再生粗骨料取代率对道路面层再生混凝土抗渗性能的影响研究

时间：2024-06-19

张自荣,张一蕾,翁月,苏建东,杨光

(长春工程学院土木工程学院,长春 130012)

0 引言

我国公路交通建设快速发展,使得大量公路需要改造更新,对砂石的需求量明显增加,同时我国推行绿色环保政策,使得天然砂石的开采量受到严格控制。为了降低对此类不可再生资源的消耗,促进建筑材料的可持续发展,在公路中应用再生混凝土能够实现经济环保、绿色建造[1]。据有关数据统计,我国为了加快城市化进程,每年拆除的旧建筑物会产生约24亿t的建筑垃圾[2],而建筑垃圾的再回收利用,可使我们摆脱依赖天然砂石的窘境,满足再生混凝土在道路工程中的应用需求。

肖建庄等[3]人研究表明,混凝土的抗渗性能与其孔隙率和密实度有直接关系,通过提高混凝土的密实程度能有效地改善它的抗渗性能。潘秀英[4]和马永志[5]研究认为,再生混凝土相较普通混凝土有较低的抗渗性,且随着再生粗骨料取代率的提高,其抗渗性也随之下降。Limbachiya,et al[6]试验研究表明,当再生粗骨料取代率<30%时,其抗渗性能不会明显下降。张大长等[7]研究发现,再生粗骨料的取代率=50%时,再生混凝土的抗渗性能达到最好,且优于普通混凝土。彭建庭[8]对再生粗骨料抗水渗透性进行了试验,通过对表面进行处理,认为再生粗骨料表面附着的砂浆是影响抗渗性的主要因素,并提出再生粗骨料的取代率宜≤50%。通过文献[9-11]对再生骨料的分析,发现再生骨料与普通骨料在物理性能上有所不同,再生骨料具有较高的孔隙和吸水率,对再生混凝土的抗渗性能有很大的影响。

目前,再生混凝土可以被应用于公路路面和人造基础中,并且具有广泛的应用前景,但是在实际工程中,公路路面的运营面临着诸多灾害问题,如雨后积水,是道路面层被破坏的主要原因之一。路面的耐久性能关系着其使用年限,而抗渗性是设计耐久性能时考虑的主要因素,因此,对道路面层再生混凝土的抗渗性能进行研究是非常必要的。

根据前述研究成果,本文以天然碎石为粗骨料,加入再生粗骨料来配制不同取代率的再生混凝土,采用三因素三水平正交试验来确定最优配合比,其中再生混凝土的取代率为30%和50%,通过试验研究不同取代率对再生混凝土抗渗性能的影响,为再生混凝土在道路面层中的工程应用提供理论参考。

1 渗透机理

混凝土是一种多孔性物质,它具有渗透性能。渗透性是所有多孔材料的基本属性,它描述了在内外压力差、浓度差或者其他化学条件下,引起液体、气体迁移而产生渗透现象。研究表明混凝土的渗透机理为外界环境中的气体、液体可以通过扩散、渗透和毛细作用3种方式向混凝土内部的各种通道迁移。为了评估混凝土的抗渗性,通常采用混凝土渗透系数或离子的扩散系数的强弱指标来评价其抗渗性能[12]。

硬化后的再生混凝土的主要成分为水泥浆体、砂、普通骨料、再生骨料、新旧界面过渡区,它的内部细、微观结构组成及界面过渡区比普通混凝土复杂[13]。水在其内部传输和微观结构变化都会引起多种类型的破坏。如在溶液不同的浓度差下产生渗透压,不同的蒸汽压引起孔隙静水压力,这些因素都会造成再生混凝土内部的应力变化[14],导致混凝土的抗水渗透性下降。再生骨料内部初始损伤严重、结构复杂,再生混凝土中存在大量的裂缝和孔隙,为水提供了一个良好的渗流渠道,因此,再生混凝土的透水性增大,当外界环境中的水或以水为介质的溶液通过孔隙进入混凝土时,会对再生混凝土的结构造成破坏,对其抗渗性有很大的影响。

