摘要: 研究了5 种再生骨料级配对混凝土强度的影响,试验表明,较小的最大公称粒径对混凝土强度有利. 提出了微粉体系级配范围和关键粒径的概念,研究了硅灰单掺、矿渣和硅灰复掺、粉煤灰和硅灰复掺以及这3 种掺和料复掺时的优化级配. 指出了硅灰对获得紧密堆积体系不可缺少,且掺和料复掺时比硅灰单掺更为有效,这为堆积密实度计算结果所证实. 流变学参数测定结果也表明,双掺15 %(质量分数,下同) 硅灰和15 %粉煤灰时,浆体屈服应力和塑性粘度最小,因而具有最优级配.
关键词: 再生骨料; 矿物掺和料微粉; 级配优化; 再生混凝土
中图分类号: TU528 文献标识码:A
所谓再生骨料,是指废弃混凝土、砖块等经过解体、破碎、筛分等再加工过程,重新用于生产水泥混凝土的材料. 其中再生细骨料由于粉尘含量高、吸水量大等缺陷一般不用于浇筑再生混凝土.所以,目前的再生骨料混凝土主要是指利用再生粗骨料制备的混凝土. 由于再生骨料水泥混凝土技术带来的巨大环保效应和潜在经济效应,再生骨料的研究及应用日益受到重视. 对再生混凝土的研究主要集中在以下几个方面:一是对再生骨料基本性质的研究[1 , 2 ] ;其次是对再生骨料进行强化处理[3 , 4 ] ;最后是对由再生骨料配制的再生混凝土性质的探讨. 对于再生混凝土的工作性[5 ] 、力学强度[6 ] 、耐久性[ 7 ] 和配合比设计[8 ] 已有较多实验研究,并取得了一定的进展. 但是,尚未见有关再生混凝土级配系统研究的文献报道. 由于再生骨料的物理、力学性能一定程度上劣于天然骨料,因此配制再生混凝土时,为改善混凝土性能,掺入矿渣、粉煤灰或硅灰等矿物掺和料已成为普遍的技术手段. 再生混凝土中,再生骨料形成骨架,水泥和矿渣、粉煤灰、硅灰等掺和料填充在骨架之中. 本文研究了再生骨料级配优化和水泥、掺和料的级配优化问题.
1 再生骨料级配优化
1. 1 再生骨料级配
固定净水胶比为0. 28 (本文所涉及的水胶比、砂率、掺量等除特别注明外均为质量比或质量分数) ;砂率为34 %;胶凝材料总量为550 kg/ m3 ,其中P ·O 42. 5 级普通硅酸盐水泥375 kg/ m3 , I 级粉煤灰125 kg/ m3 ,硅灰50 kg/ m3 ;高效减水剂FDN 掺量为胶凝材料总量的0. 8 %.再生骨料系强度等级为C40 的水泥混凝土路面,经过颚式破碎机和反击式破碎机两级破碎,然后重新筛分、分级而成的粗骨料. 研究了5 种不同再生骨料级配对再生骨料水泥混凝土(以下简称为再生混凝土) 28 d 抗压、抗折强度的影响. 根据现行公路水泥混凝土路面施工技术规范(J TGF30 —2003) 推荐级配范围,按级配中值设计了4 种连续级配A , B , C , D 和1 种单粒径级配E. 其中A ,B ,C ,D 分别表示4. 75～31. 50 mm 连续级配、4. 75～26. 50 mm 连续级配、4. 75～19. 00 mm连续级配和4. 75～16. 00 mm 连续级配,E 表示9. 50～16. 00 mm 单粒径级配.
1. 2 再生骨料级配对再生混凝土强度的影响
骨料级配对再生混凝土强度的影响如图1 ,2 所示.
