[摘 要] 從工作性能、力學性能、耐磨性能以及干縮等方面,研究了復合超細粉煤灰(CUFA) 摻量對道路再生混凝土性能的影響,并初步探討了其影響機理。試驗研究結果表明: 摻入質(zhì)量分數(shù)為15 %～35 %的CUFA ,可以有效改善再生混凝土的工作性能,同時保證其力學性能相同或稍有改善;摻CUFA 再生混凝土的具有良好的路面耐磨性,干縮顯著減小,運營1 a 來,再生混凝土路面綜合性能優(yōu)良,未見有開裂現(xiàn)象。這為CUFA 再生混凝土應用于水泥混凝土路面中提供了可靠的保障。
[關鍵詞] 復合超細粉煤灰; 再生混凝土; 力學性能; 耐磨性; 干縮
廢棄混凝土的再利用對資源和環(huán)境具有重要的現(xiàn)實意義,許多國家對此給予了高度重視,并制定了相應的制度和措施。近年來,國內(nèi)外的一些專家學者對再生混凝土技術進行了大量的研究,在再生骨料的基本性能及強化、再生混凝土的配合比設計以及物理力學性能等方面取得了一定的成果[1～6 ] ,但是關于再生混凝土耐久性方面、尤其是耐磨性能方面的研究文獻并不多見。鑒于此,本文旨在探討復合超細粉煤灰(CUFA) 與再生骨料相結合對道路路面用混凝土工作性能、力學性能、特別是耐磨性、干縮的影響,為再生混凝土應用于水泥混凝土路面工程提供了技術支持和保障。
1 原材料與試驗方法
1. 1 原材料
水泥: 42. 5 級普通硅酸鹽水泥,水泥的物理性能和化學成分符合現(xiàn)行的國家標準,水泥膠砂抗折強度Rf ,3 = 5. 40 MPa , Rf ,28 = 8. 70 MPa ,抗壓強度RC ,3 = 31. 2 MPa , RC , 28 = 5817 MPa ;復合超細粉煤灰(CUFA) : 主要成分為電廠電收塵分選的超細粉煤灰,并摻入小于或等于5 %的早強型激發(fā)劑復合而成。其中超細粉煤灰的密度2. 26 gPcm3 ,比表面積550 m2Pkg ,需水量比為93 %,化學成分分析見表1 ;天然粗骨料(NA) : 湘江河卵石,級配合格,為5～31. 5 mm的連續(xù)級配;天然細骨料:河砂,級配合格,細度模數(shù)2. 63 ;再生粗骨料(RA) : 用長沙市某公路路面維修時廢棄的混凝土(原生混凝土的粗骨料為卵石) ,先經(jīng)人工破碎成中等尺度的碎塊,然后用顎式破碎機破碎成小顆粒,再篩分制得而成,級配合格,為5～31. 5 mm的連續(xù)級配,其有關性能,見表2 ;外加劑: 高效減水劑(粉劑) 。
1. 2 試驗方法
試件在試驗室制作,采用50 L 攪拌機攪拌,振動臺振動成型,在標準條件下養(yǎng)護至一定齡期后進行試驗。再生混凝土的坍落度和表觀密度按照《普通混凝土拌合物性能試驗方法》(GBPT 50080 —2002)測試;力學性能按照《普通混凝土力學性能試驗方法》(GBPT 50081 —2002) 進行測試,其中立方體抗壓強度所用試件尺寸為100 mm ×100 mm ×100 mm ,抗折強度所用試件尺寸為100 mm ×100 mm ×400 mm ,棱柱體抗壓強度和彈性模量所用試件尺寸均為100mm ×100 mm ×300 mm ,試驗結果已乘相應的換算系數(shù);耐磨性按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》(JTG E30 —2005) 試驗。
2 試驗結果及分析
為探討CUFA 與再生骨料相結合對混凝土工作性能和力學性能的影響,試驗了5 個配合比,固定水膠比為0. 38 ,再生骨料摻量為60 % ,砂率為35 % ,高效減水劑摻量為2. 52 kgPm3 ,試驗結果見表3。
2. 1 坍落度
