高性能再生混凝土抗压与抗氯离子侵蚀能力的综合试验研究.pdf

第1 3 卷第3 期 2 0 1 4年 9月 石家庄铁路职业技术学院学报 VOL 1 3 No 3 Q 墨 H I J I r H U A N GI N S T I T U T EO F R A I L WA YT E C H N O L O G Y S e p 2 0 i 4 高性能再生混凝土抗压与抗氯离子 侵蚀能力的综合试验研究 易建伟 ( 中铁十二局集团第三工程有限公司 山西太原0 3 0 0 2 4 ) 摘要：通过抗压强度和氯离子扩散系数快速检测的 R C M试验来研究高性能再生混凝土的力学 和耐久性能，试验结果表明：高性能再生混凝土的抗压强度和抗氯离子侵蚀能力随着再生骨料取代率 的增大逐渐减小， 但减小的幅度都不是很大同时利用线性回归并结合优化设计对试验所得到的数据 进行分析， 从理论上得出了最佳骨料取代率，为再生骨料的选取提供技术参考 关键词：高性能再生混凝土 R C M试验 优化设计 最佳骨料取代率 中图分类号： U 2 1 4 文献标识码： A 文章编号： 1 6 7 3 1 8 1 6 ( 2 0 1 4 ) 0 3 0 0 8 1 0 6 1 引言 再生混凝土 ( R e c y c l e d C o n c r e t e ，简称R C )是利用旧建筑物上拆下来的废弃混凝土块，经过破 碎、清洗、筛分和按一定比例相互配合后，作为部分或全部骨料重新拌制的混凝土 。由于使用的再 生骨料 中存在大量废弃水泥砂浆及其他杂质，使得现所配制 的再生混凝土的强度偏低、体积稳定性 较差， 耐久性不高。 随着混凝土进一步的发展， 高性能再生混凝土( Re c y c l e d Hi g h P e r f o r ma n c e C o n c r e t e ， 简称 R HP C)便应运而生，一方面它合理的使用再生骨料 ，有利于减少天然骨料的开发、有利于保 护 自然环境 、有利于充分的利用废弃混凝土 ，从而加快 国民经济 的发展 ；另一方面在其配制的过程 中加入 了高效减水剂和矿物掺合料 ，大大提高了 自身的强度和耐久性。其与我国环境保护、生态保 护政策和可持续发展战略紧密结合的态势，符合未来的趋势，是混凝土发展的重要方向【 l ，2 】 。 本文通过混凝土抗压强度试验、氯离子扩散系数快速检测的 R C M 试验以及进行骨料取代的优 化设计，对高性能再生混凝土的力学和耐久性能 ( 特别是抗氯离子侵蚀性能 )进行较系统的研究， 以期为高性能再生混凝土在沿海地区的推广提供理论依据 。 2 基本试验 2 1原材料 骨料：再生粗骨料 ( R e c y c l e d Ag g r e g a t e 。简称 R A) 采用泉州地区废弃的混凝土经过破碎 、清洗、 筛分所得的骨料 ( 粒径为 5 1 6 mm，级配 良好 ) ，天然骨料 ( Na t u r e Ag g r e g a t e ，简称 NA)采用天然 碎石，细骨料 ( S )采用细砂，平均粒径为 0 2 6 m m- 0 3 6 mm。 收稿日期：2 0 1 4 - 4 - 1 8 作者简介：易建伟 ( 1 9 8 3 一 ) ，男，汉，湖北黄冈人，学士，助理工程师，研究方向土木工程。 81 石家庄铁路职业技术学 院学报 2 0 1 4年第 3期 水泥 ( C)和水 ( W) ：采用泉州美菱水泥厂3 2 5 MP a 普通硅酸盐水泥，水泥性 能试验结果表明， 其各项指标均达到国家标准：混凝土拌和及养护用水为 自来水。 粉煤灰 ( F A) ：泉州美菱水泥厂生产的粉煤灰。 减水剂：采用萘系高效减水剂 ( F D N) ，为棕色液体，使用量为水泥质量的 1 5 。 2 2配合 比设计 ( 见表1 ) 表 1 高性能再生混凝土配合比设 汁 骨料种类 表观密度 ( k g m ) 吸水率 ( ) 含泥量 ( ) 粒径 ( ram) 推 从表 2可以看出，再生骨料的表观密度 比天然的略小些，其吸水率、含泥量都要比天然的大， 若用于生产混凝土将对其力学和耐久性能有一定的副面影响。 3 抗压强度试验 按表 1的配合比制作 1 2个 ( 每种骨料取代情况制作 3个)边长为 l 5 0 mm的立方体实心试块 ， 在标准条件下养护 2 8 d ，后在 1 0 5 的烘烤箱内烘烤 2 h至基本干燥 。 