礦物摻合料對再生混凝土早齡期拉伸徐變的影響

葉世昌,羅素蓉,鄭建嵐, 2

(1.福州大學土木工程學院,福建 福州 350116； 2. 福建江夏學院工程學院,福建 福州 350108)

0 引言

使用再生骨料制備而成的混凝土稱為再生混凝土,其運用可有效降低混凝土產(chǎn)業(yè)對環(huán)境的影響[1]. 再生粗骨料附著的老砂漿吸水率高、內(nèi)部裂紋多[2],導(dǎo)致再生混凝土體積穩(wěn)定性較普通混凝土差,更易開裂[3- 4]. 混凝土開裂性能與其早齡期拉伸徐變性能密切相關(guān)[5-6],目前再生混凝土早齡期拉伸徐變性能亟待研究. 本研究對再生粗骨料、單摻粉煤灰和復(fù)摻粉煤灰加礦渣對再生混凝土早齡期拉伸總徐變、基本徐變和干燥徐變的影響進行分析.

1 試驗研究

1.1 所用原材料

水泥為煉石牌42.5級普通硅酸鹽水泥; 粉煤灰為福建省軍航貿(mào)易有限公司生產(chǎn)的二級粉煤灰; 礦渣為福建省中聯(lián)建材微粉有限公司生產(chǎn)的S95級?；郀t礦渣微粉; 砂采用福州閩江中砂,細度模數(shù)為2.26； 減水劑采用福建省建筑科學研究院生產(chǎn)的TW-JS高效減水劑.

圖1 粗骨料Fig.1 Coarse aggregate

天然粗骨料為5～20 mm連續(xù)級配的天然碎石,經(jīng)檢測符合《建設(shè)用卵石、碎石(GB/T 14685—2011)》的要求； 再生粗骨料由福建某省級干線公路拆除的混凝土破碎、篩分而成,為5～20 mm連續(xù)級配,其原混凝土強度等級為C18,使用年限18 a. 經(jīng)檢測其性能滿足《混凝土用再生粗骨料(GB/T 25177—2010)》III級要求,天然及再生粗骨料見圖1,其性能指標見表1. 可見與天然粗骨料對比,再生粗骨料表面附著老砂漿并含有較多雜質(zhì),其表觀密度、堆積密度明顯降低,吸水率、孔隙率、壓碎指標明顯上升.

表1 粗骨料的物理性能

1.2 再生混凝土配合比

以配制出實際強度達C30的再生混凝土為目標,參照相關(guān)規(guī)程[7-9]進行配合比設(shè)計,所用配合比及其相應(yīng)的抗壓強度和彈性模量見表2. 其中, NC表示普通混凝土； RAC表示再生粗骨料取代率為70%的再生混凝土. 礦物摻合料分為粉煤灰單摻和粉煤灰加礦渣復(fù)摻,其中RAC-F30表示粉煤灰取代30%質(zhì)量水泥,RAC-F15-S15表示粉煤灰和礦渣按照1∶1比例進行復(fù)摻分別取代15%質(zhì)量水泥,其余同理.

表2 混凝土配合比和基本力學性能

續(xù)表2

注：p28 d表示28 d立方體抗壓強度；p1 d表示1 d劈裂抗拉強度；E28 d表示28 d彈性模量

1.3 再生混凝土基本力學性能試驗和拉伸徐變試驗

拉伸徐變試驗采用100 mm×100 mm×400 mm棱柱體試件. 試件澆筑成型后在標準養(yǎng)護室內(nèi)養(yǎng)護至1 d前脫膜、處理并在1 d時在恒溫恒濕實驗室內(nèi)(溫度為20±2 ℃,濕度為60%±5%)進行拉伸試驗. 鑒于混凝土同時產(chǎn)生徐變與收縮,試驗時同時澆筑對照收縮試件,在數(shù)據(jù)處理時將拉伸徐變試驗測得的變形扣除對照試件收縮變形得到徐變變形. 為同時得到再生混凝土的基本徐變和干燥徐變,一套拉伸裝置中同時含密封和不密封試件,密封試件表面涂蠟并包塑料薄膜保證試件試驗過程中與外界環(huán)境無水分交換,不密封試件則不處理. 將不密封試件測得的總徐變變形扣除密封試件測得的基本徐變變形即為干燥徐變變形.