由图1 可见,4. 75～16. 00 mm 连续级配(级配D) 再生混凝土的28 d 抗压、抗折强度最大. 天然骨料混凝土中,由于骨料的强度较高,所以骨料强度并不是影响混凝土强度的主要因素. 而对生混凝土而言,因为再生骨料在解体、破碎等加工过程中容易受到损伤,使骨料内部产生了大量微细裂纹,因而会给混凝土强度带来不利影响. 但与天然骨料比较,再生骨料具有相对粗糙的表面,且其表面往往包裹有部分旧的水泥砂浆,故与新拌水泥砂浆之间结合更好. 因此再生混凝土中,再生骨料与砂浆基质之间的粘聚力对混凝土强度的影响占有主导地位. 随着最大公称粒径的减小,砂浆与再生粗骨料之间的接触面积增大,增大了混凝土的粘聚力,从而使混凝土强度提高. 另外,在水胶比一定的情况下,随最大公称粒径的减小,比表面积增大,骨料之间的浆体厚度变薄. 而根据deLarrard 等的研究[9 ] ,当水胶比相同时,混凝土抗压强度f c 与骨料最大浆体厚度MPT 之间满足方程f c∝MPT- r ,其中r 接近0. 13～0. 16 ,即混凝土抗压强度随最大浆体厚度的减小而增大,可见,这一结论对于再生混凝土也是适用的.
2 微粉级配优化
再生混凝土中,水泥和掺和料组成微粉体系. 用L S - 601 激光粒度分析仪测定了水泥(C) 、粉煤灰( FA) 、矿渣(BS) 和硅灰(SF) 的粒度分布,其粒度分析结果整理如表1 所示.
2. 1 级配范围
至今已有较多用来描述理想粉体级配的模型,较为广泛接受的是Andreasen 方程[10 ] . 根据Andreasen 方程,当粉体满足U ( D) = 100 ( D/ DL ) n 时可达到紧密堆积状态. 其中:U ( D) 表示粒径D 对应的筛孔通过百分率、DL 为体系的最大粒径、n 为分布模数. Andreasen 指出,随着n 的减小,体系的空隙率减小; n = 0. 33 时粉体可达到理想的紧密堆积状态; n 继续减小无实际意义. 所以,级配上限可根据n = 0. 33 计算. 取n = 0. 70 时的级配作为体系的级配下限. 理想级配范围见表2.
2. 2 微粉组成
根据级配范围和微粉的级配曲线,用Excel 电子表格进行计算和调整,以优化微粉比例. La2bahn 等认为[11 ] :水泥熟料颗粒中,10μm 以下的颗粒对水泥砂浆早期强度有较大贡献,10～30μm颗粒则对水泥砂浆7 ,28 d 强度有较好的相关性,而大于60μm 的颗粒则难以水化;卢迪芬等[12 ] 研究了矿渣颗粒尺寸分布对水泥砂浆强度的影响,结论认为:矿渣微粉中10～20μm 颗粒的含量对水泥砂浆7 ,28 d 强度的影响最大;郝文霞等[13 ] 经研究发现:粉煤灰中5μm 以下颗粒含量对水泥粉煤灰胶砂的流动度和抗压强度影响最大,10～16μm 颗粒次之. 蒋永惠等[ 14 ] 则认为粉煤灰中10～20μm 颗粒对水泥砂浆强度起主要贡献;硅灰中含有大量的0. 1μm 以下颗粒,对填充效应的发挥起关键作用. 由于60. 0 ,30. 0 ,15. 0 ,10. 0 ,5. 0 ,0. 1μm 的粒径对胶凝材料特性影响很大,故选择它们作为关键粒径,微粉合成级配力求尽可能多的粒径接近级配上限,其他粒径则要求落在级配范围内. 对单掺、双掺和三掺的“水泥- 掺和料”二元、三元和四元体系进行级配优化. 优化后的微粉配比和合成结果见表2.
