废弃玻璃粉风积砂混凝土抗压强度及影响机制.pdf
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1、2023年第6 期(总第40 4期)Number 6 in 2023(Total No.404)doi:10.3969/j.issn.1002-3550.2023.06.023混凝土ConcreteMATERIALAND ADMINICLE原材料及辅助物料废弃玻璃粉风积砂混凝土抗压强度及影响机制王尧鸿1,2,张宇1,姜丽云1 2,李志强,韦德昌1(1.内蒙古工业大学土木工程学院,内蒙古呼和浩特0 1 0 0 51;2.内蒙古自治区土木工程结构与力学重点实验室,内蒙古呼和浩特0 1 0 0 51;3.石河子大学水利建筑工程学院,新疆石河子8 32 0 0 3)摘要:为了研究不同玻璃粉取代率(1
2、0%、2 0%30%、40%)对风积砂混凝土力学性能的影响,通过1 50 个废弃玻璃粉风积砂混凝土试件的力学性能试验,研究了不同玻璃粉取代率对试件抗压强度和劈裂抗拉强度的影响规律,采用核磁共振试验、扫描电镜和X射线单晶衍射研究了试件的孔径、形貌图、水化产物,根据灰色关联理论分析了不同类型孔隙与试件强度的关联度。结果表明:不同玻璃粉取代率对试件强度的影响与养护龄期有关;取代率1 0%、2 0%的玻璃粉在养护后期可改善试件的力学性能;试件内部的各类孔隙中,细小孔和小孔与试件强度变化关联度相对较高。关键词:玻璃粉;风积砂混凝土;核磁共振;扫描电镜;力学性能中图分类号:TU528.041Compres
3、sive strength and influence mechanism of aeolian sand concrete with waste glass powder(1.School of Civil Engineering,Inner Mongol University of Technology,Hohhot 010051,China;2.Inner Mongolia Autonomous Region Key Laboratory of Civil Engineering Structure and Mechanics,Hohhot 010051,China;3.School o
4、f Water Conservancy and Construction Engineering,Shihezi University,Shihezi 832003,China)Abstract:In order to study the effects of different replacement rates of glass powder(10%,20%,30%,40%)on the mechanical proper-ties of aeolian sand concrete,the effects of different replacement rates of glass po
5、wder on the compressive strength and splitting tensilestrength of aeolian sand concrete were studied through the mechanical properties tests of 150 waste glass powder aeolian sand concretespecimens.The pore size,morphology and hydration products of the specimens were studied by nuclear magnetic reso
6、nance test,scanningelectron microscope and X-ray single crystal diffraction.The correlation degree between different types of pores and the strength of thespecimens was analyzed according to the grey correlation theory.The results show that the effect of different replacement ratio of glasspowder on
7、 the strength of the specimen is related to the curing age.The replacement rate of 10%and 20%glass powder can improve themechanical properties of the specimens in the later curing period.Among all kinds of pores in the specimen,the correlation degree of smallpores and the change of specimen strength
