粉煤灰和硅粉对再生混凝土力学性能影响的试验研究.pdf

2 0 1 1年 第 1 2 期 (总 第 2 6 6期 ) Nu mb e r 1 2 i n2 0 1 1 ( T o t a l No 2 6 6 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AI AND ADM I NI CL E d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 1 2 0 1 6 粉煤灰和硅粉对再生混凝土力学性能影响的试验研究 王社 良，于洋 ，张博 ，赵昆 ，樊禹江 ( 西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 7 1 0 0 5 5 ) 摘要： 通过试验研究了粉煤灰掺量和硅粉掺量对再生混凝土力学性能的影响， 并初步探讨了其影响机理。 试验结果表明， 随着粉煤灰 掺量的增加， 再生混凝土抗压、 抗拉强度逐渐降低， 但对抗折强度影响不大， 粉煤灰再生混凝土早期强度增长速率较普通再生混凝土低。 硅粉的复合掺入， 使再生混凝土抗压强度、 抗折强度显著增长， 并提高了其早期强度增长速率， 但抗拉强度增长较为有限。 关键词： 粉煤灰；硅粉 ； 再生混凝土；强度 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 4 1 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 1 2 0 0 5 3 0 3 Ex pe r i me nt al s t ud y on i nf l ue nc e of mec ha ni c pr ope r t i es o f r ec y c l ed c on c r e t e by f l y a sh an d si l i c a f uma WA NGS h e - B a n g ， Y UY a n g ， Z HA NGB o ， Z HAOKu n ， F ANY u -j i a n g ( C o l l e g e o f Ci v i l a n dAr c h i t e c t u r eE n g i n e e r i n g ， Xi an Un i v e r s i t yo f Arc h i t e c t u r e a n dT e c h n o l o g y， Xi an 7 1 0 0 5 5 ， C h i n a ) Abs t r a e t ： Th e i n fl u e n c e o n me c h an i c p r o p e gi e s o f r e c y c l e d c o n c r e b y t h e c o n t e n t o fs i l i c a f u n l a and fl y a s h i S s t u d i e d An d t h e me c h ani s m o f a c t i o n i s r e s e a r c h e d a t t h e p r e l i mi n a r y s t e p T h e r e s u l t s s h o w t h a t ， wi th the i n c r e a s e i n t h e c o n t e n t o f n y a s h , t h e c o mp r e s s i v e s tr e n g t h and t e n s i l e s t r e n g t h o f r e c y c l e d c o n c r e t e g r a d u a l l y d e c r e a s e ， b u t i t h a s l i R l e e f f e c t o n the fl e x u r a l s t r e n g t h Gr o wt h r a t e o f e arl y s t r e n gth o f r e c y c l e d c o n c r e t e w i t h fl y a s h i s l o we r than n o r ma l r e c y c l e d c o n c r e t e C o mp o u n d mi x e d wi th s i l i c a f l l lT l a ， the c o mp r e s s i v e s tr e n g t h a n d f o l d i n g s t r e n gth o f r e c y c l e d c o n c r e o b v i o us l yi n c r e a s e d， a n di t s g r o wt h r a t eof e arl y s tre n g t hh a sb e e ni mp r o v e d， b u t theg r o wt ho f t e n s i l e s tre n g t hi s r e l a t i v e l yl i mi t e d Ke y wor d s： fl y a s h； s i l i c a f u ma ； r e c y c l e d c o n c r e t e ； s tre ng t h 0 引言 废弃混凝土块经过破碎， 清洗 ， 分级后， 按一定比例混合形 成再生粗骨料 ， 部分或全部替代天然骨料配制而成的新混凝土 称为再生混凝土( R A C) 1 。 