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 單玉川1，  沈  翀2，  孔德玉3，  張  材1，  章雪峰1

 （1浙江工業(yè)大學(xué)工程設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，杭州310014;2浙江綠城建筑設(shè)計(jì)有限公司，

 杭州310007;3浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，杭州310014）

[摘要]  在摻合料裹骨料攪拌工藝的基礎(chǔ)上引入納米硅溶膠，實(shí)現(xiàn)再生骨料原位強(qiáng)化，研究了原位強(qiáng)化對(duì)不同再生粗骨料取代率再生混凝土強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)性能的影響。結(jié)果表明：摻合料裹骨料工藝實(shí)現(xiàn)再生骨料原位強(qiáng)化，能有效改善再生粗骨料替換造成的強(qiáng)度損失，取代率較低時(shí)，28d強(qiáng)度甚至超過(guò)天然混凝土的；取代率為 60%時(shí)，強(qiáng)度僅略有下降。采用原位強(qiáng)化技術(shù)制作的再生混凝土梁和天然混凝土梁，裂縫發(fā)展及最終破壞的形態(tài)相似，承載力可與天然混凝土梁媲美，甚至比天然混凝土梁具有更大的剛度和極限荷載。

[關(guān)鍵詞]  原位強(qiáng)化；再生骨料；界面過(guò)渡區(qū)；摻合料裹骨料攪拌工藝

中圖分類號(hào)：TU375 文章編號(hào)：1002-848X(2016)12-0037-04

0  引言

 隨著城市化發(fā)展速度加快，我國(guó)每年因拆除原有建筑和新建建筑工程所產(chǎn)生的建筑垃圾量增長(zhǎng)速度十分驚人。從可持續(xù)發(fā)展角度出發(fā)，合理利用這些建筑垃圾中的有用資源，通過(guò)加工生產(chǎn)得到再生骨料，在此基礎(chǔ)上發(fā)展再生混凝土及其結(jié)構(gòu)，對(duì)于減少垃圾填埋所需場(chǎng)地、減少有用資源浪費(fèi)和天然原材料消耗以及保護(hù)生態(tài)環(huán)境等均具有重要的意義。

 通過(guò)已有研究發(fā)現(xiàn)，與天然骨料混凝土相比，再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度明顯下降。為提高再生骨料混凝土的性能，國(guó)內(nèi)外發(fā)展了多種高品質(zhì)再生骨料生產(chǎn)工藝和再生混凝土生產(chǎn)工藝。研究發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)攪拌工藝相比，采用水泥裹砂石和摻合料裹骨料工藝可明顯改善再生骨料與水泥石界面過(guò)渡區(qū)微觀結(jié)構(gòu)，提高再生混凝土性能。本文在摻合料裹骨料攪拌工藝的基礎(chǔ)上引入納米硅溶膠，使其吸附于再生骨料內(nèi)部孔隙中，利用吸人的納米硅溶膠和表面包覆的摻合料對(duì)再生骨料內(nèi)部和界面富集的氫氧化鈣(CH)的吸收作用，生成水化硅酸鈣凝膠，從而實(shí)現(xiàn)再生骨料的原位與界面強(qiáng)化，通過(guò)試驗(yàn)研究了再生骨料原位納米強(qiáng)化對(duì)再生骨料混凝土及其結(jié)構(gòu)性能的影響。

1  原材料與試驗(yàn)方法

1.1原材料

 試驗(yàn)所用水泥為P．0 42.5普通硅酸鹽水泥，高效減水劑為HG-FDN型高效減水劑。天然粗骨料為4. 75~19. 0mm連續(xù)級(jí)配碎石，吸水率為2.5%；再生粗骨料是將實(shí)驗(yàn)室制備的C30混凝土，經(jīng)鄂式破碎機(jī)破碎，再篩分成4. 75~19. 0mm的連續(xù)級(jí)配再生粗骨料，吸水率為4.9%；細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)為2. 53、級(jí)配合格的天然中砂，吸水率為1. 2%。硅粉的比表面積為16. 72m2/g;礦粉為S95級(jí)；粉煤灰為Ⅱ級(jí)粉煤灰。硅溶膠為NS-30型，SiO2含量為30. 3%，pH值為9.0，粒徑為8~20nm。

1.2試驗(yàn)方法

 混凝土基本配合比為膠凝材料：水：砂：石：減水劑：硅溶膠= 388:157:1 021：835：5.81:3.88，其中單位用水量為自由水用量，實(shí)際攪拌時(shí)按粗、細(xì)骨料的吸水率計(jì)算吸附水用量，并通過(guò)調(diào)整減水劑用量控制混凝土拌合物坍落度為220mm左右；硅溶膠摻量為其中的納米SiO2固含量。膠凝材料中硅粉、粉煤灰和礦粉摻量分別為膠凝材料用量的10%，20%，20%。再生粗骨料取代率分別為粗骨料總量的20%，40%，60%。分別采用普通工藝和原位強(qiáng)化工藝制備混凝土，其工藝流程見(jiàn)圖1。各組混凝土的配合比及其攪拌工藝見(jiàn)表1。采用攪拌得到的混凝土拌合物制作邊長(zhǎng)為100mm的立方體試件，按《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》( GB/T 50081-2002)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，齡期分別為3，7，28d。

