再生粗骨料纳米强化处理对混凝土变形性能影响研究_杨柳.pdf

总第3 1 6期交 通 科 技S e r i a lN o.3 1 6 2 0 2 3第1期T r a n s p o r t a t i o nS c i e n c e&T e c h n o l o g yN o.1F e b.2 0 2 3D O I 1 0.3 9 6 3/j.i s s n.1 6 7 1-7 5 7 0.2 0 2 3.0 1.0 2 5收稿日期:2 0 2 2-1 1-1 1第一作者:杨柳(1 9 9 2-),男,工程师,硕士。再生粗骨料纳米强化处理对混凝土变形性能影响研究杨 柳1 顾凯文1 靳少卫2 敖清文1(1.贵州宏信创达工程检测咨询有限公司 贵阳 5 5 0 0 0 0;2.天津市市政工程设计研究总院 天津 3 0 0 0 0 0)摘 要 文中采用纳米强化技术对再生骨料预处理,研究纳米强化技术(水玻璃、纳米C a C O3和纳米S i O2)对再生混凝土变形性能(干燥收缩、自收缩和徐变)影响;并利用压汞法分析混凝土孔隙结构。结果表明,纳米S i O2改善再生骨料混凝土变形性能效果最佳,纳米C a C O3次之,水玻璃效果最差。纳米强化处理可降低再生混凝土孔隙率,优化混凝土孔隙结构。关键词 纳米强化技术 再生粗骨料 变形性能 预处理中图分类号 U 4 4 4 随着基础建设行业不断发展,天然砂石资源的过度开采使用,不但对生态环境严重破坏,而且导致天然砂石资源面临日趋枯竭的窘境1;另外,城市化进程中,大量废、旧建筑物拆除产生数量庞大的建筑垃圾,不仅污染环境,且占用土地资源,并且在可预期未来,混凝土仍是土木工程领域主体材料2-3,而再生混凝土技术可解决上述难题,实现混凝土工业可持续发展。再生骨料在制备过程中不可避免附着一层旧砂浆,导致其较天然骨料呈现吸水率高、压碎指标高、弹性模量低等特征,该特征要求再生混凝土在拌和过程需要额外附加拌和用水,同时再生骨料具有“蓄水返水”特点,使再生混凝土变形性能较为复杂4。近年来,国内外学者关于再生骨料强化技术展开一系列研究,包括物理强化法、化学强化法等5。其中,朱永年等6采用纳米技术强化再生骨料,在改善再生混凝土界面过渡区及耐久性上,取得了较好效果。本文采用纳米强化技术对再生粗骨料进行预处理,研究不同强化技术和再生粗骨料替代率对混凝土变形性能影响。1 原材料与试验方法1.1 原材料本研究水泥采用PO4 2.5级普通硅酸盐水泥,比表面积为3 5 8m2/k g,烧失量为3.2 2%;纳米材料选用纳米S i O2,纳米C a C O3和水玻璃。其中,纳米S i O2比表面积为6 0 0m2/k g,平均粒径为1 5n m。纳米C a C O3比表面积为4 8 0m2/k g,平均粒径为5 8n m。水玻璃模数为3.1,密度为1.2 1g/c m3。细骨料采用细度模数为2.3的当地天然河砂;粗骨料采用52 0mm连续级配碎石和厂购再生粗骨料,其主要技术指标见表1。减水剂采用聚羧酸高性能减水剂,掺量为水泥质量的1.1%。表1 粗骨料物理力学性能测试项目堆积密度/(k gm-3)表观密度/(k gm-3)2 4h吸水率/%空隙率/%压碎指标/%天然粗骨料14 5 028 1 00.44 6.04.2再生粗骨料12 8 025 2 05.04 8.21 5.61.2 再生粗骨料纳米强化处理配制浓度为5%的水玻璃溶液,将再生粗骨料在溶液中浸泡1h,捞出晾干备用;配制1 0%的纳米C a C O3浆液,将浆液均匀淋浸于再生骨料,2h翻动1次,待自然风干备用。配制1.0%纳米S i O2浆液,将再生骨料与浆液混合搅拌3次,每次搅拌1m i n后将混合物静置1m i n,最后一次搅拌结束后,将再生骨料捞出,自然风干备用。1.3 配合比前期混凝土强度及和易性试验确定了本次再生混凝土相关试验采用的水灰比及砂率,拟定混凝土水灰比为0.5 3,砂率为0.4 3,共设计9组试件,NA C代表普通混凝土,R A C-5 0和R A C-1 0 0分别代表再生粗骨料取代率为5 0%和1 0 0%的再生混凝土;E 1、E 2和E 3分别代表再生粗骨料经水玻璃、纳米C a C O3和纳米S i O2强化处理。再生混凝土配合比及基本性能见表2。