陶瓷粗骨料再生混凝土碳化后力学性能研究.pdf

2 0 1 4 年 第 8 期 (总 第 2 9 8 期 ) N u mb e r 8 i n 2 0 1 4 ( T o t a l No ． 2 9 8 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEORETI CAL RESE ARCH d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 ／j ． i s s n ． 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ． 2 0 1 4 ． 0 8 ． 0 1 4 陶瓷粗骨料再生混凝土碳化后力学性能研究 陆盛武 ’ ，曾志兴 ，万超 ( 1 ． 广西生态工程职业技术学院 建筑工程系，广西 柳州 5 4 5 0 0 3 ；2 ． 华侨大学 土木工程学院，福建 泉州 3 6 2 0 2 1 ) 摘要： 研究 了快速碳化情况下碳化龄期对陶瓷再生混凝土的抗压强度 、 劈裂抗拉强度 、 抗折强度的影响。 试验结果表 明： 随着 碳化龄期 的增长 ， 陶瓷粗骨料再生混凝土的抗压强度、 劈裂抗拉强度均有所提高 ， 而抗折强度却有所降低 。 关键词： 再生混凝土 ；混凝土强度；混凝土碳化；陶瓷 中图分类号： T U 5 2 8 ． 0 1 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 0 8 — 0 0 4 9 — 0 3 E x p e r i me n t a l s t u d y o n t h e c a r b o n a t i o n r e g u l a r it y o f r e c y c l e d c o n c r e t e u s i n g wa s t e c e r a mi c a s c o a r s e a g g r e g a t e LU ∞ g wu ， ZEN G 及血 】 g ， W AN Ch a o ( 1 ． T h e De p a r t me n t o f Ar c h i t e c t u r a l E n g i n e e r i n go f Gu a n g x i E c o — E n g i n e e r i n gVo c a t i o n a l a n dTe c h n i c a l Co l l e g e ， L i u z h o u 5 4 5 0 0 3 ， Ch in a ； 2 ． S c h o o l o f Ci v i l E n g i n e e r i n g ， Hu a q i a o Un i v e r s i t y ， Qu a r t z h o u 3 6 2 0 2 1 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T he i n f l u e n c e t h a t t h e a g e o f c o n c r e t e c a r b o n a t i o n t o c u b e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h， s p l i t t i n g t e n s i l e s t r e n g t h a n d fl e x u r a l s t r e n g t h o f the c e r a mi c r e c y c l e d c o n c r e t e wa s s t u d i e d ． T h e r e s u l t s s h o we d tha t the c o mp r e s s i v e s tr e n gth a n d s p l i t t i n g t e n s i l e s t r e n gth o f t h e c o n c r e t e we r e i n