掺和料单掺时,由于水泥、粉煤灰、矿渣中均不含0. 1μm 粒径颗粒,水泥- 矿渣、水泥- 粉煤灰二元体系均不能满足0. 1μm 关键粒径通过百分率的要求,不能达到紧密堆积. 根据0. 1μm 粒径合成级配要求,确定硅灰掺量大约为15 % ,故水泥- 硅灰二元体系的优化组成为w (C) : w (SF)= 85 %∶15 %. 结合表1 ,2 可见,水泥的粒径分布远远偏离理想紧密堆积分布,即级配上限. 掺入硅灰后,合成级配的0. 1 , 30. 0μm 关键粒径通过百分率接近级配上限,其他粒径通过百分率都落在级配范围内. 也就是说,硅灰的掺入使体系的堆积结构得到了大幅改善,更加接近Andreasen 方程的紧密堆积状态. 但是,仍有多个关键粒径偏离了理想级配.掺和料双掺时,微粉构成三元体系. 同样,由于0. 1μm 粒径的要求,要达到紧密堆积,硅灰的掺入不可缺少,其掺量为15 %左右. 根据关键粒径通过百分率和级配范围要求,调整水泥- 粉煤灰掺量和水泥- 矿渣掺量,当w (C) ∶w ( FA) ∶w ( SF) = 70 % ∶15 % ∶15 % , w (C) ∶ w (BS) ∶ w(SF) = 80 % ∶5 % ∶15 %时,分别得到水泥- 粉煤灰- 硅灰、水泥- 矿渣- 硅灰三元体系的较理想合成级配. 由表2 可见,和单掺硅灰相比,合成级配粒径中有更多的关键粒径(0. 1 ,15. 0 ,30. 0 ,60. 0μm) 通过百分率接近理想Andreasen 方程,故硅灰和粉煤灰或矿渣双掺时,体系能获得更紧密的堆积排列,具有复合效应. 另外,水泥- 粉煤灰- 硅灰三元体系和水泥- 矿渣- 硅灰三元体系相比,前者具有更紧密的堆积结构. 这是由于矿渣颗粒较粗,矿渣掺入时的堆积密实效果不如粉煤灰所致.同时掺入矿渣、粉煤灰和硅灰构成四元体系,其优化的级配组成为: w (C) ∶w (BS) ∶w (FA) ∶w (SF) = 60 % ∶5 % ∶20 %∶15 %. 此时,0. 1 ,15. 0 ,30. 0 ,60. 0μm 等大多数的关键粒径通过百分率接近理想级配.
2. 3 CPM模型验证
可压缩堆积模型(compressible packing model , CPM) 是由法国混凝土专家de Larrand 经过10 多年的系统研究后提出来的,由于克服了Toufar 模型[15 ] 和Dewar 模型[16 ] 等经典密实度模型单一粒径假设的局限性,得到了各国研究者较广泛的认同. CPM 模型是一个半经验的数学模型,其主要作用是可根据混合料中各种原材料颗粒的粒径分布和组成比例,确定混合料体系的实际堆积密实度,即体系中每个颗粒相互堆积并保持原有形状时固相体积占整个体系体积的百分率. CPM 模型首先计算或实测各种原材料的剩余堆积密实度βi (即单位体积中其他粒级存在的情况下第i 级单粒级颗粒所能占据的最大固体体积) ,然后根据堆积结构计算出具有不同粒径分布的固体颗粒在达到理想堆积状态时的虚拟堆积密实度γ,最后根据压实指数K(反映不同堆积过程中虚拟堆积密实度与实际堆积密实度关系) 计算得到体系的实际堆积密实度Φ. 对于存在部分交互影响的颗粒体系,用aij ,bij 分别表示小颗粒的松开效应系数和大颗粒的壁效应系数,则有
式(1) , (4) 中: yi , yj 分别表示第i , j 级颗粒的体积分数.
