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摘 要:采用废弃混凝土再生骨料、普通硅酸盐水泥和粉煤灰等原材料,通过正交试验找出影响再生混凝土强度和坍落度的主要因素及粉煤灰再生混凝土的最优配比。试验结果表明,再生骨料替代率是影响再生混凝土强度和坍落度的显著因素,在普通成型工艺和养护条件下可以配制出抗压强度59 MPa,塌落度215 mm的高性能粉煤灰再生混凝土。
关键词:再生骨料;再生混凝土;粉煤灰;强度
中图分类号:TU528文献标识码:A文章编号:1000-8136(2009)17-0012-03
随着建筑业的快速发展,由此产生的建筑垃圾也日渐增多。中国每年产生大约1亿t左右的废弃混凝土。2008年5月12日发生的四川汶川大地震导致大量房屋倒塌,由此而产生的建筑垃圾数量惊人,约3亿t。面对全球性的建筑垃圾处理难题,目前尚无很好的解决方法。传统的建筑垃圾处理方法主要是运往郊外露天堆放或填埋。大量的废弃混凝土堆积于城市郊区公路、河流附近,既恶化了生态环境又占用了良田。目前,全世界混凝土的年产量约28亿m3,中国的混凝土年产量约占世界总量的45%,约13亿m3~14亿m3。生产混凝土需要大量的粗细骨料——砂石,而随着对砂石的不断开采,天然骨料亦趋于枯竭,且其开采的成本十分高昂,对自然生态环境的破坏也十分严重。粉煤灰是火力发电厂排出的燃料渣,具有产量大、价格低廉、活性效果显著等优点;利用粉煤灰可以节约水泥、减少环境污染。再生混凝土技术既能解决废旧混凝土的处置问题,又能节省天然砂石,同时带来环保效益、经济效益和社会效益,是发展绿色混凝土实现建筑资源可持续发展的重要措施。
1 理论基础
在水泥水化过程中,除了产生水化硅酸钙(C-S-H)以外,还产生大量的游离氢氧化钙(Ca(OH)2)。氢氧化钙的强度很低,稳定性极差,在侵蚀条件下是首先遭到侵蚀的组分,而且它们多在水泥石和集料的界面处富集并结晶成粗大晶粒,因而界面的黏结被削弱,并成为混凝土中的最薄弱环节。粉煤灰含有大量的非晶态的SiO2和Al2O3,掺入粉煤灰后,活性SiO2可以和游离氢氧化钙(Ca(OH)2)发生二次反应(火山灰效应),生成强度高、稳定性好的水化硅酸钙(C-S-H):
(0.8~1.5)Ca(OH)2+n(0.8~1.5)H2O+SiO2
——→(0.8~1.5)CaO·SiO2·nH2O
因此,掺入粉煤灰以后,通过二次反应,不但可以减少或消除游离氢氧化钙,而且可以使胶凝物质(C-S-H)的数量大幅度增加,水泥石与集料的界面结构也得以改善。上述反应多在水泥浆体的孔隙中进行,因此显著降低了混凝土内部结构中水泥石的孔隙率,也改善了孔结构,提高了混凝土的密实性。
煤粉灰绝大多数为表面光滑、致密、细粒的、海绵状的硅铝酸盐玻璃微球珠状颗粒,掺入混凝土中可减小内摩阻力,增大流动性、减少泌水、从而可以减少混凝土的用水量,改善和易性。粉煤灰中的微细颗粒均匀分布在水泥浆内,填充孔隙和毛细孔,改善了混凝土的孔结构,增大密实度。
2 试验材料
水泥:选用的42.5R普通硅酸盐水泥,其物理力学性能见表1。
硅粉(SF):青海西宁山川铁合金厂生产。比重为1.98 g/cm3,活性指标129%,中粒径d为5.6 ?滋m,颗粒级配及化学成分见表2和表3。
粉煤灰(FA):采用I级粉煤灰,需水量比为93.75%,各项技术指标合格,表观密度为2.14 g/cm3,其化学成分与物理性能见表4。
外加剂:采用HPS萘系高效减水剂,其主要成分为?茁-磺酸甲醛缩合物,棕黄色粉末,减水率为18%~28%,掺量为胶凝材料重量的0.5%~2.0%,
原生粗骨料:选用卵石,最大粒径40 mm。其质量标准及检验方法依据GB/T14685—2002进行,其表观密度为2.745 g/cm3,含水率为0.15%。
再生粗骨料(RCA):人工破碎废弃混凝土筛分而成,最大粒径40 mm。表观密度为2.61 g/cm3,含水率不计。其级配组成见表5。由于再生骨料中含有大量的水泥砂浆,同时也存在一些受力破坏后留下的微细裂缝,所以再生骨料吸水率会随着时间逐渐增大。因此在再生混凝土的拌制中,按天然骨料混凝土配合比设计的理论用水量不能满足混凝土坍落度的要求。试验表明,在同等条件下再生混凝土比普通混凝土需要多约5%的拌和水,本次试验通过附加水解决这个问题。
3 搅拌方法