c r e a s e d， b u t t h e fl e x u r a l s t r e n gth wa s r e d u c e d wi t h t h e g r o wt h o f c a r b o n i z a t i o n a g e ． Ke y w or ds： r e c y c l e d c o n c r e t e； c o nc r e t e s t r e n g t h； c o n c r e t e c arbo n a t i o n； c e r am i c 0 引 言 混凝 土的碳 化是 由于空气 中的 C O 与混凝土 中的碱 性物质发生反应 ， 生成碳酸盐 ， 从而使混凝土碱性降低甚 至失去碱性的过程 。 碳化与混凝土结构物 的耐久性密切相 关 ， 因为混凝土 的碳化使混凝土 由碱性变成 中性 ， 从而使 钢筋失去碱性环境的保护 ， 致使钢筋易发生锈蚀 ， 导致结 构构件的承载力下降。 因此， 混凝土的碳化性能是耐久性的 重点问题 。 我国是一个陶瓷生产大国 ， 随着社会经济及陶瓷工业的 快速发展 ， 陶瓷工业废料 日 益增多。 据统计 ， 废弃陶瓷 占陶瓷 产量的 3 0 ％左右 ， 我国仅墙地砖生产每年就产生 4 5 万多 t 生坯废 品 ， 烧成废品更多 ， 达 6 9 万 t ， 我国陶瓷废料年产量 估计在 4 5 0 0 万 t 左右。 从 目 前来看 ， 以废弃 陶瓷为骨料生产再生混凝土的研究 国内外开展得 比较少 ， 从 国内外一些学者的研究来看 ， 大多 集中在混凝土基本力学性能的研究方面 ， 对其耐久性 的研究 尚不多见 。 本试验通过陶瓷粗骨料混凝土的室 内快速碳化 ， 探讨陶瓷粗骨料混凝土碳化对其基本力学性能的影响关系。 1 试验方案 1 ． 1 原材料 水泥采用泉州某水泥厂生产 的 P 0 4 2 ． 5 级水泥 ； 水为 本地 自来水 。 粗 骨料 为粒径 5 ~ 2 0 m m 的连续级配 的天然 碎石 ， 天然细骨料砂为天然河砂 ， 细度模数 为 2 ．4 4 ， 含水率 为 1 ． 9 5 ％， 质量 满足 J G J 5 2 —2 0 0 6 《 普 通混凝 土用砂 、 石质 量及检验方法标准》 ， 再生粗骨料陶瓷为福建泉州市磁灶镇 某陶瓷厂生产 的陶瓷废品 ， 其基本性能见表 1 。 表 1 天然粗骨料和再生骨料的物理性能指标 1 ． 2配合 比 试验中， 混凝土的配合比参照 J G J 5 5 《 普通混凝土配 合 比设计规程》 进行 。 本试验设计了 R = 0 、 2 5 ％、 5 0 ％、 7 5 ％、 收稿日期：2 0 1 4 — 0 1 - 2 8 基金项 目：福建省高等学校新世纪优秀人才支持计划项 目( 0 7 F J R C 0 5 ) 1 0 0 ％共 5 种再 生粗骨料取代率 ( 为再 生粗骨料 占全部 粗 骨料 质量百分 比) 的再生混凝土配合 比， R = 0即为普通 混 凝土。 鉴于陶瓷骨料吸水率比天然碎石的大， 为保证试验 49 过程不受骨料吸水量差异的影 响 ， 在混凝 土配制过程中全 部采用饱和面干的粗骨料 。 其配合 比见表 2 。 表 2 混凝土配合比 立方体试块 ； 抗折试验采用 1 0 0 m m~ 1 0 0 mmx 4 0 0 mm试块 ， 所有试件拆模后均在标准条件下养护 2 8 d ， 混凝土立方体 抗压强度试验参照 G B ／ T 5 0 0 8 1 --2 0 0 2 ~ 普通混凝土力学性 能试验方法标准》 进行 ； 碳化试验方法参照 G B J 8 2 —8 5 《 普 通混凝土长期性 能和耐久性能试验方法》 中碳化试验 规定 进行。 碳化外部环境条件见表 3 。 表 3 碳化外部条件 1 ． 3 试块的制作与试验 2 试验结果与分析 本试验抗压 、 劈拉试验采用 1 0 0 m inx 1 O 0 m m~ l O 0 fi l m 混凝土碳化试 验结果见表 4 , 5 。 表 4 再生混凝土的碳化强度试验结果 MP a 2 ． 1 混凝土碳 化后 抗压强度结果与分析 图 1 分别反映 了陶瓷粗骨料不 同取 代率的再生混凝 土立方体抗压强度随碳化龄期、 陶瓷取代率变化趋势关系。 