就越低,对新拌混凝土拌合工作性能的影响就越大[4]。而对于棉花秸秆粗骨料来说,首先它是一种有机材料,在水的作用下会逐渐降解腐烂;其次,含水率的提高会降低它的力学性能[5]。因此,秸秆表面的包覆处理就显得至关重要,也就是说控制秸秆颗粒的吸水率是该超轻粗骨料的关键点。

3.1 分层包裹的吸水率实验

棉花秸秆粗骨料制作过程:先将棉花秸秆颗粒放入容器内,接着将浓度为50%的丙烯酸酯防水涂料放入容器内,并不断搅拌秸秆颗粒,待颗粒表面被完全包裹时停止,静置5min,使得秸秆颗粒表面能够完全吸附丙烯酸酯防水涂料,接着撒入水泥并不断搅拌,目测防水涂料表面均沾有水泥时停止,取出混合包裹后的颗粒,在20℃、相对湿度70%条件下养护3 d,制得棉花秸秆超轻粗骨料。

吸水率实验方法:根据粒径把试样分成7组,每组6个试样,分别称重,然后放入盛水的容器中。棉花秸秆颗粒密度较小,会漂浮在水面,应将其用不吸水的重物压入水中。浸水1 h后将试样取出,制成饱和面干状态,然后称量,计算吸水率,取6个试样的平均值作为该组试样的吸水率。

分层包裹实验棉花秸秆粗骨料的基本性能指标见表1,未改性和分层包裹改性时的棉花秸秆粗骨料的1 h吸水率分别见表2、表3。

由表2、表3可知,将棉花秸秆粗骨料采用分层包裹方式改性后吸水率大幅降低,采用丙烯酸酯防水涂料作为改性材料效果明显。在后续试验中将改性后的秸秆颗粒剔除表面的包裹材料再进行称量发现,秸秆颗粒内部吸收的水分很少,也就是说改性后秸秆颗粒在1 h内主要是表面吸附的材料在吸收水分。这间接地表明了改性后的秸秆颗粒吸水率变化和表面的包裹材料密切相关。包裹材料越厚吸水率就越高。对于未改性的秸秆颗粒,它的吸水率主要和髓心直径关系比较密切,髓心直径越大吸水率越高。

3.2 混合包裹的吸水率实验

棉花秸秆粗骨料采用混合包裹进行改性,分别选择7种不同粒径的棉花秸秆,每种粒径选择6个颗粒,采用求平均的方式,进行吸水率实验。

棉花秸秆粗骨料制作过程:先将700 g丙烯酸酯防水涂料、300 g水泥在容器内混合,待混合均匀后将棉花秸秆颗粒放入容器中,再搅拌直至棉花秸秆颗粒被完全包裹后出料,取出混合包裹后的颗粒按照混凝土养护方法养护3 d,制得棉花秸秆超轻粗骨料。

按照3.1节吸水率实验方法,混合包裹实验棉花秸秆粗骨料的基本性能指标见表4,混合包裹改性后棉花秸秆颗粒的1 h吸水率见表5。

由表5可知,棉花秸秆粗骨料采用混合包裹改性后吸水率大幅降低,混合包裹吸水率比分层包裹的稍大,但混合包裹的处理方法比较简单,并且包裹质量比较容易控制。因此,在后续应用于工程实践中时应优先采用混合包裹,只要控制混合包裹的配比,则包裹的效果就确定了。

包裹材料对于包裹效果影响很大,实验过程中可以发现,包裹材料越稀则包裹层厚度越薄,对应的吸水率就越低;包裹材料越厚则包裹层厚度就越大,对应的吸水率就越高。采用水泥或者粉煤灰对于包裹材料的包裹效果无明显差异,因此不再重复实验过程,但可以研究使用其它粉状类材料作为包裹材料的一部分,使其具备成本优势或者其它特殊功能。

4 结论

(1)本文提供的2种包裹方法均能有效地对棉花秸秆颗粒进行包裹,并能够达到不脱皮、黏结牢固的要求。采用分层包裹比混合包裹效果好,包裹材料更薄,但包裹程序相对复杂,不易进行量化包裹处理。混合包裹材料采用合适的配比就可以有效地进行包裹。