拌合方法按照国家标准GB/T50080-2002执行。由于再生粗骨料的表面比较粗糙,所以采用强制式搅拌机,针对再生骨料的高吸水性,有的研究者采用在搅拌前将再生粗骨料浸泡于拌合水中,预先吸水之后拌制混凝土。这样的搅拌方式会对混凝土的工作性产生较大的影响,使混凝土的总用水量增加10 kg/m3～15 kg/m3。在本试验中采用粗骨料的干拌方法,即在投置其他材料之前先将再生粗骨料放入搅拌机中干拌20 min,这样能剥落附着在再生粗骨料砂浆上的软弱颗粒,之后在不停止搅拌机的情况下再加入砂和胶凝材料,最后加水和减水剂的混合溶液,并适当延长搅拌时间,投料顺序见图1。
5 试验结果与分析
试验采用正交设计,把水胶比、再生骨料替代率、硅粉掺量和粉煤灰掺量作为试验因素考虑,每个因素取4个水平,选用正交表L16(45),共进行16组试验。单位用水量为165 kg/m3,HSP减水剂掺量为胶凝材料质量的1.5%。试验采用150 mm×150 mm×150 mm标准试件,分别测试新拌混凝土的塌落度和7 d、28 d、60 d抗压强度,试验结果及极差分析结果见表7。
注:因素A水胶比为水与胶凝材料总质量之比,因素B、C、D均以占胶凝材料总质量的比值表示。
极差R反映了试验中相应因素对试验结果影响的大小,极差大的因素,其水平对考核指标所造成的差别大,通常是重要因素,相反,极差小的因素往往是次要因素。由以上极差分析可知,本次试验中影响28 d抗压强度的4个因素主次顺序为:水胶比、再生骨料替代率、硅粉掺量、粉煤灰掺量。影响坍落度的4个因素主次顺序为:再生骨料替代率、水胶比、粉煤灰掺量、硅粉掺量。
由以上分析可知,对抗压强度而言可能较好的组合条件为A3B1C4D3和A1B1C1D1,对坍落度而言为A3B1C4D3。用“综合平衡法”选出最优的组合条件为A3B1C4D3,即水胶比为0.4,再生骨料替代率为25%,粉煤灰掺量为30%,硅粉掺量为10%。由此组合条件配制的混凝土7 d抗压强度为42.1 MPa,28 d抗压强度为55.4 MPa,60 d抗压强度为59.5 MPa,坍落度为215 mm。
6 结论
(1)采用42.5R普通硅酸盐水泥、硅灰、粉煤灰和高效减水剂,最大粒径为40 mm的再生骨料,在普通成型工艺和养护条件下就可以配制出抗压强度59 MPa,塌落度215 mm的高性能粉煤灰再生混凝土。
(2)试验表明,影响粉煤灰再生混凝土28 d抗压强度的显著因素是水胶比、再生骨料替代率和硅灰掺量;影响其坍落度的显著因素是再生骨料替代率和水胶比。
(3)再生骨料的替代率对再生混凝土的各项考核指标均有较大的不利影响,尤其对新拌再生混凝土的坍落度影响很大,甚至超过了水胶比,掺入硅灰和粉煤灰可以显著提高再生混凝土早期及后期的抗压强度。
作者简介:郭建国,男,1976年出生,江西赣州人,助理工程师。张华英,男,1977年出生,江西赣州人,讲师,硕士,主要从事土木工程材料研究。
The Experimental Research of the Fly Ash Recycled Concrete
Guo Jianguo, Zhang Huaying
Abstract:Using recycled aggregate and ordinary Portland cement and fly ash Etc. materials, with orthogonal test, the optimization mix proportions of the fly ash recycled concrete were recommended. The result of the experiments shows that the percentage of recycled aggregate and water/binder ratio are significantly effects of strength and slump of recycled concrete. With ordinary methods of mixing and conservation, the high performance recycled concrete with strength of 59 MPa, slump of 215 mm were produced.
