高性能再生集料混凝土的耐久性研究.pdf

文章 编号 ： 1 0 0 7 0 4 6 X ( 2 0 l 1 ) 0 3 0 0 2 9 0 5 辈銮灌辅 高性能再生集料混凝土的耐久性研究 Re s e a r c h o n Du r a b i l i t y o f Hi g h P e r f o r ma n c e Re c y c l e d Ag g r e g a t e Co n c r e t e 刘 立 ，赵顺增 ，曹淑萍 ，吴 勇，贾福杰 ( 中国建筑材料科学研究总 院， 北京 1 0 0 0 2 4 ) 摘要： 研究了高性能再生混凝土的抗渗透性、抗裂性以及抗冻性等耐久性。结果显示，采用粉煤灰、磨细矿渣粉配制的高性 能再生混凝土具备 良好的抗渗透性、抗裂性和抗冻性 ，降低水胶 比可适当提 高再生混凝土的抗渗透性、抗冻性 ，但对 抗裂性不利 ，再生集料降低 了混凝土的抗裂性，对抗渗透性、抗冻性的劣化影响不显著。 关键词： 再生混凝土；抗渗透性；抗裂性 ；抗冻性 中 图 分 类 号 ：T U5 2 8 2 文 献 标识 码 ：A Abs t r ac t ：Of t h e i mpe r me a bi l i t y o f r e c yc l e d c on c r e t e pe r f o r ma nc e ，s u c h a s c r a c k r e s i s t a nc e a n d d u r a b i l i t y of f r os t r e s i s t a nc e The r e s ul t s s ho we d t h a t us i ng fly a s h ，g r ou nd s l a g，h i gh pe r f or ma n c e r e c yc l e d c o nc r e t e po wde r pr e pa r a t i on h a ve a go od a n t i p e r me a b i l i t y ， c r a c k r e s i s t a n c e a n d f r o s t r e s i s t a n c e ， l o we r wa t e r c e me n t r a t i o ma y b e a p p r o p r i a t e t o i mp r o v e t h e i mp e r me a b i l i t y of r e c yc l e d c o nc r e t e ，f r o s t r e s i s t a n ce，Bu t ba d c r a c k r e s i s t a n c e， r ec yc l e d a g gr e g a t e c onc r e t e d e c r e a s e d c r a c k r e s i s t a n c e a g a i ns t pe ne t r a t i o n，f r os t r e s i s t a n c e o f t he de t e r i or a t i o n wa s n ot s i g ni f i c a nt K e y w o r ds ：Re c y c l e d c o nc r e t e ；a n t i pe r m e a b i l i t y；a n t i c r a c ki n g；c r a c k o f f r os t r e s i s t a nc e 0前 言 再生集料是指将废弃混凝土块破碎、分级并按一定的 级配混合后形成的集 n 。用再生集料配制的高性能再生 混凝土不仅具有普通高性能混凝土优良的工作性、力学性 和耐久性，同时与我国的环境保护、生态保护政策和可持 续发展战略紧密地结合起来，符合未来的趋势，是混凝土 发展的重要方向【 2 】 。 