稻壳灰胶凝材料的再生混凝土性能研究

张理涛

(江西同瑞建筑工程有限公司,江西 九江 332000)

1 概 述

建筑物和构筑物的拆除是建设项目的重要组成部分。在旧建筑拆除的过程中,会产生大量的废弃混凝土。拆除废弃的混凝土被粉碎,可以用作生产新混凝土的骨料。但再生骨料的孔隙率较低,比破碎的石灰石差[1],导致混凝土质量较低,如强度和耐久性的下降。相关文献表明,增加混凝土混合物中再生骨料的比例,会导致混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度降低[2]。随着再生骨料替代率的增加,嵌入再生骨料混凝土中的钢筋粘结强度有降低的趋势。混凝土耐久性在抗氯化物渗透方面降低。随着再生细骨料替代天然细骨料体积的增加,氯离子的扩散和透水性也随之增加[3]。

稻壳灰是稻壳燃烧中获得的残渣,研磨成高细度后,可以用作混凝土的粘结剂[4]。相关研究表明,稻壳灰砂浆质量好,孔隙率小,可以提高混凝土在盐酸和硫酸环境下的耐久性,减少混凝土的自收缩[5]。稻壳灰替代水泥对混凝土的耐久性和强度有积极影响。

本文将稻壳灰研磨成高细度粉末,在稻壳灰质量替代率为0%、15%、30%和45%,再生细骨料含量为0%和100%,再生粗骨料含量为100%的情况下,对粗、细再生骨料混凝土的抗压强度和氯化物渗透深度进行研究。

2 材料与方法

2.1 材 料

2.1.1 胶凝材料

采用符合《通用硅酸盐水泥》(GB 175-2007)的普通硅酸盐水泥,制备常规混凝土和再生混凝土。水泥的主要性能参数见表1。本研究使用的稻壳灰是从某家火电厂燃烧稻壳获得的副产物。原稻壳灰的比重为1.76,颗粒留在开口尺寸为45μm的筛子上的质量为74.26%。为了获得具有更高细度的优质稻壳灰,使用球磨机对稻壳灰进行研磨,研磨时间控制在5h,获得的稻壳灰留在开口尺寸为45μm的筛子上质量为4.39%。

表1 水泥主要性能参数

普通硅酸盐水泥和稻壳灰的化学成分见表2。稻壳灰的主要成分为89.8%的SiO2。稻壳灰的SO3含量为0.3%,烧失量为5.3%。SO3含量低的原因是由于在火电厂用作燃料的稻壳具有低硫的特点。

表2 水泥和稻壳灰的化学成分

2.1.2 天然骨料和再生骨料

采用当地河砂作为天然细骨料,其细度模数2.73,相对密度2.72,吸水率1.12%。使用破碎的石灰石作为混凝土的天然粗骨料,其最大粒径20mm。石灰石的细度模数6.76,相对密度2.69,吸水率0.51%,压碎值18.68%。

再生骨料通过颚式破碎机粉碎混凝土废弃物来获得。混凝土废弃物粉碎后,用开口尺寸为4.75mm的筛子将粉碎后的混凝土分离,留在筛子上不超过20mm的破碎混凝土被用作再生粗骨料;采用小于4.75 mm的破碎混凝土作为再生细骨料。再生细骨料的细度模数2.69,相对密度2.42,吸水率8.98%;再生粗骨料的细度模数6.82,相对密度2.53,吸水率5.66%,压碎值21.03%。

天然骨料和再生骨料的物理性质见图1和图2。再生细骨料的细度模数和相对密度与天然河砂相近,吸水率是天然河砂的8倍。再生粗骨料的细度模数、相对密度和压碎值与破碎石灰石相近,吸水率是破碎石灰石的11倍。再生骨料具有较高的吸水率,其原因可能是附着在混凝土废弃物表面的旧砂浆和水泥浆体的高孔隙率造成的。

图1 河砂和再生细骨料的物理性质对比

图2 碎石灰石和再生粗骨料的物理性质对比

2.2 混凝土配合比设计

试验配合比以《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55-2011)为依据,配合比设计应达到混凝土所需的工作性,以防止离析且便于浇筑。具体混凝土的配合比见表3。