U l U l 2U 2， 3U 碳化 龄期 图 1 碳化龄期对立方体抗压强度的影响图 从 图 1 可以看 出， 所有混凝土立方体抗压强度均随着 碳化时间的增长而增强 ， 碳化前期 ， 强度增长得较快 ， 随着 时间的推移 ， 增 长的速 度越来越慢 ( 图中各 曲线的斜率越 来越小 ) ， 这一点是 与普通混凝 土相 似 ； 所不 同的是 ， 再生 混凝土强度的增长比普通} 昆 凝土的快 ， 如碳化 1 4 d 时普通 混凝土的抗压强度 比碳化前增加了 1 0 ． 2 5 ％， 而再生混凝土 强度分别 比碳化前增加 了 1 7 ％～ 2 5 ． 5 ％， 而碳化 2 8 d时普通 混凝土立方体抗压强度为碳化前的 l l 1 ％， 而再生混凝土的 强度分别达 到碳 化前的 1 2 0 ． 7 ％～ 1 2 7 ． 5 ％； 另外 ， 从 相 同的 n 碳化龄期来看 ， 所有的再生混凝土强度都 比普通混凝土的 小 ， 且取代率越大 ， 混凝土强度越低 。 2 ．2 混凝土碳化后劈裂抗拉强度结果与分析 不同取代率 的混凝土试件 的劈拉强度与碳化龄期 、 碳 化深度的试验结果见 图 2 、 3 。 、 晒 群 4． 4 U JU J ， 2 U 25 3U 碳 化龄期 ， d 图 2 劈裂抗拉强度与碳化龄期的关 系 从 图 2 、 3中可 以看出 ， 所有混凝土的劈裂抗拉强度均 随碳化龄期 、 碳化深度变化规律与抗压强度随龄期 的发展 规律相似。 图 4反映了碳化后混凝土劈裂抗拉强度 与立方体抗 压强度之间的关系 ， 从图 中可以看出 ， 碳化后劈裂抗拉强 度 随着立方体抗压强度的增长而增 长 ， 混凝土劈裂抗拉强 度与立方体抗压强度 比值在 1 ／ 1 4 ～ 1 ／ 1 2 之间 ， 他们之间仍保 " 钉 ” 毫、 嘿坦 椒 悄 = 、 魑 戳 献 日 、 骥 扭 堰 掾 碳化 深度 ／ ram 图 3劈裂抗拉强度与碳化深度的关 系 抗 压 强 厦 ／ MPa 图 4 劈裂抗拉强度与抗压强度的关系 持着较好 的正相关性 。 影响混凝土立方体抗压强度和劈裂抗拉强度增长主要 有两方面的原 因： 一方面是由于水泥 的水化 ， 随着龄期 的增 长， 水泥水化仍在进行 ， 随着混凝土水泥的水化 的进行 ， 混 凝土强度仍在不断增强 ； 另一方面是 由于混凝土的碳化 ， 由 于混凝土 中的 c a ( 0 H) 等碱性可碳化物质与 C O ： 发生了 反应 ， 生成 C a C O 等不溶或难溶于水分的物 质 ， 这些 物质 填 充了混凝 土内部的孔 隙 ， 提 高了} 昆 凝 土的密实性 ， 改善 了混凝土的力学性能 ， 从而提高 了混凝土的强度 。 而混凝土 的碳化速度与环境 C O ： 的浓度及其在混凝土内的扩散速度 有关 ， 再生混凝土中由于骨料本身的缺陷( 骨料本身带有裂 缝 以及一面是釉面) ， 致使混凝土内部形成 了较多贯通 的微 裂缝 ， 这就有利于 C O ： 在混凝土 内部 的扩散 ， 从而有利于混 凝土碳化的进行 ， 再生骨料取代天然骨料的量越多， 贯通 微裂缝就越多， 混凝土的碳化就越快 ， 混凝土碳化速度越快 ， 生成 的 C a C O 就越多 ， 从而其强度增 长的就越 明显 ， 这就 是 为什么再生 混凝土碳 化前期 强度增 长得比普通混凝土 明显的原因 ， 随着碳化龄期的增长 ， 混凝土 内部孔隙或通道 逐渐被混凝土碳化生成的 C a C O 填充或者阻断 ， 因而碳化 速度越来越慢 ， 混凝土强度增长得也就越来越慢。 2 ． 3 混凝 土碳化后抗折 强度 结果 与分析 混凝土抗折强度与碳化龄期的关系的试验结果见图 5 。 西 山 = 、 憩 蜒 0 5 10 1 5 2 O 25 30 碳 化龄期 ， d 图 5 抗折强度与碳化龄期的关系 从图 5中看 ， 混凝土抗折强度随碳化龄期的变化呈现 出先升后降再缓慢上升的过程 ， 碳化前期 ( 前 3 d ) ， 所有混 凝土抗折强度增长较为明显 ， 而后 随着随碳化龄期 的增加 表现出先减后增的趋势， 3 ～ 7 d 时呈现出下降的趋势， 碳化 7 d时 ， 5种混凝土 的抗折强 度只有碳化前 的抗折强 度的 8 9 ％～ 9 7 ％之间 ， 碳化 7 d 后 除普通混凝土外 ， 所有再 生? 