基于孔隙率和酸碱度的改性再生混凝土力学性能研究*

马保亮,王 安

(中交二公局东萌工程有限公司,陕西 西安 710065)

0 引言

近年来,随着人们环保意识的逐渐增强,废弃混凝土对环境的危害引起了更多人的重视,如何将废弃混凝土重新回收再利用成为土木工程领域研究的热点。

一些学者利用室内单轴压缩试验研究混凝土再生料制备的改性再生混凝土抗压强度,张向冈等[1]以再生轻骨料取代率和干表观密度为变化参数,研究了再生轻骨料取代天然骨料对混凝土抗压强度的影响。宋超等[2]、朱启贵等[3]通过室内试验研究了孔隙率、透水系数对再生混凝土抗压强度的影响,结果表明透水系数和孔隙率与再生混凝土的抗压强度成负相关,即透水系数和孔隙率越大,再生混凝土抗压强度越小。丁东方[4]则利用等应力循环加卸载方法,得到了再生粗骨料混凝土的单轴受压应力-应变全曲线,并建立了相应的数学模型。

随着研究的进一步深入,相关研究人员开始在混凝土再生料拌合过程中加入不同材料,研究外加材料对再生混凝土力学性能的影响,卢钵等[5]、何政卿等[6]、陈龙等[7]通过在再生混凝土拌合过程中分别加入粉煤灰、煤矸石和水滑石等材料,然后通过室内试验探讨了粉煤灰、煤矸石及水滑石掺量对再生混凝土力学性能、孔隙率及净水效果的影响。由于混凝土再生料表面呈碱性,不利于植物的生长,为了降低再生混凝土的pH值,制备出适合植物生长的植生型生态混凝土,胡春明等[8]、王志鹏等[9]分别利用蜡封法和硅烷浸渍法对多组生态混凝土进行降碱处理,后测定生态混凝土孔隙水环境的pH值,研究孔隙状态、蜡封法及硅烷浸渍法对生态混凝土孔隙碱性水环境的影响。赵雪云等[10-11]分别对不同应变速率和高温下的再生混凝土进行试验,研究了再生混凝土在相应条件下的力学性能。

近些年来,我国每年都需燃烧近50万t煤炭,煤炭的广泛使用为我们的生活提供了便利,但煤炭燃烧过后遗留的废弃煤渣不仅造成了严重的环境污染,还存在一定的资源浪费问题,如何使废弃煤渣得到再利用成为亟需解决的问题。现有的混凝土再生料降碱技术并不适合在工程领域广泛使用,亟需一种能广泛使用且具有良好经济性和环保效果的降碱方法。

本次试验通过在再生混凝土拌合过程中加入不同含量的废煤渣和铵明矾,探究废煤渣和铵明矾对再生混凝土孔隙率、酸碱性及抗压强度的影响。不仅解决了废煤渣的再利用问题,同时还提出了一种新型的降碱技术,制备出的再生混凝土不仅具有良好的经济性,还具有优良的环保效果,综合效益十分显著。

1 试验研究

1.1 原材料

1)水泥 P·C 42.5复合硅酸盐水泥,其主要化学组分和力学性能如表1,2所示。

表1 水泥主要化学组分

表2 水泥力学性能

2)再生骨料 再生粗骨料粒径均为7～15mm,表观密度为2 530kg/m3;再生细骨料粒径均为3～6mm,表观密度为2 310kg/m3。再生骨料相较于一般骨料具有孔隙率大和吸水性强等特点。

