復摻煅燒硅藻土的玻化微珠再生混凝土力學性能

宋 兵，孫 恒，潘林澤**，王 超***

(1.吉林化工學院 經(jīng)濟管理學院，吉林 吉林 132022；2.吉林供電公司 經(jīng)濟技術研究所，吉林 吉林 132000)

近年來，隨著建筑業(yè)的快速發(fā)展，在消耗大量天然砂石資源的同時，也產(chǎn)生了數(shù)億噸的建筑垃圾.如何有效實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，充分利用建筑垃圾，也是近年來國內外學者研究的熱點課題.玻化微珠再生混凝土是在再生混凝土中摻入一定的?；⒅槎纬傻男滦凸?jié)能保溫再生混凝土，可實現(xiàn)保溫節(jié)能與變廢為寶的初衷.宋雪嬌，胡忠君[1]研究發(fā)現(xiàn)當再生粗骨料取代率為100%、玻化微珠摻量為6%時，再生混凝土的抗壓強度為30.3 MPa，導熱系數(shù)為0.835 W·(m·K)-1.梁浩等[2]研究發(fā)現(xiàn)試件尺寸效應對?；⒅楸鼗炷恋目箟?、抗拉、抗折強度和彈性模量均有影響.游帆，鄭建嵐[3]通過調整?；⒅榛炷林械娜偕?、細骨料取代率對其導熱系數(shù)進行了研究，發(fā)現(xiàn)再生粗、細骨料可明顯降低?；⒅樵偕炷翆嵯禂?shù).

硅藻土作為一種硅質巖石，主要以SiO2為主，我國遠景儲量達20多億噸.周忠義，孫慶合等[4-5]進行了相關的試驗研究，他們的試驗方式是利用煅燒硅藻土的微集料效應以及火山灰效應在混凝土配置方面進行相關研究，不但取得了一定的研究成果，還為國內的硅藻土利用研究拓寬了視野.李佰壽，岳志鑫[6]進行了相關研究并得出如下結論：煅燒硅藻土摻量控制在3%以內，粉煤灰摻量為20%時，能夠提高再生混凝土的抗壓強度.

基于此，課題組提出將煅燒硅藻土取代部分水泥，復摻到?；⒅榛炷林校摶炷劣扇偕止橇辖M成，調整?；⒅楹挽褵柙逋恋膿搅浚⑶遗c普通混凝土做對比.對于上述兩相影響?；⒅榛炷列阅艿那闆r進行相關研究，參數(shù)主要包括軸心的抗壓強度、靜力受壓彈性模量、立方體抗壓強度以及劈裂抗拉強度等基本的力學性能數(shù)據(jù)，為下一步的相關研究及應用提供一定的理論基礎.

1 試 驗

1.1 試驗材料

(1)粉煤灰、水泥、煅燒硅藻土

試驗所選用的水泥品牌為吉林亞泰鼎鹿牌，具體型號為P.O42.5；粉煤灰是吉林延吉發(fā)電廠所生產(chǎn)的，級別是一級；煅燒硅藻土是吉林臨江天元催化劑有限公司所生產(chǎn)的，硅藻土的細度為325目，試驗用硅藻土經(jīng)過600～800℃煅燒和超細磨碎而形成的穩(wěn)定、有序微孔結構，其性能指標如表1所示.

表1 煅燒硅藻土性能指標

(2)玻化微珠

試驗所采用的?；⒅樯a(chǎn)廠家為凌海市龍巖建材廠.?；⒅橥ㄟ^1 200 ℃的高溫電爐進行相關加工，形成內部多孔、表面?；忾]的球狀體細徑顆粒，對其堆積密度進行了測試，試驗結果是128 kg·m-3，?；⒅榈恼w吸水率能夠達到48.3%，具體性能見表2.

表2 ?；⒅樾阅苤笜?/p>

(3)骨料

試驗所采用的再生粗骨料原試件均通過了延吉市質量檢測站的相關測試，強度都能夠達到C40標準.經(jīng)過人工破碎并進行篩分，所有的粗骨料粒徑為5～20 mm；細骨料是天然黃砂(中砂)，具體的性能指標見表3.

表3 骨料的物理性能指標

(4)減水劑和水

試驗所采用的減水劑由吉林延吉方勝建材有限公司所生產(chǎn)，為高性能減水劑母液，這種減水劑的含固量達到40%；試驗所采用的水是日常普通自來水.

1.2 試驗設計

控制粉煤灰摻量為20%，煅燒硅藻土摻量為0%～3%，再生粗骨料取代率為100%，?；⒅閾搅颗c混凝土的體積比分別為0%～120%，并配制一組普通混凝土做對比.考慮到在?；⒅樵偕炷林?，再生粗骨料與?；⒅轭w粒二者均具有明顯的吸水性，為避免二者吸收拌和水而降低混凝土的和易性，提前測定了二者不同摻量下所需的吸附水.