昆 凝土的抗折强度都表现出缓慢增长的趋势 ， 而普通混凝土 的抗折强度几乎不再增长 ， 即便 如此 ， 所有混凝土碳化 2 8 d 后其抗折强度仍比碳化前的抗折强度值有所降低。 此外， 从同一碳化龄期来看 ， 混凝土抗折强度随着取代率的提高 呈下降趋势。 究其原 因， 主要有碳化 、 水泥水化两方面因素 ： 一 方面 ， 随着龄期的增长 ， 水 泥水化仍在进行 ， 强度仍在增 强 ， 另一方面是碳化 ， 碳化对混凝土抗折强度的影响有两 面性 ， 其一 ， 由于混凝土 中的 C a ( O H) 等碱性可碳化物质 与 C O 发生了反应 ， 生成 C a C O 等不溶或对难溶于水分 的 物质， 这些物质填充了混凝土内部 的孔隙， 提高了混凝土 的 密实性 ， 改善了混凝土的力学性能， 从 而提高了混凝土的抗 折强度； 其二 ， 碳化过程中， c a ( 0 H) ： 与 C O 2 反应生成 C a C O 3 的同时还生成了大量的水分 ， 导致混凝 土碳化层产生碳化 收缩 ， 混凝土碳 化层所产生的碳化收缩使混凝土 内部产生 压应力 ， 表面碳化层产生拉应力 ， 当这种 拉应力超过 了混 凝土的抗拉极 限时 ， 混凝土就会开裂 ， 在碳化层产生微细裂 缝 ， 从而降低了混凝土的抗折强度 。 在碳化前期强度升高 阶 段 ， 积极因素起 主导 因素 ， 而 3 ～ 7 d 这段时间 ， 由于碳化 生 成 的水分逐渐消失 ， 收缩起 主导作用 ， 致 使混凝土抗折强 度迅速降低， 7 d 以后， 由于碳化速度逐渐减弱， 碳化、 水化几 方面作用 的叠加 ， 使混凝土抗折强度表现出积极 的一 面。 3结论 从 以上分析 ， 得 出以下结论 ： ( 1 ) 陶瓷再生混凝土碳化后抗压强 度 、 劈裂抗拉强度 的发展规律与普通混凝土类 似 ， 均随着碳 化时间的增长而 提高 ， 且呈现出前快后慢的趋势 。 ( 2 ) 陶瓷再生混凝 土抗折强度随碳化龄期的变化呈现 出先升后降再缓慢上升 的过程 ， 碳化前期 ( 前 3 d ) ， 所有} 昆 凝土抗折强度增长较为明显 ， 而后随着碳化龄期的增加表现 出先减后增的趋势 ， 3 ～ 7 d时呈现出下降的趋势 ， 碳化 7 d 后 除普通混凝土外 ， 所有再生混凝土的抗折强度都表现出缓慢 增长的趋势 ， 而普通混凝土的抗折强度几乎不再增长。 ( 3 ) 碳化会降低混凝土抗折强度。 ( 4 ) 陶瓷粗骨料取代率对} 昆 凝土抗折强度有明显的影 响， 从 同一碳化龄期来看 ， 混凝土抗折强度 随着取代率 的 提高呈下 降趋势。 参考文献 ： [ 1 ]邱洪林， 叶青． 早期标准养护时间对普通混凝土抗碳化能力的 影o NJ ] ． 浙江工业大学学报， 2 0 0 8 ， 8 ( 3 6 ) ： 4 3 6 — 4 4 0 ． [ 2 ]朱安 民． 混凝土碳化与钢筋混凝土耐久性【 J 】 ． 混凝土 ， 1 9 9 2 ( 6 ) ： 1 8 -2 2 ． 下转第 5 6页 51 6 4 2 O 8 6 4 4 4 4 4 3 3 3 向应变值 。 经大量学者研究 ， 普通混凝土的峰值应变有较 大 的离散度 。 为便于设计 ， 规范 以单一 的峰值应变 ： 0 ． 0 2 定 义了 C 2 0 ～ C 5 0 混凝土的峰值应变 。对于采用乌鲁木齐 地 区常用原材料配制 的 C 3 0自密实混凝土需对其峰值应 变进行验证 ， 各试件的峰值应变值见表 1 0 。 表 1 0 峰值应变试验值 S C C峰值应变平均值为 0 ． 0 0 2 0 ， N C峰值应变平均值 为 0 ． 0 0 2 2 ， S C C峰值应变平 均值略低于 N C， 但均接近于 规范给出的 O ． 0 0 2 。 5结语 对采 用 乌鲁 木齐 地 区原 材料 配制 的 C 3 0自密 实混 凝 土 和普通混 凝 土进行 的力 学性 能试 验研究 得 出 以下 结 论 ： ( 1 ) S C C和 N C的 7 d 立方体抗压强度相 当， 2 8 d强度 S C C远远高于 N C 。 