关键词:
土凝岩
高掺量再生骨料
力学性能
抗冻性耐久性
抗硫酸盐耐久性
摘要:
全球碳排放量持续上升的问题日益严重,我国制定双碳目标、推广绿色交通。土凝岩再生骨料混凝土为此提供了一种可行的解决方案,旨在减缓天然骨料资源的枯竭,降低与水泥生产相关的碳排放。本文通过力学试验、冻融循环试验和硫酸盐干湿循环试验等研究再生骨料掺量(70%、100%)和土凝岩剂量(9%、12%、15%)对再生混凝土力学性能及耐久性能的影响,同时采用水泥浆体浸渍、硅烷偶联剂强化再生骨料提升再生混凝土的力学性能和耐久性能,研究工作如下:
(1)通过X射线衍射(XRD)、激光粒度试验、X射线荧光光谱仪(XRF)、扫描电镜-能谱分析(SEM-EDS)和热重-差示扫描量热(TG-DSC)等微观试验发现:土凝岩粉末成分主要包括方解石、石英及钙镁铝硅酸盐。土凝岩净浆失重区间100℃~110℃、440℃~450℃、680℃~710℃对应于水化产物包括AFt、Ca(OH)2以及CaCO3,CaO与水反应生成的Ca(OH)2为体系提供了必要的碱性环境,激发土凝岩中Si O2和Al2O3等氧化物的活性,生成水化铝酸钙和水化硅酸钙,这些物质的共同作用形成了网络状的结构,为土凝岩胶凝作用提供了坚实的骨架。
(2)开展土凝岩再生混凝土的抗压、抗折、劈裂抗拉强度等力学试验研究,通过试验发现:土凝岩在养护后期内的力学性能增长更为显著,养护时间60d时,土凝岩相比水泥抗压、抗折强度增幅达到30%至45%,随着养护时间的延长,其内部结构变得更加密实,提高了混凝土的整体性和力学性能。随着土凝岩剂量的增加,再生桩体混凝土的力学性能提高。12%土凝岩剂量的100%与70%再生骨料掺量力学性能相当,综合环保与力学性能12%土凝岩剂量为最佳剂量。
(3)开展土凝岩再生混凝土的冻融循环试验研究,通过试验发现:调控再生骨料掺入比例可有效改善混凝土材料的抗冻性耐久性。在经历相同的冻融循环条件下,掺入70%再生骨料的混凝土试件相较于全再生骨料试件,其相对动弹性模量提升区间为0.8%~11.3%,显示出显著的抗冻性能优势。土凝岩剂量在9%~15%范围内与材料相对动态弹性模量呈正相关,模量最高增幅达6.2%。冻融循环作用导致界面过渡区(ITZ)产生微裂纹扩展现象,C-S-H凝胶体在低温应力作用下发生冻融侵蚀,伴随水化产物的层状剥落,最终形成从界面区向骨料周边辐射的贯通裂纹网络。
(4)开展土凝岩再生混凝土的硫酸盐干湿循环试验研究,通过试验发现:再生骨料掺量的增加导致再生桩体混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能下降,70%比100%掺量再生骨料抗压强度耐蚀系数(K_f)提升6%,质量损失率增加0.75%。随着土凝岩剂量由9%提升至15%,再生混凝土的K_f值提高18%,质量损失率降低1.38%。硫酸盐侵蚀后混凝土内部石膏含量显著增加,钙矾石含量降低,混凝土内部C-S-H剥落,界面过渡区产生裂缝,土凝岩浆体剥落。
(5)通过使用水泥浆液浸渍处理以增强再生骨料,进而提高再生混凝土的力学及耐久性能。试验结果表明:采用水泥-硅灰、水泥-粉煤灰材料包裹再生骨料,均能提升其性能,尤其是水泥-硅灰包裹效果最佳。水泥-硅灰能有效修补再生骨料表面的裂缝,增加其密度,减少混凝土孔隙率。经处理的水泥-硅灰组在60 d的抗压强度达到28.5MPa,抗折强度为5.5MPa,优于水泥处理组。相比未强化组抗冻融循环能力提高100次,耐硫酸盐干湿循环能力提升15次。
(6)利用硅烷偶联剂对再生骨料进行强化,以改善再生混凝土的力学和耐久性能。试验结果表明:硅烷偶联剂的加入显著减少了再生粗骨料的吸水率,特别是KH570型号,其吸水率降至4.1%。KH5505处理后的再生混凝土抗压强度提升最为显著,养护时间60d时抗压强度达到23.6MPa比未强化再生骨料提高了46.6%。经过KH5505和KH5706处理的再生混凝土在抗硫酸盐侵蚀方面也有所增强,相较于未处理组,能额外经受15次硫酸盐干湿循环,其K_f值分别提高了28%和24%。