2 试验概况

2.1 试验材料

粗骨料:天然粗骨料采用吉林通榆县某石料厂生产的天然碎石;再生粗骨料采用由吉林通榆县某再生骨料处理厂破碎加工后的混凝土路面材料,骨料样本质地均匀,经过鄂式破碎机破碎后将其运至试验料场。之后进行孔径为4.75～9.5 mm、9.5～19 mm和19～31.5 mm的粗骨料筛分试验,然后再清洗、晾干。

细骨料:取自吉林省通榆县本地天然砂,细度模数为2.21。符合GB/T 14685—2011《建筑用卵石和碎石》[15]要求。

水泥:采用42.5普通硅酸盐水泥。

外加剂:通榆县本地生产的高效引气减水剂,减水率为15%。

水:取自实验室自来水。

2.2 配合比设计

本试验配合比设计是基于正交试验所确定的最优配合比,正交试验设计三因素三水平,再生混凝土取代率、水灰比、砂率为影响因素;外加剂的掺加量为水泥的质量占比,再生骨料用量根据等体积取代法计算。本试验的配合比,即水灰比为0.34,砂率为36%,再生骨料取代率为30%和50%,取代率70%的强度等级较低,此次试验未考虑。正交试验设计见表1～2,配合比设计详见表3。

表1 正交试验因素与水平

表2 正交试验表

表3 试验配合比单位:kgm-3

注:30和50分别为再生骨料的取代率,附加用水量由含水率与吸水率确定。

编号等级水灰比砂率水泥水附加水再生粗骨料天然粗骨料砂B1-30B2-50C300.343642715817.1371.2871.3585.847716226.0564.5567.9638.9

2.3试件成型与养护

本试验试件为上口直径175 mm,下口直径185 mm,高150 mm的圆台。试验共分为2组,B1组为取代率为30%的再生粗骨料试件,B2组为取代率为50%的再生粗骨料试件,每组试件为6个。综合天然粗骨料的材料性能和引气剂的掺入,试件试配等级为C30,坍落度的大小主要分布在200 mm左右,含气量分布在3.5%～4.5%。试件在被制作完成后送入养护室,养护室满足标准养护的条件(温度为(20±2) ℃、恒定湿度为95%),养护28 d后再进行试验。

2.4 试验方案

目前常用的检测混凝土抗水渗透能力的方法有两种:渗水高度法,逐步加压法。用渗水高度法来评价再生粗骨料混凝土的抗渗性能,比逐步加压法更能清楚地反映再生粗骨料在粗骨料中的密度对再生粗骨料混凝土的影响。综合考虑,本试验采用渗水高度法,根据GB/T 500082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[16]的要求进行试验。

渗水高度法是将混凝土试件在恒定水压0.8 MPa下保持24 h,取其平均值作为渗水高度,并通过公式(根据规范公式)求出每一组对应的相对渗透系数。

本试验采用的设备:HP-4.0型自动调压混凝土渗透仪、圆台抗渗模具、水泥、黄油、活动扳手、电液伺服压力试验机、直径为5 mm的钢垫条、钢尺、油灰刀、垫块等。

2.4.1 密封方法

采用水泥、黄油混合物作为密封材料[17]。因为,要确保在测试时,模具与试件之间的间隙不能发生渗水现象,从而影响整个试验的进程,所以,应选用适当的油灰比。本试验根据张渊[9]研究的油灰比范围选取比值。当时正处于冬季,实验室位于东北,当天室温为5 ℃左右,因而选取油灰比约为3～3.5,使本试验具有较好的密封性能。用砂纸将养护好的试件表面打磨干净,使其无浮浆,并将配制好的密封材料均匀地涂抹在试件的侧面,涂抹时一定要均匀,避免凹凸不平,确保密封效果,如图1所示。

(a)水泥、黄油混合物

2.4.2 试验步骤

根据GB/T 500082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[16]的相关规定试验,试验流程如图2所示。

