粗骨料替代率对再生混凝土性能影响研究.pdf

第 卷 第 期 年 月人 民 长 江.收稿日期:基金项目:吉林省科技厅资助项目()作者简介:张 恺男博士研究生研究方向为寒区水工混凝土材料耐久性与结构抗震 :.通信作者:尹志刚男教授博士研究方向为水工结构工程与混凝土材料性能 :.文章编号:()引用本文:张恺林子琪尹志刚等.粗骨料替代率对再生混凝土性能影响研究.人民长江():.粗骨料替代率对再生混凝土性能影响研究张恺林 子 琪尹 志 刚王亮周 洪 仟(.大连理工大学 水利工程学院辽宁 大连 .长春工程学院 吉林省水工程安全与灾害防治工程实验室吉林 长春)摘要:为研究粗骨料替代率()和养护龄期()对再生混凝土性能发展的影响对不同替代率的再生混凝土开展了单轴抗压强度和劈裂抗拉强度试验并利用低场核磁共振()技术分析了不同条件下再生混凝土内部孔结构的演变规律 结果表明:替代率为 时再生混凝土各项力学性能达到最优替代率超过 以后再生混凝土的力学性能开始明显下降不同替代率再生混凝土的核磁共振横向弛豫时间 分布大体相似均呈明显的“三峰”分布峰面积随养护龄期的增加逐渐减小且第一峰的峰值点有左移趋势与替代率相比养护龄期对横向弛豫时间 分布的影响更为显著 最后建立了基于核磁共振孔隙率与不同替代率再生混凝土的强度预测模型与试验结果具有良好的相关性关 键 词:再生混凝土 替代率 力学性能 低场核磁共振技术 孔结构中图法分类号:.文献标志码:./.引 言在“碳达峰、碳中和”战略的推进下中国工业固废与建筑垃圾资源化的前行思路更加清晰目标更加明确 将建筑固废破碎后制备成再生骨料进行资源化回收利用既能减少建筑工程对自然资源的过度消耗又解决了建筑固废的处理问题同时也是实现绿色、可持续发展和循环经济的重要途径 目前国内外学者对再生骨料混凝土()力学性能方面开展了大量的试验研究 陈宗平等认为随着再生粗骨料替代率的增加再生混凝土力学性能略有提高 侯永利等研究却发现随着再生粗骨料取代率的增加再生混凝土力学性能均有不同程度降低但随着养护龄期的延长降低幅度有所缓解 杨阳等、郭远新等认为再生粗骨料的来源、品质和替代率对再生混凝土的力学性能有显著影响 徐福卫等推导并给出了界面过渡区厚度与再生骨料掺量之间的计算公式为定量分析和研究界面过渡区对再生混凝土性能影响提供了理论参考 等、等的研究结果表明再生粗骨料表面黏附老旧砂浆、吸水率高以及破碎过程中出现的微裂纹是引起再生混凝土力学性能和耐久性降低的主要原因 综上可以看出目前对再生混凝土的研究主要集中在宏观力学性能和材料改性等方面而对再生骨料混凝土力学性能和微观孔隙结构随养护龄期演变规律方面的研究还相对较少 同时混凝土内部微观孔隙结构对其宏观性能具有直接影响 因此研究不同粗骨料替代率的再生混凝土力学性能和微观结构随养护龄期的演变规律具有非常重要的意义近年来低场核磁共振技术()作为一种新型多孔介质微观结构检测方法在混凝土、岩土工程领域应用越来越广泛 该方法以水为介质具有 第 期 张 恺等:粗骨料替代率对再生混凝土性能影响研究测试速度快、无损、结果准确等诸多优点目前已成为在线实时监测多孔介质内部孔隙结构演变过程的一种有力手段 基于上述分析本文以不同再生粗骨料替代率()及养护龄期()作为研究变量共计制备 个边长为 的立方体试块和 个尺寸为 (直径 高度)的圆柱体试样 对上述立方体试块养护至设定龄期后开展单轴抗压强度和劈裂抗拉强度试验同时利用低场核磁共振技术分析了不同条件下圆柱体芯样内部孔结构的演变规律以期为研究不同粗骨料替代率及龄期对再生混凝土力学性能的影响提供数据支撑 试验方案设计.试验材料与配合比设计试验选用吉林亚泰鼎鹿牌 .级普通硅酸盐水泥天然粗骨料选用表观密度为 /粒径在.之间的连续级配碎石压碎指标为.再生粗骨料来源于实验室自制 混凝土棱柱体试块在完成力学试验后经机械破碎然后再通过振动筛分、人工筛洗后获得粒径范围为.的再生粗骨料 经测定再生粗骨料 吸水率为.压碎指标为.细骨料选用细度模数为.的天然河砂减水剂选用沈阳某公司生产的 型萘系减水剂减水率为 掺量为水泥用量的.