再生砂超高性能混凝土力學性能研究

葛曉麗, 褚洪巖

(1.江蘇省建筑工程質量檢測中心有限公司, 江蘇 南京 210028; 2.南京林業(yè)大學 土木工程學院, 江蘇 南京 210037)

作為一種新型建筑材料,超高性能混凝土(UHPC)具有超高的力學性能和優(yōu)良的耐久性能[1].然而,在UHPC制備過程中需要消耗大量自然資源并產生非常多的溫室氣體,對人類賴以生存的自然環(huán)境具有破壞作用.天然砂需要幾千年的自然風化才能形成,并且絕大多數(shù)天然砂都被用于制備土木工程材料[2].隨著社會的發(fā)展,所需的土木工程材料越來越多,導致天然砂資源進一步枯竭.采用再生砂替代天然河砂或者石英砂來制備環(huán)保型UHPC,不僅可以降低UHPC的生產成本,減少天然砂的使用,還能化廢為材,減輕城市固體廢棄物的污染.從2018年上半年開始,由于國家限制天然砂開采、打擊非法采砂、加強環(huán)保督查等多重因素影響,導致中國大部分地區(qū)天然砂供不應求,天然砂價格持續(xù)高漲,有些地方甚至出現(xiàn)了無砂可供的情況.近年來,隨著中國城鎮(zhèn)化進程的推進,在新建、改建、擴建和拆除過程中,產生了大量的建筑垃圾.2017年中國建筑垃圾總量就達到了23.8億t,預計到2020年建筑垃圾將超過26億t,而目前中國建筑垃圾的利用率不到5%,遠低于日本、德國等國家[3].因此,將建筑垃圾制成再生砂,變成制備UHPC的原材料,不僅能實現(xiàn)建筑垃圾的資源化利用,而且能起到變廢為寶、節(jié)能減排作用,具有巨大的社會效益、自然環(huán)境效益和經濟效益.

目前,關于采用再生砂制備普通再生混凝土已有大量的研究報道.如李美艷[4]發(fā)現(xiàn)采用顆粒整形再生砂制備的再生混凝土具有較為良好的工作性能、力學性能、收縮性能、抗碳化能力.古松[5]采用正交試驗發(fā)現(xiàn)隨著再生砂替代率的增大,再生混凝土的強度呈現(xiàn)下降趨勢.陳遠遠[6]指出,當水灰比和再生砂摻量固定時,隨著再生砂濕度的增大(從烘干到氣干再到飽和面干),再生混凝土的界面過渡區(qū)逐漸變得致密,界面結構性能得到提高.胡飛佳[7]指出,再生混凝土的力學性能隨著水灰比的增大而降低.劉曉冬[8]的研究結果表明,砂率對再生骨料透水混凝土的強度影響較大,且存在一個最佳砂率.趙偉[9]通過對配合比的優(yōu)化,實現(xiàn)了再生混凝土的高強化(C60以上),并且對此類再生混凝土進行了力學性能和耐久性能研究.Kumar等[10]研究發(fā)現(xiàn),如果再生砂替代率低于20%,則再生混凝土工作性能基本不受影響.Xiao等[11]研究表明,如果再生砂替代率為100%,將導致再生混凝土的彈性模量降低45%.上述研究表明,目前可以用再生砂制備普通混凝土、高強和高性能混凝土,但是這些混凝土的強度依然較低(小于80MPa).此外,尚未看到用再生砂制備UHPC的報道,能否用再生砂制備UHPC尚不明確,對于再生砂UHPC的相關力學性能研究也非常匱乏.

本文主要探究用再生砂制備UHPC的可行性.首先,設計出采用天然河砂制備的28d抗壓強度在160MPa以上的普通UHPC;其次,以20%、40%、60%、80%、100%這5種再生砂替代率注本文涉及的替代率、含量和比值等除特別指明外均為質量分數(shù)或質量比.為變化參數(shù),對比研究普通UHPC和再生砂UHPC的力學性能,主要包括抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度、彈性模量;最后,探究再生砂UHPC的孔隙率和孔徑分布情況.本文的研究結果可為再生砂的進一步推廣應用提供基礎數(shù)據(jù).

1 試驗

1.1 試驗材料

膠凝材料：小野田P·Ⅱ 52.5水泥、?？衔⒓毠杌液椭楹Ｃ骰茛窦壏勖夯?減水劑：江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產的固含量為40%的減水劑,其減水率大于33%.細骨料：天然河砂,細度模數(shù)2.68,表觀密度2642kg/m3;對比試驗采用的再生砂來自中等強度等級(C35)的道路混凝土,其細度模數(shù)2.62,表觀密度2586kg/m3.鋼纖維：?？瞎旧a的平直鋼纖維,直徑0.20mm,長度13.0mm.

1.2 試驗配合比

本研究采用的配合比如表1所示.其中編號UR0代表再生砂替代率為0%的普通UHPC(對照組);UR20、UR40、UR60、UR80、UR100分別表示再生砂替代率為20%、40%、60%、80%和100%的再生砂UHPC.為了保證不同種類UHPC的工作性能一致,調整減水劑摻量,使其坍落擴展度基本相同,達到(550±10)mm.