經(jīng)過適配調整，最終確定混凝土的單位用水量為165 kg·m-3，水膠比為0.35，砂率為40%，減水劑摻量為0.7%，配制的混凝土拌合物坍落度在200±10 mm左右.表4為RC-120-3至NC-0-0等7組混凝土的配合比設計情況.

表4 混凝土配合比設計 單位：kg·m-3

1.3 混凝土的生產(chǎn)、養(yǎng)護和性能檢測

本次試驗中，混凝土攪拌機選用HJW-100型攪拌機，混凝土攪拌過程如圖1所示.

圖1 ?；⒅榛炷恋臄嚢枇鞒?/p>

將配制生產(chǎn)好的?；⒅樵偕炷吝M行澆筑，測試立方體抗壓強度(fcu)、劈裂抗拉強度(fs)的試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，測試軸心抗壓強度(fc)、彈性模量(E)的試件尺寸為150 mm×150 mm×300 mm.試件在標準條件下養(yǎng)護7 d和28 d，性能測試按《普通混凝土力學性能試驗方法標準GB/T 50081—2002》[7]進行.

2 結果與分析

2.1 試驗結果

試驗測得的7組混凝土的坍落度與表觀密度如表5所示.立方體抗壓強度(fcu)、軸心抗壓強度(fc)、劈裂抗拉強度(fs)與彈性模量(E)如表6所示.

表5 混凝土的坍落度與表觀密度

表6 混凝土基本力學性能試驗結果

2.2 塑性狀態(tài)分析

混凝土拌合物及坍落度測量試驗如圖2、3所示，配制出的?；⒅樵偕炷脸尸F(xiàn)了較好的和易性.

圖2 混凝土拌合物

圖3 坍落度試驗

由表5中可以看出，玻化微珠再生混凝土的表觀密度隨著其顆粒摻量的提升而降低，這主要是由于玻化微珠顆粒密度低，隨著摻量的提升，混凝土單位體積內的占比增加，進而降低了混凝土的密度.當其摻量為120%時，混凝土表觀密度的降低幅度相比摻量為100%時變小，其原因在于?；⒅轭w粒摻量過大，一部分顆粒缺少水泥砂漿的包裹保護，在攪拌生產(chǎn)時被擠碎.還可以發(fā)現(xiàn)，當玻化微珠顆粒摻加量達到100%，該混凝土發(fā)生較大改變，其表觀密度降低為1 943.6 kg·m-3，與普通混凝土相比，降幅大約為22.9%，體現(xiàn)了輕骨料混凝土的一般特性.

2.3 抗壓強度

根據(jù)表6中所顯示的數(shù)據(jù)，不難發(fā)現(xiàn)，在試驗過程中，?；⒅樵偕炷恋酿B(yǎng)護時間由原來的7 d逐漸延長至28 d，該混凝土抗壓強度獲得較為明顯的增強.一是考慮再生骨料和?；⒅轭w粒的吸水特點，養(yǎng)護時間的增加對于二者所吸收的水分有一定的釋放作用，讓周圍的水泥水化過程非常充分，提升了整體的密實程度以及抗壓能力；二是由于試驗采用的硅藻土是325目細度的，對于宏觀裂縫有非常明顯的填充作用，并且與其中的氫氧化鈣溶液會發(fā)生一定的化學反應，最終生成鈣硅比比較低的C-S-H凝膠，對裂縫有一定的修復作用.而且在試驗過程中，還有一定量的粉煤灰復摻，二者發(fā)揮了火山灰效應和微集料效應[5]，對于抗壓能力也有進一步的提升.通過RC-0-3與RC-0-0和NC-0-0對比，也可見煅燒硅藻土和粉煤灰對?；⒅樵偕炷恋母男孕Ч?100%再生粗骨料取代率的RC-0-3，其28d抗壓強度較NC-0-0降低了7.4%，仍達到了C40混凝土強度等級標準，而相比RC-0-0，其抗壓強度提高了9%，效果比較明顯；?；⒅樵偕炷恋膄cu值與fc值均隨著?；⒅轭w粒含量由0～120%的提升而降低，其原因在于隨著混凝土中顆粒含量逐漸增加，其分布密度也隨之升高，會有貫通通道在不同的玻化微珠顆粒之間形成，這會促使混凝土的抗壓能力降低[8]；當?；⒅轭w粒的摻加量為100%時，再生混凝土的fcu值為32.55 MPa，仍能滿足C30混凝土的強度等級要求.

