矿物掺合料对再生混凝土早龄期拉伸徐变的影响

叶世昌,罗素蓉,郑建岚, 2

(1.福州大学土木工程学院,福建 福州 350116； 2. 福建江夏学院工程学院,福建 福州 350108)

0 引言

使用再生骨料制备而成的混凝土称为再生混凝土,其运用可有效降低混凝土产业对环境的影响[1]. 再生粗骨料附着的老砂浆吸水率高、内部裂纹多[2],导致再生混凝土体积稳定性较普通混凝土差,更易开裂[3- 4]. 混凝土开裂性能与其早龄期拉伸徐变性能密切相关[5-6],目前再生混凝土早龄期拉伸徐变性能亟待研究. 本研究对再生粗骨料、单掺粉煤灰和复掺粉煤灰加矿渣对再生混凝土早龄期拉伸总徐变、基本徐变和干燥徐变的影响进行分析.

1 试验研究

1.1 所用原材料

水泥为炼石牌42.5级普通硅酸盐水泥; 粉煤灰为福建省军航贸易有限公司生产的二级粉煤灰; 矿渣为福建省中联建材微粉有限公司生产的S95级粒化高炉矿渣微粉; 砂采用福州闽江中砂,细度模数为2.26； 减水剂采用福建省建筑科学研究院生产的TW-JS高效减水剂.

图1 粗骨料Fig.1 Coarse aggregate

天然粗骨料为5～20 mm连续级配的天然碎石,经检测符合《建设用卵石、碎石(GB/T 14685—2011)》的要求； 再生粗骨料由福建某省级干线公路拆除的混凝土破碎、筛分而成,为5～20 mm连续级配,其原混凝土强度等级为C18,使用年限18 a. 经检测其性能满足《混凝土用再生粗骨料(GB/T 25177—2010)》III级要求,天然及再生粗骨料见图1,其性能指标见表1. 可见与天然粗骨料对比,再生粗骨料表面附着老砂浆并含有较多杂质,其表观密度、堆积密度明显降低,吸水率、孔隙率、压碎指标明显上升.

表1 粗骨料的物理性能

1.2 再生混凝土配合比

以配制出实际强度达C30的再生混凝土为目标,参照相关规程[7-9]进行配合比设计,所用配合比及其相应的抗压强度和弹性模量见表2. 其中, NC表示普通混凝土； RAC表示再生粗骨料取代率为70%的再生混凝土. 矿物掺合料分为粉煤灰单掺和粉煤灰加矿渣复掺,其中RAC-F30表示粉煤灰取代30%质量水泥,RAC-F15-S15表示粉煤灰和矿渣按照1∶1比例进行复掺分别取代15%质量水泥,其余同理.

表2 混凝土配合比和基本力学性能

续表2

注：p28 d表示28 d立方体抗压强度；p1 d表示1 d劈裂抗拉强度；E28 d表示28 d弹性模量

1.3 再生混凝土基本力学性能试验和拉伸徐变试验

拉伸徐变试验采用100 mm×100 mm×400 mm棱柱体试件. 试件浇筑成型后在标准养护室内养护至1 d前脱膜、处理并在1 d时在恒温恒湿实验室内(温度为20±2 ℃,湿度为60%±5%)进行拉伸试验. 鉴于混凝土同时产生徐变与收缩,试验时同时浇筑对照收缩试件,在数据处理时将拉伸徐变试验测得的变形扣除对照试件收缩变形得到徐变变形. 为同时得到再生混凝土的基本徐变和干燥徐变,一套拉伸装置中同时含密封和不密封试件,密封试件表面涂蜡并包塑料薄膜保证试件试验过程中与外界环境无水分交换,不密封试件则不处理. 将不密封试件测得的总徐变变形扣除密封试件测得的基本徐变变形即为干燥徐变变形.

根据文献[10]设计拉伸徐变装置如图2,底座为U型槽钢,两端设有钢支座,混凝土试件通过万向轴承和杆件连接,通过杆件端部螺栓的旋紧对混凝土试件进行拉伸加载. 试验前测得各组混凝土立方体劈裂抗拉强度,通过拉压力传感器控制每组试件的持荷应力比(施加拉应力/混凝土极限拉应力)为30%. 采用电阻应变片贴于试件两个侧面中部测量试件应变. 在拉伸过程中定期对试件持荷状况进行检查、调整. 将徐变值换算成徐变度以便进行对比：

(1)

式中：εc(t,t0)为混凝土由t0加载至t的徐变应变；σ0为混凝土t0时持荷应力；Csp(t,t0)为混凝土徐变度.

图2 混凝土单轴拉伸徐变试验装置Fig.2 Uniaxial tensile creep test apparatus

2 拉伸徐变试验结果分析

2.1 再生粗骨料对再生混凝土拉伸徐变的影响

用再生粗骨料取代70%天然粗骨料对再生混凝土拉伸徐变的影响见图3,可见再生混凝土与普通混凝土的拉伸徐变性能相似,早期发展迅速后期发展缓慢. 普通混凝土和再生混凝土3 d时分别达到14 d拉伸总徐变的89%和86%,说明混凝土早龄期拉伸徐变大部分是在加载后3 d内发展的. 到7 d时混凝土的拉伸徐变曲线基本趋于平缓.

70%再生粗骨料对再生混凝土各类拉伸徐变的影响规律一致,均导致再生混凝土拉伸徐变增加. 相较于普通混凝土,7 d时再生混凝土拉伸总徐变、基本徐变和干燥徐变分别增加7.3%、9.1%和6.0%,14 d则分别增加8%、5.9%和9.4%. 原因在于再生粗骨料表面一般附着30%～35%的老砂浆[11],用再生粗骨料取代天然粗骨料会导致混凝土组分中砂浆含量的增加和天然粗骨料的减少,而混凝土中的徐变是因砂浆流动产生并由天然粗骨料抑制的[12],因此再生混凝土拉伸徐变变大. 此外,再生粗骨料在加工过程中旧界面和附着的旧砂浆受到损伤,形成的新界面易因旧砂浆的影响更为薄弱[13],这也会导致其拉伸徐变变形增大.

图3 粗骨料对再生混凝土拉伸徐变的影响Fig.3 Influence of coarse aggregate on tensile creep of recycled concrete

2.2 单掺粉煤灰对再生混凝土拉伸徐变的影响

单掺粉煤灰对再生混凝土拉伸徐变的影响见图4,可见粉煤灰对再生混凝土各类拉伸徐变的影响规律一致,单掺粉煤灰引起再生混凝土各类拉伸徐变的增加,且粉煤灰掺量越大拉伸徐变增幅越大. 相较于未掺矿物掺合料再生混凝土组,14 d时30%、40%、50%、60%粉煤灰掺量的再生混凝土的拉伸总徐变分别增加8.5%、19.4%、27.0%、32.5%,基本徐变分别增加7.2%、21.7%、26.0%、31.4%,干燥徐变则分别增加7.9%、17.9%、27.7%、34.8%. 原因在于粉煤灰活性低于水泥,掺入粉煤灰导致混凝土早期水化反应少,强度形成慢,在早龄期加载时无法有效抵抗拉伸变形,因此粉煤灰掺量越大拉伸徐变越大.

图4 单掺粉煤灰对再生混凝土拉伸徐变的影响Fig.4 Influence of fly ash on tensile creep of recycled concrete

2.3 复掺粉煤灰加矿渣对再生混凝土拉伸徐变的影响

复掺粉煤灰加矿渣对再生混凝土拉伸徐变的影响见图5. 可见复掺粉煤灰加矿渣对再生混凝土各类拉伸徐变的影响规律基本一致,随粉煤灰加矿渣复掺量的增加再生混凝土各类拉伸徐变增加. 相较于未掺矿物掺合料再生混凝土组,14 d时30%、40%、50%、60%粉煤灰加矿渣复掺量的再生混凝土的拉伸总徐变分别增加2.6%、3.2%、17.1%、21.7%,基本徐变分别增加1.9%、5.2%、19.3%、21.1%,干燥徐变则分别增加3.5%、1.9%、15.5%、22.6%.

图5 复掺粉煤灰加矿渣对再生混凝土拉伸徐变的影响Fig.5 Influence of combined addition of fly ash and slag on tensile creep of recycled concrete

项目徐变增幅对比总徐变基本徐变干燥徐变单掺粉煤灰8.5%～32.5%7.2%～31.4%7.9%～34.8%复掺粉煤灰加矿渣2.6%～21.7%1.9%～21.1%3.5%～22.6%

复掺粉煤灰加矿渣再生混凝土拉伸徐变增幅与单掺粉煤灰组对比见表3,可见复掺粉煤灰加矿渣的拉伸徐变增幅较小. 原因在于粉煤灰加矿渣复掺使不同粒径分布的粉煤灰、矿渣和水泥互相填充,形成更为密实的结构[14]. 此外,矿渣活性高于粉煤灰,早期水化反应较快,故其早期强度发展快于单掺粉煤灰,从而较单掺粉煤灰组复掺粉煤灰加矿渣在拉伸荷载作用下拉伸徐变降低. 30%、40%复掺组拉伸徐变增幅明显小于50%、60%复掺组且较接近普通混凝土,说明40%以内的复掺有利于形成更为密实的再生混凝土结构,更为有效抵抗混凝土拉伸.

3 结论

1) 再生混凝土与普通混凝土的拉伸徐变性能相似,早期发展迅速后期发展缓慢. 再生混凝土早龄期拉伸徐变大部分是在加载后3 d内发展的,7 d时再生混凝土的拉伸徐变曲线基本趋于平缓.

2) 70%再生粗骨料对再生混凝土各类拉伸徐变的影响规律一致,均导致再生混凝土拉伸徐变增加. 相较于普通混凝土,14 d时再生混凝土拉伸总徐变、基本徐变和干燥徐变分别增加8.0%、5.9%和9.4%.

3) 单掺粉煤灰引起再生混凝土各类拉伸徐变的增加,且粉煤灰掺量越大拉伸徐变增幅越大. 相较于普通混凝土,14 d时30%～60%粉煤灰掺量的再生混凝土的拉伸总徐变增加了8.5%～32.5%.

4) 随粉煤灰加矿渣复掺量的增加再生混凝土各类拉伸徐变增加. 相较于普通混凝土,14 d时30%～60%粉煤灰加矿渣复掺量的再生混凝土的拉伸总徐变增加了2.6%～21.7%. 对比单掺粉煤灰组,复掺粉煤灰加矿渣再生混凝土的拉伸徐变降低. 复掺40%以内粉煤灰加矿渣的再生混凝土在受拉时徐变增幅较小.