 進(jìn)行再生混凝土梁結(jié)構(gòu)性能測(cè)試時(shí)，采用摻合料裹骨料攪拌工藝制備再生混凝土梁，并與采用普通工藝制備的全天然粗骨料梁進(jìn)行對(duì)比，其混凝土配合比及其攪拌工藝與表1中再生粗骨料取代率為40%的再生混凝土RC4-SF，RC4-SL，RC4-FA及天然混凝土N-FA 一致，編號(hào)為梁RC4-SF，梁RC4-SL，梁RC4-FA，梁N-FA。混凝土梁截面尺寸為100mm×160mm，長(zhǎng)度為1.4m，上下各配兩根ϕ12的HPB235鋼筋。試件成型后24h拆模，在室內(nèi)自然環(huán)境下養(yǎng)護(hù)，28d后對(duì)混凝土梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能測(cè)試，測(cè)試時(shí)，采用分配梁實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)加載，試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖2。

 按《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》( GB 50152-2012)的要求，在電液伺服試驗(yàn)機(jī)上加載，采用分級(jí)加載的形式，每級(jí)加載值按天然骨料混凝土開(kāi)裂荷載值的10%遞增，加載值達(dá)到開(kāi)裂荷載值的90%時(shí)，按5%遞增。當(dāng)試件開(kāi)裂后，以承載力試驗(yàn)荷載計(jì)算值的10%為荷載增量，直到構(gòu)件破壞。加載過(guò)程中記錄每級(jí)荷載下的撓度、裂縫的發(fā)展及最終裂縫寬度、開(kāi)裂荷載和破壞荷載等。

2  結(jié)果分析與討論

2.1再生骨料界面強(qiáng)化對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

 圖3所示為不同再生粗骨料取代率對(duì)再生混凝土強(qiáng)度的影響，其中天然混凝土采用普通攪拌工藝，而再生混凝土采用原位強(qiáng)化攪拌工藝。

 由圖3可見(jiàn)，與采用普通工藝制備的摻硅粉、礦粉和粉煤灰的天然骨料混凝土相比，采用原位強(qiáng)化工藝制備的摻20%再生粗骨料的再生混凝土的3，7，28d強(qiáng)度均明顯較高；摻40%再生粗骨料時(shí)，摻10%硅粉的再生混凝土強(qiáng)度仍較高，但摻礦粉的再生混凝土強(qiáng)度略有減小，而摻粉煤灰的再生混凝土強(qiáng)度仍略有提高。摻60%再生粗骨料時(shí)，除摻10%硅粉的再生混凝土強(qiáng)度仍略有提高外，摻20%礦粉和摻20%粉煤灰的再生混凝土強(qiáng)度均略有下降�？梢�(jiàn)，采用再生骨料原位強(qiáng)化工藝可在一定程度上彌補(bǔ)由于摻再生骨料所導(dǎo)致的混凝土強(qiáng)度下降，其中摻硅粉時(shí)，其改善效果最佳，摻粉煤灰時(shí)次之，而摻礦粉效果最差。其原因可能與粉煤灰具有較高的細(xì)度有關(guān)，采用粉煤灰包覆處理時(shí)，粉煤灰微細(xì)粒子可滲透進(jìn)入再生骨料表面的孔隙中，因而對(duì)再生骨料具有更好的原位強(qiáng)化效果；礦渣微粉雖然活性較高，其對(duì)再生骨料，水泥石界面粘結(jié)效果的改善更為明顯，對(duì)再生骨料的原位強(qiáng)化效果卻明顯較差。而采用硅粉進(jìn)行處理時(shí)，由于硅粉顆粒粒徑較小且活性較高，因此采用硅粉進(jìn)行處理對(duì)再生骨料的原位與界面強(qiáng)化效果均最顯著�？梢�(jiàn)，通過(guò)原位強(qiáng)化工藝有助于彌補(bǔ)因摻加再生骨料而導(dǎo)致的混凝土強(qiáng)度下降。

2.2再生混凝土梁裂縫發(fā)展及破壞狀態(tài)