目前，对再生集料混凝土的研究多集中在再生混凝土 力学性能方面 ，本文采用工业化高品质再生粗集料、普 通硅酸盐水泥、粉煤灰、磨细矿渣粉以及聚羧酸高效减水 剂，配制高性能再生混凝土，研究了高性能再生混凝土的 抗渗透性、抗裂性以及抗冻性等耐久性并对其影响因素进 行 了分析。 1试验方法 1 1再生集料混凝土抗渗透性能 再生集料混凝土的抗渗透性能用氯离子扩散系数表 征，氯离子扩散系数的测定采用 C C E S 0 1 2 0 0 4 混凝土 耐久性设计与施工指南规定的 R C M法。 1 2 再生集料混凝土抗裂性能 采用内约束收缩应力方法 6 测量出再生混凝土不同龄 期的收缩应力，根据再生混凝土不同龄期的抗压强度换算 得出再生混凝土轴心抗拉强度、收缩开裂概率 C ，对再生 混凝土收缩开裂进行评价。 1 2 1收缩应力试验方法 本试验方法的主要装置是一台与计算机相连的混凝土 膨胀收缩测量仪和一组 “ 混凝土限制收缩装置”。 收缩测量仪的测点为点面接触，对中方式采用角位固 定、自重压紧，具有操作误差小，简便实用的特点，测量 输出部分是分辨率为 0 0 0 1 m m的容栅位移传感器，数据传 人计算机后，变形和应力会自动以曲线形式显示出来。测 量仪的结构见图 1 。 图 1 测量仪结构 国家高技术研究发展计划 “ 固体建筑废弃材料再生混凝土资源化综合利用关键技术研究与应用” ( 2 0 0 9 A A 0 3 2 3 0 1 ) 3 2 0 1 1 粉煤灰 2 9 混凝土限制膨胀收缩装置如图2 所示，它由限制钢筋、 限制锚钉、限制端板、测头和隔离套等部件构成。将混凝 土浇筑在装置中，混凝土发生变形时，在端部约束下就会 带动限制钢筋产生同样大小的变形。通过测量限制钢筋长 度变化，可以得出混凝土内部由于变形而产生的应力。 图 2 混凝土限制膨胀收缩装置 1 2 2再生集料混凝土轴心抗拉强度厶的确定 再生集料混凝土轴心抗拉强度厶根据立方体抗压强度 的试验结果，按 G B 5 0 0 1 0 2 0 1 0 混凝土结构设计规 范提供的公式 ( 1 ) 计算得出。 =1 1 3 4 3 I n ( i t 1 8 2 7 5 ( 1 ) 1 2 - 3干燥收缩开裂概率 c 混凝土是一种固、液、气三相并存，各向异性的非均 质脆性复合材料，其变形过程中既有弹性变形，又包含一 部分塑性变形 ，也就是说它的弹性模量不是一个常量，另 外其性能又随时间和环境条件变化而变化，所以要对其干 燥收缩开裂行为进行准确计算十分困难，故可将混凝土的 干燥收缩开裂行为视作小范围概率事件，用干燥收缩开裂 概率来预测其发展趋势。干燥收缩开裂概率按式 ( 2 ) 计 算，表示混凝土在干燥收缩时产生裂缝的可能性，式中c 越大，开裂的风险也越大。 C： 1 0 0 1 0 0 ( 2) = 【 ) 式中：c 一混凝土干燥收缩开裂概率，C 0 ，1 0 0 ，； 一 混凝土中的内应力， 膨胀受压为正值，收缩受拉 为负值，M P a ； 氘 一混凝土适时轴心抗拉强度，M P a ； 1 3再生集料混凝土抗冻性能 再生集料混凝土的抗冻性按照 G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 混凝土长期性能和耐久性试验方法规定的快冻法进行， 混凝土试件经过快速冻融循环后通过测定质量损失率及动 弹模量变化，评价混凝土抗冻性能。 1 4 试验原材料 水泥：河北冀东4 2 5 M P a 普硅水泥；粉煤灰：北京石 景山热电厂的 级粉煤灰；磨细矿渣粉：$ 9 5级，比表面 3 0 CD 工 H 3 201 l 积 4 0 0 m k g ；细集料：中砂，细度模数 2 5 。 粗集料：石灰岩碎石，最大粒径 3 1 5 m m。 减水剂：萘系高效减水剂、聚羧酸高效减水剂。 再生粗集料：采用天津市裕川环保制品有限公司生产 的最大粒径 3 1 5 m m和 1 0 m m两种规格的废混凝土再生粗 集料，再生粗集料性能见表 1 。 