表3 混凝土配合比

通过调节减水剂的用量,将新拌混凝土的坍落度控制在10～15cm范围内,使所有混凝土的水胶比比值保持在0.45。由于再生骨料比天然骨料具有更高的吸水性,为了控制混凝土的坍落度在10～15cm范围内,制备的天然骨料和再生骨料保持饱和面干。在稻壳灰质量替代率为0%、15%、30%和45%,再生细骨料含量为0%和100%,再生粗骨料含量为100%的情况下,制备9种混凝土。浇筑1天后,将混凝土试件放入水中养护,共分为3组:

1)常规混凝土(C0),由碎石灰石和河砂组成的混凝土,此组为对照组。

2)再生粗骨料混凝土(CA0,CA15,CA30,CA45),由河砂和再生粗骨料组成的混凝土,其中编码的数值表示稻壳灰的质量替代率。

3)再生骨料混凝土(CB0,CB15,CB30,CB45),是由再生细骨料和再生粗骨料组成的混凝土,其中编码的数值表示稻壳灰的质量替代率。

2.3 试验方法

2.3.1 抗压强度测试

按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2016),制备尺寸为150mm×150mm×150mm的混凝土立方体试块,用于抗压强度试验。浇筑1天后脱模,将混凝土试块放入水中养护,分别在7、28、60和90天龄期对混凝土试块进行测试,以确定其抗压强度。每个龄期每组测试3个混凝土试块,取平均值作为混凝土试块的抗压强度。

2.3.2 氯离子渗透试验

采用28天龄期的圆柱形混凝土试样进行氯化物渗透试验,圆柱形混凝土试样直径70mm、高度50mm。除混凝土顶部表面外,混凝土试样表面涂满不收缩的环氧树脂。将所有试样浸泡在装有3%氯化钠溶液的测试容器中90和180天,然后垂直劈开混凝土试样,喷洒0.1N硝酸银标准溶液,分析氯离子渗透深度。

3 结果和讨论

3.1 抗压强度

图3和图4分别为稻壳灰不同替代率下再生粗骨料混凝土、再生骨料混凝土与对照组不同龄期的抗压强度。试验结果表明,在相同龄期下,CA0混凝土(100%河砂+100%再生粗骨料)抗压强度高于CB0混凝土(100%再生细骨料+100%再生粗骨料)。此外,CA0和CB0混凝土的抗压强度随着再生骨料用量的增加而降低。在28天龄期时,CA0和CB0混凝土的抗压强度为39.3和33.6MPa,分别为对照组混凝土抗压强度的83.3%和71.2%;在90天龄期时,CA0和CB0混凝土的抗压强度分别为43.2和35.6MPa,分别为对照组混凝土抗压强度的86.2%和71.1%。这是由于附着在再生骨料周围的旧水泥浆体和砂浆具有较高的孔隙率,而且再生粗骨料的高吸水率(为碎石灰石的11倍)和再生细骨料的高吸水率(为河砂的8倍),导致与对照组混凝土相比具有更高的含水量。同时,从再生粗骨料的破碎值高于碎石灰石的破碎值中可以看出,旧水泥浆体对再生骨料的影响降低了混凝土的抗压强度。

图3 再生粗骨料混凝土不同龄期的抗压强度

图4 再生骨料混凝土不同龄期的抗压强度

从图3可以看出,用稻壳灰部分替代水泥,对再生混凝土早期28天抗压强度没有显著提高,但在后期(60天及以上)提高了再生混凝土的抗压强度。60天龄期时,CA15混凝土的抗压强度(稻壳灰替代率为15%)为42.9MPa,是对照组混凝土的86.5%;CA0混凝土的抗压强度为42.1 MPa,是对照组混凝土的84.9%。在90天龄期时,CA0和CA15混凝土抗压强度为43.2和44.5MPa,分别为对照组混凝土的86.2%和88.8%。但对于CA30和CA45混凝土,抗压强度分别为39.2和32.3MPa,仅为对照组混凝土的78.2%和64.5%,表明稻壳灰替代率为30%和45%时,并没有促进其抗压强度的增强。

从图4可以看出,用再生细骨料和再生粗骨料制成的混凝土也得到了类似结果。CB0和CB15混凝土在60天龄期的抗压强度为34.9和35.2MPa,分别是对照组混凝土的70.4%和71.0%。在90天龄期的抗压强度增加至35.6和36.8 MPa,分别是对照组混凝土的71.1%和73.5%。相同龄期时,CB30和CB45混凝土的强度低于CB0和CB15混凝土。在再生混凝土中加入较多的稻壳灰,其抗压强度损失更大,这是由于大量的稻壳灰替代水泥,导致水泥的含量降低,水泥水化产物Ca(OH)2在混凝土中的占比变小。

