石粉對機(jī)制砂再生混凝土性能的影響研究

龐建榮，李文杰，張 鑫，宋朝奇，李世尚

(滄州交通學(xué)院，河北 滄州 061100)

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

原材料主要包括再生混凝土、機(jī)制砂、石粉、水泥、石子和水等。其中，再生混凝土取料于城市堆積的建筑廢料，對建筑廢料進(jìn)行破碎后，進(jìn)行人工清洗篩分備用。再生粗骨料需要滿足最大粒徑為40 mm、針片狀顆粒含量小于15%，物理性質(zhì)要滿足國標(biāo)要求。機(jī)制砂是將天然石材經(jīng)過人工破碎后得到的，經(jīng)試驗(yàn)測得其細(xì)度模數(shù)為3.0，屬中砂，顆粒級配屬于Ⅱ區(qū)。對所得機(jī)制砂進(jìn)行篩分，選擇級配好的，經(jīng)人工清洗曬干后使用。石粉為機(jī)制砂生產(chǎn)過程中的工業(yè)廢料，其主要成分與母巖相似。實(shí)驗(yàn)使用的石粉為6%、12%和18%的三種添加量。水泥選用C30硅酸鹽水泥。

1.2 試驗(yàn)方法

測定所用材料的物理性能，確定石子和再生混凝土骨料的最大粒徑、含水率、吸水率、壓碎指標(biāo)及表觀密度。測定機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)、顆粒級配、表觀密度和含泥量。計(jì)算不同石粉含量混凝土的配合比。由于再生混凝土骨料的孔隙率和吸水率都比天然骨料要高，且再生骨料的原材料強(qiáng)度不同，破碎工藝不同，用普通的公式計(jì)算無法滿足要求。目前，比較受認(rèn)可的計(jì)算再生混凝土配合比的方法是：在滿足混凝土和易性、強(qiáng)度要求、耐久性等條件的前提下，參照Bolomey公式，進(jìn)行各組成材料基本用量的計(jì)算，再采用附加用水量的方法對混凝土的配合比進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，得到最終配合比。

采用正交試驗(yàn)方法，試驗(yàn)因子分別為A細(xì)骨料替代率，B粗骨料替代率，C石粉摻量，D水膠比，E混凝土等級，水平數(shù)為3個(gè)。利用矩陣分析方法將各個(gè)因素的水平、對試驗(yàn)指標(biāo)的影響用權(quán)重來表示，從而確定影響因素的主次順序和最優(yōu)方案。根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析，不僅可以得出每個(gè)因素的最優(yōu)水平，還可得到各個(gè)因素對整體指標(biāo)影響的主次順序。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，制備150 mm×150 mm×150 mm的立方體試塊，根據(jù)試驗(yàn)操作規(guī)程測定混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉性能。

實(shí)驗(yàn)需要利用坍落度筒、搗棒、鋼尺等工具測試新拌混凝土的坍落度、擴(kuò)展度，以研究其工作性能。利用 NYL-2000型壓力機(jī)測試并記錄試塊抗壓強(qiáng)度來研究其力學(xué)性能。采用無損檢測方法，利用 NM-4A 非金屬超聲檢測分析儀測試試塊的動彈性模量變化來研究試塊的損傷程度。對各個(gè)齡期的混凝土進(jìn)行質(zhì)量稱量?；炷翑嚢柰瓿珊?，制成標(biāo)準(zhǔn)試件并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)28 d后，使試塊的強(qiáng)度達(dá)到要求，再進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)并做記錄。

2 石粉對機(jī)制砂再生混凝土性能的影響

2.1 石粉摻量對機(jī)制砂再生混凝土工作性能的影響

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，當(dāng)石粉含量為12%時(shí)，混凝土工作性能最佳，含量增加或減少，混凝土工作性能都隨之降低。這主要是因?yàn)槭鄣谋缺砻娣e較小，可以填充混凝土漿體的空隙，使粗細(xì)骨料之間的碰撞減小，從而在很大的程度上有效改善了混凝土拌和物的和易性。石粉作用效果的大小受機(jī)制砂含量、再生骨料添加率、水膠比等影響，通過實(shí)驗(yàn)分析，水膠比影響比重最大。石粉的加入，降低了混凝土拌和物的坍落度，增加了拌和物的黏聚性。