普通UHPC和再生砂UHPC的制備工藝步驟為：(1)將水泥、硅灰、粉煤灰一起混合攪拌3min;(2)加入細集料(天然河砂和再生砂),繼續(xù)攪拌4min;(3)將減水劑加入3/4的水中,用玻璃棒攪拌均勻,然后加入上一步驟得到的混合物中,繼續(xù)攪拌3min;(4)將剩余的水首先沖洗盛減水劑的容器和玻璃棒,然后全部加入步驟(3)得到的混合物中,繼續(xù)攪拌5min;(5)均勻加入鋼纖維,再繼續(xù)攪拌5min.

根據(jù)表1所示的配合比,采用上述制備工藝,制備尺寸分別為100mm×100mm×100mm、100mm×100mm×400mm、100mm×100mm×300mm的普通及再生砂UHPC試件.試件制作完成后,在室內自然養(yǎng)護1d后拆模,放入養(yǎng)護溫度為(21±1)℃、相對濕度不小于95%的養(yǎng)護室內標準養(yǎng)護至28d.

1.3 試驗方法

不同種類UHPC的28d抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度和彈性模量試驗均參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》執(zhí)行.其中抗壓強度和劈裂抗拉強度試驗采用100mm×100mm×100mm立方體試件;抗折強度試驗采用100mm×100mm×400mm棱柱體試件;彈性模量試驗采用100mm×100mm×300mm棱柱體試件.采用Micromeritics Ⅳ-9510壓汞儀測量不同種類UHPC的孔隙率和孔徑分布.

2 試驗結果與分析

2.1 抗壓強度

圖1為UHPC的抗壓強度隨再生砂替代率變化的情況.由圖1可以看出,隨著再生砂替代率的增加,UHPC的抗壓強度呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢,這與Verma等[12]的研究結果一致.UR0、UR20、UR40、UR60、UR80、UR100的抗壓強度分別為167.12、170.18、173.74、170.26、167.69、163.75MPa,表明當再生砂替代率分別為20%、40%、60%時,再生砂UHPC的抗壓強度分別比對照組提高1.83%、3.96%、1.88%;當再生砂替代率為100%時,再生砂UHPC的抗壓強度略低于對照組.顯然，就再生砂UHPC的抗壓強度而言,再生砂的最優(yōu)替代率為40%.由于UHPC內含水量非常低,UHPC的抗壓強度主要取決于其內部集料和膠凝材料的堆積密度.Jiang等[13]研究表明,當天然砂被比其細度模數(shù)更小的風積沙替代時,UHPC的堆積密度在一定范圍內是增大的.同理,本研究所用再生砂的細度模數(shù)略低于天然河砂,所以當再生砂的替代率較低時能提高UHPC的堆積密度,從而使其抗壓強度增大.此外,與天然河砂相比,再生砂的表面更加粗糙,可以在一定程度上提高再生砂UHPC中骨料與水泥漿體的黏結力,從而提高其抗壓強度.

圖1 不同種類UHPC的抗壓強度Fig.1 Compressive strength of different kinds of UHPC

2.2 抗折強度

圖2為UHPC的抗折強度隨再生砂替代率變化的情況.由圖2可以看出,與UHPC的抗壓強度變化規(guī)律一致,隨著再生砂替代率的增大,UHPC的抗折強度也表現(xiàn)出先增大后減少的趨勢.UR0、UR20、UR40、UR60、UR80、UR100的抗折強度分別為17.23、18.22、18.73、19.45、17.89、17.38MPa,表明不管再生砂的替代率為多少,再生砂UHPC的抗折強度均高于對照組.對再生砂UHPC的抗折強度而言,再生砂的最優(yōu)替代率為60%,此時再生砂UHPC的抗折強度比對照組提高12.88%.

圖2 不同種類UHPC的抗折強度Fig.2 Flexural strength of different kinds of UHPC

2.3 劈裂抗拉強度

圖3為UHPC的劈裂抗拉強度隨再生砂替代率變化的情況.由圖3可以看出,與UHPC的抗壓強度、抗折強度變化規(guī)律一致,隨著再生砂替代率的增大,UHPC的劈裂抗拉強度也表現(xiàn)出先增大后減少的趨勢.UR0、UR20、UR40、UR60、UR80、UR100的劈裂抗拉強度分別為11.24、12.00、12.11、12.17、11.35、10.97MPa,表明當再生砂替代率低于80%時,再生砂UHPC的劈裂抗拉強度高于對照組;當再生砂替代率為100%時,再生砂UHPC的劈裂抗拉強度低于對照組.就再生砂UHPC的劈裂抗拉強度而言,再生砂的最優(yōu)替代率為60%,此時再生砂UHPC的劈裂抗拉強度比對照組提高8.27%.