從圖1 知,在CUFA 取代率小于50 %的范圍內(nèi),再生混凝土的坍落度隨CUFA 摻量的增加而顯著增大,從0 mm 增至100 mm。根據(jù)試驗觀察,摻CUFA后再生混凝土粘聚性和保水性明顯增強。CUFA能明顯提高再生混凝土的坍落度,這說明CUFA 具有明顯的減水效果,其主要機理在于CUFA 的形態(tài)效應與微集料填充效應。有研究表明,CUFA 本身帶有同種電荷,其靜電斥力維持了體系的分散性,起到了普通礦物減水劑的作用[7 ,8 ] 。
2. 2 抗折強度與抗壓強度
從圖2 (a) 和圖2 (b) 可知(見圖2) ,當CUFA 取代率從15 %變化到35 %時,再生混凝土3 d 和7 d 的抗壓和抗折強度隨CUFA 取代率的增加而增大,而28 d 強度與基準混凝土相近。這說明CUFA 具有顯著的早強效果,在保證混凝土后期強度的同時能夠在顯著提高再生混凝土的早期強度。當CUFA 取代率為50 %時, 再生混凝土的抗壓強度顯著降低,這表明CUFA 摻量不宜大于50 %。圖2 (a) 和圖2 (b)還表明,采用42. 5 級普通硅酸鹽水泥,并以15 %～35 %CUFA 等量取代水泥配制的道路再生混凝土,3～7 d 即可開放交通,28 d 抗折強度大于或等于5. 0MPa ,抗壓強度為40. 3～45. 5 MPa ,均完全滿足混凝土C35等級的強度要求。
2. 3 彈性模量
保持混凝土中再生骨料摻量不變的條件下,CUFA 摻量對再生混凝土彈性模量的影響,見圖2(c) 。當再生粗骨料的取代比例為60 % ,CUFA 摻量分別為15 %、25 %和35 %時,其彈性模量與不摻CUFA 的基準混凝土相比接近或者稍有增加。摻入適量的CUFA 可以有效改善再生混凝土的工作性能,同時保證其力學性能相同或稍有改善。
2. 4 耐磨性能
本文的耐磨性試驗是在各組混凝土膠凝材料恒定不變,通過調(diào)整用水量和CUFA 摻量,研究CUFA摻量、再生骨料取代比例對再生混凝土耐磨性的影響,砂率為35 % ,高效減水劑摻量為2. 52 kgPm3 ,試驗配合比及結果,見表4。
表4 試驗結果表明: ① 固定CUFA 的摻量為25 % ,隨再生骨料比例增加,混凝土的用水量增加,當坍落度接近時,抗壓強度稍有減小,1 # 抗壓強度大于2 # 是由于再生粗骨料吸水,使其坍落度較2 #小。再生混凝土的耐磨性能變化規(guī)律與抗壓強度一致。②當固定再生粗骨料的比例為60 % ,用水量為160 kgPm3 時,隨著CUFA 用量的增加,混凝土的坍落度增加,抗壓強度則隨之降低,再生混凝土的耐磨性能也隨之降低,CUFA 摻量為50 %時,其28 d 單位面積的磨耗量為3. 75 kgPm2 ,超過了規(guī)范要求的3. 6 kgPm2 。③當固定再生粗骨料的比例為80 %(2 # 與6 # ) ,摻入的25 %CUFA ,混凝土的用水量從180 kgPm3 降為160 kgPm3 時,同時混凝土的坍落度從20 mm
增至50 mm ,而抗壓強度基本保持不變,再生混凝土的耐磨性能也接近,均小于規(guī)范要求的3. 6 kgPm2 。說明利用CUFA 的減水增強效應,可以保證再生混凝土的抗壓強度與不摻CUFA 的再生混凝土接近,坍落度相同時甚至可以提高,其耐磨性能變化規(guī)律與抗壓強度變化規(guī)律一致。
再生混凝土耐磨性能提高的主要原因是: ①在低水膠比條件下,CUFA 的減水增強效應非常明顯,有利于膠凝物質(zhì)對骨料粘結性能的提高; ②CUFA 玻璃微珠本身的強度很高,有資料表明粉煤灰厚壁空心微珠的抗壓強度在700 MPa 以上[8 ] ,并且玻璃微珠外層玻璃質(zhì)表面非常致密,本身的耐磨性很高。
2. 5 干縮性能