表 1 再生集料的性能试验结果 2试验结果与讨论 采用普通硅酸盐水泥、粉煤灰、磨细矿渣粉构成的复 合胶凝材料体系， 使用聚羧酸高效减水剂， 设计了水胶比 分别为0 4 5 、0 4 0 、0 3 6 、0 3 2的高性能混凝土，在水胶 比和坍落度维持不变的条件下， 再生集料按 0 、4 0 、6 0 、 8 0 、1 0 0 的质量取代率替代普通石子，形成不同强度等 级、不同再生粗集料取代率的高性能再生混凝土系列配合 比；同时采用普通硅酸盐水泥、萘系高效减水剂，设计了 相同水灰比的普通天然集料混凝土，进行比对试验，混凝 土配合比见表 2 。 表 2 混凝土配合比 配合 类别 比编 再生 配合比 ( k g n l 。 ) 赣 甄 2 1再生集料混凝土的抗渗透性能 再生集料混凝土的抗渗透性能用氯离子扩散系数表 征，不同水胶比、不同再生集料替代率的再生混凝土氯离 子扩散系数见表 3 。 表 3 高性能再生混凝土氯离子扩散系数 氯离子扩散系数x l 0 ( m 2 S ： ) 配合比编号 2 8 d 6 0 d 2 1 1水胶比对氯离子扩散系数的影响 不同水胶比的再生混凝土氯离子扩散系数规律见图3 。 图3中可以看出，各个强度等级的再生混凝土2 8 d 氯离子 扩散系数均 6 0 x 1 0 1 m 2 s ，水胶比为 O 4 5 的 C 3 0 再生混 凝土的氯离子扩散系数最大，为 5 8 5 X 1 0 - 1 2 m V s ，随着再 生混凝土水胶比的降低，氯离子扩散系数逐渐降低；6 0 d 氯离子扩散系数进一步降低，不同水胶比的再生混凝土氯 离子扩散系数均4 0 1 0 m 2 s 。 0 4 3 O 4 0 U j O 0 3 2 水胶比 W B 图 3 氯离子扩散系数与水胶比的关系 这表明水泥、矿粉、粉煤灰复合多元胶凝材料体系和 聚羧酸高效减水剂的使用，减少了混凝土拌合，降低了混 凝土中孔隙率，细化了混凝土孔结构，提高了再生混凝土 的抗渗透性，随着水胶比的降低、水化时间的延长，再生 混凝土的抗渗透性得到进一步提高。 2 1 2再生集料替代率对氯离子扩散系数的影响 再生混凝土氯离子扩散系数与再生集料替代率的关系 如图 4所示。随着再生集料替代率的提高，混凝土 2 8 d 氯离子扩散系数呈现微小的增大趋势，6 0 d 增大趋势较明 显，1 0 0 使用再生集料的混凝土比同配比的天然集料混 凝土氯离子扩散系数增大 2 0 左右。 U 4 0 6 0 8 0 1 0 0 再生集料替代率 图 4 氯离子扩散系数与再生集料替代率的关系 2 2再生集料混凝土的抗裂性 2 2 1水胶比对再生混凝土抗裂性的影响 相同水胶比的普通混凝土与高性能再生混凝土的收缩 应力数据见表 4 。表 4中数据显示，无论多元胶凝材料、 聚羧酸高效减水剂、再生集料配制的高性能再生混凝土， 还是纯水泥、萘系高效减水剂、天然集料配制的普通混凝 土，它们收缩应力都随着水胶比或水灰比的减小，收缩应 力依次增加。但可以明显看出，高性能再生混凝土的收缩 应力小于普通混凝土，普通混凝土收缩应力比本文研制的 高性能再生混凝土高 2 0 一 5 0 。 表 4 普通混凝土和高性能再生混凝土收缩应力试验结果 龄期 d 混凝土收缩应J 3 M P a 普通混凝土 高性能再生集料混凝土 0C4 5 0C4 0 OC3 6 OC3 2 RC4 5 1 0 0 R C4 0 - 1 0 0 R C3 6 1 0 0 RC3 2 1 0 0 从表5 中的强度数据可知，由于掺人再生集料，高性能 再生混凝土尽管水胶比与普通混凝土相当， 但抗压强度明 显低于普通混凝土，与之相应，再生混凝土的抗拉强度低 于普通混凝土，如何比较 “ 高收缩应力、高抗拉强度”普 通混凝土和 “ 低收缩应力、低抗拉强度”再生混凝土的抗 裂性呢?我们采用式 ( 2 )干燥收缩开裂概率 C来评判普 通混凝土与再生混凝土的抗裂性。 