2.2 石粉摻量對機(jī)制砂再生混凝土抗壓性能的影響

試件的受壓破壞過程實(shí)際上是裂縫從產(chǎn)生、擴(kuò)展一直到貫穿的整個(gè)過程。裂縫先從粗骨料和水泥石中間產(chǎn)生，再不斷蔓延?；炷恋目箟簭?qiáng)度作為混凝土強(qiáng)度質(zhì)量的評價(jià)指標(biāo)，十分重要，主要受水泥強(qiáng)度和水膠比的影響，石粉摻量可以提高抗壓強(qiáng)度，但提高的幅度不同，總體呈先增加后降低的趨勢。實(shí)驗(yàn)中，石粉摻量在0%～12%，混凝土立方體的抗壓強(qiáng)度均隨石粉含量的增加而提高；大于12%后，會呈現(xiàn)出隨石粉含量的增加而降低的趨勢。當(dāng)石粉含量為12%時(shí)，混凝土強(qiáng)度達(dá)到最優(yōu)，隨再生粗骨料取代率增加，混凝土抗壓強(qiáng)度會出現(xiàn)先下降后增加且都小于無取代率時(shí)的抗壓強(qiáng)度，當(dāng)取代率為60%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到最小值，取代率為90%時(shí)，會達(dá)到比較大的值。因此隨著混凝土強(qiáng)度的增加，再生混凝土的替代率也會隨之有較明顯的上升趨勢，這是增加再生混凝土替代率的一種方法，摻雜再生混凝土新構(gòu)件的強(qiáng)度不會下降。

出現(xiàn)以上情況的原因是石粉在水泥的水化反應(yīng)中發(fā)生了填充效應(yīng)，使混凝土更密實(shí)，以提高混凝土強(qiáng)度。但當(dāng)石粉含量超過12%時(shí)，會出現(xiàn)較多的負(fù)面作用，造成需水量增多，混凝土拌和物的和易性差，均勻性和密實(shí)度降低，這些情況會使混凝土抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)下降的趨勢。

2.3 石粉含量對機(jī)制砂再生混凝土抗劈裂性能的影響

石粉摻量的添加在總體上來說，提高了劈裂抗拉的強(qiáng)度，但是這個(gè)幅度會隨著摻量的不同而發(fā)生不同的變化，它會與普通混凝土一樣經(jīng)歷彈性階段、彈塑性階段與破壞性階段?；炷恋呐芽估瓘?qiáng)度會比混凝土抗壓強(qiáng)度的值小，這個(gè)值一般為抗壓強(qiáng)度的1/5～1/10。石粉摻量在0%～12%時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度會隨石粉含量的增加而有所提高；當(dāng)大于12%后，隨石粉含量的增加，劈裂抗拉強(qiáng)度會有不同程度的降低。不論粗骨料取代率是多少，石粉含量為12%時(shí)，混凝土強(qiáng)度均達(dá)到最優(yōu)值。

應(yīng)適量地增加石粉，因?yàn)槠漕w粒較小，有包裹粗骨料的效果，可有效提高粗骨料與水泥之間的黏結(jié)強(qiáng)度，使抗拉強(qiáng)度提高。如果石粉摻量超過12%，那么劈裂抗拉強(qiáng)度就會隨著石粉摻量的增加出現(xiàn)下降趨勢。粗骨料的制備所產(chǎn)生的骨料強(qiáng)度有所不同，使得混凝土強(qiáng)度有變動。實(shí)驗(yàn)采用同一強(qiáng)度的混凝土材料破碎后作為骨料，但由于破碎工藝的問題，導(dǎo)致材料強(qiáng)度不均，此問題有待解決。經(jīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，隨著再生骨料強(qiáng)度提高，混凝土強(qiáng)度也會隨之增大，可以通過改善再生骨料的破碎工藝來保證再生骨料的強(qiáng)度。

3 結(jié)論

通過正交試驗(yàn)并結(jié)合矩陣分析，得出原材料對機(jī)制砂再生混凝土強(qiáng)度影響的重要度依次為水膠比>石粉摻量>再生骨料替代率>機(jī)制砂替代率。要想增加石粉的摻量，就要配置合理的水膠比。石粉摻量為12%時(shí)，可以使機(jī)制砂、再生混凝土、抗壓強(qiáng)度和抗劈裂強(qiáng)度都達(dá)到最優(yōu)的工作狀態(tài)。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到，再生混凝土粗骨料取代率達(dá)到90%時(shí)，抗壓強(qiáng)度和抗劈裂強(qiáng)度均達(dá)到最大值。