对于水泥- 掺和料粉体体系,假设由n 种材料所组成,各组分所占固体体积比为Yi ( i = 1 , ⋯,n) . 每种原材料分别有各自的粒径分布曲线,但具有共同的m 个粒级区间,每个粒级的特征粒径为dj ( j = 1 ,2 , ⋯, m) . 设第i 种材料的第j 个粒级区间的颗粒在该种材料中的体积比为y ji ,其剩余堆积密实度为βji . 则可以由式(5) 将一个n 相体系转化为一个m 级混合体系. 其中每级的粒径为dj ,固体体积为y3j ,剩余堆积密实度为β3j .
首先,用最小需水量法实测测得水泥、粉煤灰、矿渣和硅灰的实际堆积密实度分别为0. 629 ,0. 666 ,0. 619 ,0. 536 ;接着根据式(4) 反算它们的剩余堆积密实度βi ;然后由式(5) 计算混合料各粒级区间的剩余堆积密实度β3j ;再由式(1) 计算混合料的虚拟堆积密实度γj ;最后由式(4) 求解水泥- 掺和料混合体系的实际堆积密实度Φ. 根据上述步骤编写Matlab 程序,分别计算二元体系、三元体系、四元体系优化级配的实际堆积密实度Φ,结果见表3.
由表3 可见,无论硅灰单掺、粉煤灰与硅灰双掺、矿渣与硅灰双掺还是粉煤灰、矿渣、硅灰同时掺入,与不掺掺和料时相比,其堆积密实度均有不同程度提高. 从堆积密实度计算结果分析,堆积效果由优至劣的顺序为四元体系> 三元体系> 二元体系> 单掺水泥. 在三元体系中,从堆积密实度结果分析,硅灰与粉煤灰复配效果优于硅灰与矿渣复配时的效果.
2. 4 流变学参数
水泥- 掺和料净浆接近宾汉姆体,其流变学参数可以用屈服应力和塑性粘度来表征. 保持水泥用量为70 %,水胶比为0. 28 ,FDN 掺量为0. 8 %. 改变粉煤灰和硅灰的掺量,制得净浆. 用同轴旋转粘度计测定了水泥- 粉煤灰- 硅灰三元体系的屈服应力和塑性粘度,结果见图3 ,4.
由图3 ,4 可知,当粉煤灰掺量为15 % ,即w (水泥) ∶w (粉煤灰) ∶w (硅灰) = 70 % ∶15 % ∶15 %时,体系具有紧密的堆积结构,从而浆体具有最小的屈服应力和塑性粘度.
3 结论
1. 再生骨料最大公称粒径影响再生混凝土的抗压强度和抗折强度. 对于再生骨料,由于骨架作用的削弱,粘聚力占有更为重要的地位. 较小的最大公称粒径由于增大了总表面积,提高了粘聚力,从而对提高混凝土强度有利. 建议采用4. 75～16. 00 mm 的连续级配.
2. 微粉体系的级配范围为n = 0. 33 和n = 0. 70 时对应的Andreasen 方程,60. 0 ,30. 0 ,15. 0 ,10. 0 ,5. 0 ,0. 1μm 关键粒径应尽可能接近级配上限.
3. 水泥的粒度分布远远不能满足Andreasen 方程,不能实现粉体的紧密堆积排列. 掺入适量的矿渣、粉煤灰和硅灰可使水泥浆体体系获得紧密堆积结构. 由于硅灰中含有其他微粉中缺少的0. 1μm 以下颗粒,因此硅灰是水泥浆体体系获得紧密堆积不可缺少的掺和料.
4. 硅灰、粉煤灰、矿渣的掺入使水泥浆体体系获得更高的堆积密实度,因此具有更紧密的堆积结构. 粉煤灰、硅灰双掺或矿渣、粉煤灰、硅灰复配比单掺硅灰有效,矿物掺和料之所以具有复合效应,是因为体系能获得更好的堆积排列. 在紧密堆积状态下,微粉体系具有较低的屈服应力和塑性粘度,这为流变学参数的试验结果所证实.
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