3)废煤渣 废煤渣经破碎处理后,选择粒径7～10mm 的煤渣代替部分混凝土再生骨料,其表观密度为1 350kg/m3,也具有吸水性强、孔隙率大等特点。

4)铵明矾(NH4Al(SO4)2·12H2O) 白色,密度为1.46g/cm3,其水溶液呈弱酸性。

5)水 正常自来水。

1.2 改性再生混凝土配合比设计

依据生态混凝土的结构特征和其本身的孔隙率属性,1m3的生态混凝土可视为由相同体积的再生骨料堆积而成,水泥并没有完全填充生态混凝土中的孔隙,其主要作用是将再生骨料颗粒互相黏结起来,从而使生态混凝土块体具有一定的抗压强度。因此,1m3的改性再生混凝土质量主要由再生骨料、水泥及水的质量构成,改性再生混凝土的密度为1 700～2 100kg/m3。其次,由于再生骨料和废煤渣均具有良好的吸水性,且铵明矾也需溶于水中才能更好地参与酸碱中和反应,为使混凝土再生骨料不因过于干燥而导致无法黏结,在拌合改性再生混凝土过程中,应适当提高水与水泥的比例。根据以上原则,可对改性再生混凝土的配合比进行初步设计。不同铵明矾和废煤渣取代率条件下的改性再生混凝土试验配合比如表3所示。编号MF-1,MZ-1分别表示改性再生混凝土试块中铵明矾和废煤渣的取代率均为10%,其他编号表示类似。

表3 不同取代率下改性再生混凝土试验配合比

1.3 试件制作及室内试验

制作100mm×100mm×100mm改性再生混凝土试块,每种取代率各3块。首先向混凝土搅拌机中依次加入再生粗骨料、再生细骨料、细砂、水泥,搅拌3min,使各种再生骨料充分混合均匀;然后加入铵明矾,继续搅拌3min,使铵明矾与再生混凝土混合料充分混合;最后向混凝土搅拌机中缓慢加入水和减水剂的混合溶液,继续搅拌4min,使铵明矾充分遇水发生酸碱中和反应,达到降低混凝土再生骨料表面pH值的目的。将拌制好的改性再生混凝土分3次装入模具中,每次填入厚度为35mm左右,每次填入改性再生混凝土后,将装有改性再生混凝土的模具放在振动台上进行插入振捣,使模具内的改性再生混凝土试块黏结密实。将带模的改性再生混凝土试块在室内放置48h后,再进行脱模处理,使改性再生混凝土颗粒充分黏合,避免脱模过程中对试块的外形造成损坏,进而影响改性再生混凝土的抗压强度。将脱模处理后的改性再生混凝土试块放入室外,上覆保湿布,每日进行洒水养护,如图1所示。改性再生混凝土试块养护至一定龄期后,对其进行室内单轴压缩试验,探究其力学性能。本次室内单轴压缩试验所采用的试验装置为电液伺服试验机,加载速率为0.5mm/min,如图2所示。

图1 养护一定龄期的改性再生混凝土试块

图2 单轴压缩示意

1.4 改性再生混凝土pH值的测定

首先将洒水养护至一定龄期的改性再生混凝土试块放在干净平板上进行破碎处理,后将碎块放在室内进行约48h的风干处理,再将风干处理后的碎石块放进研钵中进行研磨处理,最后将风干、研磨处理后的改性再生混凝土试块过2mm筛,进行筛分处理,得到粒径小于2mm的改性再生混凝土粉末;取10.0g筛分过后的改性再生混凝土粉末放置于100mL量筒内,随后向量筒内加入40mL清水,用橡皮塞将量筒口塞住,防止碳化,用振动机对量筒进行间歇式振荡、搅拌,每次间隔约10min,共搅拌3h,后静置一定时间,取其上清液。将酸碱检测计先按照说明书进行标定,然后将标定完成的酸碱检测计插入上清液中,待酸碱检测计读数稳定后,进行读数,检测结果保留小数点后两位。

1.5 改性再生混凝土孔隙率的测定

由于再生混凝土试块形态较一般混凝土不同,孔隙较多,为更准确地测量出改性再生混凝土试块的孔隙率,本次试验采用烘干-浸泡法对改性再生混凝土试块的孔隙率进行测量。首先将养护一定龄期后的改性再生混凝土试块进行烘干处理,测量其干燥状态下的质量M1,然后将干燥的改性再生混凝土试块置于盛满水的容器中,利用排水法测量出改性再生混凝土试块的体积V,将其在盛满水的容器中放置4d后,测得其在水中的质量M2,将得到的数据带入公式S=(M2-M1)/(Vρw)×100%中,求得各个试块的孔隙率S,取3个试块的平均值作为该改性再生混凝土试块的孔隙率。