表明 S C C具有后期承载力显著提高的 特性 。 S C C棱柱体抗压强度高于 NC 。 S C C和 N C强度 比均 在 0 ． 7 8 - 0 ． 8 8 之 间， 均满足要求。 S C C劈拉强度平均值高于 N C。 S C C劈拉 强度 与立方 体抗 拉强 度 的换 算 系数 高 于 N C， 两者均大于经验回归公式提 出的值 。 ( 2 ) N C应力～ 应变曲线分布离散度略高于 S C C ， S C C应 力 一 应变 曲线斜率高于 N C。 ( 3 ) S C C横 向应变平均值略大于 N C， S C C和 NC总体 上均呈现出横 向应变随应力水平增加而增大 ， 且前期增长 平稳 ， 达到一定应力水平之后迅猛发展 。 S C C纵向应变平均 值略小于 N C， S C C和 N C总体上均呈现 出纵 向应 变随应 力水平增大 而增 大的趋势 。 随应力水平增 加 ， S C C和 N C 上接第 5 1页 【 3 】柳俊哲 ， 吕丽华 ， 李玉顺． 碳化速度的影响因素及碳化对混凝土 品质的影响【 J 1 ． 混凝土， 2 0 0 2 ( 1 2 ) ： 1 0 — 1 3 ． 【 4 】P AP AD AKI S V G．Ef f e c t o f s u p p l e me n t a r y c e me n t i n g ma t e r i a l s o n c o n c r e t e r e s i s t a n e e a g a i n — s t c a r b o n a t i o n a n d c h l o r i d e i n g r e s s [ J ] ． C e - m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h 。 2 0 0 0 ( 3 0 ) ： 2 9 1 — 2 9 9 ． 【 5 1牛荻涛 ， 石玉衩 ， 雷怡生 昆 凝土碳化的概率模型及碳化可靠性 分析【 J 1 ．西安建筑科技大学学报， 1 9 9 5 ( 9 ) ： 2 5 3 ． 【 6 1张誉 ， 等． 混凝土结构耐久性概论【 M1 ． 上海 ： 上海科学技 术出版 社 。 2 0 0 3 ． 【 7 】张誉， 蒋利学． 混凝土碳化深度的计算与试验研究 混凝土， 1 9 9 6 ( 4 ) ： 1 2 — 1 7 ． I 8 】邸小坛， 局燕． 混凝土碳化规律的研究【 D ] ． 中国建筑研究院结构 所 ， 1 9 9 5 ． [ 9 】G B J 8 卜 1 9 8 5 ， 普通混凝土长期性能及耐 性能试验方法I S ] ． 1 9 8 6 ． [ 1 0 ] J G J 5 2 —2 o 0 6 ， 普通混凝土用砂、 石质量及检验方法标准[ s 1 E 5 6 的泊松 比发 展变 化规律 基本 一致 。 当应 力水 平较 低 时 ， S C C泊松 比基本上处于 0 ． 1 5 ～ 0 ． 4 5 之间 ， N C泊松 比基本上 处于 0 ． 1 0 ～ 0 ． 3 5之间。 ( 4 ) S C C峰值应变略低 于 N C， 但均接 近于规范给出的 参考值 。 参考文献： 【 l l 罗素蓉， 晁鹏飞， 郑建岚启密实混凝土拉压徐变比较试验研究[ J 1 ． 工程力学 ， 2 0 1 2 ( 1 2 ) ： 9 5 — 1 0 0 ． 【 2 ] 侯景鹏 ， 张璐目 密实混凝土配合比设计及其性能试验研究【 J 1 ． 混凝土 ， 2 0 1 3 ( 2 ) ： 9 5 — 9 6 ． 1 0 1 ． 【 3 】HE I K AL M， Z OHD Y K M， ME C HAN I C AL M A ． Mi e r o s t r u c t u r e a n d r h e o l o g i e al c h a r a c t e r i s t i c s o f h i g h pe r f o r ma nc e s e l f -c o mp a c t i n g e e — m e n t p a s t e s a n d c o n c r e t e c o n t a i n i n g gro u n d c l a y b r i c k s [ J ] ． C o n s t r — u c t i o n a n d B u i l d i n g M a t e r i a l s ， 2 o 1 3 ( 3 8 ) ： 1 0 1 — 1 0 9 ． 