(a)涂抹密封材料

1)调节混凝土抗渗仪到恒压,并排尽管道内空气,将下限压力值调节至0.8 MPa,上限压力值调节至0.9 MPa,随时注意试件两端渗水情况。

2)当某个试件出现渗水时,立即关闭其对应的阀门,记录停止的试验时间;若试件没有出现渗水现象,则等试验时间到24 h后停止,之后用压力机将试件进行劈裂试验,并记录渗水高度。

3)若发现试件顶面四周冒水则应停止试验,取下试件,待试件干燥并重新密封后再进行抗渗试验。

2.5 试验数据测定

抗渗试验结束后,将再生混凝土试件从抗渗仪中取下,接着用压力试验机将垫有钢筋垫条的试件劈裂为两半,用黑色马克笔及钢尺沿渗水痕迹将高度标记,取10点测量试件的渗水高度值并进行相对渗透系数的计算,渗水高度如图3所示。由于骨料颗粒的不平整性,测出的痕迹线并不是平直的线条。

(a)取代率为30%

相对渗透系数的计算公式为

(1)

式中:SK为相对渗透系数,cm/s;Dm为平均渗水高度,cm;H为水压力,以水柱高度表示,cm;T为恒压时间,h;m为再生混凝土的吸水率,一般为0.03。

渗透高度取平均值作为试验结果,并用于计算相对渗透系数。

3 试验结果与分析

3.1 试验结果

粗骨料的物理性能根据GB/T 14685—2011《建筑用卵石和碎石》[15]的测试方法进行测定,测定的指标分别为堆积密度、表观密度、含水率、吸水率及含泥量等,本次试验所用的天然骨料和再生骨料的各性能见表4。再生混凝土的渗水高度、相对渗透系数以及抗压强度测得的结果见表5。

表4 粗骨料各项性能指标

表5 试验结果

3.2 粗骨料基本性能对比分析

1)通过对比粗骨料基本性能的测定结果,发现再生粗骨料的含水率与吸水率明显高于天然粗骨料,这是由于再生粗骨料表面粗糙、棱角多、含有大量的孔隙,而且在加工破碎时会发生严重的撞击,其内部结构会出现许多细小的裂缝,因此,再生粗骨料的含水率与吸水率相较于天然粗骨料均高。

2)从性能指标数据结果看,再生粗骨料的表观密度和堆积密度均低于天然粗骨料,这是因为再生骨料表面附着着相当数量的水泥浆。通过文献[10-11,18]对再生骨料的研究以及表观密度和堆积密度性能的测定,结果显示两者的离散性大,品质好的再生粗骨料其表观密度和堆积密度的性能贴近或优于天然骨料。基于本试验制作再生粗骨料的基体混凝土质量中等,所以得到的再生粗骨料的品质一般。

3)根据测得的数据可知,再生粗骨料的针片状颗粒含量大于天然碎石的,说明再生混凝土的内部结构会受再生粗骨料颗粒形状的影响,使再生混凝土的密实性能降低,对再生混凝土的力学性能、耐久性能产生一定的影响。

3.3 抗渗性能分析与比较

图4为文献[5]及本试验的再生粗骨料取代率对平均渗水高度、平均相对渗透系数的影响结果,图5为文献[7]测得的抗渗压力、标准立方体抗压强度及本试验测得的标准立方体抗压强度,以及它们随再生粗骨料取代率的变化趋势。

图4 再生粗骨料取代率对渗水高度的影响

图5中的水压力值放大为真实值的30倍。

图5 抗渗水压值和标准立方体抗压强度随再生粗骨料取代率的变化趋势

由表5可知,B2组的相对渗透系数及渗水高度均比B1组的大。B1组渗水高度的最低值为3.1 cm,对应的相对渗透系数达到0.204×10-7;B2组渗水高度的最低值为6.3 cm,对应的相对渗透系数达0.844×10-7,且两组渗水高度平均值相差2 cm。随着天然碎石骨料掺和数量的降低,再生粗骨料掺和量的增加以及再生混凝土平均渗水高度和平均相对渗透系数的增大,表明取代率为30%的再生混凝土比取代率为50%的再生混凝土具有更好的抗渗性能。

