[摘 要] 為合理利用廢棄的混凝土再生骨料,采用正交試驗優(yōu)化水膠比、再生骨料摻量及快速修補礦物摻合料CUFG摻量的合理配伍。試驗結果表明: 無論是早期還是后期,水膠比仍然是影響混凝土強度的最主要因素;再生骨料和快速修補礦物摻合料對強度的影響與齡期有關;合理安排水膠比和快速修補礦物摻合料摻量,在再生骨料用量達100%的條件下制備的混凝土24 h抗折、抗壓強度均滿足重交通和特重交通開放的要求。
[關鍵詞] 再生骨料; 混凝土; 配合比
[中圖分類號] U 416. 26 [文獻標識碼] A [文章編號] 1002— 1205 (2007) 02— 0106— 04
0 引言
水泥混凝土路面破損后需進行修補,但由于現在交通網的需求,對在使用的道路進行路面修補時,不允許長時間封閉交通,尤其是高速公路和城市道路。采用普通水泥混凝土對路面進行修補時,需要較長的養(yǎng)生時間,按我國現行的《水泥混凝土路面施工及驗收規(guī)范》(GBJ97— 87) 4. 7. 2條第四款的規(guī)定: 普通混凝土的養(yǎng)生時間,應根據混凝土強度增長情況而定,一般宜為14～21 d,早期強度低,一般需要5～7 d 才能開放交通,給路面盡快恢復交通(最好是在24 h以內)帶來了困難[ 1, 2 ] 。因此,水泥混凝土路面快速修補技術研究仍是今后相當長一段時間內急需研究的課題之一。
水泥混凝土路面修補或改造后將產生大量的廢棄混凝土,其傳統處理方法大多是運到郊區(qū)填溝平壑或任意堆積。如此多的廢棄混凝土不僅處理費用驚人,還需要占用大量的空地存放,浪費耕地。如僅以一條路幅寬度9 m,板厚24 cm的二級路計算,每公里道路改建時所廢棄的混凝土為2 160 m3 ,若改建的混凝土道路有十幾km或幾十km,則廢棄的混凝土塊可達上萬甚至幾十萬m3。如此多的廢棄混凝土如不能妥善處理,則不僅對水泥混凝土道路的整治帶來消極影響,同時對公路沿線的周邊環(huán)境也會造成負面作用,因此,水泥混凝土路面修補改造后廢棄混凝土的處理已成為公路養(yǎng)護部門急需解決的問題之一。同時對節(jié)約資源和能源,改善生態(tài)環(huán)境意義重大,這既符合我國循環(huán)經濟發(fā)展的方向,也符合我國在制定中長期科教興國戰(zhàn)略及社會可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求。
1 試驗材料與試驗方法
1. 1 原材料
?、偎?C) : 湖南韶峰水泥廠生產的42. 5級普通硅酸鹽水泥,物理力學性能見表1。
②快速修補礦物摻合料(CUFG) : 比表面積為575 m2 /kg。
③天然粗骨料(NA) : 湘江河卵石,級配合格,5～31. 5 mm的連續(xù)級配。
④再生粗骨料(RA) : 用湖南省長益高速公路路面維修時廢棄的混凝土(原生混凝土的粗骨料為卵石) ,先經人工破碎成中等尺度的碎塊,然后用顎式破碎機破碎成小顆粒,再篩分制得而成,級配合格,為5～31. 5 mm的連續(xù)級配,其有關性能如表2～表4所示。
?、萏烊患毠橇?NS) : 湘江河砂,級配合格,符合Ⅱ區(qū)要求,細度模數M x = 2. 63。
⑥外加劑( Sp ) : 湘潭潭建外加劑廠生產的JDN— III型早強高效減水劑。
?、咚?W) : 自來水。
1. 2 試驗方法
試件在試驗室制作,采用50 dm3 攪拌機攪拌,振動臺振動成型,試件成型后立即放入標準養(yǎng)護室中,養(yǎng)護24 h后拆模,繼續(xù)養(yǎng)護至試驗齡期后進行試驗。
再生骨料快硬高早強混凝土的表觀密度、坍落度按照《普通混凝土拌合物性能試驗方法》(GB / T50080— 2002)進行測試,力學性能(包括立方體抗壓強度、棱柱體抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度、彈性模量)按照《普通混凝土力學試驗方法標準》( GB/ T 50081— 2002)進行測試。其中立方體抗壓及劈拉強度所用試件尺寸均為( 100 ×100 ×100) mm,試驗結果已乘相應的換算系數(立方體抗壓強度為0.95,劈拉強度為0. 85) ; 抗折強度所用試件尺寸為(100 ×100 ×400) mm,試驗結果已乘0. 85 換算系數,所有試驗結果已換算成標準試件強度。
2 再生骨料快硬高早強混凝土配合比正交設計
由于影響再生骨料快硬高早強混凝土性能的因素很多,包括原材料的性能特征、水灰比、砂率、骨料性能、原生混凝土強度等級、養(yǎng)護條件和齡期等。由于摻再生骨料的混凝土影響因素較為復雜,為達到減少試驗次數,縮短試驗周期,迅速找出各影響因素的內在規(guī)律的目的,采用正交試驗設計方法對再生骨料快硬高早強混凝土的配合比進行了試驗設計。
在按照普通混凝土配合比設計方法進行設計的同時,考慮到廢棄混凝土骨料吸水率大的問題,除了通常設計所需要的單位需水量外,另外加入了按照廢棄混凝土骨料15 min吸水率(本文為2. 5 % )計算的需水量[ 3, 4 ] 。
