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李晓萍 哈密市天星交通投资有限责任公司，新疆 哈密 839000 摘要：本文介绍了地聚合物混凝土作为硅酸盐水泥混凝土粗骨料潜在可回收性的试验分析情况。研究不同粗骨料掺量（0%、20%、50%和100%天然粗骨料替代）的硅酸盐水泥混凝土和地聚合物混凝土的性能，并与含再生硅酸盐水泥混凝土骨料的硅酸盐水泥混凝土进行了比较。结果表明，用再生地聚合物混凝土集料代替粗集料的比例高达20%时，硅酸盐水泥混凝土的弹性模量、抗折强度和透水空隙体积仅略有降低，抗压强度也有一定程度的降低。并且，不同数量的再生地聚合物混凝土骨料对硅酸盐水泥混凝土性能的负面影响比由硅酸盐水泥混凝土废料生产的相同比例再生骨料造成的负面影响略为显著。此外，再生粗骨料的掺入对硅酸盐水泥混凝土性能的负面影响比地聚合物混凝土更为显著。其中，在粗骨料替换率为100%时，与再生地聚合物混凝土相比，RAGC的抗压强度、弹性模量和弯曲强度分别进一步降低了21%、8.3%和3.4%，表明地聚合物再生骨料与地聚合物粘合剂之间的相容性高于硅酸盐水泥粘合剂。 关键词：地聚合物混凝土;再生地聚合物混凝土;骨料 1.引言 将废弃材料回收成新的建筑材料有助于保护环境和自然资源。地聚合物（GPC）将是普通硅酸盐水泥（PCC）的替代品，与硅酸盐水泥相比，它显著减少温室气体排放，降低高能耗[1-3]。地聚合物混凝土的内含能和内含碳比普通硅酸盐水泥低5倍，可以由富含铝硅酸盐或高岭石的工业废料[粉煤灰（FA）和磨细高炉矿渣（GGBFS）]与碱性溶液结合制备。此外，与胶凝材料相比，地聚合物组分具有优异的机械性能和更短的凝结时间。 GPC使用某些碱性液体与硅（Si）和铝（Al）在地质来源的原材料或副产品材料[FA、GGBFS和稻壳灰（RHA）]中的反应来生产类似水泥的粘合剂。已经进行了大量的研究[4,5]，以确定激发剂的最佳浓度以及用于地聚合物混凝土的FA、GBFS和RHA的最佳性能。特别是，人们发现RHA基地聚合物混凝土的性能对RHA的性能非常敏感，在大约690℃的适宜温度下燃烧RHA获得了最佳结果[6]。 本研究通过对低钙粉煤灰GPC在PCC中的可回收性的研究，为地聚合物混凝土的回收利用提供了理论基础。对不同取代率的地聚合物再生骨料（RGA）制备PCC的性能进行了试验研究。将结果与不同比例的再生PCC骨料（RCA）和不同比例的RGA配制的GPC混凝土进行了比较。为确保公平比较，采用了相对相似的母材混凝土等级、相似的天然骨料和相似的破碎程序来生产RGA和RCA。考虑的力学性能包括抗压强度、抗弯强度和弹性模量。此外，还研究了透水空隙的体积，以测量混凝土的运输性能和耐久性。 2.实验方案 为了评价不同粗集料取代率的RGA对硅酸盐水泥混凝土力学性能和耐久性能的影响，研究0%、20%、50%、100%四种置换率。此外，为了比较用RGA制造的PCC（以下简称RGAC）和用RCA制造的PCC（以下简称RAC）和用RGA制造的GPC（以下简称RAG）的性能，以类似的再生天然骨料和替代率制备了四个不同批次的RAC和RAG。使用相对相似等级的母材PCC和GPC进行比较。 2.1 试验材料 2.1.1天然骨料和普通硅酸盐水泥 采用玄武岩天然粗骨料，标称粒径为12 mm，烘干（OD）比重为2.85，24小时吸水率为1.8%，洛杉矶磨耗损失为16%。以砂为细集料，OD比重为2.60，24h吸水率为1.5%。所有骨料在浇筑前均经烘箱干燥。达到饱和表面干燥（SSD）条件所需的水在混合过程中被添加到聚合物中。使用水泥化学成分见表1。 表1硅酸盐水泥、FA和GGBFS的化学成分
2.1.2 地聚合物粘结剂 使用氢氧化钠（NaOH）溶液和硅酸钠（Na2SiO3）溶液的比例为1:2.5（按质量计）作为碱性激发剂。将361g氢氧化钠颗粒溶解到369g自来水中，制备12M（M）氢氧化钠溶液。采用Na2O=14.7%，SiO2=29.4%，H2O=55.9%（质量比）的Na2SiO3溶液，模数比为2（Ms=SiO2/Na2O=2）。地聚合物混凝土的配合比设计见表2。集料达到SSD条件后与水混合10分钟，加入FA，再混合5分钟。 表2地聚合物混凝土配合比
然后将碱性溶液和水逐渐加入，混合继续进行10分钟。试样在40℃下热固化24h，同时覆盖以防止过多的水分损失。拆除模板后，再在80℃下热固化24h。然后将样品保存在环境条件下（13-28℃；相对湿度：30-90%），直到测试和粉碎。测定该地聚合物混凝土28天的圆柱体抗压强度为49.5±1.2MPa（6个试样的平均值）。 2.1.3普通硅酸盐水泥 所用PCC的配合比见表3。与地聚合物混合物类似，所有烘干骨料与所需水量混合10分钟，以达到饱和表面干燥（SSD）条件；然后添加水泥。然后将水逐渐加入，再继续搅拌5～7分钟，将混凝土试件用水固化7天，然后在实验室环境条件下储存。PCC（平均6个试样）28天圆柱体抗压强度为52.4±0.9mpa。这提供了与地聚合物混凝土相对相似的混凝土等级，从而能够公平地比较整体性能。 表3硅酸盐水泥混凝土的配合比
