煅烧煤矸石再生细骨料混凝土徐变性能

2020-10-17刘德慧

硅酸盐通报 2020年9期

刘德慧，李滢

(1.青海民族大学，土木与交通工程学院，西宁 810007;2.青海大学，土木工程学院，西宁 810016)

0 引言

混凝土因其原材料多为天然石材，价格低廉且制备工艺简单，已成为建筑物不可或缺的基础性材料。但由于城市化规模不断扩展，一方面基础设施建设也随之增加，导致天然资源采集过度，另一方面拆迁后的建筑垃圾难以解决，因此，近年来国内外学者将废弃后的混凝土用作再生骨料，制备不同性能的混凝土，已成为现阶段国内外研究的热点。但很少有学者将煤矸石作为骨料掺入再生混凝土中并研究其性能的变化，因此本文利用煤矸石做进一步研究。煤矸石主要是煤矿在开采煤炭完毕后，加工成品过程中所分离出的一种工业废料，其活性较低，可通过机械破碎、筛分、清洗等工序后，按一定的体积或质量比取代混凝土中的粗细骨料，将其变废为宝。煤矸石不仅无可燃性，而且可取代天然资源达到可持续利用的目的[1-3]。有学者将加工之后的煤矸石作为粗骨料加入普通混凝土中，发现掺入煤矸石后的混凝土内部空隙得以优化，抗渗性、抗冻性、抗侵蚀性及碱骨料反应等耐久性得以提升。但是关于煤矸石对混凝土徐变性能的影响研究较少，尤其是对再生混凝土[4-7]。由于煤矸石存在活性低的问题，本试验对其进行活化处理(不同温度煅烧)，提高SiO2和Al2O3含量，即表现为较高的活性[8-9]。徐变一般会引起普通混凝土内力发生重分布，减缓混凝土局部应力集中现象。但会造成预应力钢筋混凝土结构的预应力损失[10-11]。

因此本实验对煅烧煤矸石再生细骨料混凝土在持续核载120 d的徐变性能进行研究，采用正交试验探究不同煅烧温度、煤矸石掺量、粉煤灰掺量及水灰比影响下再生细骨料混凝土的徐变变形性能。

1 实验

1.1 原材料

采用42.5级普通硅酸盐水泥和I级粉煤灰，比表面积分别为450 m2/kg和1 022 m2/kg，其主要成分如表1所示。

表1 胶凝材料主要化学成分Table 1 Main chemical composition of cementitious materials /wt%

再生细骨料采用废弃后的混凝土(强度等级为C60)通过机械加工制得，其粒径大小在0.15～0.3 mm之间，细度模数为2.7，属于中砂，满足《混凝土和砂浆用再生细骨料》(GB/T 25176—2010)[12]执行标准；减水剂采用浙江某化工公司生产的萘系高效减水剂，减水率大于25%，其杂质含量如表2所示。

表2 减水剂杂质最高含量Table 2 Maximum content of water reducer impurities /wt%

1.2 煤矸石活化处理

因煤矸石是从煤炭加工厂直接分离的废渣，无火山灰效应，需进行高温煅烧处理[13-14]。采用高温箱式炉进行煅烧，试验前对机械预热至300 ℃，再放入煤矸石粗骨料并煅烧30 min，其温度分别设置为600 ℃、700 ℃、800 ℃，每隔6 min均匀搅拌一次，最后煅烧后保温2 h左右，使其火山灰性能保持一致。

1.3 试验方案

试验采用正交试验，共设置4个可控因素：煤矸石掺量(D)、粉煤灰掺量(E)、水胶比(F)、煤矸石碎石煅烧温度(H)，每个可控因素选取3个水平，记为9次试验。试验设置的因素水平如表3所示，方案如表4所示。

表3 试验可控因素水平Table 3 Test controllable factors and levels

表4 试验方案设计Table 4 Test plan design

1.4 试件步骤

试验制作的试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm和150 mm×150 mm×300 mm，将试件分为9组，每组3个试件，标准养护28 d。其中150 mm×150 mm×300 mm的试件养护28 d后测量基准弹性模量和抗压强度；100 mm×100 mm×400 mm的试件测量压缩徐变变形和干缩变形。使用1 000 kN弹簧式压缩徐变仪和卧式收缩仪，按执行标准设置温度为(20±2) ℃，相对湿度为(60±5)%的环境，并在此环境下持续荷载120 d(养护28 d后算起)，其荷载取60%的抗压强度。

2 结果与讨论

2.1 抗压强度

再生混凝土养护28 d后，抗压强度按式(1)进行计算，结果如图1所示。

图1 不同控制因素水平再生细骨料混凝土抗压强度Fig.1 Compressive strength of recycled fine aggregate concrete with different controllable factors

(1)

式中：fc为28 d抗压强度，MPa；P为破坏荷载，N；A为承压面积，mm2。

由图1可知，煅烧煤矸石再生细骨料混凝土的抗压强度随着煤矸石掺量和水胶比的增大而逐渐减小，主要是因为煤矸石孔隙率较大，另外水胶比增大时，试件的孔隙率也会逐渐增大，从而导致试件抗压强度下降。当增大粉煤灰掺量时，其抗压强度也逐渐慢速增大，是因为粉煤灰与水泥水化产物发生反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙等产物，填充了再生细骨料混凝土内部空隙，增加其密实度，但掺量过量可导致水化条件劣化，其抗压强度增速降低。当提高煤矸石煅烧温度时，其抗压强度呈先升后降的趋势，煅烧温度达700 ℃时，煤矸石的活性性能最大，对应再生细骨料混凝土的抗压强度也达到最大。综合图1(a)～(d)可以看出，当水胶比为0.4，煤矸石掺量为20%，煅烧煤矸石温度为700 ℃，粉煤灰掺量为10%时，试件的抗压强度最高。同时，D、E、F和H可控因素下，28 d煅烧煤矸石再生细骨料混凝土最大抗压强度分别为40.6 MPa、39.8 MPa、40.7 MPa和39.9 MPa,从高到低依次为:F、D、H、E。