【 4 ]孟志良， 李国宇， 马晓伟， 等． 膨胀剂对自密实混凝土力学性能 影响『 J 1 ． 混凝土， 2 0 1 3 ( 5 ) ： 8 9 — 9 2 ． 【 5 J I l i a n a Ro d r i g u e z Vi a c a v a ， A n t o n i o A g u a d o d e C e a ． Ge mma R o d r i g u e z d e s e n s a l e s e l f — - c o mp a c t i n g c o n c r e t e o f me d i u m c h a r a c t e r i s t i c s t r — — e n g t h [ J ] ． C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g M a t e r i a l s ， 2 0 1 2 ， 3 0 ： 7 7 6 - 7 8 2 ． [ 6 】A S H T I AN I M S， S C O T T A N， DHAK AL R P ． Me c h a n i c al a n d f r e s h p r o pe r t i e s o f h i g h-s t r e n g t h s e l f — c o mp a c t i n g c o n c r e t e c o n t a i n i n g c l a s s C fl y a s h [ J ] ． C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 1 3 ( 4 7 )： 1 2l 7—1 2 2 4 ． 【 7 J7 G B ／ T 5 0 0 8 1 --2 0 0 2 ， 普通混凝土力学性能试验方法标准[ s 1 京 ： 中国计划出版社 ， 2 0 0 6 ． 作者简介 ： 联系地址 联 系 电话 ： 陈波( 1 9 8 8 一 ) ， 男 ， 硕士研究生 ， 从事结构工程及高性 能混凝士研究。 新疆乌鲁木齐市延安路 1 2 3 0 号 新疆大学南校区建 筑工程学院( 8 3 0 0 4 7 ) 1 3 61 9 9 091 2 2 京： 中国建筑工业出版社， 2 0 0 7 ． 【 1 l l J G J 5 5 —2 O 0 0 ， 普通混凝土配合比设计规程【 s 】 ． 北京 ： 中国建筑 工业出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 1 2 ] G B f F 5 0 0 8 0 - -- 2 0 0 2 ， 普通混凝土拌合物性能试验方法标准【 s 】 ． 北 京 ： 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 3 ． 【 1 3 ] G B f F 5 0 0 8 1 --2 0 0 2 ，普通混凝土力学性能试验方法标准 f s 1 _ 北 京 ： 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 3 ． 【 1 4 】 明静 ， 张亚梅 ． 1氏c 0 浓度下混凝土的加速碳化试验研 究l J 1 - 混 凝土与水泥制品 ， 2 0 1 0 ( 3 ) ： 5 - 8 ． 作者简介： 联 系地址 联 系电话 陆盛武( 1 9 7 2 一 ) ， 男 ， 工程师 ， 硕士研究生 ， 主要从事混 凝土等方面的研究。 厂西柳州市君武路 1 6 8 号 广西生态工程职业技术学 院建筑工程系( 5 4 5 0 0 3 ) 1 8 0 77 21 8 68 1