8、 is relatively high.Key words:glass powder;aeolian sand concrete;nuclear magnetic resonance;SEM microscopic;mechanical properties文献标志码:AWANG Yaohong-2,ZHANG Yul,JIANG Liyun-2,LI Zhiqiang,WEI Dechang文章编号:1 0 0 2-3550(2 0 2 3)0 6-0 1 1 5-0 530%以上。李根峰9 等将风积砂粉体掺人混凝土中,使混凝0引言土拥有更好的抗冻性性能。郑木莲研究不同地区风积砂风积砂化学性
9、质呈微碱性,无腐蚀性,但由于颗粒细物理和化学特性,发现火山灰活性不满足规范要求,需要进小,掺入量过大会使风积砂混凝土韧性变差,抗折和抗拉行活化处理。MahsaKamali2等认为玻璃粉在不同水泥替代强度有所降低叫。玻璃粉磨到一定细度,将具备火山灰活率下改善了胶凝材料的抗压强度和耐久性。曾超3等以废玻性,研磨越细,火山灰活性越高。火山灰反应能降低混凝土璃粉的取代率、水胶比、砂率及粒度为变化参数进行了正交凝结时间,引起微观结构的改善 2-4,使得混凝土抗压,抗折试验,建议废玻璃粉的取代率在1 0%2 0%之间。杨震樱叫研强度和耐久性有所提高 5-。究了玻璃粉取代水泥对再生混凝土力学性能影响,发现适
10、量Al-Harthy等人利用沙丘砂等质量取代细骨料提高了玻璃粉提升再生混凝土后期强度。ShuaichengGuo等2 通过风积砂混凝土的和易性,改善了混凝土力学性能。王尧鸿图添加高氧化铝含量的玻璃粉,降低水泥混凝土中的碱-硅反等人通过实测9 组不同细度模数河砂在不同风积砂取代应(ASR)损伤。另一方面,玻璃在粗细骨料应用中,不利于率下的孔隙率,发现风积砂对粗砂河砂的最优取代率均在混凝土力学性能 1 3-1 5。收稿日期:2 0 2 2-0 3-0 1基金项目:国家自然科学基金(51 8 6 8 0 59)115.目前,学者分别对玻璃粉混凝土和风积砂混凝土取得了一些研究成果,但是对玻璃粉在风积砂
11、混凝土中用起到的填充作用和后期水化反应研究尚不完善。故本研究选取30%风积砂替代普通河砂,探究不同玻璃粉取代率对风积砂混凝土力学性能的影响,并且采用核磁共振研究各类孔隙率对强度的影响,利用灰色关联理论分析各类孔隙与强度的关联程度,然后通过扫描电镜观察试块的微观结构,用XRD分析水化产物对强度的影响。为废弃玻璃粉风积砂混凝土应用与发展提供一些参考。1试验概况1.1原材料本试验所用的水泥为冀东PO42.5级水泥,体积安定性合格,其主要物理指标如表1所示。粉煤灰为内蒙古呼和浩特土默特旗电厂生产的级粉煤灰。粗骨料采用普通卵细度/%密度/g/m)1.43.11配合比水编号AEOAE10AE20AE30A
12、E401.3试验方法本试验参照GB/T500812002普通混凝土力学性能试验方法标准,利用万能试验机进行抗压和劈裂抗拉强度测试,分析试件强度与玻璃粉取代率的关系。在养护龄期28、9 0 d 的试件中心取出40 mmx40mmx40mm立方体,如图1所示,将测定样品烘干到恒重,在保水箱浸水至饱和后,再进行核磁共振试验,来分析孔隙对力学性能的影响。此外,从养护龄期9 0 d试件(0、10%、2 0%、3 0%、40%)内部挑取一些具有代表性的4 6 mm碎屑,一部分利用扫描式电子显微镜(SEM)HITACHIS-3400N(电压:15kV)拍摄放大3 0 0 0 倍试样形貌图;另一部分磨成可通过
13、2 0 0 目筛网的粉末,通过X射线单晶衍射仪(电压:40 kV,电流:3 0 mA,扫描速度:8.0 0 0 0 deE/min)扫描得到XRD样品衍射图。2抗压强度和劈裂抗拉强度废弃玻璃粉混凝土试件抗压强度与玻璃粉取代率、养护龄期间的关系如图1所示,试件劈裂抗拉强度与玻璃粉取代率、养护龄期间的关系如图2 所示。由图1、2 可知,对养护龄期为3、7、14d的混凝土试件,随着玻璃粉取代率的增加,试件的强度逐渐降低。说明在较早龄期阶段,试件中玻璃粉的火山灰活性比较低,没有被大量激发出来,只能作为微集料起到填充作用,随着玻璃粉取代率的提高,水泥含量相对减少,难以将集料包裹116碎石,粒径为5 2
14、5mm,堆积密度为1550 kg/m,表观密度2670kg/m。细骨料采用普通河砂-中砂,细度模数为2.8 8,堆积密度为157 0 kg/m,表观密度为2 6 10 kg/m,含泥量2.3%。风积砂取自内蒙古库布齐沙漠周边,细度模数为0.7 5,表观密度为2 540 kg/m,堆积密度为1515kg/m。减水剂为萘系减水剂。玻璃粉是废弃玻璃研磨成粒径为小于50 m的粉状颗粒,为了提高玻璃粉火山灰活性,将玻璃粉在水中浸泡6 h后使用。1.2试验设计本试验各试件风积砂取代率均为3 0%,玻璃粉取代率有5种(0、10%、2 0%、3 0%、40%)。配合比情况见表2,表2 中配合比编号字母、数字的