试验用水为普通自来水 根据规范 要求试验具体配合比设计如表 所列表 再生混凝土配合比设计./试验编号水泥水河砂天然粗骨料再生粗骨料.试验方法与主要试验设备采用二次投料法制备再生混凝土将浇筑成型的试块在室温下静置 之后移入标准养护房内养护至规定龄期后开展相应测试 利用 电液伺服万能试验机进行力学性能测试按照速率控制加载加载速率为./当达到预估峰值的后将加载速率调整为./直至试块压坏.低场核磁共振测试 技术原理是:对待测样品施加一个射频磁场后样品内部的 质子自旋系统被迫从低能态跃迁到高能态当射频磁场结束后核自旋就从高能态的非平稳状态恢复到低能态的平衡状态这一过程就是弛豫过程 核磁共振的横向弛豫时间 曲线与样品孔径大小呈正比因此可通过 图谱的峰面积来表征孔隙的数量和相应孔径的占比 对于岩土、水泥基类等多孔介质横向弛豫时间 可通过式()表征:()()式中:为待测样品的表面弛豫速率(/)为样品孔隙表面积与流体体积的比值为孔隙几何形状因子 为孔隙半径在本次试验中使用 低场核磁共振仪器(纽迈上海)测试不同替代率再生混凝土样品微观孔隙结构随养护龄期的演变规律 设备的主振频率为.磁体强度为.线圈直径为 主要测量参数设置如下:.回波间隔时间为.回波计数为 在测试期间磁体和探头组件的温度保持在.低场核磁共振测试流程具体见图 本次试验共制备 个圆柱体试样每组 个 的测试结果取 个样品的平均值图 低场核磁共振测试流程.人 民 长 江 年 试验结果与分析.抗压强度图()绘制了不同粗骨料替代率再生混凝土抗压强度随养护龄期的变化散点图及拟合曲线 从图中可以看出不同替代率再生混凝土的强度增长规律基本相似各组再生混凝土抗压强度随龄期基本呈对数增加的趋势但各组强度增长幅度不尽相同为进一步直观对比将再生粗骨料替代率在不同养护龄期下的再生混凝土抗压强度绘于图()分析可知随着再生粗骨料替代率的增加抗压强度呈现先增后减的趋势 各养护龄期下 组的再生混凝土抗压强度最高 组再生混凝土 的抗压强度稍高于对照组()的强度当粗骨料替代率超过 后各养护龄期下的再生混凝土抗压强度均明显降低与对照组()的抗压强度相比 和 两组再生混凝土 抗压强度分别降低了.图 再生混凝土抗压强度关系曲线.粗骨料替代率在 时再生混凝土的抗压强度没有明显下降的原因是在浇筑制备过程中再生粗骨料表面附着的旧水泥砂浆会吸收少量拌和的水从而降低实际的水灰比 另外也有研究表明在后续养护的过程中再生粗骨料吸附的部分水会逐渐释放使得这些粗骨料周围水泥充分水化形成一定的“内养护”条件进而提高混凝土的抗压强度 当再生粗骨料替代率超过 后骨料自身的缺陷就会充分显露出来 这是由于在制备再生粗骨料破碎过程中会产生微裂隙这些初始随机分布的微裂隙数量随替代率的增加而不断增大同时粗骨料含量越高新、旧砂浆黏结界面过渡区也会越多致使试块整体密实性变差最终表现为宏观力学性能的下降.劈裂抗拉强度与拉压比图()为相同龄期的劈裂抗拉强度随粗骨料替代率的变化关系曲线 分析可知随着再生粗骨料替代率的增加各组再生骨料混凝土的劈裂抗拉强度呈先增后减的趋势 不同养护龄期下 组的再生混凝土劈裂抗拉强度最大当粗骨料替代率超过后各养护龄期下的再生混凝土劈裂抗拉强度明显降低 这主要是由于混凝土的劈裂抗拉强度主要取决于骨料的均匀性和骨料 砂浆界面间的黏结强度随着再生粗骨料替代率的增加新、旧水泥砂浆之间的黏结面也越多界面过渡区的含量也增多从而导致劈裂抗拉强度的降低拉压比可在一定程度上反映混凝土的抗裂性能图()为不同粗骨料替代率再生混凝土各养护龄期下劈裂抗拉强度与抗压强度的拉压比柱状图 分析可知随着养护龄期的增加各组试块的拉压比基本呈逐渐增加的趋势 养护至 龄期时、和 各组再生混凝土的拉压比分别为.和.与养护龄期为 时相比 龄期的各组混凝土拉压比分别增长了.和.可以看出相较其他对照组 组的拉压比增长幅度最高表明该组再生骨料混凝土抗裂性能最好 基于核磁共振技术的微观孔隙结构表征.核磁共振横向弛豫时间 分布不同粗骨料替代率条件下各组混凝土核磁共振横向弛豫时间 随养护龄期的变化曲线如图 所示可以看出各组样品的横向弛豫时间 分布曲线呈明显的“三峰”状分布从左至右分别对应再生混凝土的 第 期 张 恺等:粗骨料替代率对再生混凝土性能影响研究图 再生混凝土劈裂抗拉强度及拉压比变化曲线.