2 试验结果及分析

依据GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行抗压强度试验,得到改性再生混凝土试块在不同废煤渣和铵明矾取代率下7,14,28d的抗压强度,取其平均值,按照上述方法测得改性再生混凝土平均孔隙率和pH值,试验结果如表4所示。

表4 不同龄期改性再生混凝土平均抗压强度

2.1 改性再生混凝土抗压强度分析

铵明矾取代率为0时,改性再生混凝土抗压强度随煤渣取代率和养护龄期的变化规律如图3所示。结合表4可得出含废煤渣的改性再生混凝土整体抗压强度为5.18～6.79MPa。

图3 废煤渣对改性再生混凝土抗压强度的影响

废煤渣取代率为0时,改性再生混凝土抗压强度随铵明矾取代率和养护龄期的变化规律如图4所示。结合表4可得出含铵明矾的改性再生混凝土整体抗压强度在1.81～7.08MP。

图4 铵明矾对改性再生混凝土抗压强度的影响

由图3可知,铵明矾取代率为0时,随着废煤渣取代率的增加,改性再生混凝土试块的抗压强度逐渐降低。随着养护龄期的增加,改性再生混凝土试块的抗压强度逐渐增大,但增大幅度逐渐减小,说明改性再生混凝土在7～14d强度增长较快。改性再生混凝土抗压强度随废煤渣取代率增加而降低的主要原因有:混凝土再生料一般是石子或石子与水泥的混合块体,其本身强度相较于废弃煤渣强度要高;废煤渣孔隙多,吸水性较强,煤渣骨料总的比表面积较大,包裹煤渣骨料所需的水泥浆液较多;此外,废煤渣孔隙较多,影响了骨料之间的相互黏结,骨料之间黏结力降低,进而导致了改性再生混凝土试块的抗压强度降低。

由图4可知,在废煤渣取代率为0时,随着铵明矾取代率的增加,改性再生混凝土试块的抗压强度逐渐降低,且当铵明矾含量由0增加至10%和由30%增加至50%时,改性再生混凝土抗压强度的下降幅度均小于铵明矾含量由10%增加至30%时改性再生混凝土抗压强度的下降幅度。含铵明矾改性再生混凝土抗压强度降低的主要原因有:随着铵明矾取代率的增加,水泥含量逐渐减小,易发生水化反应的矿物成分(如SiO2)含量降低,导致了再生骨料之间的黏结力逐渐减小,进而导致改性再生混凝土的抗压强度逐渐降低。从抗压强度的降低幅度来看,铵明矾取代率从10%增加到30%时,降幅最大,普遍降幅在40%左右,但随着铵明矾取代率的继续增加,降低幅度又逐渐减弱,分析原因可能为当铵明矾含量由10%增至30%时,水泥含量明显减少,铵明矾在混凝土再生骨料之间形成的黏结力弱于水泥在混凝土再生料之间形成的黏结力,混凝土骨料之间的黏结力明显减弱,改性再生混凝土的破坏形式逐渐由骨料颗粒受压破坏向骨料间胶结受压出现破坏裂缝转变,再生混凝土试块破坏形式的变化导致了改性再生混凝土试块的抗压强度出现较大幅度降低。随着铵明矾含量的继续增多,Al3+含量增多,酸碱中和反应后生成的Al(OH)3含量增多,在一定程度上减弱了水泥矿物质含量降低对改性再生混凝土抗压强度的影响。

结合图3,4,分析含有铵明矾和废煤渣的改性再生混凝土试块抗压强度随养护龄期增加而增加的主要原因是:洒水养护促进了水泥中矿物质的水化反应,如硅酸二钙和硅酸三钙含量增多,增大了再生骨料之间的黏结力,进而导致改性再生混凝土试块抗压强度上升,但随着养护龄期的增加,矿物质的水化反应速率逐渐减缓,可用于水化反应的矿物质含量逐渐减少,因此改性再生混凝土试块的抗压强度增加幅度也逐渐减弱。