Key words: Recycled aggregate;Recycled concrete; Fly ash; Strength
关键词:再生骨料;再生混凝土;粉煤灰;强度
中图分类号:TU528文献标识码:A文章编号:1000-8136(2009)17-0012-03
随着建筑业的快速发展,由此产生的建筑垃圾也日渐增多。中国每年产生大约1亿t左右的废弃混凝土。2008年5月12日发生的四川汶川大地震导致大量房屋倒塌,由此而产生的建筑垃圾数量惊人,约3亿t。面对全球性的建筑垃圾处理难题,目前尚无很好的解决方法。传统的建筑垃圾处理方法主要是运往郊外露天堆放或填埋。大量的废弃混凝土堆积于城市郊区公路、河流附近,既恶化了生态环境又占用了良田。目前,全世界混凝土的年产量约28亿m3,中国的混凝土年产量约占世界总量的45%,约13亿m3~14亿m3。生产混凝土需要大量的粗细骨料——砂石,而随着对砂石的不断开采,天然骨料亦趋于枯竭,且其开采的成本十分高昂,对自然生态环境的破坏也十分严重。粉煤灰是火力发电厂排出的燃料渣,具有产量大、价格低廉、活性效果显著等优点;利用粉煤灰可以节约水泥、减少环境污染。再生混凝土技术既能解决废旧混凝土的处置问题,又能节省天然砂石,同时带来环保效益、经济效益和社会效益,是发展绿色混凝土实现建筑资源可持续发展的重要措施。
1 理论基础
在水泥水化过程中,除了产生水化硅酸钙(C-S-H)以外,还产生大量的游离氢氧化钙(Ca(OH)2)。氢氧化钙的强度很低,稳定性极差,在侵蚀条件下是首先遭到侵蚀的组分,而且它们多在水泥石和集料的界面处富集并结晶成粗大晶粒,因而界面的黏结被削弱,并成为混凝土中的最薄弱环节。粉煤灰含有大量的非晶态的SiO2和Al2O3,掺入粉煤灰后,活性SiO2可以和游离氢氧化钙(Ca(OH)2)发生二次反应(火山灰效应),生成强度高、稳定性好的水化硅酸钙(C-S-H):
(0.8~1.5)Ca(OH)2+n(0.8~1.5)H2O+SiO2
——→(0.8~1.5)CaO·SiO2·nH2O
因此,掺入粉煤灰以后,通过二次反应,不但可以减少或消除游离氢氧化钙,而且可以使胶凝物质(C-S-H)的数量大幅度增加,水泥石与集料的界面结构也得以改善。上述反应多在水泥浆体的孔隙中进行,因此显著降低了混凝土内部结构中水泥石的孔隙率,也改善了孔结构,提高了混凝土的密实性。
煤粉灰绝大多数为表面光滑、致密、细粒的、海绵状的硅铝酸盐玻璃微球珠状颗粒,掺入混凝土中可减小内摩阻力,增大流动性、减少泌水、从而可以减少混凝土的用水量,改善和易性。粉煤灰中的微细颗粒均匀分布在水泥浆内,填充孔隙和毛细孔,改善了混凝土的孔结构,增大密实度。
2 试验材料
水泥:选用的42.5R普通硅酸盐水泥,其物理力学性能见表1。
硅粉(SF):青海西宁山川铁合金厂生产。比重为1.98 g/cm3,活性指标129%,中粒径d为5.6 ?滋m,颗粒级配及化学成分见表2和表3。
粉煤灰(FA):采用I级粉煤灰,需水量比为93.75%,各项技术指标合格,表观密度为2.14 g/cm3,其化学成分与物理性能见表4。
外加剂:采用HPS萘系高效减水剂,其主要成分为?茁-磺酸甲醛缩合物,棕黄色粉末,减水率为18%~28%,掺量为胶凝材料重量的0.5%~2.0%,
原生粗骨料:选用卵石,最大粒径40 mm。其质量标准及检验方法依据GB/T14685—2002进行,其表观密度为2.745 g/cm3,含水率为0.15%。
再生粗骨料(RCA):人工破碎废弃混凝土筛分而成,最大粒径40 mm。表观密度为2.61 g/cm3,含水率不计。其级配组成见表5。由于再生骨料中含有大量的水泥砂浆,同时也存在一些受力破坏后留下的微细裂缝,所以再生骨料吸水率会随着时间逐渐增大。因此在再生混凝土的拌制中,按天然骨料混凝土配合比设计的理论用水量不能满足混凝土坍落度的要求。试验表明,在同等条件下再生混凝土比普通混凝土需要多约5%的拌和水,本次试验通过附加水解决这个问题。
3 搅拌方法