本试验使用 T YE 一 2 0 0 0 B型压力试验机 ( 见图 1 ) ，其误差不大于 2 。当再生骨料取代为 0时， 实测抗压强度 为 5 1 4 MP a ，且随着再生骨料取代的增加 ( 依次为 3 0 ，6 5 ，l 0 0 ) ，其抗压强度分 别 为 4 9 8 MP a 、4 7 1 MP a 、4 4 9 MP a 。 图1 抗压强度试验 图2 混凝土氯离子扩散系数快速检测的 R C M 试验 8 2 第 3期 易建伟 高性能再生混凝土抗压与抗氯离子侵蚀能力的综合试验研究 可 以看出高性能再生混凝土的抗压强度随着再生骨料取代率的增大在逐渐减小，但减小幅度并 不是很大。 4 氯离子扩散系数快速检测的 R C M 试验 4 1 R C M 试验简介 本试验是在厦 门市工程检测 中心有限公司相关专 门人员的共 同合作下完成 的。该试验通过试验 期间测得的氯离子渗透深度来计算氯离子的扩散系数，已被列为北欧标准 ( N T B u i ld 4 9 2 ) ，同时也 被列入中国土木工程学会标准 C C E S 0 1 2 0 0 4 混凝土结构耐久性设计与施工指南 。 4 2试验步骤 按表 l的配合 比制作 l 2个直径为 1 0 0 mm、厚度为 5 0 mm 的圆柱体试件，每三个为一组 ，分别 标记为 1 1 、1 2 、1 3 、2 1 、2 2 、2 3 、3 1 、3 2 、3 3 、4 1 、4 - 2 、4 3 ，在标准条件下养护 2 8 d 试 验时试件的曲面先密封，然后把密封好的试件放置在塑料支撑上，支撑设计成倾斜的 ，以便排出试 验期 间阴极板上可能产生的小气泡 。试验槽 内放含有 5 Na CI的 0 2 mo l L KO H溶液，橡胶筒中为 0 2 mo l L K OH溶液。试验开始同步检测 电压 、电流和溶液的温度，试件两端加上 ( 3 0 4 - 1 )V 的直 流电压，一直加到规定的时间 ( 本试验因初始电流都在 1 0 3 0 r n A范围内，故通 电时间统一为两天 ) 。 试验完后 ，将 圆柱体试件沿轴方向劈成两半，测量氯离子的扩散系数。( 具体试验情况见 图 2 ) 4 - 3结果计算【。 】 混凝土氯离子扩散系数按下式计算 ( 中间运算精确到四位有效数字，最后结果保留三位有效数 字 )： 0=2 8 7 2x1 0 r h ( x 一 ) = 3 3 3 8 1 0 式 ( 1 )中 D咖 o为R C M 法测定的混凝土氯离子扩散系数 ( m s )； T 为 阳极 电解液初始和最终温度的平均值 ( K)； h为试件高度 ( m)； X d为氯离子扩散深度 ( m)； t为通电试验时间 ( s )； a为辅助变量。 具体计算数据见表3 表3 高性 能再生混凝土R C M 试验 结果 ( 1 ) ( 2 ) 注：试验时，以三个为一组，氯离子扩散系数取三个的平均值。 从表3 中可以看出高性能再生混凝土的抗氯离子侵蚀能力随着再生骨料取代率的增大在逐渐减 8 3 石 家庄铁路职业技 术学院学报 2 0 1 4年第 3期 小 ( 表中数据体现为扩散系数 的增大 )，同样减弱幅度也不是很大。 5 骨料取代的优化设计 虽然高性能再生混凝土具有高强度 、高耐久性以及使用再生骨料取代天然骨料诸 多优点，但它 并非是十全十美的。随着再生骨料取代 的增多 ，它 自身的强度、耐久性能都会下降，这对于某些具 体工程可能不利 。比如在高层、超高层建筑 中，构造建筑物 的混凝土需要高强度 ( 特别是底部加强 区) ，若再生骨料取代过 多的话，可能达不到该工程强度要求：又比如在近海工程中，由于建筑物长 期浸泡在海水中，遭受着氯离子侵蚀，因此要求混凝土具有很强的耐久性能，若再生骨料取代过多 的话也可能会达不到该工程的耐久性要求L 4 J 。 从上面可以看出，这里面存在一个优化设计 问题：有没有这样一个骨料取代率 ?就是它使高性 能再生混凝土的强度有点高，耐久性有点强，骨料取代值又有点大 ?从理论上讲 ，该值是存在的。 下面就如何算出该值作出推理论证 。 