 考慮到再生粗骨料取代率為40%時(shí)，采用原位強(qiáng)化工藝制備的再生混凝土與采用普通工藝制備的天然混凝土強(qiáng)度基本相當(dāng)，因此進(jìn)一步研究再生混凝土梁的結(jié)構(gòu)性能時(shí)，所用混凝土的再生骨料取代率設(shè)定為40%。試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，采用原位強(qiáng)化工藝制作的再生混凝土梁和天然混凝土梁裂縫發(fā)展形態(tài)相似。以摻硅粉的再生混凝土梁（梁RC4-SF）為例，在靜力加載階段，當(dāng)加載到(0.4~0.5)P u（P u為極限荷載理論值）的過(guò)程中，混凝土梁開(kāi)始在純彎段受拉區(qū)出現(xiàn)輕微彎曲裂縫；繼續(xù)加載時(shí)，梁的加載點(diǎn)兩側(cè)和梁跨中均新增豎向短裂縫；繼續(xù)加載，混凝土梁上幾乎所有的裂縫均以較快的速度發(fā)展，裂縫寬度較先前有所增加，斜裂縫附近開(kāi)始出現(xiàn)少許短裂縫，但梁兩端斜裂縫的發(fā)展不十分明顯。當(dāng)加載到破壞荷載時(shí)，梁的撓度急劇增大，其裂縫長(zhǎng)度和寬度急劇增加，發(fā)生了典型的正截面破壞。梁RC4-SF最終在靜載下破壞時(shí)的裂縫情況如圖4所示。破壞時(shí)，原位強(qiáng)化工藝處理的再生混凝土和天然混凝土梁的裂縫寬度數(shù)值相近，在1.0~2. 0mm左右。

2.3再生混凝土梁開(kāi)裂荷載及破壞荷載

 表2所示為原位強(qiáng)化工藝制作的再生混凝土梁的開(kāi)裂荷載及破壞荷載。由表3可見(jiàn)，再生粗骨料取代率為40%時(shí)，與摻粉煤灰的天然混凝土梁(梁N-FA)相比，經(jīng)硅粉裹骨料工藝處理的再生混凝土梁開(kāi)裂荷載和破壞荷載均明顯較高，提高幅度分別達(dá)到15%，24%左右；經(jīng)礦粉裹骨料工藝制作的再生混凝土梁與天然混凝土梁開(kāi)裂荷載相當(dāng)，而破壞荷載略有提高；粉煤灰裹骨料工藝處理的再生混凝土梁開(kāi)裂荷載較低，比天然混凝土梁開(kāi)裂荷載約低15%，破壞荷載與摻粉煤灰的天然混凝土梁相當(dāng)。由此可見(jiàn)，經(jīng)粉煤灰裹骨料工藝處理的摻40%再生粗骨料的再生混凝土梁破壞荷載承載力與天然混凝土相當(dāng)，但其開(kāi)裂荷載略低。

 此外，對(duì)比圖3和表3可見(jiàn)，雖然與摻粉煤灰的再生混凝土相比，采用原位強(qiáng)化工藝制備的摻礦粉再生混凝土強(qiáng)度略低，但開(kāi)裂和破壞荷載均較高，其原因可能與摻礦粉再生混凝土試件一直在水中養(yǎng)護(hù)，其養(yǎng)護(hù)條件較好，而摻粉煤灰的再生混凝土在空氣中養(yǎng)護(hù)，其養(yǎng)護(hù)濕度較差有關(guān)。而摻粉煤灰的混凝土在濕度較小時(shí)，其強(qiáng)度發(fā)展不如摻礦粉的混凝土。總體而言，采用摻合料裹骨料工藝可有效彌補(bǔ)因摻加再生粗骨料導(dǎo)致的再生混凝土梁開(kāi)裂和破壞荷載的明顯下降。

2.4再生混凝土梁抗彎性能

 圖5所示為原位強(qiáng)化工藝制作的再生混凝土梁的荷載一跨中撓度曲線。由圖5可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)原位強(qiáng)化工藝處理的再生混凝土梁相比天然混凝土梁具有更大的剛度和極限荷載，其中，硅粉裹骨料工藝對(duì)再生混凝土梁工作性能的提升要略好于其他兩種處理方式的。

3  結(jié)論

 研究了引入納米硅溶膠并采用摻合料裹骨料工藝實(shí)現(xiàn)再生骨料原位與界面強(qiáng)化對(duì)再生混凝土及其結(jié)構(gòu)性能的影響，結(jié)果表明：

 (1)采用原位強(qiáng)化工藝可有效彌補(bǔ)因摻加再生粗骨料而導(dǎo)致的混凝土強(qiáng)度損失，取代率為60%時(shí)，摻硅粉再生混凝土強(qiáng)度仍高于普通工藝天然混凝土；而摻粉煤灰和礦粉再生混凝土，取代率為40%時(shí)，強(qiáng)度與天然混凝土相當(dāng)；取代率為60%時(shí)，強(qiáng)度略低于天然混凝土。

 (2)采用原位強(qiáng)化工藝制作的再生混凝土梁和天然混凝土梁裂縫發(fā)展及最終破壞的形態(tài)相似，采用原位強(qiáng)化工藝制作的再生混凝土梁承載力與天然混凝土梁相當(dāng)，甚至比天然混凝土梁具有更大的剛度和極限荷載。