王文璟

(铜陵职业技术学院,铜陵 244000)

随着我国社会经济的发展,建筑垃圾成为一个严重的环境问题。减少建筑垃圾是建立和谐社会、共创美好家园的重要举措,也是广大人民群众共同的心愿。作为资源消耗较大的产业,建筑产业更加迫切地需要找到一条健康可持续发展道路。再生混凝土是用废弃材料制成的绿色建筑材料,可以实现建筑垃圾的回收再利用,在不损害环境的前提下节约资源,减少建筑垃圾,有利于实现人与自然的和谐发展。在此背景下,针对再生混凝土特性进行研究,具有非常重要的现实意义。本文重点研究了再生混凝土力学特性及配比优化设计,为构建完善的再生混凝土规范提供参考。

一、试验原材料及其性能

1.水泥。采用河南辉县孟电集团生产的42.5级普通硅酸盐水泥,密度为3.1g/cm3。

2.粉煤灰。采用武汉钢铁集团生产的Ⅱ级粉煤灰,密度为2.1g/cm3。

3.细骨料。选用紧密密度1610kg/m3、堆积密度1420kg/m3、质量与表观体积之比为2760kg/m3的中砂,其中包含0.2%的泥块,含泥量0.9%,细度模数2.7[1]。

4.粗骨料。包含天然骨料、再生骨料。再生骨料采用回收的废弃C45混凝土。经过一定的破碎、筛选处理,按照不同粒径比例配比,最终获得符合要求的再生骨料。

5.减水剂。棕褐色液体,减水率15%。

二、试验设计和试验配比

(一)试验设计

为了降低试验的工作强度,减少工作量,本次研究采用正交试验法,通过适当降低试验频次,将资源集中于典型试验,科学分析试验数据。本次试验主要研究水胶比、再生骨料取代率、煤粉灰取代率这三个因素。

(二)配合比设计

再生混凝土表观密度和普通混凝土明显不同,因此不适合使用质量法计算再生混凝土配合比。本次试验研究以普通混凝土配合比设计作为参考模板,采用绝对体积法对再生混凝土的配合比进行设计。其设计流程如下:

1.混凝土配制强度设计

其中,fcu,k代表混凝土配制强度;σ代表混凝土强度标准差,依据混凝土强度等级确定;fcu,o代表混凝土设计强度[2]。

2.水灰比设计

参考普通混凝土配合比设计原理,运用鲍罗米公式计算得到水灰比。本次试验的水灰比为0.6、0.5、0.4、0.3。

3.单位体积用水量设计

依照相关设计规范,再生粗骨料的粒径最大值为31.5mm,坍落度必须符合泵送要求,控制在90～120mm。根据相关规范、坍落度要求,确定单位体积再生混凝土用水量为210kg/m3。

4.水泥用量设计

结合水灰比、单位体积用水量可以计算出水泥用量,其用量不超过550kg/m3。

5.砂率设计

参考普通混凝土设计规范可以初步确定砂率。坍落度每增加20mm,可以增加1%砂率。

6.砂石用量设计

依据粗细骨料表观密度以及明确的用量,运用体积法可以计算出砂石质量。

7.减水剂用量设计

根据占水泥的比例确定减水剂用量。

三、再生混凝土力学性能试验结果分析

本次试验研究的力学性能主要包括坍落度、抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量四个。根据当前规范进行正交试验,尽量确保人员固定,控制记载速率。

(一)坍落度试验结果分析

通过试验获得坍落度试验结果,各组再生混凝土的坍落度,如表1所示。对其进行正交试验极差分析,根据分析结果可以看出,水胶比的改变对再生混凝土坍落度的影响比再生骨料取代率发生改变产生的影响更大,而粉煤灰取代率改变对再生混凝土坍落度影响很小[3]。

表1 再生混凝土的坍落度试验结果

对坍落度试验结果进行正交试验极差分析,结果如表2所示。

表2 再生混凝土坍落度试验结果极差分析

续表2

根据以上极差分析结果可知,水胶比变化对再生混凝土坍落度的影响程度更大,粉煤灰取代率变化对其影响相对较小。计算因素各水平对坍落度的影响权重并进行比较,如图1所示,W/C为水胶比,RA%为再生骨料取代率,FA%为粉煤灰取代率。