表2 混凝土配合比及基本性能试件编号配合比/(k gm-3)水泥河砂天然粗骨料再生粗骨料水减水剂坍落度/mm2 8d抗压强度/MP a2 8d弹性模量/MP aNA C10 0 602 0 05 0.14 5.3 2R A C-5 0R A C-5 0-E 1R A C-5 0-E 2R A C-5 0-E 33 0 07 6 05 0 35 0 31 6 23.32 0 01 8 01 9 51 9 04 5.85 1.24 8.65 2.34 0.1 24 1.2 24 1.2 64 3.0 5R A C-1 0 0010 0 62 0 04 1.03 4.2 3R A C-1 0 0-E 12 0 04 5.63 6.4 5R A C-1 0 0-E 22 0 04 4.63 7.2 1R A C-1 0 0-E 32 1 04 7.83 7.5 81.4 试验方法依据G B/T5 0 0 8 2-2 0 0 9 普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准,采用接触法测试混凝土干燥收缩,试件尺寸为1 0 0mm1 0 0mm5 1 5mm;采用非接触法测试混凝土自收缩应变,试件尺寸为1 0 0mm1 0 0mm5 1 5mm;测试混凝土徐变试件尺寸为1 0 0 mm1 0 0 mm4 0 0mm。将测完力学性能后破碎试样中间区域,挑选出水泥石与集料黏结较好部分,烘干后浸入无水乙醇中35d以终止水化,选取距离粗骨料5mm内的水泥石用于压汞法测试。2 结果与讨论2.1 干燥收缩采用接触法测试混凝土干燥收缩,其试验结果见图1。图1 干燥收缩应变由图1可见:1)水 玻 璃 对 混 凝 土 干 燥 收 缩 应 变 影 响。R A C-5 0-E 1和R A C-1 0 0-E 1在3 6 0d干燥收缩应变较相同再生骨料替代率、相同养护龄期的再生混凝土(R A C-5 0和R A C-1 0 0)分别降低3.9%和1 0.9%。这是因为水玻璃与水泥水化产物反应生成水硬性硅酸钙胶体,填充再生骨料孔隙,优化了混凝土界面结构,增加了混凝土弹性模量,进而增加其抗干燥收缩变形能力7。2)纳米C a C O3对混凝土干燥收缩应变影响。R A C-5 0-E 2和R A C-1 0 0-E 2在3 6 0d龄期干燥收缩应变较相同再生骨料替代率、相同养护龄期再生混凝土(R A C-5 0和R A C-1 0 0)分别降低8.3%和1 4.5%。这是因为掺加纳米C a C O3极大程度改善再生混凝土孔隙结构,增加小孔比例,增加了混凝土弹性模量和抗干燥收缩变形能力。3)纳米S i O2对混凝土干燥收缩应变影响。由图1 a)可见,再生粗骨料替代率为5 0%时,纳米S i O2强化的再生混凝土试件R A C-5 0-E 3干燥收缩应 变 最 小,甚 至 低 于 同 龄 期 普 通 混 凝 土(NA C)。R A C-5 0-E 3和R A C-1 0 0-E 3在3 6 0d干燥收缩应变较相同再生骨料替代率、相同养护龄期再生混凝土(R A C-5 0和R A C-1 0 0)分别降低1 2.5%和2 5.1%。这是因为:掺入纳米S i O2,可填充再生混凝土内部微孔,提高混凝土密实度;纳米S i O2在水泥水化初期参与水化反应,消耗CH数量,优化界面过渡区结构,增加混凝土弹性模量和抗干燥收缩变形能力8。试验结果表明,3种纳米强化技术均可抑制再生混凝土干燥收缩应变,纳米S i O2强化技术抑制收缩应变效果最佳,纳米C a C O3次之,水玻璃强化技术效果最差。2.2 自收缩采用非接触法测试混凝土自收缩应变,其试验结果见图2。221杨 柳等:再生粗骨料纳米强化处理对混凝土变形性能影响研究2 0 2 3年第1期图2 自收缩应变由图2可见:1)水玻璃对混凝土自收缩应变影响。水玻璃强化再生骨料混凝土R A C-5 0-E 1和R A C-1 0 0-E 1在3 6 0d自收缩应变较同龄期再生混凝土分别降低2 1.9%和1 3.7%。表明水玻璃强化再生混凝土早期自收缩应变出现大幅度降低,随着养护龄期增加,自收缩应变降幅逐渐减小并趋于稳定。其主要原因是水玻璃填充再生粗骨料开口孔隙和微裂缝,使其密实度和弹性模量增加,从而对水泥浆体自收缩变形约束作用增强。2)纳米C a C O3对混凝土自收缩应变影响。纳米C a C O3强化再生骨料混凝土R A C-5 0-E 2和R A C-1 0 0-E 2,在3 6 0d龄期自收缩应变较同龄期的再生混凝土分别降低1 2.9%和1 1.3%。纳米C a C O3强化技术对混凝土自收缩变形增强效果同干燥收缩类似。3)纳米S i O2对混凝土自收缩应变影响。纳米S i O2强 化 再 生 骨 料 混 凝 土R A C-5 0-E 3和R A C-1 0 0-E 3,在3 6 0d自收缩应变较同龄期的再生混凝土分别增加了2 2.3%和2 6.3%。这是因为纳米S i O2具有较强填充作用,减少再生混凝土毛细孔,阻止自由水分迁移,增大混凝土自收缩应变。试验结果表明,3种纳米强化技术对再生混凝土试件自收缩提升效果不同,应根据实际应用情况具体选择,对于早龄期自收缩显著再生混凝土,建议采用水玻璃或纳米C a C O3强化技术,对于长龄期收缩为主的再生混凝土,建议采用纳米S i O2强化技术。2.3 徐变混凝土徐变试验结果见图3。图3 再生骨料龄期-徐变曲线由图3可见:1)水玻璃强化再生粗骨料对混凝土徐变性能影响。