5 1 基础数据 处理 ( 1 )再生骨料的取代率共有四种，分别为：0 ，3 0 ，6 5 ，l 0 0 ； ( 2 )混凝土的抗压强度有四个数据 ，分别为5 1 4 ， 4 9 8 ， 4 7 1 ， 4 4 9 ；这里用它们的减少量： 5 1 4 44 9 =6 5 49 8 - 4 4 9=4 9， 47 1 4 4 9 =2 2，44 9 44 9 =0： ( 3 )氯离子扩散系数方面也有四个数据，分别为3 9 4 ，4 3 2 ，4 5 5 ， 4 7 6 ；这里用它们的增加量 为3 9 4 3 9 4 = 0 ， 4 3 2 3 9 4 = 0 3 8 ，4 5 5 3 9 4 = 0 6 1 ， 4 7 6 3 9 4 = 0 8 2 ； 5 2 对数据进行直线拟合 为了便于分析，对上面的数据进行加权处理。比如骨料取代率加权后就取为：0 ，3 0 ，6 5 ，l O 0 ； 抗压强度取 6 5为权 l 0 0 ，则分别为 1 0 0 ，7 5 4 ， 3 3 8 ，0 ：氯离子扩散系数取 0 8 2为权 l o 0 ，则分别 为 0 ，4 6 - 3 ，7 4 4 ，1 O 0 ；令再生骨料取代率为 自变量 x( 0 ，3 0 ，6 5 ，l O 0 ) ，抗压强度为 y l ( 1 0 0 ， 7 5 4 ， 3 3 8 ，0 ) 和氯离子扩散系数为 y 2 ( 0 ， 4 6 - 3 ， 7 4 4， 1 0 0 ) 线性 回归都可 以通过最小二乘法求 出其方程，可 以计算出对于 y = b x + a的直线 ，其经验拟合方程 如下： 图3骨料取代率与高性能再生混凝土抗压强度的线性关系 图4骨料取代率 与高性能再 混凝土氯离子扩散系数的线性关系 y ( x i ) ( ， - F ) Y ， 一 Z (x 螽 ，一 ) 一 a=Y b x 按照式 ( 3 )进行骨料取代率与抗压强度之IN直线拟合的数据计算得出 b 一1 0 2 1 ，a = l 0 2 0 7 4则 第 3期 易建伟 高性能再生混凝土抗压与抗氯离子侵蚀能力的综合试验研究 抗压强度 骨料取代率线性回归方程 ：y l =1 0 2 0 7 4 1 0 2 1 x ；其函数 图形见图 3 。 按照式 ( 3 )进行骨料取代率与氯离子扩散系数之间直线拟合的数据计算得出b = 0 9 7 3 ， a = 7 7 4 1 ； 则氯离子扩散系数一 骨料取代率线性回归方程 ：y 2 = 0 9 7 3 x + 7 7 4 1；其 函数 图形见图4 。 使用再生骨料所带来的经济效益设为 y 3 ， 其值应综合各种因素而定 。因为是与骨料取代率之间的 函数关系，原则上 y 3 与 X应该满足线性 ( 不同于 Y b Y 2 与 X之间通过拟合而成的线性关系 ) ，这里假 设经过加权处理后为 y 3 = a x + b( a O ) 5 3优化设计 由于直线 y i = 1 0 2 0 7 4 - 1 0 2 1 x是 由四个点线性回归而成 ，原则上所有的点应该均匀分布在直线的 上下 ( 部分 点可能会落在直线上 ) 。在进行优化处理时，要求强度越大越好，即取直线上面 的点进行 分析，则有 y 1 0 2 0 7 4 1 0 2 1 x ( 4) 同理，对直线 y 2 = 0 9 7 3 x + 7 7 4 1 进行优化处理时要求氯离子扩散系数越小越好，即取直线下面的 点进行分析，则有 y 0 9 7 3 x + 7 7 4 1 ( 5 ) 引入 目标函数 U= y l Y 2 + Y 3当 U取最大时即最优化 。移项代入等式 ( 2 )( 3 )处理后有 y 3 =1 9 9 4 x + U- 9 4 3 3 3 ( 6 ) 根据文献【 5 ， 6 】 里所提及到的方法得出当 y 3 通过点 ( 4 7 3 0 8 ，5 3 7 7 3 )时 u 最大，最佳骨料取代 率为 4 7 3 0 8 ，为了更直观说明这点，见图 5 。 图 5骨料取代率与抗压强度、氯离子扩散系数以及再生骨料所带来的经济效益三者之间的优化关系 很明显这是一个优化设计模型， 图中阴影部分为可行域 。 要 U最大， 即要求 Y 3 = 1 9 9 4 x + U 9 4 3 3 3 在 Y轴截距最大 ，当其通过点 ( 4 7 3 0 8 ，5 3 7 7 3 )时截距最大，此时 U最大，为 5 3 7 7 3 。 通过分析可 以看 出 U的取值取决于骨料所带来的经济效益公式，也就是说一般情况下最佳骨料 取代率是不存在的，只是个理论上的数据。