2.2 改性再生混凝土pH值分析

由表4可知,随着铵明矾取代率的增加,改性再生混凝土试块的pH值逐渐减小,分析pH值降低的主要原因如下。

1)铵明矾溶于水后,其水溶液呈弱酸性,溶液中含有大量H+,NH4+及Al3+,其中H+,NH4+与OH-发生酸碱中和反应,Al3+也会与OH-发生反应,生成Al(OH)3沉淀,这些化学反应均降低了OH-的含量,从而降低改性再生混凝土的pH值,具体化学反应方程式如下:

NH4++OH-=NH3↑+H2O

(1)

Al3++3HO-=Al(OH)3↓

(2)

H++ OH-=H2O

(3)

2)铵明矾取代率的增加,降低了水泥含量,水泥水化反应后产生的碱性物质(如Ca(OH)2)减少,从而降低了改性再生混凝土块体的pH值。

煤渣取代率为0时,改性再生混凝土pH值随铵明矾取代率和养护龄期的变化情况如图5所示。由图5可知,随着养护龄期的增加,改性再生混凝土试块的pH值逐渐减小,分析pH值降低的主要原因是:洒水养护促进了水泥的水化反应,进而促进了H+,NH4+与OH-之间的酸碱中和反应,进而导致混凝土试块的pH值降低,但随着养护龄期的增加,水泥水化反应减弱,铵明矾溶液酸性减弱,进而导致了pH值降低速度逐渐放缓。

图5 铵明矾对改性再生混凝土pH值的影响

此外,由表4可知,随着废煤渣取代率的增加,改性再生混凝土试块28d的pH值逐渐减小,分析pH值减小的主要原因是:废煤渣的碱性略小于混凝土再生料的碱性,因此用废煤渣取代部分混凝土再生料时,制出的改性再生混凝土pH值偏小。根据相关文献研究可知,虽然pH值在8.5～9.5的环境属于强碱环境,但在改性再生混凝土上部覆盖5～10cm土壤时,土壤与改性再生混凝土组成的环境仍适合一些高羊茅、波斯菊、苜蓿等耐碱性草本植物的生长。

2.3 改性再生混凝土孔隙率分析

铵明矾取代率为0时,改性再生混凝土试块的孔隙率随着废煤渣取代率的变化情况如图6所示。由图6可知,随着废煤渣取代率的增加,改性再生混凝土试块的孔隙率逐渐增大,废煤渣取代率从0%增加到10%时,孔隙率增幅为2.55%,从10%增加到30%时,孔隙率增幅达3.87%,可知废煤渣取代率越大,孔隙率的增幅越大,分析其原因可能与废煤渣的多孔隙特性有关。但废煤渣的取代率从0%增加到30%时,孔隙率仅增加了1.51%,增加量并不显著。孔隙率的增加也是导致改性再生混凝土试块抗压强度随废煤渣取代率增加而降低的原因之一。

图6 废煤渣对改性再生混凝土孔隙率的影响

3 结语

1)单掺废煤渣的改性再生混凝土试块28d抗压强度均值为5.81～6.79MPa,单掺铵明矾的改性再生混凝土试块28d抗压强度均值为3.17～6.09MPa,能满足实际工程需要,且铵明矾对改性再生混凝土的抗压强度降幅影响较大。

2)铵明矾能有效降低混凝土再生料的pH值,随着铵明矾取代率的增加,单掺铵明矾的改性再生混凝土28d的pH值为9.18～9.82,在一定程度上能满足植物生长对周围环境的碱性要求。由于选用的废煤渣碱性略小于混凝土再生料的碱性,导致用废煤渣取代一部分混凝土再生料时,pH值略有降低。

3)废煤渣可取代一部分混凝土再生料,制作出的改性再生混凝土具有很好的经济性和环保效果,且经降碱处理过后的含废煤渣改性再生混凝土的pH值也能一定程度上满足植物的生长需求。

4)用废煤渣代替一部分的混凝土再生料,不仅在一定程度上能降低再生混凝土表面的pH值,也具有较好的抗压强度,因此用废煤渣制作出的生态混凝土具有良好的经济性和环保效果。