[摘 要] 从工作性能、力学性能、耐磨性能以及干缩等方面,研究了复合超细粉煤灰(CUFA) 掺量对道路再生混凝土性能的影响,并初步探讨了其影响机理。试验研究结果表明: 掺入质量分数为15 %～35 %的CUFA ,可以有效改善再生混凝土的工作性能,同时保证其力学性能相同或稍有改善;掺CUFA 再生混凝土的具有良好的路面耐磨性,干缩显著减小,运营1 a 来,再生混凝土路面综合性能优良,未见有开裂现象。这为CUFA 再生混凝土应用于水泥混凝土路面中提供了可靠的保障。
[关键词] 复合超细粉煤灰; 再生混凝土; 力学性能; 耐磨性; 干缩
废弃混凝土的再利用对资源和环境具有重要的现实意义,许多国家对此给予了高度重视,并制定了相应的制度和措施。近年来,国内外的一些专家学者对再生混凝土技术进行了大量的研究,在再生骨料的基本性能及强化、再生混凝土的配合比设计以及物理力学性能等方面取得了一定的成果[1～6 ] ,但是关于再生混凝土耐久性方面、尤其是耐磨性能方面的研究文献并不多见。鉴于此,本文旨在探讨复合超细粉煤灰(CUFA) 与再生骨料相结合对道路路面用混凝土工作性能、力学性能、特别是耐磨性、干缩的影响,为再生混凝土应用于水泥混凝土路面工程提供了技术支持和保障。
1 原材料与试验方法
1. 1 原材料
水泥: 42. 5 级普通硅酸盐水泥,水泥的物理性能和化学成分符合现行的国家标准,水泥胶砂抗折强度Rf ,3 = 5. 40 MPa , Rf ,28 = 8. 70 MPa ,抗压强度RC ,3 = 31. 2 MPa , RC , 28 = 5817 MPa ;复合超细粉煤灰(CUFA) : 主要成分为电厂电收尘分选的超细粉煤灰,并掺入小于或等于5 %的早强型激发剂复合而成。其中超细粉煤灰的密度2. 26 gPcm3 ,比表面积550 m2Pkg ,需水量比为93 %,化学成分分析见表1 ;天然粗骨料(NA) : 湘江河卵石,级配合格,为5～31. 5 mm的连续级配;天然细骨料:河砂,级配合格,细度模数2. 63 ;再生粗骨料(RA) : 用长沙市某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,见表2 ;外加剂: 高效减水剂(粉剂) 。
1. 2 试验方法
试件在试验室制作,采用50 L 搅拌机搅拌,振动台振动成型,在标准条件下养护至一定龄期后进行试验。再生混凝土的坍落度和表观密度按照《普通混凝土拌合物性能试验方法》(GBPT 50080 —2002)测试;力学性能按照《普通混凝土力学性能试验方法》(GBPT 50081 —2002) 进行测试,其中立方体抗压强度所用试件尺寸为100 mm ×100 mm ×100 mm ,抗折强度所用试件尺寸为100 mm ×100 mm ×400 mm ,棱柱体抗压强度和弹性模量所用试件尺寸均为100mm ×100 mm ×300 mm ,试验结果已乘相应的换算系数;耐磨性按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30 —2005) 试验。
2 试验结果及分析
为探讨CUFA 与再生骨料相结合对混凝土工作性能和力学性能的影响,试验了5 个配合比,固定水胶比为0. 38 ,再生骨料掺量为60 % ,砂率为35 % ,高效减水剂掺量为2. 52 kgPm3 ,试验结果见表3。
2. 1 坍落度
从图1 知,在CUFA 取代率小于50 %的范围内,再生混凝土的坍落度随CUFA 掺量的增加而显著增大,从0 mm 增至100 mm。根据试验观察,掺CUFA后再生混凝土粘聚性和保水性明显增强。CUFA能明显提高再生混凝土的坍落度,这说明CUFA 具有明显的减水效果,其主要机理在于CUFA 的形态效应与微集料填充效应。有研究表明,CUFA 本身带有同种电荷,其静电斥力维持了体系的分散性,起到了普通矿物减水剂的作用[7 ,8 ] 。
2. 2 抗折强度与抗压强度
从图2 (a) 和图2 (b) 可知(见图2) ,当CUFA 取代率从15 %变化到35 %时,再生混凝土3 d 和7 d 的抗压和抗折强度随CUFA 取代率的增加而增大,而28 d 强度与基准混凝土相近。这说明CUFA 具有显著的早强效果,在保证混凝土后期强度的同时能够在显著提高再生混凝土的早期强度。当CUFA 取代率为50 %时, 再生混凝土的抗压强度显著降低,这表明CUFA 掺量不宜大于50 %。图2 (a) 和图2 (b)还表明,采用42. 5 级普通硅酸盐水泥,并以15 %～35 %CUFA 等量取代水泥配制的道路再生混凝土,3～7 d 即可开放交通,28 d 抗折强度大于或等于5. 0MPa ,抗压强度为40. 3～45. 5 MPa ,均完全满足混凝土C35等级的强度要求。
2. 3 弹性模量
保持混凝土中再生骨料掺量不变的条件下,CUFA 掺量对再生混凝土弹性模量的影响,见图2(c) 。当再生粗骨料的取代比例为60 % ,CUFA 掺量分别为15 %、25 %和35 %时,其弹性模量与不掺CUFA 的基准混凝土相比接近或者稍有增加。掺入适量的CUFA 可以有效改善再生混凝土的工作性能,同时保证其力学性能相同或稍有改善。
2. 4 耐磨性能