(2)由电镜分析结果可知:采用丙烯酸酯防水涂料吸附水泥的方式对棉花秸秆颗粒表面进行改性,可以提高棉花秸秆与表面裹灰层的黏结能力,确保裹灰层与棉花秸秆颗粒的可靠黏结。

(3)表面改性后的棉花秸秆超轻粗骨料1 h吸水率可以控制在10%~20%,并且水分主要是包裹材料吸收的,并未大量进入棉花秸秆颗粒内部,因此可确保秸秆颗粒不易腐烂。

参考文献

[1]晋强,冯勇,何金春,等.石膏基EPS复合保温墙体材料的研制[J].新型建筑材料,2013(1):55-56.

[2]晋强,冯勇,何金春,等.硫铝酸盐水泥对石膏基棉花秸秆复合材料性能改善的试验研究[J].新型建筑材料,2014(6):53-56.

[3]晋强,罗立权,王宣,等.一种棉花秸秆超轻粗集料的制备方法:中国,201410620101.9[P].2014-11-07.

[4]刘书贤,魏晓刚,王伟,等.再生粗骨料对再生混凝土性能的影响[J].建筑结构,2014,44(14):17-20.

再生骨料改性试验研究 篇7

水泥稳定碎石基层具有良好的刚度和抗弯拉强度, 能够提供较强的荷载分布能力和抗疲劳性能, 目前在我国高速公路建设中应用广泛。随着我国公路建设的飞速发展, 对石料的需求量越来越大, 然而天然骨料却日趋匮乏。另一方面, 我国的建筑废弃物产生量逐年增多, 此类废弃物不仅占据土地, 更会严重影响环境。国内外学者将建筑废弃物破碎分级后生产成再生骨料, 并研究再生骨料的性能及应用, 这不仅可以缓解天然建筑材料的供需矛盾, 而且能够实现建筑废弃物的再生利用, 符合可持续发展的要求[1]。

水泥稳定碎石基层虽然承载性能优越, 但难以抵抗温度变化及水分散失时产生的收缩变形, 很容易在基层中产生收缩裂缝, 这种缺点已成为该结构的主要缺陷[2]。与天然骨料相比, 再生骨料存在强度低、棱角裂纹多、孔隙率高、吸水性大、含泥量高等问题[3], 这些将直接影响再生骨料及其混合料的力学性能。

近几年来, 国内学者对再生骨料的性能、水泥稳定再生骨料和长期路用性能等开展了一系列的研究[4,5], 这些研究表明, 经过合理配合比设计的水泥稳定再生骨料基层, 其强度完全可以满足现行规范[6]规定的任何等级交通的要求。然而, 目前有关水泥稳定再生骨料回弹模量的研究资料相对较少。本文通过试验, 研究了再生骨料来源、取代率、龄期及水泥用量对水泥稳定再生骨料抗压回弹模量的影响, 可为水泥稳定再生骨料的设计与应用提供依据。

1 试验概况

1.1 试验原材料

水泥:徐州某水泥厂产P·O 32.5级普通硅酸盐水泥, 其主要性能见表1。

粉煤灰:徐州某电厂产, 其化学成分见表2。

天然粗骨料:徐州产石灰岩碎石, 粒径5~31mm, 连续级配。

再生粗骨料:来源有三处, 其中混凝土强度为C35 (R35) 的, 由徐州市三环南路改造破除的水泥混凝土路面破碎制得;混凝土强度为C25 (R25) 的, 由铜山区某拆除建筑混凝土破碎制成;混凝土强度等级为C15 (R15) 的, 由建筑材料检测中心实验室废弃试件破碎制得。前两种再生骨料委托加工厂用鄂式破碎机破碎, 加工成粒径5~31mm的再生粗骨料, 最后一种由人工破碎筛分去除粉末后备用。经试验测得三种再生骨料干燥状态下压碎指标分别为9.38、13.65和15.82。