拌合方法按照国家标准GB/T50080-2002执行。由于再生粗骨料的表面比较粗糙,所以采用强制式搅拌机,针对再生骨料的高吸水性,有的研究者采用在搅拌前将再生粗骨料浸泡于拌合水中,预先吸水之后拌制混凝土。这样的搅拌方式会对混凝土的工作性产生较大的影响,使混凝土的总用水量增加10 kg/m3～15 kg/m3。在本试验中采用粗骨料的干拌方法,即在投置其他材料之前先将再生粗骨料放入搅拌机中干拌20 min,这样能剥落附着在再生粗骨料砂浆上的软弱颗粒,之后在不停止搅拌机的情况下再加入砂和胶凝材料,最后加水和减水剂的混合溶液,并适当延长搅拌时间,投料顺序见图1。
5 试验结果与分析
试验采用正交设计,把水胶比、再生骨料替代率、硅粉掺量和粉煤灰掺量作为试验因素考虑,每个因素取4个水平,选用正交表L16(45),共进行16组试验。单位用水量为165 kg/m3,HSP减水剂掺量为胶凝材料质量的1.5%。试验采用150 mm×150 mm×150 mm标准试件,分别测试新拌混凝土的塌落度和7 d、28 d、60 d抗压强度,试验结果及极差分析结果见表7。
注:因素A水胶比为水与胶凝材料总质量之比,因素B、C、D均以占胶凝材料总质量的比值表示。
极差R反映了试验中相应因素对试验结果影响的大小,极差大的因素,其水平对考核指标所造成的差别大,通常是重要因素,相反,极差小的因素往往是次要因素。由以上极差分析可知,本次试验中影响28 d抗压强度的4个因素主次顺序为:水胶比、再生骨料替代率、硅粉掺量、粉煤灰掺量。影响坍落度的4个因素主次顺序为:再生骨料替代率、水胶比、粉煤灰掺量、硅粉掺量。
由以上分析可知,对抗压强度而言可能较好的组合条件为A3B1C4D3和A1B1C1D1,对坍落度而言为A3B1C4D3。用“综合平衡法”选出最优的组合条件为A3B1C4D3,即水胶比为0.4,再生骨料替代率为25%,粉煤灰掺量为30%,硅粉掺量为10%。由此组合条件配制的混凝土7 d抗压强度为42.1 MPa,28 d抗压强度为55.4 MPa,60 d抗压强度为59.5 MPa,坍落度为215 mm。
6 结论
(1)采用42.5R普通硅酸盐水泥、硅灰、粉煤灰和高效减水剂,最大粒径为40 mm的再生骨料,在普通成型工艺和养护条件下就可以配制出抗压强度59 MPa,塌落度215 mm的高性能粉煤灰再生混凝土。
(2)试验表明,影响粉煤灰再生混凝土28 d抗压强度的显著因素是水胶比、再生骨料替代率和硅灰掺量;影响其坍落度的显著因素是再生骨料替代率和水胶比。
(3)再生骨料的替代率对再生混凝土的各项考核指标均有较大的不利影响,尤其对新拌再生混凝土的坍落度影响很大,甚至超过了水胶比,掺入硅灰和粉煤灰可以显著提高再生混凝土早期及后期的抗压强度。
作者简介:郭建国,男,1976年出生,江西赣州人,助理工程师。张华英,男,1977年出生,江西赣州人,讲师,硕士,主要从事土木工程材料研究。
The Experimental Research of the Fly Ash Recycled Concrete
Guo Jianguo, Zhang Huaying
Abstract:Using recycled aggregate and ordinary Portland cement and fly ash Etc. materials, with orthogonal test, the optimization mix proportions of the fly ash recycled concrete were recommended. The result of the experiments shows that the percentage of recycled aggregate and water/binder ratio are significantly effects of strength and slump of recycled concrete. With ordinary methods of mixing and conservation, the high performance recycled concrete with strength of 59 MPa, slump of 215 mm were produced.
Key words: Recycled aggregate;Recycled concrete; Fly ash; Strength