本文的耐磨性试验是在各组混凝土胶凝材料恒定不变,通过调整用水量和CUFA 掺量,研究CUFA掺量、再生骨料取代比例对再生混凝土耐磨性的影响,砂率为35 % ,高效减水剂掺量为2. 52 kgPm3 ,试验配合比及结果,见表4。
表4 试验结果表明: ① 固定CUFA 的掺量为25 % ,随再生骨料比例增加,混凝土的用水量增加,当坍落度接近时,抗压强度稍有减小,1 # 抗压强度大于2 # 是由于再生粗骨料吸水,使其坍落度较2 #小。再生混凝土的耐磨性能变化规律与抗压强度一致。②当固定再生粗骨料的比例为60 % ,用水量为160 kgPm3 时,随着CUFA 用量的增加,混凝土的坍落度增加,抗压强度则随之降低,再生混凝土的耐磨性能也随之降低,CUFA 掺量为50 %时,其28 d 单位面积的磨耗量为3. 75 kgPm2 ,超过了规范要求的3. 6 kgPm2 。③当固定再生粗骨料的比例为80 %(2 # 与6 # ) ,掺入的25 %CUFA ,混凝土的用水量从180 kgPm3 降为160 kgPm3 时,同时混凝土的坍落度从20 mm
增至50 mm ,而抗压强度基本保持不变,再生混凝土的耐磨性能也接近,均小于规范要求的3. 6 kgPm2 。说明利用CUFA 的减水增强效应,可以保证再生混凝土的抗压强度与不掺CUFA 的再生混凝土接近,坍落度相同时甚至可以提高,其耐磨性能变化规律与抗压强度变化规律一致。
再生混凝土耐磨性能提高的主要原因是: ①在低水胶比条件下,CUFA 的减水增强效应非常明显,有利于胶凝物质对骨料粘结性能的提高; ②CUFA 玻璃微珠本身的强度很高,有资料表明粉煤灰厚壁空心微珠的抗压强度在700 MPa 以上[8 ] ,并且玻璃微珠外层玻璃质表面非常致密,本身的耐磨性很高。
2. 5 干缩性能
对表4 中的1 # 、2 # 、3 # 及6 # 再生混凝土进行了干缩试验,如3 图所示。由图3 可以看出: 再生混凝土的干燥收缩随着再生骨料掺量的增加而增大,28 d 龄期后趋于明显,如60 d 龄期时掺100 %再生骨料的混凝土比掺60 %再生骨料的混凝土干缩值增大了52με。90 d 以后再生混凝土的收缩值增长幅度趋于平缓,各组混凝土的180 d 干缩均未超过500με。比较1 # 与6 # 的干缩可以看出,在同样再生骨料掺量的条件下,掺CUFA的再生混凝土干缩明显降低,且随龄期的增长降低幅度有增大的趋势。由此可见,再生骨料在一定程度上增大混凝土的干缩值,但CUFA 的掺入能够显著降低再生混凝土的干缩,因此,掺CUFA 的再生混凝土具有良好的抗开裂能力。其减缩机理可以认为: 由于超细粉煤灰的减水增强效应非常明显,有利于胶凝物质对集料粘结性能的提高,从而有效地减小干缩;超细粉煤灰具有优良的微集料效应,加之其本身强度较高(700MPa) ,因此所形成的坚实的微骨架强化了水泥基材[9～11 ] 。
3 现场应用
3. 1 工程概况
江西省吉安市直属公路段管辖区的G105 国道吉安段,共计110 km ,日交通量平均1. 5 万辆左右,重载、超载车多,造成水泥混凝土路面破损严重,破损率达25 % ,严重影响了行车速度和行车安全,急需修补。同时,为了避免大量混凝土路面碎块废弃造成对环境的污染和节约投资,经研究决定采用中南大学研制的“再生混凝土技术”进行修复铺筑。2005 年8 月在江西省吉安市公路局遂川分局管辖区的G105 遂川段应用,试验结果表明该修补区的混凝土72 h 达到开放交通的要求,得到了吉安市公路局遂川分局领导和工程技术人员的充分肯定。
3. 2 现场试验及结果
从现场拌合情况来看,新拌混凝土坍落度为30～50 mm ,粘聚性良好,说明再生混凝土的工作性能良好。根据江西省吉安市公路局遂川分局工程质量检测中心对现场应用的再生混凝土检测报告,检测结果表明: 采用掺CUFA 和再生骨料配制的再生混凝土的72 h 抗折强度能达到设计强度的70 %(5. 0MPa ×70 % = 3. 5MPa) 及以上,满足快速开放交通的要求。运营一年来,再生骨料混凝土路面综合性能优良,未见有开裂现象,再生骨料混凝土路面使用性能优良。再生混凝土现场施工配合比见表5 ,现场施工试验检测报告部分汇总,见表6。
4 结论
①掺入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,同时保证其力学性能相同或稍有改善,3～7 d 即可开放交通,28 d 抗折强度大于5. 0MPa ,抗压强度为40. 3～45. 5 MPa ,均完全满足混凝土C35等级的强度要求。
②掺CUFA 再生混凝土具有良好的耐磨性能,满足规范要求的3. 60 kgPm2 ,为工业废渣再生骨料与CUFA 结合用于路面混凝土提供可靠保障。
③再生骨料掺量的增加在增大混凝土的干缩值,CUFA 的掺入能够显著降低再生混凝土的干缩,掺CUFA 的再生混凝土具有良好的抗开裂能力。
④工地应用试验结果表明: 掺80 %～100 %再生骨料混凝土抗压强度均符合C35 设计强度等级要求,抗折强度均大于5. 0 MPa ,满足重交通和特重交通开放交通的要求,运营一年来,再生混凝土路面综合性能优良,未见有开裂现象。
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