再生砂超高性能混凝土力学性能研究

葛晓丽, 褚洪岩

(1.江苏省建筑工程质量检测中心有限公司, 江苏 南京 210028; 2.南京林业大学 土木工程学院, 江苏 南京 210037)

作为一种新型建筑材料,超高性能混凝土(UHPC)具有超高的力学性能和优良的耐久性能[1].然而,在UHPC制备过程中需要消耗大量自然资源并产生非常多的温室气体,对人类赖以生存的自然环境具有破坏作用.天然砂需要几千年的自然风化才能形成,并且绝大多数天然砂都被用于制备土木工程材料[2].随着社会的发展,所需的土木工程材料越来越多,导致天然砂资源进一步枯竭.采用再生砂替代天然河砂或者石英砂来制备环保型UHPC,不仅可以降低UHPC的生产成本,减少天然砂的使用,还能化废为材,减轻城市固体废弃物的污染.从2018年上半年开始,由于国家限制天然砂开采、打击非法采砂、加强环保督查等多重因素影响,导致中国大部分地区天然砂供不应求,天然砂价格持续高涨,有些地方甚至出现了无砂可供的情况.近年来,随着中国城镇化进程的推进,在新建、改建、扩建和拆除过程中,产生了大量的建筑垃圾.2017年中国建筑垃圾总量就达到了23.8亿t,预计到2020年建筑垃圾将超过26亿t,而目前中国建筑垃圾的利用率不到5%,远低于日本、德国等国家[3].因此,将建筑垃圾制成再生砂,变成制备UHPC的原材料,不仅能实现建筑垃圾的资源化利用,而且能起到变废为宝、节能减排作用,具有巨大的社会效益、自然环境效益和经济效益.

目前,关于采用再生砂制备普通再生混凝土已有大量的研究报道.如李美艳[4]发现采用颗粒整形再生砂制备的再生混凝土具有较为良好的工作性能、力学性能、收缩性能、抗碳化能力.古松[5]采用正交试验发现随着再生砂替代率的增大,再生混凝土的强度呈现下降趋势.陈远远[6]指出,当水灰比和再生砂掺量固定时,随着再生砂湿度的增大(从烘干到气干再到饱和面干),再生混凝土的界面过渡区逐渐变得致密,界面结构性能得到提高.胡飞佳[7]指出,再生混凝土的力学性能随着水灰比的增大而降低.刘晓冬[8]的研究结果表明,砂率对再生骨料透水混凝土的强度影响较大,且存在一个最佳砂率.赵伟[9]通过对配合比的优化,实现了再生混凝土的高强化(C60以上),并且对此类再生混凝土进行了力学性能和耐久性能研究.Kumar等[10]研究发现,如果再生砂替代率低于20%,则再生混凝土工作性能基本不受影响.Xiao等[11]研究表明,如果再生砂替代率为100%,将导致再生混凝土的弹性模量降低45%.上述研究表明,目前可以用再生砂制备普通混凝土、高强和高性能混凝土,但是这些混凝土的强度依然较低(小于80MPa).此外,尚未看到用再生砂制备UHPC的报道,能否用再生砂制备UHPC尚不明确,对于再生砂UHPC的相关力学性能研究也非常匮乏.

本文主要探究用再生砂制备UHPC的可行性.首先,设计出采用天然河砂制备的28d抗压强度在160MPa以上的普通UHPC;其次,以20%、40%、60%、80%、100%这5种再生砂替代率注本文涉及的替代率、含量和比值等除特别指明外均为质量分数或质量比.为变化参数,对比研究普通UHPC和再生砂UHPC的力学性能,主要包括抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度、弹性模量;最后,探究再生砂UHPC的孔隙率和孔径分布情况.本文的研究结果可为再生砂的进一步推广应用提供基础数据.

1 试验

1.1 试验材料

胶凝材料：小野田P·Ⅱ 52.5水泥、埃肯微细硅灰和珠海明惠Ⅰ级粉煤灰.减水剂：江苏苏博特新材料股份有限公司生产的固含量为40%的减水剂,其减水率大于33%.细骨料：天然河砂,细度模数2.68,表观密度2642kg/m3;对比试验采用的再生砂来自中等强度等级(C35)的道路混凝土,其细度模数2.62,表观密度2586kg/m3.钢纤维：埃肯公司生产的平直钢纤维,直径0.20mm,长度13.0mm.

1.2 试验配合比

本研究采用的配合比如表1所示.其中编号UR0代表再生砂替代率为0%的普通UHPC(对照组);UR20、UR40、UR60、UR80、UR100分别表示再生砂替代率为20%、40%、60%、80%和100%的再生砂UHPC.为了保证不同种类UHPC的工作性能一致,调整减水剂掺量,使其坍落扩展度基本相同,达到(550±10)mm.