但是它为选择再生骨料提供 了标准，应该选择其所带来 的经济效益公式 y = a x + b接近 y = 1 9 9 4 x 4 0 5 6的再生骨料， 最后通过计算得出近似 的最佳骨料取代率 。 上述是将强度和耐久性对等起来计算得 出的结果 ，实际工程中对二者的不同要求应具体问题具 体分析。例如高层建筑物的建造需要高强度的混凝土，那它就对强度提 出了更高的要求，因此在优 化处理时就扩大强度权重的倍数，应为：l O O k ， 7 5 4 k ， 3 3 8 k ， 0( 其中k l ，大小要根据实际工程具体 要求的强度参考数值得出，此处不作讨论) ；在近海工程中要求混凝土有很强的抗渗性能 ( 尤指抗氯 85 石家庄铁路职业技术学院学报 2 0 1 4年第 3期 离子侵蚀能力) ，那么此时应缩小氯离子扩散系数权重的倍数，为：0 ， 4 6 3 k ， 7 4 4 k ， l O O k( 其t gk 1 ) 。 此分析是针对抗压强度和氯离子扩散系数这两个方面进行的，若有多个因素同时作用，该方法 可以推广 ，具体算法跟上述类似。 6 结语 (1)高性能再生混凝土的抗压强度和抗氯离子侵蚀能力随着再生骨料取代率的增大逐渐减小， 原因为取代所使用的再生骨料与天然骨料相 比吸水率和含泥量略大些 ，降低了力学和耐久性能 ，同 时由于其降低的幅度都不是很大，使得高性能再生混凝土将来在实际生产 中得到大规模应用成为可 能。 (2)最佳骨料取代率只是个理论上的数据，实际工程 中可参考本文所提供的方法算得近似最 佳骨料取代率 。 参考文献： 【 1 】 吴中伟 高性能混凝- k ( HP C ) 的发展趋势与问题 J 建筑技术， 1 9 9 8 ( 1 ) ： 8 1 3 2 】 刘数华， 冷发光 再生混凝土技术 M】 北京： 中国建材出版社， 2 0 0 7 3 C C E S 0 1 2 0 0 4 混凝土结构耐久性设计与施工指南 【 4 】 周璇， 曾志兴 高性能再生混凝土发展与展望 第二十一届全国高层建筑结构会议论文集：1 2 1 2 1 2 1 5 5 1 t全凤 结构优化基本方法及在高层建筑 中应 用 M】 厦门大学出版社， 1 9 9 5 6 】 周璇， 曾志兴 双排扣件式钢管脚手架横向斜撑结构的优化工业建筑， 2 0 1 1 ( 1 ) ： 2 3 2 5 Co mpr e he ns i v e Ex pe r i m e nt a l S t udy o f Co mpr e s s i v e a n d An t i c hl o r i de I o n Er o s i o n Ab i l i t y o f Re c y c l e d Hi g h P e r f o r ma n c e Co n c r e t e YI J i a n we i ( No 3 E n g i n e e r i n gC o r p o rati o nL i mi t e d o f C h i n a R a i l w a y1 2 t h B u r e a u G r o u p C o L t d T a i y u a n S h a n x i 0 3 0 0 0 1 C h i n a ) A b s t r a c t ： Me c h a n i c s a n d d u r a b i l i t y p e r f o r ma n c e o f r e c y c l e d h i g h p e rf o rma n c e c o n c r e t e( R HP C ) i s s t u d i e d v i a t h e RCM t e s t wh i c h d e t e c t s the c o mp r e s s i v e s t r e n g t h a n d c h l o ri d e i o n s d i ff u s i o n c o e ffic i e n t I t i s s h o wn t h a t the c o mp r e s s i v e s tr e n g t h a n d ant i - 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