[摘 要] 为合理利用废弃的混凝土再生骨料,采用正交试验优化水胶比、再生骨料掺量及快速修补矿物掺合料CUFG掺量的合理配伍。试验结果表明: 无论是早期还是后期,水胶比仍然是影响混凝土强度的最主要因素;再生骨料和快速修补矿物掺合料对强度的影响与龄期有关;合理安排水胶比和快速修补矿物掺合料掺量,在再生骨料用量达100%的条件下制备的混凝土24 h抗折、抗压强度均满足重交通和特重交通开放的要求。
[关键词] 再生骨料; 混凝土; 配合比
[中图分类号] U 416. 26 [文献标识码] A [文章编号] 1002— 1205 (2007) 02— 0106— 04
0 引言
水泥混凝土路面破损后需进行修补,但由于现在交通网的需求,对在使用的道路进行路面修补时,不允许长时间封闭交通,尤其是高速公路和城市道路。采用普通水泥混凝土对路面进行修补时,需要较长的养生时间,按我国现行的《水泥混凝土路面施工及验收规范》(GBJ97— 87) 4. 7. 2条第四款的规定: 普通混凝土的养生时间,应根据混凝土强度增长情况而定,一般宜为14～21 d,早期强度低,一般需要5～7 d 才能开放交通,给路面尽快恢复交通(最好是在24 h以内)带来了困难[ 1, 2 ] 。因此,水泥混凝土路面快速修补技术研究仍是今后相当长一段时间内急需研究的课题之一。
水泥混凝土路面修补或改造后将产生大量的废弃混凝土,其传统处理方法大多是运到郊区填沟平壑或任意堆积。如此多的废弃混凝土不仅处理费用惊人,还需要占用大量的空地存放,浪费耕地。如仅以一条路幅宽度9 m,板厚24 cm的二级路计算,每公里道路改建时所废弃的混凝土为2 160 m3 ,若改建的混凝土道路有十几km或几十km,则废弃的混凝土块可达上万甚至几十万m3。如此多的废弃混凝土如不能妥善处理,则不仅对水泥混凝土道路的整治带来消极影响,同时对公路沿线的周边环境也会造成负面作用,因此,水泥混凝土路面修补改造后废弃混凝土的处理已成为公路养护部门急需解决的问题之一。同时对节约资源和能源,改善生态环境意义重大,这既符合我国循环经济发展的方向,也符合我国在制定中长期科教兴国战略及社会可持续发展战略的要求。
1 试验材料与试验方法
1. 1 原材料
①水泥(C) : 湖南韶峰水泥厂生产的42. 5级普通硅酸盐水泥,物理力学性能见表1。
②快速修补矿物掺合料(CUFG) : 比表面积为575 m2 /kg。
③天然粗骨料(NA) : 湘江河卵石,级配合格,5～31. 5 mm的连续级配。
④再生粗骨料(RA) : 用湖南省长益高速公路路面维修时废弃的混凝土(原生混凝土的粗骨料为卵石) ,先经人工破碎成中等尺度的碎块,然后用颚式破碎机破碎成小颗粒,再筛分制得而成,级配合格,为5～31. 5 mm的连续级配,其有关性能如表2～表4所示。
⑤天然细骨料(NS) : 湘江河砂,级配合格,符合Ⅱ区要求,细度模数M x = 2. 63。
⑥外加剂( Sp ) : 湘潭潭建外加剂厂生产的JDN— III型早强高效减水剂。
⑦水(W) : 自来水。
1. 2 试验方法
试件在试验室制作,采用50 dm3 搅拌机搅拌,振动台振动成型,试件成型后立即放入标准养护室中,养护24 h后拆模,继续养护至试验龄期后进行试验。
再生骨料快硬高早强混凝土的表观密度、坍落度按照《普通混凝土拌合物性能试验方法》(GB / T50080— 2002)进行测试,力学性能(包括立方体抗压强度、棱柱体抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度、弹性模量)按照《普通混凝土力学试验方法标准》( GB/ T 50081— 2002)进行测试。其中立方体抗压及劈拉强度所用试件尺寸均为( 100 ×100 ×100) mm,试验结果已乘相应的换算系数(立方体抗压强度为0.95,劈拉强度为0. 85) ; 抗折强度所用试件尺寸为(100 ×100 ×400) mm,试验结果已乘0. 85 换算系数,所有试验结果已换算成标准试件强度。
2 再生骨料快硬高早强混凝土配合比正交设计
由于影响再生骨料快硬高早强混凝土性能的因素很多,包括原材料的性能特征、水灰比、砂率、骨料性能、原生混凝土强度等级、养护条件和龄期等。由于掺再生骨料的混凝土影响因素较为复杂,为达到减少试验次数,缩短试验周期,迅速找出各影响因素的内在规律的目的,采用正交试验设计方法对再生骨料快硬高早强混凝土的配合比进行了试验设计。
在按照普通混凝土配合比设计方法进行设计的同时,考虑到废弃混凝土骨料吸水率大的问题,除了通常设计所需要的单位需水量外,另外加入了按照废弃混凝土骨料15 min吸水率(本文为2. 5 % )计算的需水量[ 3, 4 ] 。
在试验中,选取三个因子、三种水平,按正交表L9 (34 )安排试验,以探讨不同影响因素对再生骨料快硬高早强混凝土强度的影响规律,来优化指导再生骨料快硬高早强混凝土配合比设计,从而指导水泥混凝土路面快速修补。对于一级公路,抗折强度≥3. 5MPa,对于二级公路,抗折强度≥3. 15MPa,在保证强度的同时,尽可能地增加再生骨料的掺量。