由于再生混凝土在形成过程中的损 伤积累， 内部存在大量微细裂缝， 导致其力学性能和工作性能 等通常较同配合比的普通混凝土偏低2 3 。 为弥补缺陷， 本文通过掺加粉煤灰和硅粉对再生混凝土进行 改性。 由于这两种掺合料物理形态， 化学组成各不相同， 掺人混 凝土后各有不同表现。 粉煤灰的形貌效应、 填充效应等的作用可 改善混凝土的施工性能， 但由于粉煤灰活性较水泥低， 掺人混凝 土后往往导致早期强度过低。 硅粉的填充效应和水化作用能显 著提高混凝土强度， 但其极大的比表面积会吸附更多的拌和水 ， 易造成和易性降低嗍 。 而将两种活性矿物料复合掺人 ， 其作用效 果相互促进， 扬长避短 ， 将使再生混凝土性能得到很大的改善。 本文以这两种掺合料为试验对象， 研究了其取代率对再生混凝土力 学l生能的影响， 为再生混凝士应用推广， 提供了一定的理论参考。 1 试验设计 1 1 试验原材料 ( 1 ) 水泥： 秦岭牌 P 0 3 2 5 R级水泥。 ( 2 ) 拌和水： 普通自来水。 ( 3 ) 砂 ： 灞桥某砂场的河砂， 级配范围属 I I 区， 细度模数为 2 8 ， 表观密度为 2 6 1 0 k g r n ， 堆积密度为 1 5 7 5 k g m 。 ( 4 ) 天然粗骨料( NA) ： 天然碎石， 基本性能见表 1 。 ( 5 ) 再生粗骨料( R A) ： 西安市龙首村某拆迁建筑混凝土经 破碎分级后 ， 按一定 比例混合而成， 混凝土龄期 1 O年， 原始强 度 C 3 0 ， 基本性能见表 1 。 表 1 粗 骨料的基本性能 ( 6 ) 粉煤灰： 西安某厂生产的I I 级粉煤灰， 性能指标见表 2 。 表 2 粉煤灰性能指标 ( 7 ) 硅粉： 西安霖源微硅粉有限公司生产的S i O ： 含量为 9 0 硅粉， 化学成分见表 3 。 ( 8 ) 减水剂： 西安某厂生产的萘系高效减水剂， 性能指标见 表 4 。 收稿日期： 2 0 1 1 _ 0 6 一 l 7 基金项目：国家 自 然科学基金重大研究计划 ( 9 0 7 1 5 0 0 3 ) ； 国家 自然科学基金资助项 目( 1 0 9 7 2 1 6 8 ) ； 教育部高等学校博士学科点专项科研基金 ( 2 0 0 8 0 7 0 3 0 0 0 2 ， 2 0 0 9 6 1 2 0 1 2 0 0 0 5 ) ； 陕西省工业攻关项目( 2 0 0 8 1( 0 7 3 1 ) ； 陕西省重点实验室项目( 0 8 J Z 3 5 ， 0 9 J S 0 2 2 ) ； 国家重点实验室开放项目( 0 8 K F 0 2 ) ； 陕西省教育厅重点实验室访问学者项目( 0 9 J S 0 2 3 , 0 9 J S 0 2 4 ) ； 中国 煤炭地质总局航测遥感局科技创新基金； 陕西省社发攻关项目 ( 2 0 1 0 K 0 1 1 2 7 ) 5 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 3 硅粉化 学成分 表 6 掺加活性矿物料的再生混凝土力学性能试验结果 减水率 p H 密度l ( g e m ) 固体含量 含气量 8 6 1 1 7 6 3 1 7 6 2 5 1 7 _ 8 1 2试验 配合 比 本文以再生粗骨料取代率为 3 0 的再生混凝土为基准 ， 设 计强度 C 3 0 ， 分别进行了单掺粉煤灰( F A) 和掺加粉煤灰基础上 复掺硅粉( s F ) 两种试验。 粉煤灰掺入采用等量取代法， 硅粉掺 入采用内掺法 ， 即均为在不改变水胶比的前提下 ， 等量取代水 泥掺入， 其中粉煤灰掺量分别为 ： 1 5 、 2 0 、 2 5 ； 硅粉掺量分 别为： 4 、 6 、 8 、 1 0 。 为在水胶比不变的前提下保持混凝土 和易性， 复掺硅粉后需加入减水剂( P S ) ， 其掺量为胶凝材料用 量的 1 。 配合比设计依据 J G J 5 5 2 0 0 2 普通混凝土配合比设 计技术规程 ， 粉煤灰掺量依据 G B J 1 4 6 9 0 粉煤灰混凝土应 用技术规范 ， 硅粉掺量参照其厂家产品说明， 减水剂掺量依据 G B 5 0 1 1 9 _ - 2 o 0 3 混凝土外加剂应用技术规范 。 再生混凝土的 配合比见表 5 。 