集料合成级配采用JTG D50—2006《公路沥青路面设计规范》[6]中高等级公路骨架密实型水泥稳定类材料的级配范围要求, 不同种再生骨料掺和量的合成级配不再累述。

1.2 试件制备与试验

试件的制作在混合料检测实验室内进行, 试件制备与试验方法参照TG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》[7]进行。本试验重点考察7d抗压回弹模量, 共采用了4种水泥用量 (3%、4%、5%和6%) , 4种再生骨料取代率 (0、30%、60%和100%) , 2个养护龄期 (7d与28d) 。试验以第一种再生骨料来源, 即强度R35的再生骨料为基准, 每种混合料中粉煤灰的掺量为1%。本次试验共成型了12组108个抗压回弹模量试件, 为圆柱形试件, 尺寸为覫150mm×150mm。根据击实试验获取的最佳含水量和最大干密度在压力试验机上静压成型后放入 (20±2) ℃的恒温室内养护备用。为防止水分损失, 在养护时可覆盖塑料膜。

本次水泥稳定碎石的抗压回弹模量试验采用规范[7]中的顶面法进行。试验前先处理试件端面, 即将圆柱形试件的两个端面用水泥净浆抹平, 在表面撒少量0.25~0.5mm的细砂填补微孔隙, 用平面钢板放在顶面加压旋转使顶面平齐, 直至加载板放在试件的顶面后, 在任意方向都不会翘动, 从而确保顶板和试件的接触面积达到最大。试件端面整平后放置8h, 然后将试件浸水24h。试验采用上海产YA-2000压力机进行加载, 因为试件侧表面较为粗糙, 难以黏贴应变片, 试件变形测量使用千分表装置。将磁性表座固定在圆柱形试件的对称两侧, 使得千分表测量头牢牢接触加载板。先用设计加载量的一半进行两次加载卸载预压试验, 使得加载顶板与试件表面紧密接触。每两次卸载后等待1min, 然后将千分表指针调到中间位置, 并将长指针调到0, 记录千分表的原始读数。正式加载测量回弹变形值前, 将预定的单位压力分成5~6等分, 作为每次施加的压力值, 加载的最大等级为设计荷载的1.2倍, 加载速率控制在1~2k N/min。加载过程中, 每级荷载施加1min后开始读取千分表读数;然后卸除荷载, 让试件弹性变形恢复, 到0.5min时记录千分表的读数。如此逐级进行, 直至记录下最后一级荷载下的回弹变形量。

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

水泥稳定再生骨料抗压回弹模量的计算按照下式 (1) 进行[7]:

式中, Ec—水泥稳定再生骨料抗压回弹模量, MPa;

p—单位压力, MPa;

H—试件高度, mm;

l—试件卸载回弹变形, 即加载时千分表读数与卸载时千分表读数之差, mm。

在每组试验数值的变异系数Cv≤15%的前提下, 取9个试件的平均值作为该组最终的试验结果。试验考虑了3种再生骨料来源、4种水泥剂量、4种再生骨料取代率和2个养护龄期, CS表示水泥稳定材料, 试验组编号CSA-B-C-D表示水泥来源为A、水泥用量为B、再生骨料取代率为C的试件在龄期D时试验组, 具体试验结果见表3。

2.2 试件水泥掺量对抗压回弹模量的影响

图1为再生骨料掺量为60%时, 考察旧水泥路面再生骨料来源的混合料试件28d抗压回弹模量测试值随着水泥用量增长而变化的曲线图。从图中可以看出, 水泥用量的变化对水泥稳定再生骨料抗压回弹模量的影响很大, 水泥用量由3%增加至6%时, 抗压回弹模量由2026MPa增长到2957MPa, 增长了46%, 增长趋势基本呈线性, 这与普通水泥稳定碎石抗压回弹模量增长规律是一致的[8]。

对试验数据进行线性拟合, 可以得到水泥稳定再生骨料抗压回弹模量与水泥剂量的线性回归方程如下:

式中, Ec—水泥稳定再生骨料抗压回弹模量, MPa;