水胶比、再生骨料掺量及CUFG掺量在正交表中分别为因素A、因素B 和因素C, 共试验了10个配合比(第一组为基准混凝土) ,通过调整高效减水剂的掺量来保证新拌混凝土的和易性,并使其坍落度值控制在30～50 mm左右, 高效减水剂的掺量在0. 5%～1. 0%之间。混凝土的配合比与拌合物性能见表2,力学性能试验结果见表3。
3 试验结果分析、配合比优化
3. 1 抗折强度的影响因素分析
由于水泥混凝土路面是以抗折强度为主要控制指标,因此,重点对混凝土的抗折强度进行分析,极差与方差分析结果如表4所示。在试验因素水平变化范围内,按照极差的大小,影响因素的主次顺序为: 水胶比> CUFG掺量> RA掺量( 3 d与56 d) ,水胶比>RA掺量>CUFG掺量(28 d) ,说明无论是早期还是后期,水胶比是影响抗折强度的最主要因素,而RA掺量与CUFG掺量对再生骨料快硬高早强混凝土抗折强度的影响主次顺序随龄期变化而不同。
由表4的方差分析结果可知,无论是早期还是后期,水胶比对抗折强度有显著影响,而CUFG掺量
与RA掺量对抗折强度影响的显著性随龄期变化而不同。在3 d和28 d其影响并不显著,在56 d却是显著的,且两者的F值很相近。28 d抗折强度大于5. 0MPa的有五组配合比, RC06的水胶比为0. 32,RA掺量为90 % , CUFG掺量为20 % ,和易性优良,说明合理安排水胶比和CUFG掺量,即使再生骨料掺量较大,也能够配制出满足路面使用要求的混凝土。应用于一级公路时,最优配合比为A1B2 C2 ;对于二级公路,最优配合比为A1B3 C3[5] 。
3. 2 抗压与劈拉强度的影响因素分析
通过极差和方差分析,可求得抗压与劈拉强度
影响因素的主次顺序以及显著性,如表5所示。在试验因素水平变化范围内,对于抗压与劈拉强度,无论早期还是后期,水胶比是影响强度的主要因素,也是显著因素(除水胶比对3 d,劈拉强度其显著性为有一定影响外) ,这与抗折强度相同。
综上所述: 无论早期还是后期,水胶比是影响再生骨料快硬高早强混凝土强度的最主要因素,而且也是最显著因素,因此,严格控制水胶比对再生骨料快硬高早强混凝土的强度有重要意义;在早期( 3d) , CUFG掺量对再生骨料快硬高早强混凝土强度的影响要明显大于再生骨料掺量对强度的影响,因此,对于要求快硬早强的混凝土, CUFG掺量不宜过大;在后期(28 d、56 d或更长) ,随着龄期的变化,不同强度(抗折、抗压和劈裂抗拉)影响因素主次顺序和显著性也在变化,但水胶比对强度的影响仍要明显大于CUFG掺量和RA 掺量对强度的影响, 而CUFG掺量与RA掺量对强度的影响能力趋于接近。
3. 3 再生骨料快硬高早强混凝土配合比参数的确定
通过分析再生骨料快硬高早强混凝土性能的影响因素,参考文献[ 6, 7 ]的研究成果,确定再生骨料快硬高早强混凝土配合比设计参数见表6。
根据推荐的再生骨料快硬高早强混凝土配合比设计参数,对再生骨料快硬高早强混凝土进行试配,试配结果见表7,表8。
表8的试验结果表明: 采用42. 5R普通硅酸盐水泥,掺入20 % ～25 %的CUFG,再生骨料掺量为100% ,可配制1 d抗折强度大于4. 17MPa, 2 d抗折
强度大于5. 11MPa, 28 d抗折强度大于5. 81MPa, 1d抗压强度大于26. 4MPa, 2 d抗压强度大于30. 9MPa, 28 d抗压强度大于47. 3MPa的再生骨料快硬高早强混凝土;掺入30%的CUFG,再生骨料的掺量为100% ,可配制1 d抗折强度大于3. 93MPa, 2 d抗折强度5. 05MPa, 28 d抗折强度5. 75MPa, 1 d抗压强度23. 8MPa, 2 d抗压强度31. 4MPa, 28 d抗压强度45. 4MPa的再生骨料快硬高早强混凝土,均能达到重交通和特重交通开放的要求,同时也满足《公路水泥混凝土路面养护技术规范》( JTJ 073. 1 —2001)中A. 3. 1的规定,用于板块修补的混凝土材料应在24 h 内达到原板设计强度70 %以上, 即3. 15MPa (原板设计强度为4. 5 MPa)或3. 5 MPa(原板设计强度为5MPa) , 48 h内达到原板设计强度,即可开放交通的要求。
4 结论
①无论是早期还是后期,水胶比仍然是影响混凝土强度的最主要因素;再生骨料和快速修补矿物掺合料对强度的影响与龄期有关;合理安排水胶比和快速修补矿物掺合料掺量,在再生骨料掺量较大的条件下也能够配制出满足路面使用要求的混凝土;
②通过对配合比参数的优化,在再生集料用量为100%的条件制备的再生骨料快硬高早强混凝土,其早期强度达到满足重交通和特重交通开放的要求。
[参考文献]
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[3] 徐亦冬. 再生混凝土高强高性能化的试验研究[D ]. 长沙:中南大学, 2003.
[4] 张亚梅,秦鸿根,孙 伟,等. 再生混凝土配合比设计初探索[ J ]. 混凝土与水泥制品, 2002, (1) : 7～9.
[5] 蔡正咏,王足献. 正交设计在混凝土中的应用[M ]. 北京:中国建筑工业出版社, 1985.
[6] 李 俊. 再生骨料在水泥混凝土路面快速修补中的研究与应用[D ]. 长沙:中南大学, 2005.
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