普通UHPC和再生砂UHPC的制备工艺步骤为：(1)将水泥、硅灰、粉煤灰一起混合搅拌3min;(2)加入细集料(天然河砂和再生砂),继续搅拌4min;(3)将减水剂加入3/4的水中,用玻璃棒搅拌均匀,然后加入上一步骤得到的混合物中,继续搅拌3min;(4)将剩余的水首先冲洗盛减水剂的容器和玻璃棒,然后全部加入步骤(3)得到的混合物中,继续搅拌5min;(5)均匀加入钢纤维,再继续搅拌5min.

根据表1所示的配合比,采用上述制备工艺,制备尺寸分别为100mm×100mm×100mm、100mm×100mm×400mm、100mm×100mm×300mm的普通及再生砂UHPC试件.试件制作完成后,在室内自然养护1d后拆模,放入养护温度为(21±1)℃、相对湿度不小于95%的养护室内标准养护至28d.

1.3 试验方法

不同种类UHPC的28d抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度和弹性模量试验均参照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》执行.其中抗压强度和劈裂抗拉强度试验采用100mm×100mm×100mm立方体试件;抗折强度试验采用100mm×100mm×400mm棱柱体试件;弹性模量试验采用100mm×100mm×300mm棱柱体试件.采用Micromeritics Ⅳ-9510压汞仪测量不同种类UHPC的孔隙率和孔径分布.

2 试验结果与分析

2.1 抗压强度

图1为UHPC的抗压强度随再生砂替代率变化的情况.由图1可以看出,随着再生砂替代率的增加,UHPC的抗压强度呈现先增大后减少的趋势,这与Verma等[12]的研究结果一致.UR0、UR20、UR40、UR60、UR80、UR100的抗压强度分别为167.12、170.18、173.74、170.26、167.69、163.75MPa,表明当再生砂替代率分别为20%、40%、60%时,再生砂UHPC的抗压强度分别比对照组提高1.83%、3.96%、1.88%;当再生砂替代率为100%时,再生砂UHPC的抗压强度略低于对照组.显然，就再生砂UHPC的抗压强度而言,再生砂的最优替代率为40%.由于UHPC内含水量非常低,UHPC的抗压强度主要取决于其内部集料和胶凝材料的堆积密度.Jiang等[13]研究表明,当天然砂被比其细度模数更小的风积沙替代时,UHPC的堆积密度在一定范围内是增大的.同理,本研究所用再生砂的细度模数略低于天然河砂,所以当再生砂的替代率较低时能提高UHPC的堆积密度,从而使其抗压强度增大.此外,与天然河砂相比,再生砂的表面更加粗糙,可以在一定程度上提高再生砂UHPC中骨料与水泥浆体的黏结力,从而提高其抗压强度.

图1 不同种类UHPC的抗压强度Fig.1 Compressive strength of different kinds of UHPC

2.2 抗折强度

图2为UHPC的抗折强度随再生砂替代率变化的情况.由图2可以看出,与UHPC的抗压强度变化规律一致,随着再生砂替代率的增大,UHPC的抗折强度也表现出先增大后减少的趋势.UR0、UR20、UR40、UR60、UR80、UR100的抗折强度分别为17.23、18.22、18.73、19.45、17.89、17.38MPa,表明不管再生砂的替代率为多少,再生砂UHPC的抗折强度均高于对照组.对再生砂UHPC的抗折强度而言,再生砂的最优替代率为60%,此时再生砂UHPC的抗折强度比对照组提高12.88%.

图2 不同种类UHPC的抗折强度Fig.2 Flexural strength of different kinds of UHPC

2.3 劈裂抗拉强度

图3为UHPC的劈裂抗拉强度随再生砂替代率变化的情况.由图3可以看出,与UHPC的抗压强度、抗折强度变化规律一致,随着再生砂替代率的增大,UHPC的劈裂抗拉强度也表现出先增大后减少的趋势.UR0、UR20、UR40、UR60、UR80、UR100的劈裂抗拉强度分别为11.24、12.00、12.11、12.17、11.35、10.97MPa,表明当再生砂替代率低于80%时,再生砂UHPC的劈裂抗拉强度高于对照组;当再生砂替代率为100%时,再生砂UHPC的劈裂抗拉强度低于对照组.就再生砂UHPC的劈裂抗拉强度而言,再生砂的最优替代率为60%,此时再生砂UHPC的劈裂抗拉强度比对照组提高8.27%.

图3 不同种类UHPC的劈裂抗拉强度Fig.3 Splitting tensile strength of different kinds of UHPC

Wang等[14]研究表明,再生砂混凝土的抗折强度、劈裂抗拉强度取决于混凝土中的新砂浆强度、再生骨料自身强度以及二者的黏结强度.Zhao等[15]研究发现,再生骨料上旧砂浆与混凝土中新砂浆的黏结强度高于骨料与混凝土中新砂浆的黏结强度.因此,掺入再生砂能够提高再生砂混凝土的抗折强度和劈裂抗拉强度.从图2和图3可以看出,本文的试验结果与Zhao等[15]研究结果一致.