在試驗中,選取三個因子、三種水平,按正交表L9 (34 )安排試驗,以探討不同影響因素對再生骨料快硬高早強混凝土強度的影響規(guī)律,來優(yōu)化指導再生骨料快硬高早強混凝土配合比設計,從而指導水泥混凝土路面快速修補。對于一級公路,抗折強度≥3. 5MPa,對于二級公路,抗折強度≥3. 15MPa,在保證強度的同時,盡可能地增加再生骨料的摻量。
水膠比、再生骨料摻量及CUFG摻量在正交表中分別為因素A、因素B 和因素C, 共試驗了10個配合比(第一組為基準混凝土) ,通過調整高效減水劑的摻量來保證新拌混凝土的和易性,并使其坍落度值控制在30～50 mm左右, 高效減水劑的摻量在0. 5%～1. 0%之間。混凝土的配合比與拌合物性能見表2,力學性能試驗結果見表3。
3 試驗結果分析、配合比優(yōu)化
3. 1 抗折強度的影響因素分析
由于水泥混凝土路面是以抗折強度為主要控制指標,因此,重點對混凝土的抗折強度進行分析,極差與方差分析結果如表4所示。在試驗因素水平變化范圍內,按照極差的大小,影響因素的主次順序為: 水膠比> CUFG摻量> RA摻量( 3 d與56 d) ,水膠比>RA摻量>CUFG摻量(28 d) ,說明無論是早期還是后期,水膠比是影響抗折強度的最主要因素,而RA摻量與CUFG摻量對再生骨料快硬高早強混凝土抗折強度的影響主次順序隨齡期變化而不同。
由表4的方差分析結果可知,無論是早期還是后期,水膠比對抗折強度有顯著影響,而CUFG摻量
與RA摻量對抗折強度影響的顯著性隨齡期變化而不同。在3 d和28 d其影響并不顯著,在56 d卻是顯著的,且兩者的F值很相近。28 d抗折強度大于5. 0MPa的有五組配合比, RC06的水膠比為0. 32,RA摻量為90 % , CUFG摻量為20 % ,和易性優(yōu)良,說明合理安排水膠比和CUFG摻量,即使再生骨料摻量較大,也能夠配制出滿足路面使用要求的混凝土。應用于一級公路時,最優(yōu)配合比為A1B2 C2 ;對于二級公路,最優(yōu)配合比為A1B3 C3[5] 。
3. 2 抗壓與劈拉強度的影響因素分析
通過極差和方差分析,可求得抗壓與劈拉強度
影響因素的主次順序以及顯著性,如表5所示。在試驗因素水平變化范圍內,對于抗壓與劈拉強度,無論早期還是后期,水膠比是影響強度的主要因素,也是顯著因素(除水膠比對3 d,劈拉強度其顯著性為有一定影響外) ,這與抗折強度相同。
綜上所述: 無論早期還是后期,水膠比是影響再生骨料快硬高早強混凝土強度的最主要因素,而且也是最顯著因素,因此,嚴格控制水膠比對再生骨料快硬高早強混凝土的強度有重要意義;在早期( 3d) , CUFG摻量對再生骨料快硬高早強混凝土強度的影響要明顯大于再生骨料摻量對強度的影響,因此,對于要求快硬早強的混凝土, CUFG摻量不宜過大;在后期(28 d、56 d或更長) ,隨著齡期的變化,不同強度(抗折、抗壓和劈裂抗拉)影響因素主次順序和顯著性也在變化,但水膠比對強度的影響仍要明顯大于CUFG摻量和RA 摻量對強度的影響, 而CUFG摻量與RA摻量對強度的影響能力趨于接近。
3. 3 再生骨料快硬高早強混凝土配合比參數的確定
通過分析再生骨料快硬高早強混凝土性能的影響因素,參考文獻[ 6, 7 ]的研究成果,確定再生骨料快硬高早強混凝土配合比設計參數見表6。
根據推薦的再生骨料快硬高早強混凝土配合比設計參數,對再生骨料快硬高早強混凝土進行試配,試配結果見表7,表8。
表8的試驗結果表明: 采用42. 5R普通硅酸鹽水泥,摻入20 % ～25 %的CUFG,再生骨料摻量為100% ,可配制1 d抗折強度大于4. 17MPa, 2 d抗折
強度大于5. 11MPa, 28 d抗折強度大于5. 81MPa, 1d抗壓強度大于26. 4MPa, 2 d抗壓強度大于30. 9MPa, 28 d抗壓強度大于47. 3MPa的再生骨料快硬高早強混凝土;摻入30%的CUFG,再生骨料的摻量為100% ,可配制1 d抗折強度大于3. 93MPa, 2 d抗折強度5. 05MPa, 28 d抗折強度5. 75MPa, 1 d抗壓強度23. 8MPa, 2 d抗壓強度31. 4MPa, 28 d抗壓強度45. 4MPa的再生骨料快硬高早強混凝土,均能達到重交通和特重交通開放的要求,同時也滿足《公路水泥混凝土路面養(yǎng)護技術規(guī)范》( JTJ 073. 1 —2001)中A. 3. 1的規(guī)定,用于板塊修補的混凝土材料應在24 h 內達到原板設計強度70 %以上, 即3. 15MPa (原板設計強度為4. 5 MPa)或3. 5 MPa(原板設計強度為5MPa) , 48 h內達到原板設計強度,即可開放交通的要求。
4 結論
①無論是早期還是后期,水膠比仍然是影響混凝土強度的最主要因素;再生骨料和快速修補礦物摻合料對強度的影響與齡期有關;合理安排水膠比和快速修補礦物摻合料摻量,在再生骨料摻量較大的條件下也能夠配制出滿足路面使用要求的混凝土;
②通過對配合比參數的優(yōu)化,在再生集料用量為100%的條件制備的再生骨料快硬高早強混凝土,其早期強度達到滿足重交通和特重交通開放的要求。
[參考文獻]
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