根據(jù)文獻[10]設(shè)計拉伸徐變裝置如圖2,底座為U型槽鋼,兩端設(shè)有鋼支座,混凝土試件通過萬向軸承和桿件連接,通過桿件端部螺栓的旋緊對混凝土試件進行拉伸加載. 試驗前測得各組混凝土立方體劈裂抗拉強度,通過拉壓力傳感器控制每組試件的持荷應(yīng)力比(施加拉應(yīng)力/混凝土極限拉應(yīng)力)為30%. 采用電阻應(yīng)變片貼于試件兩個側(cè)面中部測量試件應(yīng)變. 在拉伸過程中定期對試件持荷狀況進行檢查、調(diào)整. 將徐變值換算成徐變度以便進行對比：

(1)

式中：εc(t,t0)為混凝土由t0加載至t的徐變應(yīng)變；σ0為混凝土t0時持荷應(yīng)力；Csp(t,t0)為混凝土徐變度.

圖2 混凝土單軸拉伸徐變試驗裝置Fig.2 Uniaxial tensile creep test apparatus

2 拉伸徐變試驗結(jié)果分析

2.1 再生粗骨料對再生混凝土拉伸徐變的影響

用再生粗骨料取代70%天然粗骨料對再生混凝土拉伸徐變的影響見圖3,可見再生混凝土與普通混凝土的拉伸徐變性能相似,早期發(fā)展迅速后期發(fā)展緩慢. 普通混凝土和再生混凝土3 d時分別達到14 d拉伸總徐變的89%和86%,說明混凝土早齡期拉伸徐變大部分是在加載后3 d內(nèi)發(fā)展的. 到7 d時混凝土的拉伸徐變曲線基本趨于平緩.

70%再生粗骨料對再生混凝土各類拉伸徐變的影響規(guī)律一致,均導(dǎo)致再生混凝土拉伸徐變增加. 相較于普通混凝土,7 d時再生混凝土拉伸總徐變、基本徐變和干燥徐變分別增加7.3%、9.1%和6.0%,14 d則分別增加8%、5.9%和9.4%. 原因在于再生粗骨料表面一般附著30%～35%的老砂漿[11],用再生粗骨料取代天然粗骨料會導(dǎo)致混凝土組分中砂漿含量的增加和天然粗骨料的減少,而混凝土中的徐變是因砂漿流動產(chǎn)生并由天然粗骨料抑制的[12],因此再生混凝土拉伸徐變變大. 此外,再生粗骨料在加工過程中舊界面和附著的舊砂漿受到損傷,形成的新界面易因舊砂漿的影響更為薄弱[13],這也會導(dǎo)致其拉伸徐變變形增大.

圖3 粗骨料對再生混凝土拉伸徐變的影響Fig.3 Influence of coarse aggregate on tensile creep of recycled concrete

2.2 單摻粉煤灰對再生混凝土拉伸徐變的影響

單摻粉煤灰對再生混凝土拉伸徐變的影響見圖4,可見粉煤灰對再生混凝土各類拉伸徐變的影響規(guī)律一致,單摻粉煤灰引起再生混凝土各類拉伸徐變的增加,且粉煤灰摻量越大拉伸徐變增幅越大. 相較于未摻礦物摻合料再生混凝土組,14 d時30%、40%、50%、60%粉煤灰摻量的再生混凝土的拉伸總徐變分別增加8.5%、19.4%、27.0%、32.5%,基本徐變分別增加7.2%、21.7%、26.0%、31.4%,干燥徐變則分別增加7.9%、17.9%、27.7%、34.8%. 原因在于粉煤灰活性低于水泥,摻入粉煤灰導(dǎo)致混凝土早期水化反應(yīng)少,強度形成慢,在早齡期加載時無法有效抵抗拉伸變形,因此粉煤灰摻量越大拉伸徐變越大.