圖3 不同種類UHPC的劈裂抗拉強度Fig.3 Splitting tensile strength of different kinds of UHPC

Wang等[14]研究表明,再生砂混凝土的抗折強度、劈裂抗拉強度取決于混凝土中的新砂漿強度、再生骨料自身強度以及二者的黏結強度.Zhao等[15]研究發(fā)現(xiàn),再生骨料上舊砂漿與混凝土中新砂漿的黏結強度高于骨料與混凝土中新砂漿的黏結強度.因此,摻入再生砂能夠提高再生砂混凝土的抗折強度和劈裂抗拉強度.從圖2和圖3可以看出,本文的試驗結果與Zhao等[15]研究結果一致.

2.4 彈性模量

圖4為UHPC的彈性模量隨再生砂替代率變化的情況.由圖4可以看出,與UHPC的抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度變化規(guī)律一致,隨著再生砂替代率的增大,UHPC的彈性模量同樣表現(xiàn)出先增大后減少的趨勢.UR0、UR20、UR40、UR60、UR80、UR100的彈性模量分別為47.94、48.15、48.83、50.65、46.78、44.37GPa,表明當再生砂替代率低于60%時,再生砂UHPC的彈性模量高于對照組;當再生砂替代率高于80%時,再生砂UHPC的彈性模量低于對照組.就再生砂UHPC的彈性模量而言,再生砂的最優(yōu)替代率為60%,此時再生砂UHPC的彈性模量比對照組提高5.65%.混凝土所采用的骨料剛度和內部界面過渡區(qū)數(shù)量對其彈性模量影響較大[16].一般而言,再生砂的剛度低于天然河砂剛度,從這個角度出發(fā),摻入再生砂會導致UHPC的彈性模量降低.但是,Xu等[17]研究表明,由于再生砂具有較強的吸水性,從而能夠減小再生砂混凝土內部界面過渡區(qū)的數(shù)量和界面過渡區(qū)的寬度,因此摻入再生砂又會導致UHPC的彈性模量增大.由此可見,再生砂的摻加對UHPC的彈性模量具有雙重影響.

圖4 不同種類UHPC的彈性模量Fig.4 Elastic modulus of different kinds of UHPC

2.5 孔徑分布和孔隙率

圖5為UHPC的孔徑分布和孔隙率(體積分數(shù),下同)隨再生砂替代率變化的情況.由圖5(a)可以看出,在不同再生砂替代率下,再生砂UHPC的孔徑分布曲線變化趨勢基本保持一致,均呈現(xiàn)多峰狀.由圖5(b)可以看出,隨著再生砂替代率的增大,UHPC的孔隙率表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢.UR0、UR20、UR40、UR60、UR80、UR100的孔隙率分別為2.27%、2.22%、2.16%、2.13%、2.29%、2.32%,表明當再生砂替代率低于60%時,再生砂UHPC的孔隙率低于對照組;當再生砂替代率高于80%時,再生砂UHPC的孔隙率高于對照組,這與上述再生砂UHPC的各種力學性能先增大后減小的試驗結果基本相符.就再生砂UHPC的孔隙率而言,再生砂的最優(yōu)替代率為60%,此時再生砂UHPC的孔隙率比對照組減小6.17%.由于再生砂具有較強的吸水性,從而能夠減小再生砂混凝土內界面過渡區(qū)的數(shù)量和界面過渡區(qū)的寬度[17],因而能使再生砂UHPC的孔隙率降低.然而,當再生砂替代率超過80%后,由于再生砂自身包含的微裂紋過多,又會導致再生砂UHPC的孔隙率增大.

根據(jù)Meng等[18]的研究,混凝土內部的孔隙可分為凝膠孔(小于10nm)、毛細孔(10～5000nm)、大孔(大于5000nm),圖5(b)給出了上述3類孔在UHPC中的分布情況.在不同再生砂替代率下,UR0、UR20、UR40、UR60、UR80、UR100中的毛細孔占總孔隙率的比例分別為43.43%、44.54%、45.85%、48.15%、41.74%、40.13%,也就是說,隨著再生砂替代率的增加,再生砂UHPC中的毛細孔占比呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢.這表明由于再生砂的摻加,在一定程度上可以優(yōu)化UHPC的孔徑結構,這是導致再生砂UHPC各種力學強度增大的另一個原因.

圖5 不同種類再生砂UHPC的孔徑分布Fig.5 Pore size distribution and porosity of different kinds of UHPC

3 結論

(1)通過試驗研究,證明可以用再生砂制備UHPC.根據(jù)再生砂UHPC的各種力學性能試驗結果,再生砂在UHPC中的優(yōu)選替代率為40%～60%.

(2)當再生砂的替代率為60%時,再生砂UHPC具有較好的力學性能,其抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度和彈性模量依次為170.26、19.45、12.17MPa和50.65GPa,比再生砂替代率為0%的對照組分別提高了1.88%、12.88%、8.27%、5.65%.即使再生砂替代率為100%時,制備出的再生砂UHPC各項力學性能也與對照組的力學性能基本相當.

(3)隨著再生砂替代率的增加,再生砂UHPC中的毛細孔占比呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢,表明摻入再生砂可以在一定程度上優(yōu)化UHPC的孔徑結構.

(4)力學性能試驗結果證明,完全可以用再生砂制備UHPC.但是仍需要進一步研究再生砂UHPC的蠕變行為、傳輸行為和耐久性等,才能推動其在實際工程中的應用.