再生粗骨料经水玻璃强化处理(R A C-5 0-E 1和R A C-1 0 0-E 1),混凝土总徐变变形呈降低趋势。加荷1 5 0d总徐变度较同龄期再生混凝土分别降低了2 3.1%和1 2.8%。这是因为再生粗骨料的高孔隙率特征,吸收水玻璃溶液大量自由水,在混凝土内部发挥“蓄水”效应,补偿混凝土早期湿度损失,而在混凝土养护后期,再生骨料释放多余水分,形成“内养护”作用,促进水泥水化,改善界面区黏结性能,提高混凝土抵抗徐变变形能力。2)纳米C a C O3强化再生粗骨料对混凝土徐变性能影响。再生粗骨料经纳米C a C O3强化处理(R A C-5 0-E 2和R A C-1 0 0-E 2),混凝土总徐变度有所降低。加荷1 5 0d总徐变度较同龄期再生混凝土分别降低了1 9.2%和1 1.5%。3)纳米S i O2强化再生粗骨料对混凝土徐变性能影响。再生粗骨料经纳米S i O2强化处理后(R A C-5 0-E 3和R A C-1 0 0-E 3),混凝土总徐变度降低。在加荷1 5 0d总徐变度较同龄期再生混凝土分别降低了1 0.5%和1 7.9%。这是因为纳米S i O2不仅具有填充混凝土微裂缝和孔隙作用,且能够与水化产物CH发应,优化界面过渡区结构,对改善再生混凝土徐变性能极为有效。3212 0 2 3年第1期杨 柳等:再生粗骨料纳米强化处理对混凝土变形性能影响研究综上结果表明,纳米S i O2强化再生骨料对再生混凝土徐变性能改善效果最佳,其次为纳米C a C O3强化技术,最后为水玻璃强化技术。2.4 再生骨料替代率对混凝土变形性能影响由图13可见,R A C-5 0和R A C-1 0 0在3 6 0d干燥 收 缩 应 变 比 同 龄 期NA C提 高9.4%和1 6.3%;自 收 缩 应 变 比 同 龄 期NA C分 别 提 高9.4%和1 6.3%,表明再生混凝土干燥收缩和自收缩应变大于普通混凝土,且随再生粗骨料替代率增加,混凝土干燥收缩应变和自收缩应变呈增加趋势。再生混凝土徐变度变化规律与普通混凝土相似,加荷初期徐变变形发展迅速(加荷前2 8d可完成7 0%徐变变形),后期变形逐渐趋于平稳。再生粗骨料取代率为5 0%和1 0 0%时,加荷1 5 0d混凝 土 总 徐 变 分 别 为2 6.8 31 0-6MP a-1和3 2.8 61 0-6MP a-1,与同龄期普通混凝土相比,总徐变度分别增大了3 0%和4 9%,表明再生粗骨料取代率增加导致混凝土徐变变形程度增加。这是因为再生骨料存在大量微小裂缝,导致其弹性模量低、孔隙率大、吸水率高;且再生混凝土具有多重复杂、薄弱界面结构,导致再生混凝土抵抗徐变变形能力降低。2.5 孔结构分析混凝土属于复杂非均质多相体,其变形性能很大程度上取决于内部孔隙结构。混凝土孔隙划为:无害孔(2 0n m)、少害孔(2 05 0n m)、有害孔(5 02 0 0n m)和多害孔(2 0 0n m)。图4为压汞法测试混凝土孔隙结构试验结果。图4 混凝土孔径分布 由图4可见,纳米强化处理后,混凝土无害孔和少害孔比例增加、有害孔和多害孔比例降低,其中R A C-5 0-E 3和R A C-1 0 0-E 3系列混凝土较相同再生粗骨料替代率的再生混凝土相比,无害孔和少害孔孔比例最多,且基本接近普通混凝土。表明3种纳米强化技术均可在一定程度上改善再生混凝土孔隙结构,其中纳米S i O2技术改善效果最明显。3 结论1)与NA C相比,再生混凝土干燥收缩应变,自收缩应变及徐变均有所增加;再生粗骨料替代率越大,变形量呈增加趋势,表明再生骨料替代率越高,混凝土抵抗变形能力越差。2)纳米S i O2强化技术抑制混凝土干燥收缩和徐变效果最佳,纳米C a C O3强化技术次之,水玻璃强化技术效果最差;对于早期自收缩显著再生混凝土,建议采用水玻璃或纳米C a C O3强化技术,对于以长龄期收缩为主的再生混凝土构件,建议采用纳米S i O2强化技术。3)纳米强化技术可明显优化混凝土孔隙结构,细化孔径,增加无害孔和少害孔比例。参考文献1 孙冰,肖茁良,陈露辉,等.再生混凝土力学性能研究进展J.硅酸盐通报,2 0 1 7,3 6(2):4 9 7-5 0 2.2 王程,施惠生.废弃混凝土再生利用技术的研究进展J.材料导报,2 0 1 0,2 4(1):1 2 0-1 2 4.3 陈欣,郑建岚,王国杰.预处理方法对再生混凝土收缩性能的影响J.建筑材料学报,2 0 1 6,1 9(5):9 0 9-9 1 4.4 罗素蓉,郑欣,黄海生.再生粗骨料预处理及再生混凝土徐变试验研究J.建筑材料学报,2 0 1 6,1 9(2):2 4 2-2 4 7.5 G E O R G ED,P E R I C L E SS,M I CHA E LFP.E n-h a n c i n gm e c h a n i c a la n dd u r a b i l i t yp r o p e r t i e so fr e-c y c l e da g g r e g a t ec o n c r e t eJ.C o n s t r u c t i o n a n dB u i l d i n gM a t e r i a l s,2 0 1 8(1 5 8):2 2 8-2 3 5.6 朱勇年,张鸿儒,孟涛,等.