3.2 抗氯离子渗透性能

图5和图6分别为不同稻壳灰替代率时,再生粗骨料混凝土和再生骨料混凝土中氯离子的渗透深度。使用再生粗骨料替代碎石灰石时(CA0混凝土),由于附着在再生骨料上的砂浆和水泥浆体的孔隙性率较高,在相同的浸泡时间内,氯离子的渗透深度比对照组混凝土高,表明CA0混凝土具有较高的吸收率。因此,以氯离子形式存在的氯化物很容易渗透到CA0混凝土的孔隙中。

图5 稻壳灰不同替代率时再生粗骨料混凝土(CA)的氯离子渗透深度

图6 稻壳灰不同替代率时再生骨料混凝土(CB)的氯离子渗透深度

对于100%再生粗骨料和100%再生细骨料(CB0混凝土)制成的混凝土,在3%NaCl中浸泡相同时间时,CB0混凝土的氯离子渗透深度高于CA0混凝土。使用再生细骨料代替河砂,导致CB0混凝土的孔隙率高于CA0混凝土,氯离子更容易渗透到CB0混凝土中。

从图5可以看出,在混凝土中添加稻壳灰对混凝土抗氯化物渗透能力有积极影响。CA15、CA30和CA45混凝土在90天龄期时,氯离子的渗透深度分别为14.1、11.0和6.7mm;180天龄期时,氯离子的渗透深度分别增加至18.2、13.5和10.3mm。而对照组混凝土在90和180天龄期时,氯离子的渗透深度分别为17.9和23.4mm。

从图6可以看出,使用再生骨料完全取代天然骨料后,氯离子在CB15、CB30和CB45混凝土中,90天龄期的渗透深度分别为15.5、12.1和8.7mm;180天龄期时,分别增加至21.1、14.9和12.2 mm。结果表明,再生混凝土的抗氯离子渗透性能随着稻壳灰替代率的增加而增强。

不含稻壳灰时,C0、CA0和CB0混凝土抗压强度与氯离子渗透深度的关系见图7。图7结果表明,当抗压强度增加,氯化物渗透到混凝土中变得更加困难。

图7 氯离子渗透深度与混凝土抗压强度的关系

图8为3组混凝土抗压强度与氯离子渗透深度结果。从C0、CA45和CB45混凝土氯离子渗透深度可以看出,稻壳灰能够有效降低氯离子对混凝土的渗透。在相同强度下,与再生骨料混凝土相比,稻壳灰能够更有效地降低氯化物对再生粗骨料混凝土的渗透。如CA45混凝土抗压强度为32.3MPa,氯离子渗透深度为6.7mm;而CB30混凝土的抗压强度为31.2MPa,氯离子渗透深度为12.3mm。此外,CA15和CB15混凝土的抗压强度分别为44.5和36.8MPa,氯离子渗透深度分别为14.1和15.2 mm;而CA45和CB45混凝土的抗压强度分别为32.3和27.1MPa,但氯离子渗透深度分别为6.7和8.2mm,表明稻壳灰替代能更有效地降低氯离子对混凝土的渗透,而抗压强度对降低氯离子渗入混凝土的影响较小。

图8 90天龄期混凝土抗压强度和氯离子渗透深度的关系

4 结 论

本文研究了稻壳灰代替水泥作为胶凝材料时再生混凝土的性能,通过试验结果,得出以下结论:

1)不掺入稻壳灰时,与对照组混凝土相比,再生混凝土的抗压强度降低,抗氯离子渗透性能降低。再生粗骨料混凝土相较于再生骨料混凝土,具有更高的抗压强度和更高的抗氯离子性能。

2)稻壳灰替代率为15%制备的再生混凝土,在60天龄期和90天龄期的抗压强度明显高于其他试验组。掺入稻壳灰后,显著提高了再生混凝土的抗氯离子渗透能力;与不加稻壳灰的再生混凝土相比,稻壳灰替代率为45%时,抗氯离子渗透能力最强。

3)与对照组混凝土相比,添加稻壳灰的再生混凝土抗压强度略有降低,但在抗氯离子渗透能力方面有积极作用。

4)稻壳灰能显著提高再生混凝土的抗氯离子渗透能力,抗压强度对抗氯离子渗透能力影响较小。