15、意义:数字代表玻璃粉取代率;AE分别代表试件养护期龄3、7、14、2 8、9 0 d。每组配合比制作6个10 0 mmx100mmx100mm立方体试件,3 个试件用于测试抗压强度,3 个试件用于测试劈裂抗拉强度。表1水泥性能指标标准黏稠度用水量/%初凝/min27.25180表2 风积砂混凝土配合比水泥+玻璃粉河砂+风积砂水泥玻璃粉205389.280205350.352205311.420205272.496205233.568终凝/min395石子河砂风积砂0344.72938.928344.72977.856344.729116.784344.729155.712344.729完全,使
16、混凝土内部微裂缝增加,在受力时更容易出现应力集中现象,导致混凝土的密实度和强度降低。对养护龄期为2 8、9 0 d的试件,随着玻璃粉取代率增加,试件的强度先增加后减小。在玻璃粉取代率为2 0%时,D20、E2 0 编号体积安定性合格粉煤灰147.7411 266.36147.7411 266.36147.7411 266.36147.7411 266.36147.7411 266.36484440136322824200510152025303540玻璃粉取代率/%图1试件抗压强度与玻璃粉取代率、养护龄期关系4.64.2上3.83.43.02.62.21.80图2 试件劈拉抗拉强度与玻璃粉取代
17、率、养护龄期的关系Loss/%1.31kg/m减水剂43.623.2743.623.2743.623.2743.623.2743.623.27+3d7d-14d28d90d3d-7d-14d+28d90d15101520253035玻璃粉取代率/%40试件抗压强度和劈裂抗拉强度均达到最高,抗压强度分别为40.6 7、45MPa,劈裂抗拉强度分别为3.9 6、4.2 5MPa。这说明随着养护龄期增加,玻璃粉的火山灰活性逐渐被激活,和水泥发生二次水化反应,玻璃粉中大量的SiO2、A l,O,与水泥中更多OH-(玻璃粉浸泡6 h后,内部的钙离子与钠离子更加充分地溶于水中,这样碱浓度会在水泥发生水化反
18、应时升高,就会有更多的OH-)以及玻璃粉中的硅酸根离子生成Si(OH)4。水中的钙离子与钠离子与H,SiO4、H 2 S i O-发生反应生成硅酸钠、硅酸钙凝胶(C-S-H)和水化铝酸钙(C-A-H),产生更多的凝胶,使得骨料与水泥基过渡区的界面得以改善;此外剩余的玻璃粉作为微集料对混凝土的风积砂和河砂内部孔隙起到了再次填充的作用,提高了混凝土的密实度,使得混凝土的强度进一步提高 17。对养护龄期为2 8、9 0 d的试件,当玻璃粉取代率超过2 0%后,水泥使用量相对较少,水泥水化反应产生的氢氧化钙降低,使得二次水化反应消耗的玻璃粉量降低;同时由于水泥的相对含量降低,对集料的包裹不充分,混凝土
19、密实度被削弱,所以试件的强度总体上有所降低。3核磁共振分析核磁共振主要分析混凝土试件中含有H质子液体弛豫特征。对不同玻璃粉取代率试件,其内部饱和含水率不同,H质子释放出来的能量就不同,可以通过这些核磁共振信号差来分析混凝土孔隙结构特征的变化 18。3.1核磁共振T2谱分析图3 为养护龄期2 8 d时,玻璃粉风积砂混凝土试件核磁共振T,谱分布曲线的弛豫时间图。由图3 可知,在不同玻璃粉取代率下各试件T,谱面积大小的排列顺序为D40D30D0D10D20,各试件抗压强度、劈裂抗拉强度大小的排列顺序为D20D10D0D30D40。图4为养护龄期90d时,玻璃粉风积砂混凝土试件核磁共振T,谱分布曲线的
20、弛豫时间图。由图4可知,在不同玻璃粉取代率下各试件T,谱面积大小的排列顺序为E40E30E0E10E20,各试件抗压强度、劈裂抗拉强度大小的排列顺序为E20E10E0E30E40。总体看来,随着玻璃粉取代率的增加,试件T,谱面积先减小再增大,抗压强度、劈裂抗拉强度先增加后降低。这是由于T,谱面积与试件孔隙含量存在关系,T谱面积越小,试件的孔隙越少,对应的试件强度越高,反之亦然。200150F100F50F00.01图3 养护龄期2 8 d试件核磁共振T2谱分布曲线3.2孔径分布为了更深入研究孔隙结构对试件力学性能的影响规150X1005000.01图4养护龄期9 0 d试件核磁共振T谱分布曲线
21、律,绘制了养护龄期为2 8、9 0 d的孔径分布曲线图(该曲线的波峰反应孔径分布大小和集中程度),如图5、6 所示。0.200.15%业0.100.050110*0.0010.010.1图5养护龄期2 8 d玻璃粉风积砂混凝土孔径分布曲线图0.140.120.100.080.060.040.0201 10 0.0010.010.11 孔径半径/um图6 养护龄期9 0 d玻璃粉风积砂混凝土孔径分布曲线图由图5可知,在养护龄期2 8 d时,不同玻璃粉取代率试件在孔径分布曲线中第一峰值的大小排列顺序为D40D30D0D10D20,其对应抗压强度、劈裂抗拉强度的大小排列顺序为D20D10D030D4
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