7組混凝土的fc值隨著fcu值的增加而增加.其中RC-60-3、RC-80-3、RC-100-3、RC-120-3的fc與fcu的比值在0.80～0.83之間，與NC-0-0(0.76)和RC-0-3(0.77)相比，該比值明顯更高.這是因為?；⒅轭w粒的摻加，導致混凝土的密實度降低，在軸壓荷載作用下，玻化微珠再生混凝土試件的環(huán)箍效應較普通混凝土和普通再生混凝土相比減弱，致使抗壓能力提升不顯著，且隨著顆粒摻量的增加，fc與fcu的比值逐漸增大.

由表6的試驗數(shù)據(jù)分析，得到?；⒅榛炷恋膄c與fcu的線性關系，如圖4所示.

fc=0.6916fcu+3.9734.

(1)

通過坐標原點的關系式為：

fc=0.81fcu.

(2)

試驗的結果基本與文獻[9]所闡述的結果一致.也就證明：玻化微珠再生混凝土采用文獻[10]的規(guī)定來計算具有較高的安全性.

立方體抗壓強度/MPa圖4 ?；⒅樵偕炷羏c與fcu關系

2.4 劈裂抗拉強度

圖5和圖6分別為幾組再生混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度，由圖可見，隨著?；⒅閾搅康脑黾?，再生混凝土的劈裂抗拉強度與抗壓強度呈下降趨勢.與RC-0-3相比，?；⒅閾搅繛?0%、80%、100%和120%時，抗壓強度依次降低了11.9%、15.7%、19.9%、31%，而劈拉強度分別降低了14.5%、20.6%、28%、40.9%，降低幅度更加明顯.主要原因在于玻化微珠體積摻量增大后，由于其自身的多孔特性，使得混凝土密實度降低，內部孔隙率增大，在單軸荷載作用下，容易形成應力集中，并且伴隨?；⒅轶w積摻量的增大，應力集中現(xiàn)象愈發(fā)明顯，最終導致劈拉強度明顯降低.

試件編號圖5 再生混凝土立方體抗壓強度

試件編號圖6 再生混凝土劈裂抗拉強度

2.5 靜力受壓彈性模量

根據(jù)圖7所顯示的結果，不難發(fā)現(xiàn)，在混凝土中加大?；⒅榈膿饺肓?，并且從0加到120%的過程中，再生混凝土的彈性模量一直在降低，與NC-0-0相比，RC-0-0降低了13.2%，RC-0-3僅降低8.9%，并不明顯，這與二者抗壓強度對比得出的結論相吻合，再次證實了煅燒硅藻土對再生混凝土的改性效果.而RC-60-3、RC-80-3、RC-100-3、RC-120-3分別降低了19.6%、23%、28.5%、32.8%.產(chǎn)生這種結果的原因是?；⒅轭w粒整體結構為多孔的圓形結構，在混凝土中加入越多的?；⒅?，整體的孔隙率越高，相比于同強度的普通混凝土，剛度變小、脆性降低、塑性較好.

試件編號圖7 各組試件的靜力受壓彈性模量

3 結 論

通過在全再生粗骨料混凝土中加入20%的粉煤灰、0%～3%的煅燒硅藻土以及0%～120%的?；⒅椋瑢ο嚓P的試驗數(shù)據(jù)進行測驗，主要包括軸心抗壓強度、立方體抗壓強度、劈拉強度、彈性模量等基本的力學性能數(shù)據(jù).并對相關數(shù)據(jù)與普通混凝土之間的差異進行了對比分析，最終得出如下的試驗結論：

(1)復摻煅燒硅藻土能有效填充再生粗骨料自身存在的宏觀裂縫，并與粉煤灰共同發(fā)生一定的作用效果，主要包括兩個方面的作用，一方面是微集料作用，另一方面是火山灰作用，進而提升?；⒅樵偕炷恋恼w抗壓能力，RC-0-3與RC-0-0相比，28 d的立方體抗壓強度提高了9%.

(2)隨著?；⒅閾搅康脑黾樱偕炷恋谋碛^密度、抗壓強度、劈裂抗拉強度與彈性模量均呈下降趨勢.當再生混凝土中玻化微珠摻加量為100%，煅燒硅藻土摻量為3%時，其立方體抗壓強度為32.55 MPa，仍能滿足C30混凝土的強度要求，而其表觀密度僅為1 943.6 kg·m-3，較普通混凝土約降低22.9%.

(3)隨著?；⒅閾郊恿康脑黾?，混凝土fc與fcu的比值增大.通過對試驗數(shù)據(jù)的分析，得出?；⒅樵偕炷羏c與fcu的線性關系式：fc=0.81fcu.試驗結果證明?；⒅樵偕炷敛捎孟嚓P的設計規(guī)程計算的軸心抗壓強度具有較高的安全性.