混合砂再生粗骨料混凝土试验研究

混合砂再生粗骨料混凝土试验研究

 

摘要

自“十二五”以来，建设资源节约型，环境友好型社会已成为我国经济转型的重要着力点。作为混凝土的细骨料天然中砂经长期开采以日渐枯竭，细砂与机制砂的大量使用必将成为趋势。同样，粗骨料主要依靠传统粗犷的开采方式，严重破坏生态平衡，且开矿产生大量粉尘严重影响当地居民的生活；另一方面，城市产生的大量建筑垃圾的处理已成为城市管理的难题，传统上作为道渣填埋远解决不了如此体量庞大的建筑垃圾。将其成再生骨料，既解决城市建筑垃圾问题，又减少对矿山的开采，留住青山绿水利国利民。

1 原材料

水泥采用德清南方PO42.5 水泥，标准稠度26%，28 天抗压强度50.2Mpa；粉煤灰采用C 类Ⅱ级灰，细度28%，需水量比101%；矿粉采用S95 级矿粉，28d 活性指数99%；外加剂采用聚羧酸高效减水剂，掺量1.1%。

细骨料采用特细砂和机制砂按比例混合，粗骨料采用再生骨料不同比例取代。

 

表1 细骨料级配情况

 

特细砂平均粒径不大于0.315mm，大于1.25mm 的颗粒较少，机制砂和特细砂混合，可以调整颗粒分布，补充0.315mm 以下的颗粒，使颗粒级配更加合理。机制砂MB 值0.9，石粉含量6.5%。

 

表2 混合砂的细度模数

 

表3 粗骨料性能指标

 

2 试验方法

细砂0.63mm以上的颗粒很少，大部分颗粒分布在0.30mm以下，孔隙率高，需水量高，如单独采用特细砂配制混凝土，必须采用低水胶比，低砂率。过高的水胶比和砂率会导致细砂上浮或下沉，形成表面和下部砂浆集中，混凝土均匀性差的局面，易产生裂缝，对构件力学性能耐久性均不利。但低水胶比低砂率配出的混凝土流动性差，无法泵送。机制砂是由机械破碎，经筛分制成的人工砂。一般石粉含量较高，级配中大于2.36mm小于0.15mm颗粒较多，颗粒多呈狭长状或三角状，粗糙度长径都比较大，颗粒圆度低，影响混凝土流动性；石粉含量高，需水量大，混凝土粘稠，不利泵送。再生碎石由废弃的混凝土破碎后分选制成，再生石原料来源复杂，吸水率高，缺陷多等特质决定其品质不稳定性。

本文将细砂、机制砂和再生碎石三种较为特殊的原材料组合在一起配制混凝土，并研究不同因素对混凝土性能的影响。试验水胶比采用常用的0.5，胶凝材料总量350kg，掺合料40%。外加剂的掺量为1.1%。

由于再生骨料的加入，试验用水量分为两部分：一部分是附加水，另一部分是拌合水。附加水可通过下式计算决定。

ΔW=mRCA×(S’RCA-S’OCA)

式中ΔW——再生骨料附加水量，kg

mRCA——再生骨料质量，kg

S’RCA——再生骨料的相对吸水率，kg

S’OCA——天然骨料的相对吸水率，kg

试验采用正交试验的方法，选取机制砂与细砂比例、砂率以及再生骨料的取代率以及掺合料的比例作为因素，每个因素取四个水平。考察每种因素对混凝土工作性能以及力学的影响。

 

表4 因素水平表

 

采用L16(45)正交表安排试验。

 

表5 试验方案

 

表6 正交试验配合比

 

 

3 试验数据与分析

影响坍落度的因素顺序为ACDB，即机制砂和细砂的比例对坍落度的最大，其次是再生石，砂率外掺料的比例对坍落度的影响略小。机制砂细度模数较大，一般大于3.0，颗粒尖锐表面粗糙，长径比较大石粉含量高，级配不合理，中间少，两头多，对混凝土的和易性影响较大。细砂的掺入，使粗骨料与机制砂之间的空隙得到填充，机制砂中石粉颗粒细度与水泥差不多，在混凝土体系中起到微集料的作用，因此细砂和石粉使体系在不同的粒径区间得到补充，体系的孔隙率降低，自由水量增加，混凝土的流动性的到改善。但石粉本身具有吸水性，因此，石粉掺量存在一个临界值，低于临界值，可以改善流动性，高于临界值，需水量增大，拌合物粘度增加，屈服剪切应力增大，混凝土流动性变差。从表8中可以看出机制砂与细砂的比例由5:5增加到8:2，混合砂的细度模数由2.16增加到2.81，混凝土的坍落度先增大后减小，粘聚性的变化规律基本相同。当机制砂与细砂的比例为6:4，细度模数2.41时，混凝土的和易性最佳。