B—水泥用量, 即水泥质量百分比, %。

2.3 再生骨料掺量对抗压回弹模量的影响

图2为旧水泥混凝土路面再生骨料在水泥用量为4%时, 28d抗压弹性模量随再生骨料取代率的变化图。

分析图2可以看出, 再生骨料对混合料抗压回弹模量具有降低效果, 这在一定程度上有利于混合料抗裂性能的改善。当再生骨料取代率为30%时, 混合料抗压回弹模量降低约5%, 说明此时混合料的性能还是由天然骨料的性能控制;再生骨料取代率超过30%后, 抗压回弹模量出现了显著的劣化效应, 说明再生骨料对混合料的影响开始起到决定性作用;当混合料为完全再生骨料时, 其抗压弹性模量将天然骨料混合料减小了约22%, 这说明当在工程中应用全部再生骨料混合料时, 需加强试验与测试, 以防止其弹性模量折减过多而影响基层或底基层的正常使用。

再生骨料之所以能降低水泥稳定混合料的抗压回弹模量, 主要是由于再生骨料为多结合界面结构, 且孔隙率较高。较多掺入再生骨料时, 骨料在受压时弹性形变量大, 使测得的应变增大。

根据试验结果的拟合分析, 得到了水泥稳定再生骨料抗压回弹模量与再生骨料取代率的回归关系式:

式中, Ec—水泥稳定再生骨料抗压回弹模量, MPa;

C—再生骨料取代率, %。

2.4 骨料来源及龄期对抗压回弹模量的影响

图3为随着养护龄期的变化, 三种不同来源的再生骨料水泥稳定混合料的抗压回弹模量变化规律。

由图3可以看出, 随着试件养护龄期的增长, 三种再生骨料来源试件的抗压回弹模量均逐渐增大的, 但不同强度来源的再生骨料对试件抗压回弹模量的影响程度不同。在相同龄期时, 再生骨料原强度越小, 其制备的水泥稳定再生骨料试件抗压回弹模量越小。7d龄期时, 在水泥用量为4%的基准条件下, 混合料R25的回弹模量较R15提高了4.5%, R35较R25提高了5.8%;28d龄期时, 混合料R25的回弹模量较R15提高了4.4%, R35较R25提高了12.2%。在水泥水化过程中, 骨料强度高的水泥稳定再生骨料材料的抗压回弹模量增幅要比强度低的试件大得多。

水泥稳定再生骨料混合料的强度与回弹模量的形成与多种因素有关, 主要由骨料之间的挤嵌作用与水泥水化作用产生的胶结作用所决定。当养护龄期小于7d时, 水泥的水化还在进行, 基体与骨料的粘接作用较弱。随着养护龄期的增长, 胶结物不断地生成, 使得骨料颗粒之间的联结和整体结构逐步加强, 试件的抗压回弹模量和强度也会大幅度增长。

3 结语

(1) 随着水泥用量的增加, 水泥稳定再生骨料试件抗压回弹模量有增大的趋势。当水泥用量增加时, 水泥对骨料的裹附作用增强, 试件抗压回弹模量及强度因此增大。

(2) 再生骨料由于具有多棱角、表面粗糙、骨料-砂浆界面多, 当再生骨料在混合料中掺量超过30%后, 对试件的抗压回弹模量具有显著的折减效应。因此, 在工程中应用大掺量再生骨料时, 需加强试验与测试。

(3) 水泥稳定再生骨料与普通水泥稳定碎石一样, 随着养护龄期的增长, 其强度及抗压回弹模量均逐渐增大。在早龄期时, 由于水化胶结作用较弱, 试件的抗压回弹模量主要由材料组成结构形式和原材料本身模量决定;后期试件由于胶结结构越来越强, 其抗压回弹模量增长迅速。

(4) 试件的抗压回弹模量与骨料的强度有关, 试件中骨料的原始强度大, 其压碎值就小, 在试验测试时测得的变形量也小, 计算的抗压回弹模量则大。20d养护龄期时, 骨料来源混凝土强度为C35的试件抗压回弹模量比骨料来源混凝土强度为C15的试件提高了近20%。

参考文献

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