表 5 再生混凝土的配合比 注： R C表示普通再生混凝土； R F表示单掺粉煤灰后的再生混凝 土 ， R F 一 1 、 R F 2 、 R F 3 分别表示粉煤灰掺量为 1 5 、 2 0 、 2 5 的再生混 凝土； R F S表示复掺硅粉后的再生混凝土， R F S 1 、 R F S 2 、 R F S 一 3 、 R F S 一 4 分别表示硅粉复合掺量为4 、 6 、 8 、 1 0 的再生混凝土。 1 3 试件制作与试验方法 试件在实验室制作， 再生混凝土采用人工拌合 ， 振动台振 动成型， 在标准条件下养护至一定龄期后进行试验。 活性矿物料 掺入方法： 投入骨料， 随后投入活性矿物料、 水泥干拌后， 再加入 水和其他外加剂。 试件共 8 组 ， 每组三块， 其中 1 0 0 mmx l O 0 mr n x 1 0 0 a i m三组， 分别用于测定 7 、 2 8 d立方体抗压强度和劈裂抗拉 强度； 1 0 0n l n l x 1 0 0mmx 3 0 0 n l r n一组 ， 用于测定棱柱体抗压强 度； 1 0 0 m mx 1 0 0 mmx 4 0 0 mm一组， 用于测定抗折强度。 取每 组试件算术平均值为该组试件强度值， 若一组内最大值与最小值 差均超过 中间值 1 5 ，该试验结果无效。 力学性能试验依据 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 普通混凝土力学性能试验方法标准 进行。 2 试验结果与分析 2 1 力学试验结果 试验结果如表 6所示。 2 2 单掺粉煤灰对再生混凝土力学性能的影响 这部分试验以普通再生混凝土( R C) 为基准。 依据表 6 试验 结果绘制粉煤灰掺量与再生混凝土各项强度关系， 如图 1 。 5 4 4 0 日 3 5 室 3 0 番 2 5 20 15 O l 5 20 25 粉煤灰， 图 1 粉煤灰掺量与立方体抗压强度的关 系 40 3 5 营 3 0 2 5 0 粉煤灰 ， 粉煤灰掺 量与棱柱体抗压强度的关系 o 1 5 2 0 2 5 ，粉煤灰， 图 3 粉煤灰掺量与劈 裂抗拉强度的关 系 5 0 鬈 s 4 0 U l 5 2U 25 粉煤 灰 ， 图 4 粉煤灰掺 量与抗折强度 的关 系 如图 1 3 所示， 与基准再生混凝土相比， 粉煤灰掺量从 1 5 提高到 2 5 ， 再生混凝土 7 d立方体抗压强度分别降低了 l 1 和 2 2 ； 2 8 d 立方体抗压强度分别降低了 1 2 和 2 8 ； 棱柱体抗 压强度分别降低了 9 和2 3 ； 抗拉强度分别降低 O 3 和 1 0 ， 可见粉煤灰等量取代水泥掺入后 ， 再生混凝土抗压强度( 立方 体、 棱柱体抗压强度) 、 抗拉强度显著降低， 其降幅随粉煤灰掺 量增加逐渐增大， 原因是粉煤灰活性较水泥低， 掺入后使得水泥 在整个浆体中所占的比例下降， 延缓了整个体系的水化速度， 从 而造成早期再生混凝土强度较基准再生混凝土低。 粉煤灰掺量 分别为 1 5 、 2 0 、 2 5 的再生混凝土， 其 2 8 d 立方体抗压强度 较 7 d立方体抗压强度分别增长了 3 3 、 2 9 、 2 3 ， 而基准再生 2 2 m ， B d 姜 骠辑 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 混凝土此强度增幅为 3 5 ， 进一步说明粉煤灰取代水泥掺人 ， 延 缓了再生混凝土早期强度的增长。 如图4 所示 ， 粉煤灰取代水泥掺人后 ， 对再生混凝土抗折 强度影响不大， 这是因为粉煤灰的掺入虽然降低了水泥的水化 速度， 但由于粉煤灰中粒径很小的微珠和碎屑， 在水泥石中既 可以相当于未水化的水泥颗粒起到填充密实的作用 ， 又可以参 与水化反应， 可提高混凝土的匀质性、 致密性， 从而提高韧性。 2 3 复掺硅粉对再生混凝土力学性能的影响 这部分试验以粉煤灰掺量为 2 0 的再生混凝土( R F 2 ) 为基 准。 依据表 6试验结果绘制硅粉掺量与再生混凝土各项强度关 系， 如图 5 8 。 4 5 日40 三3 5 3 o 2 5 2 0 o 4 6 8 1 O 硅 粉 图 5 硅粉与立方体抗压强度的关系 硅粉 ， 图 6 硅粉与棱柱体抗压强度的关 系 3 5 善 警 -0 2 5 、 锚 骥 0 4 6 8 l 0 硅粉 ， 图 7 硅粉与劈裂抗拉强度的关系 硅粉 图 8 硅粉与抗折强度的关系 如图 5 、 6所示 ， 与基准再生混凝土( R F 一 2 ) 相比， 硅粉掺量 从 4 提高到 1 0 ， 再生混凝土 7 d立方体抗压强度分别增长 了3 和 2 6 ， 2 8 d 立方体强度分别增长了 9 和3 4 ， 棱柱体抗 压强度分别增长了 5 和 2 9 ， 可见硅粉复合掺人后 ， 再生混凝 土抗压强度显著提高， 其增幅随硅粉掺量增加逐渐增大， 原因主 要是硅粉可与水泥水化产生的 c a ( O H) 发生反应生成硅酸钙 ( c S H) 凝胶 ， 其强度要高于 C a ( O H ) 的强度 ， 同时在硅粉特 殊的形态效应等作用下， 再生混凝土的内部缺陷得到很大程度 上的弥补， 从而提高了再生混凝土的强度。 