2.2 干缩变形

试件养护28 d后采用收缩仪对9组煅烧后的煤矸石再生细骨料混凝土进行为期120 d的收缩量测试，每隔10 d进行一次测试，干缩量为第nd长度与基准长度之差[15-16]。干缩应变表达如式(2)所示，其变化曲线如图2所示，120 d的极差分析如表5所示。

表5 120 d干缩应变极差分析Table 5 Range analysis of 120 d dry shrinkage strain /10-6

图2 干缩应变变化曲线Fig.2 Change curves of dry shrinkage strain

(2)

式中：εsn为干缩应变；L0为基准长度，mm；Ln为第nd长度，mm；Lsn为第nd干缩量，mm。

由图2可知，煅烧煤矸石再生细骨料混凝土在0～120 d之间，其干缩变形呈先增后稳定的状态，其中干缩变形最小的是第2组，说明煅烧煤矸石温度为700 ℃且掺量为20%、粉煤灰掺量为10%、水灰比为0.40的试件具有较高的抵抗干缩变形能力。由于前80 d再生细骨料混凝土的水化硬化反应还在逐渐进行，而后其相对湿度开始转变至自然湿度，试件失水过多引起干缩变形增大。80～120 d间再生细骨料混凝土硬化逐渐完成，其试件的相对湿度与周围自然环境接近，所以在80～120 d之间，试件的干缩徐变变形处于稳定发展阶段。

由表5可知，120 d时，由极差值(R)可以看出各因素对煤矸石再生细骨料混凝土的干缩影响程度依次为H>F>D>E。再生细骨料混凝土发生干缩变形，主要是由于试件空隙中水分的蒸发，水化反应减缓，导致试件体积干缩。因此F和H对试件干缩变形影响程度较大。其次煤矸石由于自身孔隙率大的特点，导致试件从相对湿度95%降低至65%时，内部孔隙失水严重，所以试件干缩变形程度也会随着煤矸石掺量和水胶比的增大而增大。但煅烧温度和粉煤灰掺量增大时，试件的干缩变形呈先降后升趋势，是因为适当的煅烧温度和粉煤灰可降低再生细骨料混凝土水化热，从而减小干缩变形。

2.3 徐变变形

试验所用压缩徐变仪在测试试件中读取的数据包括徐变变形、干缩变形和瞬时变形(应力施加时试件产生瞬间的变形)，三者相结合为总变形[17-19]，式(3)为徐变变形的表达式，图3为徐变变形曲线，表6为120 d徐变变形极差分析。

表6 120 d徐变变形极差分析Table 6 Range analysis of 120 d creep deformation /10-6

图3 徐变变形曲线Fig.3 Creep deformation curves

εcn=εnon-εsn-εel

(3)

式中：εcn为徐变应变;εnon为总应变;εel为瞬时应变。

由图3可知，随着持续荷载时间的延长，煅烧后煤矸石再生细骨料混凝土发生徐变变形最小的为第2组(D为20%，E为10%，F为0.40，H为700 ℃)。将试件徐变变形过程分为三个阶段：快速阶段，持续荷载0～30 d之间，由于试件在自然环境条件下，其内部和外部湿度差逐渐缩小，而试件中水化产物和碳酸盐结晶体转化相对变快，诱发试件内部微裂缝扩展速度和数量增加；慢速阶段，持续荷载30～90 d之间，试件内部相对湿度与外界自然环境相吻合，胶凝材料逐渐完成晶体转化，试件内部微裂纹的数量和速度不再扩张和增加；平缓阶段，煅烧煤矸石再生细骨料混凝土持续荷载90 d后，其微裂纹均处于平缓状态。

由表6可知，120 d煅烧煤矸石再生细骨料混凝土徐变变形受各因素影响程度依次为H>D>E>F。煤矸石经机械破碎后充当混凝土中的粗骨料，但其本身具有孔隙多、强度小于天然碎石等特点，加之水胶比大的情况下，可导致再生细骨料混凝土硬化时孔隙增多。因此煅烧煤矸石再生细骨料混凝土在持续荷载作用下，试件的徐变变形随煅烧煤矸石掺量和水胶比的增大而增大，粉煤灰掺入混凝土中不仅能细化孔隙，降低水泥水化热，而且还能提高抗压强度。所以在煅烧煤矸石再生细骨料混凝土中掺入10%的粉煤灰可减小徐变变形，煤矸石煅烧温度达700 ℃时其活性最高，试件的抗压强度达到最大，所以煅烧煤矸石再生细骨料混凝土在持续荷载作用下，徐变变形随煅烧温度的增大呈先减后增的趋势。

2.4 机理分析

对于再生细骨料混凝土徐变机理问题主要取决于掺入的性能各异的原材料，尤其加入活性掺合料，很大程度上增加了徐变变形。例如掺入一定量的活性煤矸石，由于煤矸石中存在SiO2，所以当水泥用量过多时，混凝土会发生碱骨料反应，从而增大了徐变破坏程度。因此本文在一定程度上调节煅烧煤矸石温度、水胶比、煤矸石掺量、粉煤灰掺量等因素降低碱骨料发生的可能，根据此机理得到煤矸石再生细骨料混凝土徐变的演变过程。