微孔、中孔和大孔的变化情况且各级孔隙之间有较好的连续性进一步分析图 可知再生粗骨料替代率对核磁共振的信号幅度和横向弛豫时间的分布范围均有较大影响 养护至 后 到 各组 图谱 面 积 分 别 降 低.和.以 组数据为例分析与 龄期时的 谱面积相比 和 龄期的 谱面积分别降低了.和.此外随着养护龄期的增长再生骨料混凝土的横向弛豫时间 分布范围逐渐变窄信号幅度降低尤其是第一峰下降幅度最为显著 这主要是由于水泥的水化进程在不断地发生变化产生的水化胶凝产物填充周围孔隙混凝土的密实性增大 另外随着龄期的增加横向弛豫时间信号幅度在降低的同时第一峰的峰值点也伴有“左移”趋势这意味着混凝土内部的孔隙结构也在逐渐细化.孔结构与粗骨料替代率关系吴中伟等将混凝土内部的孔隙结构划分为无害孔()图 为 龄期时不同粗骨料替代率再生混凝土的孔结构分布柱状图 可 人 民 长 江 年以看到各组再生混凝土的无害孔和多害孔的孔径占比差别明显 组的无害孔含量最多其次为 组和 组 、和 组多害孔占比比 组分别增大了.和.由此可知替代率超过后再生混凝土的无害孔占比随着替代率的增加而不断降低多害孔占比随替代率的增加而不断增大图 龄期时不同粗骨料替代率再生混凝土的孔结构分布.孔隙率与力学性能的相关性分析文献总结了常用水泥基类材料强度与孔隙率的半经验模型 在此基于核磁共振下孔隙率结果与其力学性能进行拟合图()和()分别给出了不同替代率条件下再生混凝土抗压、劈裂抗拉强度与核磁共振孔隙率的散点图及拟合曲线 从图 中可以看出无论是抗压强度还是劈裂抗拉强度均随孔隙率的增大而逐渐降低 这主要是由于随着养护龄期的推移水泥的水化程度也在不断进行孔隙水逐渐被消耗大孔逐渐演变为中孔、小孔使得再生混凝土内部的密实度增加宏观上表现为孔隙率降低力学性能逐渐增大 结 论()再生粗骨料替代率对混凝土的力学性能有较大影响 当再生骨料替代率为 时再生混凝土立方体试块的抗压性能和抗裂性能最好 龄期时 组的抗压强度和劈裂抗拉强度较基准混凝土分别提升了.和.替代率超过 以后再生混凝土的各项力学性能开始明显下降()养护龄期对低场核磁共振的信号幅度和弛豫时间的分布范围均有较大影响 不同替代率下的再生混凝土核磁共振横向弛豫时间 分布曲线均表现为“三峰”分布 随着养护龄期的增加弛豫峰面积逐渐图 核磁共振下孔隙率与再生混凝土强度的关系.降低孔隙率及微孔、中孔和大孔的比例降低整体来看分布范围逐渐变窄第一峰有左移的趋势 表明利用低场核磁共振技术可以很好地表征混凝土内部孔隙结构随养护龄期的演变规律()对不同替代率再生混凝土的孔隙率和力学性能试验数据进行拟合建立了基于核磁共振孔隙率与不同替代率再生混凝土的强度预测模型相关系数均在.以上参考文献:李秋义.混凝土再生骨料.北京:中国建筑工业出版社.肖建庄.再生混凝土创新研究与进展.北京:科学出版社.尹志刚张恺赵越.基于孔结构特征的再生骨料透水混凝土抗冻耐久性试验.硅酸盐通报():.陈宗平徐金俊郑华海等.再生混凝土基本力学性能试验及应力应变本构关系.建筑材料学报():.侯永利郑刚.再生骨料混凝土不同龄期的力学性能.建筑材料学报():.杨阳黄会荣宋小武等.微珠对再生混凝土耐久性能影响及作用机理研究.人民长江():.郭远新李秋义岳公冰等.考虑粗骨料品质和取代率的再生混凝土抗压强度计算.建筑结构学报():.徐福卫田斌徐港.再生混凝土界面过渡区定量分析.人民长 第 期 张 恺等:粗骨料替代率对再生混凝土性能影响研究江():.():.:.():.张友志甘德清薛振林等.基于 技术的孔隙结构与充填体强度关联机制.工程科学与技术():.许文彬李庆斌胡昱.混凝土凝结过程中水分变化规律研究.水力发电学报():.佘安明马坤王中平.低场核磁共振低温测孔技术表征硬化水泥浆体孔结构.建筑材料学报():.中华人民共和国住房和城乡建设部.普通混凝土配合比设计规程:.北京:中国建筑工业出版社.中华人民共和国住房和城乡建设部.混凝土结构耐久性设计规范:/.北京:中国建筑工业出版社.吴中伟廉惠珍.高性能混凝土.北京:中国铁道出版社.:.(编辑:胡旭东)(.):()()().().: