粉煤灰再生混凝土力学特性研究

左奇丽,黄伦鹏



粉煤灰再生混凝土力学特性研究

左奇丽,黄伦鹏

云南工商学院建筑工程学院, 云南 昆明 651701

为了减小建筑垃圾和尾矿的排放量，本文分别将粉煤灰和废弃混凝土加工后加入胶凝材料和粗骨料，制备粉煤灰再生混凝土材料，通过室内试验方法研究其立方体单轴抗压强度、劈裂抗拉强度和坍落度力学特性，分析粉煤灰和再生骨料掺量对再生混凝土力学特性的影响规律。研究结果表明：1）适量的粉煤灰添加有助于提高再生混凝土的抗压强度；2）再生混凝土的抗拉强度随再生骨料掺量的增大而减小，但减小趋势不显著；3）粉煤灰再生混凝土的坍落度分别与粉煤灰和再生骨料掺量呈指数增长和线性减小关系。

粉煤灰; 再生骨料; 再生混凝土; 力学特性

随着建筑工程的快速发展，建筑施工过程中会产生大量的建筑垃圾，尤其是旧建筑拆除过程中产生的建筑垃圾量达到了新建筑建设过程中的11~24倍[1]。截止目前，我国年均产生的建筑垃圾量已经超过15亿t，总建筑垃圾量已经超过200亿t，年均建筑垃圾约占城市固体垃圾总量的30%~40%[2]。如何处理建筑垃圾已经成为高校和科研机构的重点课题[3]。

建筑垃圾通常由混凝土、砖块、陶瓷、沥青等组成，其中混凝土在总建筑垃圾中的占比最大，达到40%以上，废弃混凝土处理已成为了城市建筑垃圾处理的重点。而再生混凝土可以有效利用城市建筑垃圾，节省石灰石资源，并且可减少15%~20%左右的CO2排放量[4]。目前，大量学者已经开始尝试利用废弃混凝土制备再生混凝土，并分析了其配比[5]、抗压强度[6]、弹性模量[7]、抗冻特性[8]等基本物理力学特性。在上述研究的基础上，本文进一步分析了粉煤灰和再生骨料掺量对混凝土立方体单轴抗压强度、劈裂抗拉强度和坍落度的影响规律进行分析，丰富了粉煤灰再生混凝土力学特性的研究。本文的研究成果可作为粉煤灰再生混凝土工程设计和使用的依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验材料包括水泥、粉煤灰、粗骨料、细骨料（河砂）和水组成，其中，水泥和粉煤灰的基本物理力学特性如表1、2所示。粗骨料包括再生骨料和天然骨料。其中，再生骨料的制备流程一般包括废弃混凝土收集、破碎、清洗、筛分等，本文选取的筛分后5~20 mm的废弃混凝土作为再生骨料，依据《混凝土用再生粗骨料》（GB/T25177-2010）和《建设用卵石、碎石》（GB/T 14685-2011）标准测试了再生骨料的基本特性，测试结果如表3所示，再生骨料与天然骨料相比存在一定差距，其中再生骨料的表观密度小于天然骨料，压碎指标、坚固性和吸水率均大于天然骨料。但再生骨料的表观密度和压碎指标均达到了I类标准，坚固性达到了III类标准，达到了建筑材料骨料的基本要求。

1.2 试验方法

混凝土配比如表4所示，其中胶凝材料（水泥和粉煤灰）为143.3 kg/t，粗骨料（再生骨料和天然骨料）为471.3 kg/t，细骨料（河砂）为320.5 kg/t，水为64.5 kg/t，适量加入部分减水剂。为了分析粉煤灰掺量和再生骨料掺量对混凝土力学特性的影响规律，共制备5大组、25小组不同配比的混凝土试样（如表5所示），每小组试样9个分别进行立方体单轴抗压强度、劈裂抗拉强度和塌落度测试。依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T50082-2009）和《混凝土质量控制标准》（GB50164-2011），各试验数据的处理方法如下。

立方体单轴抗压强度测试试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，抗压强度计算表达式如下：

其中，f为混凝土的立方体单轴抗压强度；为试件破坏荷载；为试件截面面积。若混凝土强度等级小于C60，尺寸为100 mm×100 mm×100 mm时，抗压强度取0.95 f。

其中，f为混凝土的抗拉强度；为试件破坏荷载；为试件截面面积。

表 1 水泥性能参数

表 2 粉煤灰样品的基本物理参数

表 3 再生骨料和天然骨料的基本特性

表 4 混凝土配比(单位: kg/t)

表 5 混凝土样品分组/%

2 试验结果分析

2.1 粉煤灰和再生骨料掺量对立方体单轴抗压强度的影响

对标准养护56 d后的立方体混凝土试件进行单轴抗压强度测试，得到不同粉煤灰和再生骨料掺量条件下再生混凝土的单轴抗压强度分布曲线如图1所示。由图可以看出，当粉煤灰掺量小于24%时，粉煤灰替代相同质量的水泥对再生混凝土的立方体单轴抗压强度影响不大，甚至在再生骨料掺量较小的情况下还有所提高；而当粉煤灰掺量大于24%后，随着粉煤灰掺量的增加，再生混凝土抗压强度逐渐减小，而且减小幅度越来越大。这说明，适量的粉煤灰添加能够充分激发水泥的活性效应，改善再生混凝土的孔隙结构，有助于提高再生混凝土的抗压力学性能，从本次试验结果上看，粉煤灰掺量取24%最为理想。结合图2粉煤灰再生混凝土立方体抗压强度随再生骨料掺量的变化曲线则可知，再生骨料掺量w的增大对提高再生混凝土的抗压强度C不利，以粉煤灰掺量24%时为例，w和C值的关系式可以用C=-0.958e-w/19.77+58.12表示，w越大，C值越小而△C越大。这主要是因为再生骨料的孔隙比原生骨料大，其在相同的压力作用下就要比原生骨料更容易发生破坏；因此相同的粉煤灰掺量条件下，再生骨料掺量越大，其替换原生骨料的量就越多，相应的再生混凝土的抗压强度也就越低。

图 1 不同粉煤灰和再生骨料掺量条件下再生混凝土的立方体单轴抗压强度

图 2 粉煤灰再生混凝土立方体抗压强度随再生骨料掺量的变化曲线

Fig.2 Curves of fly ashe recycled concrete’s compressive strengths changing with mixing amounts of recycle aggregates

2.2 粉煤灰和再生骨料掺量对劈裂抗拉强度的影响

不同粉煤灰和再生骨料掺量条件下再生混凝土的56 d劈裂抗拉强度如图3所示。由图可知，再生混凝土劈裂抗拉强度随粉煤灰掺量的变化规律与其抗压强度随粉煤灰掺量的变化规律基本一致，即，再生混凝土的抗拉强度在粉煤灰掺量为24%时相对最高，在小于24%时变化很小，在大于24%则急剧减小。当再生骨料掺量为36%时，12%、24%、36%以及48%粉煤灰掺量的再生混凝土劈裂抗拉强度分别为4.08 MPa、4.12 MPa、4.02 MPa和3.76 MPa，比不掺加粉煤灰时分别减小了0.1%、-1%、1.5%和8%。当粉煤灰掺量不变时，再生混凝土劈裂抗拉强度随再生骨料掺量的变化曲线如图4所示。可以看出，再生混凝土的抗拉强度T与再生骨料掺量w呈近似线性关系，再生骨料掺量每增加1%，再生混凝土的抗拉强度就减小约8 kPa。

图 3 不同粉煤灰和再生骨料掺量条件下再生混凝土的劈裂抗拉强度

图 4 粉煤灰再生混凝土劈裂抗拉强度随再生骨料掺量的变化曲线

Fig.4 Curves of fly ashe recycled concrete’s compressive strengths changing with mixing amounts of recycle aggregates

2.3 粉煤灰和再生骨料掺量对坍落度的影响

不同粉煤灰和再生骨料掺量条件下再生混凝土的坍落度如图5和图6所示。由于粉煤灰具有较大的比表面积，其能够起到减小混凝土浆体与集料界面的摩擦作用，进而改善再生混凝土的和易性，因此，粉煤灰掺量越大，再生混凝土的坍落度也越高，从图5可知，再生混凝土的坍落度与粉煤灰掺量近似呈指数增长关系。而再生粗骨料孔隙率大，其吸水率比原生骨料高，因此，在相同的拌合水量下，再生混凝土的坍落度就越小，由图6可知，再生混凝土的坍落度S与再生骨料掺量w近似呈线性减小关系，再生骨料掺量每增加1%，再生混凝土的坍落度就减小约1.2 mm。当粉煤灰掺量为24%、再生骨料掺量为12%时，粉煤灰再生混凝土的坍落度与标准混凝土相当。

图 5 不同粉煤灰和再生骨料掺量条件下再生混凝土的坍落度

图 6 粉煤灰再生混凝土坍落度随再生骨料掺量的变化曲线

Fig.6 Curves of fly ashe recycled concrete’s slumps changing with mixing amounts of recycle aggregates

3 结论

本文对不同粉煤灰和再生骨料掺量条件下再生混凝土的抗压强度、抗拉强度以及坍落度进行测试，得到了以下结果：

（1）适量的粉煤灰添加有助于提高再生混凝土的抗压力学性能，从本文试验结果上看，粉煤灰掺量取24%最为理想；而再生骨料掺量越大，粉煤灰再生混凝土的抗压强度就越低，两者近似呈指数衰减关系；

（2）粉煤灰再生混凝土的抗拉强度在粉煤灰掺量为24%时相对最高，在小于24%时变化很小，在大于24%则急剧减小；同时，其还与再生骨料掺量呈近似线性关系，再生骨料掺量每增加1%，它就减小约8 kPa；

（3）粉煤灰再生混凝土的坍落度分别与粉煤灰和再生骨料掺量呈指数增长和线性减小关系，再生骨料掺量每增加1%，其减小约1.2 mm。

[1] 张晓华,孟云芳,任杰.浅析国内外再生骨料混凝土现状及发展趋势[J].混凝土,2013(7):80-83

[2] 安新正,牛薇,张亚飞,等.砖粒及粉煤灰掺量对再生混凝土抗冻性能的影响[J].科学技术与工程,2018(14):237-240

[3] 南洋,伍凯,陈峰.龄期和替代率对复合粗骨料再生混凝土强度的影响[J].建筑技术,2016,47(1):39-43

[4] 乔圣国.粉煤灰对再生混凝土力学性能的影响[D].杭州:浙江工业大学,2017

[5] 邢振贤,王晓蕾,赵玉青,等.正交设计选择粉煤灰再生混凝土最佳配合比[J].低温建筑技术,2004(1):6-7

[6] 赵文军,刘洪波,王莉.超细粉煤灰再生混凝土抗压强度研究[J].低温建筑技术,2009,31(3):7-9

[7] 郭耀武,赵昌清.粉煤灰再生混凝土的物理力学性能研究[J].湖南交通科技,2008,34(2):8-11

[8] 朱涛,吴相豪,袁潘.掺石灰粉对粉煤灰再生混凝土抗冻性能的影响[J].粉煤灰,2013(1):40-42

Study on the Mechanical Properties of Fly Ash Recycled Concrete

ZUO Qi-li, HUANG Lun-peng

651701,

In order to reduce construction waste and emissions of tailings, we respectively adding processed fly ash and waste concrete into gelling material and coarse aggregate. The cube uniaxial compressive strength, splitting tensile strength and slump mechanical characteristics of recycled concrete were studied through indoor experiment method. The influence laws of fly ash and recycled aggregates content on the mechanical properties of recycled concrete were analyzed. The results show that: 1) appropriate amount of fly ash can improve the compressive strength of recycled concrete; 2) the tensile strength of recycled concrete decreases with the increase of recycled aggregate content, but the decrease trend is not significant; 3) the relation between the slump of fly ash recycled concrete and the fly ash and recycled aggregate content is exponential growth and linear decrease respectively.

Fly ash; recycled aggregate; recycled concrete; mechanical properties

TU528.01

A

1000-2324(2018)06-1051-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2018.06.029

2018-02-23

2018-03-17

左奇丽(1985-),女,硕士,讲师,主要研究方向为建筑工程. E-mail:zuoqili000@163.com