 

表7 正交试验数据

 

表8 坍落度和容重极差分析

 

影响容重的因素顺序为CABD，再生石的掺入比例对容重影响最大，其次是机制砂的掺入比例，砂率和外掺料的影响略小。再生石比天然碎石比表观密度小，因此随着再生石的增加，混凝土的容重降低。机制砂与细砂的孔隙率都较大，其它材料不变，混凝土的容重与混合砂紧密密度正相关。

 

表9 泌水极差分析

 

影响泌水的因素顺序为ABCD，机制砂对泌水的影响最大，其次是砂率，再生骨料和掺合料的影响较低。随着机制砂的掺入比例由5:5增加到8:2，泌水率先降低后升高。一方面细砂石粉和粉煤灰矿粉的加入，微集料效应改善体系的颗粒分布，同时也使泌水通道变长，对降低泌水率有利。另一方面，细砂比表面积大需水量高，机制砂中的石粉也有吸水的特性，细砂石粉的加入增大了混凝土的需水量，体系的自由水量减少。当机制砂与细砂的比例为7:3时，体系的颗粒级配效应与细砂石粉的需水叠加，泌水率最低。再生石的高吸水率对混凝土的保水性有利，随着再生石的增加泌水率呈降低趋势。

 

表10 强度极差分析

 

影响7d强度因素的顺序ACDB，影响28d强度因素的顺序ACBD。机制砂的掺量对强度影响最大，其次是再生石。砂率和掺合料的影响略小。

 

表11 机制砂对强度的影响

 

随着机制砂与细砂的比例有5:5增加到8:2，7d和28d强度均呈先增大后减小的趋势。当机制砂掺量60%细度模数为2.41时，混合砂为中砂符合Ⅱ区，骨料实现最大密度堆积，强度最佳。机制砂质地坚硬，破碎表面新鲜，具有较高的表面能，且表面粗糙，形状不规则，限制了水泥石的变形，改善水泥石和机制砂的界面性能。减少界面的孔隙，降低界面应力集中。适量的石粉不仅可以改善混凝土的和易性，而且改善混凝土的微结构。有研究表明，细石灰石粉在早期为水化硅酸钙凝胶提供有利成核和生长的表面，加速水泥水化。

 

表12 再生骨料对强度的影响

 

再生骨料的取代率从15%增加到45%，平均强度为别为36.2mpa、34.6mpa和35.3mpa，变化不大，再生骨料取代率30%时最高强度达39.2mpa，与纯天然骨料和天然中砂配制的混凝土相差无几。再生骨料中存在着未水化的胶凝材料，拌制成混凝土时再次水化，再生骨料的再次水化效应与吸水性相应叠加造成混凝土实际水胶比降低。其次，再生石的高吸水率，在拌制过程中吸入大量的自由水，当水泥水化时，新砂浆内自由水不断被消耗，于是再生石与新水泥砂浆界面产生湿度梯度，由于毛细管的压力差，再生石内的自由水向新的水泥石内迁移，使界面过渡区水化更充分，提高界面强度，产生“内养护效应”。取代率由45%增至60%时，强度明显下降。从破坏形态上来区分，混凝土的破坏有三种：水泥砂浆破坏，骨料破坏，水泥砂浆和骨料界面破坏。混凝土的强度由三者中最弱的部位决定，再生骨料情况较复杂，仅界面就存在三种不同形式：一、原始骨料与原始砂浆之间的界面；二、原始砂浆与新砂浆之间的界面；三、原始骨料与新砂浆之间的界面。由这些界面构成的混凝土过渡区对混凝土的力学性能产生较大的影响。其次再生石在加工过程中附着的砂浆层容易产生微裂缝，这种原始的损伤也将成为混凝土结构最薄弱的环节之一。当再生骨料的掺量上升至60%后，界面缺陷以及加工产生的裂缝产生的负面影响占主导，因此强度下降明显。

4 结论

通过试验研究本文得出如下结论：

（1）混凝土坍落度影响因素依次为：混合砂>再生骨料>砂率>掺合料。混合砂混凝土砂率不宜过高，本文机制砂与细砂比例为6:4，砂率40%时，混凝土的工作性能与力学性能与天然砂混凝土无异。

（2）混凝土泌水影响因素依次为：混合砂>砂率>再生骨料>掺合料，适量的石粉加入可以改善混凝土的泌水。

（3）水胶比为0.5时，混凝土强度影响因素依次为：混合砂>再生骨料>砂率>掺合料。再生石取代率不大于45%时，对混凝土和易性和强度影响不大。