图1 因素各水平对坍落度的影响权重

采用正交设计助手软件对坍落度试验结果进行方差分析,结果如表3所示。

表3 塌落度试验结果方差分析

从方差分析结果得出

1.水胶比提高时,坍落度将大幅提高,而再生骨料取代率增大会显著降低再生混凝土坍落度;对混凝土流动性有影响的因素主要包括水胶比、温度、时间、砂率、材质等。本次试验中除温度和时间、粉煤灰取代率、水胶比不同,其他因素都保持不变。

2.当水胶比、单位体积用水量达到一定标准时,添加再生骨料会降低坍落度,因为再生骨料表面粗糙、孔隙率较大,吸水性强。本次试验对再生骨料做了一定的预处理,使再生骨料以理想状态进行拌和,以免因为吸水性影响拌和用水。再生骨料添加量越大,坍落度变小,表示其形状对混凝土性能有较大影响[4]。

3.即使煤粉灰的添加量比较大,再生混凝土中坍落度也只是稍微降低,变化不明显。如果想要提升再生混凝土坍落度,可以调整水胶比或添加一些外加剂,可采用“双掺”手段配制泵送混凝土。

(二)抗压强度试验结果分析

经试验测得不同龄期再生混凝土的抗压强度,并对试验结果进行分析。水胶比的改变对于各个龄期的再生混凝土抗压强度的影响比其他两种因素的影响更大,其中煤粉灰取代率发生改变时造成的影响最小。对于普通混凝土,粉煤灰取代率的变化对不同龄期的混凝土抗压强度都有影响。粉煤灰取代率越大,水泥用量越小,使混凝土抗压强度降低。

1.当粉煤灰取代率从0上升到40%时,普通混凝土抗压强度持续降低,而再生混凝土抗压强度没有明显变化。在满足混凝土使用要求的基础上,可保持水胶比、再生骨料取代率不变,提升粉煤灰取代率配制混凝土,以达到降低成本的目的。

2.水胶比与抗压强度成反比,再生骨料取代率与抗压强度也成反比,但降低程度没有水胶比导致的变化那么明显。

3.忽略粉煤灰取代率的影响,水胶比越大再生骨料取代率的对抗压强度的影响越小。如果再生混凝土的设计强度很低,则配比相同的再生混凝土抗压强度可能比天然骨料混凝土强度更高。

(三)劈裂抗拉强度试验结果及分析

通过试验获得劈裂抗拉强度数据,并对其进行正交试验极差分析。根据分析结果可以看出:

1.水胶比对28d再生混凝土劈裂抗拉强度的影响比再生骨料取代率对28d再生混凝土劈裂抗拉强度的影响更大。粉煤灰取代率的影响最小。对于90d再生混凝土的劈裂抗拉强度,水胶比是最主要的影响因素。

2.对于28d、90d的再生混凝土劈裂抗拉强度,粉煤灰几乎没有影响。再生骨料取代率变大,28d再生混凝土劈裂抗拉强度会降低。而对于90d天再生混凝土劈裂抗拉强度,再生骨料取代率几乎没有影响。可见随着龄期增加,再生骨料混凝土增强了劈裂抗拉强度,再生骨料取代率越高这样的强化效应越强,使再生骨料取代率这个因素的影响权重减小。

3.随着水胶比的增加,28d、90d的再生混凝土劈裂抗拉强度变小。其中,28d龄期的再生混凝土劈裂抗拉强度受到再生骨粒取代率的影响没有水胶比带来的影响更小。

(四)抗折试验结果及分析

通过试验获得抗折强度数据,并对其进行正交试验极差分析。根据分析结果可以看出:

一是水胶比对于各个龄期的再生混凝土抗折强度的影响比再生骨料取代率更显著,粉煤灰取代率的影响最小;

二是再生骨料取代率与抗折强度成反比,和劈裂抗拉强度相似,龄期越长,再生混凝土的强度发展到后期,再生骨料对抗折强度起到明显的增强效应。

(五)弹性模量试验结果及分析

通过试验获得弹性模量数据,并对其进行正交试验极差分析。根据分析结果可以看出:

1.不同龄期的再生混凝土弹性模量受到水胶比的影响最大,再生骨料取代率次之,粉煤灰取代率变最小。

2.粉煤灰取代率在0%～40%之间变化时,28d、90d的再生混凝土弹性模量没有受到影响,因此通过添加大量的粉煤灰用于普通混凝土获得更高的经济效益。

3.水胶比、再生骨料取代率与弹性模量成反比。

四、结语

综上所述,本文主要研究了粉煤灰取代率、水胶比、再生骨料取代率对再生混凝土天力学特性的影响,并对再生混凝土配合比进行了优化设计。