由图4可知,本试验与文献[5]的再生粗骨料取代率对渗水高度有相同的影响趋势,它们的渗水高度的变化均随再生粗骨料取代率的增加而增高。由此可知,再生粗骨料同质量取代天然粗骨料时,其取代率越高,再生混凝土的抗渗性能越差,而且文献[5]的再生混凝土的抗渗性能始终低于普通混凝土的。

从图5中抗渗水压力值的曲线变化趋势可知,随着再生粗骨料取代率的增加,抗渗水压力值呈现出先增大后减小的趋势。再生粗骨料取代率从30%增长到50%时,抗渗性能变化趋势正向增强,当取代率为50%时,其抗渗性能达到最好,当再生粗骨料取代率>50%时,抗渗性能变化趋势负面减弱,当取代率为100%时,再生混凝土的抗渗性能最差。

将图4和图5的试验结果进行对比,可以看出再生粗骨料的取代率对再生混凝土的影响并不相同。

1)普通混凝土与再生混凝土的抗渗性能对比结果相反。随着再生骨料掺入量的增加,文献[5]中普通混凝土的抗渗性能始终比再生混凝土的强,文献[7]中再生混凝土的抗渗性能呈现先升高再降低的变化规律,而且当再生粗骨料取代率为100%时,普通混凝土抗渗性能才高于再生混凝土的。

2)在再生粗骨料取代率<50%时,再生混凝土抗渗性能的变化趋势也出现不同的情况;在取代率<50%时,文献[5]的再生混凝土的变化呈下降趋势,而文献[7]呈上升趋势。但是,当取代率>50%时,再生混凝土的抗渗性能均有相似的变化,均呈下降趋势。

根据表5和图5可知,再生粗骨料的取代率在30%～50%时,本试验的抗压强度与文献[7]有相似的变化趋势。本试验B1组与B2组之间的抗压强度相差0.5 MPa,B1组再生混凝土的抗压强度比B2组的略有提升。结合文献[7]的曲线变化,取代率在30%～50%时,再生混凝土的抗压强度也出现升高的趋势,但是升高的幅度并不大。

综前所述,造成抗压强度升高的原因有两方面:一是由于再生骨料的表面粗糙,内部有微裂缝;二是再生粗骨料在拌制时会吸收拌和水,使实际水灰比降低。因此,再生粗骨料吸水率增大,使混凝土充分水化,强度呈现升高趋势。造成抗渗性能变化出现不同现象的原因:一是再生粗骨料混凝土的性能具有很大的差异性;二是受加工破碎及试验条件等因素的影响。因此,在不同的试验中,使用的再生骨料不同,其性能差异较大,所得的结果也会有偏差,甚至出现相反的情况。

3.4 粗骨料对抗渗性能的影响分析

通过对本试验所用粗骨料的物理性能测定的指标结果进行分析,发现再生骨料与天然骨料在物理性能上有所不同,再生骨料自身具有孔隙率、吸水率高的特征,而且内部结构存在缺陷,在物理破碎的过程中被损坏,存在许多微裂缝,所以在制备再生混凝土时,再生粗骨料会与新的水泥砂浆产生新的界面区域,这些复杂成分是影响再生混凝土抗渗性能的主要因素。

1)从微观角度来看,由于再生粗骨料具有复杂的特点,因而再生混凝土的界面过渡区明显表现出疏松、裂缝多的特点,这些因素会导致其内部的孔隙率增大、密实度降低[19]。所以当水渗入再生混凝土内部时,这些孔隙以及疏松部分会加速水的渗入,对再生混凝土的抗渗能力产生不利影响,导致抗渗性能下降。

2)对比粗骨料的性能分析可知,再生粗骨料的堆积密度、表观密度比天然碎石的低,并且再生粗骨料的吸水性能、含水量比天然碎石的高。由于粗骨料之间具有前述性能的差异,水在渗透到再生混凝土内部的整个过程中,都会造成再生混凝土的抗渗水能力发生变化,而且再生混凝土受到的影响比普通混凝土更大。