纳米S i O2改性再生骨料混凝土工程应用研究及实体性能监测J.混凝土,2 0 1 4(7):1 3 8-1 4 4.7 王玲玲,谷亚新,李育霖,等.纳米强化技术对再生混凝土耐久性影响研究J.混凝土,2 0 1 4(7):4 8-5 1.8 杨青,钱晓倩,钱匡亮,等.再生混凝土纳米复合强化试验J.材料科学与工程学报,2 0 1 1,2 9(1):6 6-6 9,1 3 0.(下转第1 3 0页)421杨 柳等:再生粗骨料纳米强化处理对混凝土变形性能影响研究2 0 2 3年第1期参考文献1 公安部道路交通安全研究中心.中国大城市道路交通发展研究报告(2 0 2 0)R.北京:人民交通出版社股份有限公司,2 0 1 5.2 张兴宇,杨宏志.基于C i v i l3 D公路运行速度B I M对象模型的研发与应用J.公路,2 0 1 9,6 4(2):1 9 1-1 9 5.3 刘鑫.基于B I M的道路线形设计及安全评价D.重庆:重庆交通大学,2 0 1 8.4 薛晓姣.B I M环境下公路三维可视性分析模型研究与开发D.西安:长安大学,2 0 1 9.5 黄炎,邓敏,王欣南.基于B I M和驾驶模拟的道路安全评价研究J.交通科技,2 0 2 2(1):2 8-3 3.6 裴晓.上海市建筑信息模型技术应用与发展报告R.上海:上 海 市住 房 和 城 乡 建 设 管 理 委 员 会,2 0 2 1.7 公路项目安全性评价规范:J T GB 0 5-2 0 1 5S.北京:人民交通出版社股份有限公司,2 0 1 5.R e s e a r c ho nT r a f f i cS a f e t yE v a l u a t i o no fU r b a nE x p r e s s w a yB a s e do nB I MS o f t w a r eD e v e l o p m e n tXUW a n w a n,CHENY a j i e,ZHENGX i a o g u a n g(S h a n g h a iM u n i c i p a lE n g i n e e r i n gD e s i g nI n s t i t u t e(G r o u p)C o.,L t d.,S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t os u p p l e m e n t t h ee v a l u a t i o nf u n c t i o no fu r b a ne x p r e s s w a ys p e e dc o o r d i n a t i o na n do p t i m i z e t h e i n s p e c t i o nf u n c t i o no f t h e3 Ds i g h td i s t a n c eo f t h eB I Ms o f t w a r e,t a k i n gC i v i l 3 Da st h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m,a n db a s e do n t h e e s t a b l i s h e de x p r e s s w a yo p e r a t i n gs p e e dc a l c u l a t i o nm o d e l a n d3 Ds i g h td i s t a n c em e a s u r e m e n ta l g o r i t h m,t h ed e v e l o p m e n to fe x p r e s s w a yt r a f f i cs a f e t ye v a l u a t i o ns o f t w a r ew a sc o m p l e t e d,w h i c h i n c l u d e s s p e e dc o o r d i n a t i o ne v a l u a t i o nm o d u l ea n d3 Dl i n e-o f-s i g h t i n-s p e c t i o nm o d u l eb a s e do no p e r a t i n gs p e e d,t o i m p r o v et h ea u x i l i a r yd e c i s