對表4 中的1 # 、2 # 、3 # 及6 # 再生混凝土進行了干縮試驗,如3 圖所示。由圖3 可以看出: 再生混凝土的干燥收縮隨著再生骨料摻量的增加而增大,28 d 齡期后趨于明顯,如60 d 齡期時摻100 %再生骨料的混凝土比摻60 %再生骨料的混凝土干縮值增大了52με。90 d 以后再生混凝土的收縮值增長幅度趨于平緩,各組混凝土的180 d 干縮均未超過500με。比較1 # 與6 # 的干縮可以看出,在同樣再生骨料摻量的條件下,摻CUFA的再生混凝土干縮明顯降低,且隨齡期的增長降低幅度有增大的趨勢。由此可見,再生骨料在一定程度上增大混凝土的干縮值,但CUFA 的摻入能夠顯著降低再生混凝土的干縮,因此,摻CUFA 的再生混凝土具有良好的抗開裂能力。其減縮機理可以認為: 由于超細粉煤灰的減水增強效應非常明顯,有利于膠凝物質(zhì)對集料粘結性能的提高,從而有效地減小干縮;超細粉煤灰具有優(yōu)良的微集料效應,加之其本身強度較高(700MPa) ,因此所形成的堅實的微骨架強化了水泥基材[9～11 ] 。
3 現(xiàn)場應用
3. 1 工程概況
江西省吉安市直屬公路段管轄區(qū)的G105 國道吉安段,共計110 km ,日交通量平均1. 5 萬輛左右,重載、超載車多,造成水泥混凝土路面破損嚴重,破損率達25 % ,嚴重影響了行車速度和行車安全,急需修補。同時,為了避免大量混凝土路面碎塊廢棄造成對環(huán)境的污染和節(jié)約投資,經(jīng)研究決定采用中南大學研制的“再生混凝土技術”進行修復鋪筑。2005 年8 月在江西省吉安市公路局遂川分局管轄區(qū)的G105 遂川段應用,試驗結果表明該修補區(qū)的混凝土72 h 達到開放交通的要求,得到了吉安市公路局遂川分局領導和工程技術人員的充分肯定。
3. 2 現(xiàn)場試驗及結果
從現(xiàn)場拌合情況來看,新拌混凝土坍落度為30～50 mm ,粘聚性良好,說明再生混凝土的工作性能良好。根據(jù)江西省吉安市公路局遂川分局工程質(zhì)量檢測中心對現(xiàn)場應用的再生混凝土檢測報告,檢測結果表明: 采用摻CUFA 和再生骨料配制的再生混凝土的72 h 抗折強度能達到設計強度的70 %(5. 0MPa ×70 % = 3. 5MPa) 及以上,滿足快速開放交通的要求。運營一年來,再生骨料混凝土路面綜合性能優(yōu)良,未見有開裂現(xiàn)象,再生骨料混凝土路面使用性能優(yōu)良。再生混凝土現(xiàn)場施工配合比見表5 ,現(xiàn)場施工試驗檢測報告部分匯總,見表6。
4 結論
①摻入15 %～35 %CUFA 等量取代水泥,可以有效改善再生混凝土的工作性能,同時保證其力學性能相同或稍有改善,3～7 d 即可開放交通,28 d 抗折強度大于5. 0MPa ,抗壓強度為40. 3～45. 5 MPa ,均完全滿足混凝土C35等級的強度要求。
②摻CUFA 再生混凝土具有良好的耐磨性能,滿足規(guī)范要求的3. 60 kgPm2 ,為工業(yè)廢渣再生骨料與CUFA 結合用于路面混凝土提供可靠保障。
③再生骨料摻量的增加在增大混凝土的干縮值,CUFA 的摻入能夠顯著降低再生混凝土的干縮,摻CUFA 的再生混凝土具有良好的抗開裂能力。
④工地應用試驗結果表明: 摻80 %～100 %再生骨料混凝土抗壓強度均符合C35 設計強度等級要求,抗折強度均大于5. 0 MPa ,滿足重交通和特重交通開放交通的要求,運營一年來,再生混凝土路面綜合性能優(yōu)良,未見有開裂現(xiàn)象。
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