硅粉掺量分别为 4 、 6 、 8 、 1 0 的再生混凝土， 其2 8 d 立方体抗压强度较 7 d 立方体 抗压强度分别增长了3 1 、 3 1 、 3 3 、 3 7 ， 而基准再生混凝土 ( R F 一 2 ) 此强度增幅仅为 2 9 ， 说明硅粉的掺入， 提高了再生混 凝土早期强度增长速率，原因是硅粉活性较高可与水t _ J k 化产物 C a ( OH) 发生反应 ， C a ( O H) 不断被消耗同时又加快了水泥水化 的速率， 使得再生混凝土早期强度发展比基准再生混凝士陕。 如图 7 所示， 硅粉掺量分别为 4 、 6 、 8 、 1 0 的再生混凝 土其抗拉强度较基准再生混凝土( R F 2 ) 分别增长了 6 、 5 、 1 0 、 1 1 ， 可见硅粉复合掺人对再生混凝土抗拉强度的增长 贡献较小 ， 原因可能是硅粉加入后所生成的凝胶体虽可填充 再生混凝土内部孔隙 ， 改善其受力分布， 但所生成的凝胶体吸 水后会产生一定的体积膨胀， 增大了再生混凝土的内部应力 ， 一 定程度上导致其膨胀开裂， 影响了再生混凝土抗拉强度的提高。 如图 8 所示， 硅粉掺量分别为 4 、 6 、 8 、 1 0 的再生混凝 土其抗折强度较基准再生混凝土( R F 一 2 ) 分别增长了5 、 1 2 、 2 6 、 3 9 ， 可见硅粉复合掺入后 ， 再生混凝土抗折强度的提高 最为明显 ， 这是因为硅粉的掺入提高了作为再生骨料黏结材料 的水泥凝胶层的强度， 同时粉煤灰对抗折强度影响较弱， 所以抗 折强度有了较快的增长。 硅粉掺量小于 1 0 时的2 8 d 立方体抗压强度， 硅粉掺量小 于4 时的抗折强度均基准再生混凝土( R c ) 低， 说明此掺量下硅 粉对强度的提高还不能弥补粉煤灰对强度的削弱， 所以仅就力 学性能而言， 要得到预期的强度增长需合理控制复掺比例。 3结 论 ( 1 ) 粉煤灰等量取代水泥掺入， 使再生混凝土早期抗压强 度、 抗拉强度降低， 其降幅随粉煤灰掺量的增加逐渐加大 ， 但对 抗折强度影响不大。 ( 2 ) 硅粉复合掺人， 使再生混凝土抗压强度， 抗折强度显著 增长， 增幅与取代率基本呈线性规律， 其中抗折强度增长最快 ， 但抗拉强度增长较为有限。 ( 3 ) 粉煤灰等量取代水泥掺入， 减缓了再生混凝土早期强度 的增长； 硅粉的复合掺人， 促进了再生混凝土早期强度的增长。 ( 4 ) 结合高效减水剂 ， 在掺加粉煤灰的基础上复掺硅粉可 得到具有较高强度的再生混凝土。 参考文献 ： l 肖建庄， 李佳彬， 兰阳 再生混凝土最新研究进展与评述 混凝土， 2 0 0 2 ( 1 0 ) ： 1 7 2 0 ， 5 7 【 2 O T S U R I N ， MI Y A Z AT O s ， Y O DS UD J A I WI n fl u e n e e o f r e c y c l e a g g r e g a t e o n i n t e r f a c i a l t r a n s i t i o n z o n e ， s t r e n g t h， c h l o rid e p e n e t r a t i o n a n d c a r b o n a t i o n J J o u rn a l o f M a t e ri a l s i n C i v i l E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 3 ， 1 5 ( 5 ) ： 4 4 3 4 5 1 f 3 T O P C U I B ， S E N G E L S P r o p e r t i e s o f c o n c r e t e s p r o d u c e d w i t h w a s t e c o n - c r e t e a g g r e g a t e J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 4 ( 3 4 ) ： 1 3 0 7 - 1 3 1 2 4 康忠寿 圭 粉和粉煤灰双掺配制高强度大流动性混凝土 浙江交通 职业技术学院学报， 2 0 0 5 ， 6 ( 2 ) ： 1 3 1 5 作者简介： 王社良( 1 9 5 6 一 ) ， 男， 博士 ， 教授、 博导， 主要研究方向为混 凝土结构基本理论， 高层建筑结构抗震与控制， 工程结构 健康诊断与处理， 新型材料与新型结构体系及智能材料结 构系统在土木工程中的应用。 联系地址： 西安建筑科技大学雁塔路 1 3 号 土木工程学院( 7 1 0 0 5 5 ) 联系电话 ： 1 3 6 8 9 2 0 7 1 4 1 5 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m