3 2 0 1 1 粉煤灰 3 1 6 5 4 3 2 1 O 【 1 一 z l 。 _I 薪懈衽 耀隔 7 6 5 4 3 2 1 0 z目 。 一 一 赫峨衽 艇骣 表 5 混凝土抗裂性试验结果 表5中收缩开裂概率数据表明， 再生混凝土的抗裂性 随着水胶比的降低呈现下降趋势，相同水胶比条件下，再 生混凝土 2 8 d 、6 0 d的开裂风险高于早期，普通混凝土同 样遵从以上规律；多元胶凝材料、聚羧酸高效减水剂、再 生集料配制的高性能再生混凝土收缩开裂概率低于普通混 凝土，表明抗裂性能优于传统配制技术的普通混凝土。 2 2 2再生集料替代率对混凝土抗裂性的影响 0 4 0水胶比的混凝土掺入0 、4 0 、6 0 、8 0 、 1 0 0 再生集料后，再生混凝土收缩应力、强度以及抗裂 性能的变化见表 6 、表 7 。 表 6 不同再生集料替代率的再生混凝土收缩应力试验结果 表 7 再生集料替代率对混凝土抗裂性能的影响 R C4 0 0 0 0 8 0 2 4 0 3 2 3 3 7 4 8 3 5 1 8 2l 6 2 5 7 2 6 5 3 ， 8 3 9 5 l 1 2 0 8 R C4 0 4 0 0 1 7 - 0 3 4 - 0 4 2 3 4 7 5 0 3 5 9 0 2 1 9 2 6 2 2 8 O 7 8 6 1 3 l 1 1 4 9 l RC4 0 6 0 0 1 7 一 O 2 7 O 3 3 3 6 8 5 1 9 5 7 5 2 2 6 2 6 5 2 7 7 7 5 4 l 0 2 8 I 1 7 5 RC4 0 培0 0 1 5 0 2 7 0 4 2 3 8 7 5 2 4 5 7 3 2 3 2 2 6 6 2 7 6 6 4 5 9 9 7 1 5 O 7 RC4 0 1 0 0 02 3 0 3 8 - 0 4 6 3 1 1 4 5 5 5 1 7 2 0 7 2 5 O 2 6 5 l 1 2 0 1 5 l3 3 1 7 1 9 表 6 、表 7数据显示，随着再生集料使用量的增大， 混凝土收缩应力逐步提高，而混凝土抗压强度、抗拉强度 也发生了变化。收缩开裂概率数据表明使用再生集料加大 了混凝土开裂风险，降低了混凝土的抗裂性，并随着再生 集料替代率的提高，抗裂性逐渐降低。 2 3 抗 冻性 2 3 1再生混凝土水胶比与抗冻性的关系 不同水胶比的再生混凝土冻融试验数据列于表 8 。试 验结果表明，再生集料替代率 1 0 0 时，改变水胶比对再 生集料混凝土的抗冻性影响不显著， 水胶比从 0 4 5 降低至 0 3 2 ，经过3 0 0 次快冻快融，质量损失率均在0 9 0 1 5 0 小范围内波动，没有明显的规律；与之类似，经过 3 0 0 次 冻融循环的洗礼，再生混凝土的相对动弹模量一抗冻耐久 性系数维持在 8 8 9 0 。 表 8 不同水胶比的再生混凝土冻融试验结果 2 3 2再生集料替代率与抗冻性的关系 不同再生集料替代率的混凝土冻融试验结果见表 9 。 从再生混凝土冻融试验结果可以看出，随着再生集料替代 3 2 COAL ASH 3 2 01 1 率的增加，3 0 0 次冻融循环后再生集料混凝土的质量损失 率略有增加，从 0 8 0 增至 1 5 0 ；而再生混凝土的抗冻 耐久性系数则在 8 8 9 1 范围内波动。 表 9 不同再生集料替代率的再生混凝土冻融试验结果 3结 论 通过研究得出 3 个结论。 ( 1 )高性能再生混凝土具有良好的抗渗透性能，2 8 d 氯离子扩散系数6 0 1 0 1 2 m 2 8 ，6 0 d氯离子扩散系数 4 01 0 1 2 m 2 8 ，再生混凝土的氯离子扩散系数随着水 胶比的降低呈下降趋势，再生集料的加入略微降低了再生 混凝土抗渗透性。 ( 2 ) 再生混凝土随着水胶比的降低、再生集料替代率 的提高收缩开裂风险增大，高性能再生混凝土抗裂性能优 于传统配制技术的普通混凝土。 ( 3 ) 高性能再生混凝土具有优异的抗冻耐久性，3 0 0 次冻融循环质量损失8 0 ，再 ： ! ! ! ! ! ! ! ! ! 吨! ! i ! i ! ! i ! ( 上接 第2 6 页 ) 生混凝土的水胶比、再生集料替代率对抗冻性影响不大。 参考文献 1 】 刘数华，冷发光 再生混凝土技术 M j E 京：中国建材工业出版社，2 0 0 7 2 刘数华 高性能再生集料混凝土试验研究 J 】 l 沈阳建筑大学学报： 自然 科学版， 2 0 0 9 ， 3( 2)： 2 6 2 - 2 6 6 3 王江， 薛燕飞， 等 再生混凝土抗压强度研究 混凝土，2 0 0 6( 7 )：4 7 49 4 】 肖建庄， 李佳彬， 孙振平， 等 再生混凝土的抗压强度研究 J 同济大学学 报： 自然科学版， 2 0 0 4 ， 3 2( 1 2 )：1 5 5 8 1 5 6 1 5 李丽生， 彭玉林， 等 再生粗集料不同取代率对混凝土和易性及强度的影 响规律分析 J 混凝土， 2 0 0 7( 8 )：4 l - 4 3 6 】赵顺增， 刘立， 等_ I坝 量内约束收缩应力的新方法 J 建筑材料学报，2 0 0 5 ( 3 ) ： 3 3 6 3 4 0 作者简介：刘立( 1 9 6 8 ) ， 男， 中国建筑材料科学研究总院， 教授级高级工程 师 通讯地址：北京市朝阳区管庄东里1 号， E ma i l ：l i u l i 3 0 5 7 y a h o o c n 收稿日期： 2 0 1 1 年 1月 5日 ! i ! ! 吨! 睦 ! 硅酸盐通报， 2 0 0 7 ，2 6( 3 )：4 1 7 - 4 2 0 1 1 王志娟，侯文斌，查忠勇流化床燃煤固硫灰渣 自硬机理的研究 J 】 粉煤灰， 2 0 0 7( 4 )：2 卜2 3 1 2 】宋远明，钱觉时，徐惠忠流化床燃煤固硫灰渣微观结构研究 J 粉煤灰， 2 0 0 8( 5 )：3 2 3 4 1 3 】杨娟固硫灰渣特性及其作水泥掺合料研究 D】 重庆 ： 重庆大学 硕士论文2 0 0 6 ( 1 0 1 ：2 6 5 1 1 4 】裴亚丽循环流化床粉煤灰的特性及综合利用研究【 D 吉林 ： 吉 林大学硕士论文， 2 0 0 6 ( 9 1 ：3 卜6 5 1 5 】杨倩循环流化床锅炉灰渣特性的研究 D 北京： 华北电力大学 硕士学位论文， 2 0 0 4 ( 1 2 ) ：2 4 3 7 1 6 】周圣CF BC 脱硫灰注浆材料的研制【 D 南京 ： 东南大学硕士学 位论文， 2 0 0 6 ：1 9 7 2 1 7 闰维勇，高廷源，熊仁森循环流化床锅炉固硫灰渣综合利用研 究 J 洁净煤技术，2 0 0 0 ，6( 1 )：3 1 3 3 ，3 6 1 8 郑洪伟，王智 ，董孟能流化床燃煤固硫灰渣的综合利用 J 粉 煤灰综合利用，2 0 0 4 ( 4 ) ：5 3 5 6 1 9 T a k a d a T ，H a s h i mo t o I ，T s u t s u mi KU t i l i z a t i o n o f c o a l a s h f r o m fl u i d i z e d b e d c o m b u s t i o n b o i l e r s a s r o a d b a s e ma t e r i a l J 】 R e s o u r c e s Co n s e r v a t i o n a n d Re c y c l i n g，1 9 9 5， 1 4 ( 2) ：6 9 7 7 2 0 P a n d e y K K，C a n t y G A，At a l a y AF l u i d i z e d b e d a s h a s a s o i l s t a b i l i z e r i n h i g h wa y c o n s t r u c t i o n J Ge o t e