圖4 單摻粉煤灰對再生混凝土拉伸徐變的影響Fig.4 Influence of fly ash on tensile creep of recycled concrete

2.3 復(fù)摻粉煤灰加礦渣對再生混凝土拉伸徐變的影響

復(fù)摻粉煤灰加礦渣對再生混凝土拉伸徐變的影響見圖5. 可見復(fù)摻粉煤灰加礦渣對再生混凝土各類拉伸徐變的影響規(guī)律基本一致,隨粉煤灰加礦渣復(fù)摻量的增加再生混凝土各類拉伸徐變增加. 相較于未摻礦物摻合料再生混凝土組,14 d時30%、40%、50%、60%粉煤灰加礦渣復(fù)摻量的再生混凝土的拉伸總徐變分別增加2.6%、3.2%、17.1%、21.7%,基本徐變分別增加1.9%、5.2%、19.3%、21.1%,干燥徐變則分別增加3.5%、1.9%、15.5%、22.6%.

圖5 復(fù)摻粉煤灰加礦渣對再生混凝土拉伸徐變的影響Fig.5 Influence of combined addition of fly ash and slag on tensile creep of recycled concrete

項目徐變增幅對比總徐變基本徐變干燥徐變單摻粉煤灰8.5%～32.5%7.2%～31.4%7.9%～34.8%復(fù)摻粉煤灰加礦渣2.6%～21.7%1.9%～21.1%3.5%～22.6%

復(fù)摻粉煤灰加礦渣再生混凝土拉伸徐變增幅與單摻粉煤灰組對比見表3,可見復(fù)摻粉煤灰加礦渣的拉伸徐變增幅較小. 原因在于粉煤灰加礦渣復(fù)摻使不同粒徑分布的粉煤灰、礦渣和水泥互相填充,形成更為密實的結(jié)構(gòu)[14]. 此外,礦渣活性高于粉煤灰,早期水化反應(yīng)較快,故其早期強度發(fā)展快于單摻粉煤灰,從而較單摻粉煤灰組復(fù)摻粉煤灰加礦渣在拉伸荷載作用下拉伸徐變降低. 30%、40%復(fù)摻組拉伸徐變增幅明顯小于50%、60%復(fù)摻組且較接近普通混凝土,說明40%以內(nèi)的復(fù)摻有利于形成更為密實的再生混凝土結(jié)構(gòu),更為有效抵抗混凝土拉伸.

3 結(jié)論

1) 再生混凝土與普通混凝土的拉伸徐變性能相似,早期發(fā)展迅速后期發(fā)展緩慢. 再生混凝土早齡期拉伸徐變大部分是在加載后3 d內(nèi)發(fā)展的,7 d時再生混凝土的拉伸徐變曲線基本趨于平緩.

2) 70%再生粗骨料對再生混凝土各類拉伸徐變的影響規(guī)律一致,均導(dǎo)致再生混凝土拉伸徐變增加. 相較于普通混凝土,14 d時再生混凝土拉伸總徐變、基本徐變和干燥徐變分別增加8.0%、5.9%和9.4%.

3) 單摻粉煤灰引起再生混凝土各類拉伸徐變的增加,且粉煤灰摻量越大拉伸徐變增幅越大. 相較于普通混凝土,14 d時30%～60%粉煤灰摻量的再生混凝土的拉伸總徐變增加了8.5%～32.5%.

4) 隨粉煤灰加礦渣復(fù)摻量的增加再生混凝土各類拉伸徐變增加. 相較于普通混凝土,14 d時30%～60%粉煤灰加礦渣復(fù)摻量的再生混凝土的拉伸總徐變增加了2.6%～21.7%. 對比單摻粉煤灰組,復(fù)摻粉煤灰加礦渣再生混凝土的拉伸徐變降低. 復(fù)摻40%以內(nèi)粉煤灰加礦渣的再生混凝土在受拉時徐變增幅較小.