2.4 弹性模量

图4为UHPC的弹性模量随再生砂替代率变化的情况.由图4可以看出,与UHPC的抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度变化规律一致,随着再生砂替代率的增大,UHPC的弹性模量同样表现出先增大后减少的趋势.UR0、UR20、UR40、UR60、UR80、UR100的弹性模量分别为47.94、48.15、48.83、50.65、46.78、44.37GPa,表明当再生砂替代率低于60%时,再生砂UHPC的弹性模量高于对照组;当再生砂替代率高于80%时,再生砂UHPC的弹性模量低于对照组.就再生砂UHPC的弹性模量而言,再生砂的最优替代率为60%,此时再生砂UHPC的弹性模量比对照组提高5.65%.混凝土所采用的骨料刚度和内部界面过渡区数量对其弹性模量影响较大[16].一般而言,再生砂的刚度低于天然河砂刚度,从这个角度出发,掺入再生砂会导致UHPC的弹性模量降低.但是,Xu等[17]研究表明,由于再生砂具有较强的吸水性,从而能够减小再生砂混凝土内部界面过渡区的数量和界面过渡区的宽度,因此掺入再生砂又会导致UHPC的弹性模量增大.由此可见,再生砂的掺加对UHPC的弹性模量具有双重影响.

图4 不同种类UHPC的弹性模量Fig.4 Elastic modulus of different kinds of UHPC

2.5 孔径分布和孔隙率

图5为UHPC的孔径分布和孔隙率(体积分数,下同)随再生砂替代率变化的情况.由图5(a)可以看出,在不同再生砂替代率下,再生砂UHPC的孔径分布曲线变化趋势基本保持一致,均呈现多峰状.由图5(b)可以看出,随着再生砂替代率的增大,UHPC的孔隙率表现出先减小后增大的趋势.UR0、UR20、UR40、UR60、UR80、UR100的孔隙率分别为2.27%、2.22%、2.16%、2.13%、2.29%、2.32%,表明当再生砂替代率低于60%时,再生砂UHPC的孔隙率低于对照组;当再生砂替代率高于80%时,再生砂UHPC的孔隙率高于对照组,这与上述再生砂UHPC的各种力学性能先增大后减小的试验结果基本相符.就再生砂UHPC的孔隙率而言,再生砂的最优替代率为60%,此时再生砂UHPC的孔隙率比对照组减小6.17%.由于再生砂具有较强的吸水性,从而能够减小再生砂混凝土内界面过渡区的数量和界面过渡区的宽度[17],因而能使再生砂UHPC的孔隙率降低.然而,当再生砂替代率超过80%后,由于再生砂自身包含的微裂纹过多,又会导致再生砂UHPC的孔隙率增大.

根据Meng等[18]的研究,混凝土内部的孔隙可分为凝胶孔(小于10nm)、毛细孔(10～5000nm)、大孔(大于5000nm),图5(b)给出了上述3类孔在UHPC中的分布情况.在不同再生砂替代率下,UR0、UR20、UR40、UR60、UR80、UR100中的毛细孔占总孔隙率的比例分别为43.43%、44.54%、45.85%、48.15%、41.74%、40.13%,也就是说,随着再生砂替代率的增加,再生砂UHPC中的毛细孔占比呈现出先增大后减小的趋势.这表明由于再生砂的掺加,在一定程度上可以优化UHPC的孔径结构,这是导致再生砂UHPC各种力学强度增大的另一个原因.

图5 不同种类再生砂UHPC的孔径分布Fig.5 Pore size distribution and porosity of different kinds of UHPC

3 结论

(1)通过试验研究,证明可以用再生砂制备UHPC.根据再生砂UHPC的各种力学性能试验结果,再生砂在UHPC中的优选替代率为40%～60%.

(2)当再生砂的替代率为60%时,再生砂UHPC具有较好的力学性能,其抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度和弹性模量依次为170.26、19.45、12.17MPa和50.65GPa,比再生砂替代率为0%的对照组分别提高了1.88%、12.88%、8.27%、5.65%.即使再生砂替代率为100%时,制备出的再生砂UHPC各项力学性能也与对照组的力学性能基本相当.

(3)随着再生砂替代率的增加,再生砂UHPC中的毛细孔占比呈现出先增大后减小的趋势,表明掺入再生砂可以在一定程度上优化UHPC的孔径结构.

(4)力学性能试验结果证明,完全可以用再生砂制备UHPC.但是仍需要进一步研究再生砂UHPC的蠕变行为、传输行为和耐久性等,才能推动其在实际工程中的应用.