c h n i c a l S p e c i a l P u b l i c a t i o n s ，1 99 5 ，4 6 ( 2) ：1 4 2 2 1 4 3 6 2 1 王文龙，施正伦， 骆仲泱等流化床固硫灰渣的 特性与综合利用研 究 J 电站系统工程，2 0 0 2 ，1 8( 5 )：卜3 利用，制定出统一的标准，使其达到资源化利用，变废为 宝，这对于倡导低碳经济，建设 “ 资源节约型，环境友好 型”社会将产生深远的意义 参考文献 1 】 纪宪坤流化床燃煤固硫灰渣几种特性利用研究 D 】 重庆：重庆 大学硕士，2 0 0 7 【 2 】 陈孟伯，陈舸区分三种粉煤灰 ，促进CF B 脱硫灰 的资源化 J _ 房 建材料与绿色建筑， 2 0 0 9 ( 8 ) ：4 4 7 4 5 2 【 3 】 七五J国家重点科技公关专题 沸腾炉燃煤固硫渣制建材的研究 R 】 北京：清华大华， 1 9 9 0 【 4 】 E J An t h o n y ， E l z b i e t a M B u l e wi c z ， K r y s t y n a D u d e k ， Ad a m Ko z a k The l o ng t e r m be ha v i o ur of CFBC a s h - wa t e r s ys t e ms W a s t e M a n a g e me n t ， 2 0 0 2 ， 2 2： 9 9 一l 1 1 【 5 】 A n t h o n y E J ， J i a L ， C y r L ， e t a 1 T h e e n h a n c e me n t o f h y d r a t i o n o f flu i d i z e d b e d c o mb u s t i o n a s h b y s o n i c a t i o n J E n v i r o n me n t a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， 2 0 0 2 ( 3 6 ) ： 4 4 4 7 4 4 5 3 【 6 】 S u z a n n e M B u r we l l ， E d wa r d J A n t h o n y ， E d i wi n E B e r r y Ad v a n c e d F B C As h T r e a t me n t T e c h n o l o g i e s C I n t C o n f o n F B C，1 9 9 5 ( 2 ) ： I 1 3 7 7 】 J B l o n d i n ，E J A n t h o n y A S e l e c t i v e H y d r a t i o n T r e a t me n t t o E n h a n c e t h e U t i l i z a t i o n o f C F B C As h i n C o n c r e t e【 C】 I n t C o n f o n F B C， 1 9 9 5 ( 2 ) ： l 1 2 3 8 】 “ 八五” 国家科技攻关专题， 大型循环床电站锅炉固硫渣资源化研究 专题【 R 】 北京 ： 清华大学， 1 9 9 5 9 钱觉时，郑洪伟，宋远明，等流化床燃煤固硫灰渣的特性 J 硅酸盐学报2 0 0 8 ，3 6( 1 0 )：1 3 9 6 1 4 0 0 【 l O 宋远明，钱觉时，王志娟流化床燃煤固 硫灰渣水硬性机理研究 J 】 作者简介：朱文尚 通讯地址：北京市朝阳区管庄东里 1 号中国建筑材 料科学研究总院， 水泥与新型建筑材料研究所物理室， 东楼 1 0 8 房间， 邮编： l 0 0 0 2 4 收稿日期： 2 0 1 1 年 1 月 1 5日 3 2 0 1 1 粉煤灰 3 3