i o n-m a k i n gf u n c t i o no fC i v i l3 Di nt h ee x p r e s s w a yd e s i g ns t a g ea n dt h eu r b a ne x p r e s s w a yt r a f f i cs a f e t y.K e yw o r d s:u r b a ne x p r e s s w a y;s p e e dc o o r d i n a t i o n;3 Ds i g h td i s t a n c e;o p e r a t i n gs p e e d;C i v i l 3 D(上接第1 2 4页)E f f e c t so fN a n o-s t r e n g t h e n i n gT e c h n o l o g yo fR e c y c l e dC o a r s eA g g r e g a t e so nD e f o r m a t i o nP e r f o r m a n c eo fC o n c r e t eY ANGL i u1,G UK a i w e n1,J I NS h a o w e i2,A OQ i n g w e n1(1.G u i z h o uH o n g x i nC h u a n g d aE n g i n e e r i n gD e t e c t i o n&C o n s u l t a t i o nC o.,L t d.,G u i y a n g5 5 0 0 0 0,C h i n a;2.T i a n j i nM u n i c i p a lE n g i n e e r i n gD e s i g n&R e s e a r c hI n s t i t u t e,T i a n j i n3 0 0 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:T h ee f f e c t so fn a n o-e n h a n c e dt e c h n o l o g i e s(w a t e rg l a s s,n a n o-C a C O3,a n dn a n o-S i O2)o nt h ed e f o r m a t i o np r o p e r t i e s(d r ys h r i n k a g e,a u t o g e n o u ss h r i n k a g ea n dc r e e p)o f r e c y c l e dc o n c r e t ea r es t u d i e db yp r e t r e a t m e n t o f r e c l a i m e da g g r e g a t e sw i t hn a n o-e n h a n c e d t e c h n o l o g y.I na d d i t i o n,t h ep o r es t r u c t u r eo f c o n c r e t e i s a n a l y z e db ym e a n s o fM I P.R e s u l t s s h o wt h a t t h en a n o-S i O2h a s t h eb e s t e f f e c to n i m p r o v i n gt h ed e f o r m a t i o np e r f o r m a n c eo f r e c y c l e da g g r e g a t ec o n c r e t e,f o l l o w e db yn a n o-C a C O3,a n dt h ew a t e rg l a s si st h ew o r s t.A n dn a n o-e n h a n c e dt r e a t m e n tc a nr e d u c et h ep o r o s i t yo fr e c y c l e dc o n c r e t ea n do p t i m i z e t h ep o r es t r u c t u r eo f c o n c r e t e.K e yw o r d s:n a n o-s t r e n g t h e n i n g;r e c y c l e dc o a r s ea g g r e g a t e;d e f o r m a t i o np r o p e r t i e s;p r e t r e a t m e n t031徐弯弯等:基于B I M开发的城市快速路交通安全评价研究2 0 2 3年第1期