2.2 试验方案 2.2.1再生RAG骨料和再生PCC骨料生产 浇筑44天后，使用颚式破碎机对GPC和PCC试样进行粉碎，以生产粗再生地聚合物骨料（RGA）和粗再生PCC骨料（RCA）。图1为破碎后获得的粗RGA和天然玄武岩骨料的级配。为了消除骨料级配差异的影响，从而消除填料效应对结果的影响，将所有生产的再生骨料筛分成不同粒级，并重新混合，使之与粗天然骨料的级配曲线相似。
图1粗天然玄武岩骨料级配、RGA和RCA 测定级配粗集料的平均24h吸水率和比重，RGA粗骨料分别为6.4±0.2和2.26±0.20，RCA粗骨料分别为4.7±0.1和2.35±0.30。此外，对于RGA和RCA，洛杉矶磨耗损失分别为42%±2%和36%±3%（5次试验的平均值）。 2.2.2测定粘结砂浆含量 选择加热摩擦法作为粘结料含量的测量方法[7-10]，对不同粒径RCA和RGA的粘结料含量进行测量。为了评估粒径对RCA和RGA粘附粘合剂含量的影响，在测量粘合剂含量之前，将RGA和RCA分为4.7-6.7mm、6.7-9.5mm和9.5-13.2mm粒径。至少对RGA和RCA各粒级的6个样品进行测量。 2.2.3不同RGA粗骨料和RCA粗骨料掺量再生混凝土 将PCC中0%、20%、50%和100%的粗集料分别用粗RGA代替，制备4种不同批次的RGAC。另外，用粗RCA代替PCC中0%、20%、50%和100%的粗天然骨料，浇筑4批RCA，比较RCA和RGA在硅酸盐水泥基体中的相对性能。同样，以相同的RGA取代率浇筑四批粗NA的RAG，比较RGA在两种不同粘结剂（硅酸盐水泥和地聚合物粘结剂）中的性能。使用类似的混合设计，以及混合和固化方法用于母体PCC。 2.2.4再生混凝土性能的测定 分别测定RGAC、RAC和RAG的抗压强度（圆柱体）、弹性模量和弯曲强度。试验至少在6个样本上进行，龄期为28天。此外，测量混凝土试样的渗透空隙体积（VPV），以测量RGA替换对PCC运输性能和耐久性的影响。 3.结果和讨论 图2显示了用不同比例的粗RGA替代天然粗集料制成的RGAC的抗压强度。将结果与天然粗集料中粗RCA的不同取代率的RAC进行比较（比较RGA和RCA在同一硅酸盐水泥基中的相对性能），以及用不同取代率的粗RGA制备的天然粗集料（比较RGA在不同粘结剂中的性能，即硅酸盐水泥和地聚合物粘结剂）。 如图所示，结果突出显示，在20%的RGA替代物中，RGAC的抗压强度仅降低了14%，而在100%置换时RGAC的最大抗压强度降低约33%，这表明RGA在PCC中具有高的可回收潜力。然而，与RAG和RAC相比，RGAC的抗压强度衰减相对较快，且再生骨料含量增加，特别是用RGA替代粗骨料20%时，RAG的抗压强度仅下降1.6%。图2显示，RGAC的抗压强度平均降低了25%和33%，RGA取代率分别增加到50%和100%，与相同RGA含量的RAG抗压强度降低约8.4%和12%。
图2 RGAC、RAG和RAC的抗压强度随再生骨料含量的增加而变化 图2所示的结果还表明，用RGA替换粗钠（如RGAC）导致的PCC抗压强度降低略高于用RCA替换粗钠（如RAC）导致的抗压强度降低。可见，粗钠与RCA的20%、50%和100%置换分别导致RAC的抗压强度降低8.2%、16.8%和27.5%，均低于相同置换率下RGAC的抗压强度降低。由于硅酸盐兰水泥粘合剂和RGA之间相容性较低，因此，随着再生骨料含量的增加，RGAC的抗压强度下降速度比RAC快。 总的来说，抗压强度的测量结果表明，就典型混凝土可达到的抗压强度水平而言，在PCC中回收RAG是一种可行的选择。但是，从对比的角度来看，观察到的趋势表明RGAC的抗压强度与RAG和RAC的抗压强度没有竞争力。再生骨料含量为20%、50%和100%时，RGAC的抗压强度分别比RAG高12.4%、16.6%和21%，比相应再生骨料替换率下的RAC高5.8%、8.2%和5.5%。这表明RGA和地聚合物粘合剂之间的相容性高于硅酸盐水泥粘合剂，并且硅酸盐水泥粘合剂和RCA之间的相容性高于RGA。 图3比较了不同RGA的RGAC混合物的弹性模量，以确定NA的替换率。如图所示，用粗RGA代替20%、50%和100%的粗NA，可使RGAC的弹性模量平均降低4.1%、13.2%和25.6%。将这些值与观察到的抗压强度降低值进行比较，可以看出弹性模量的下降比抗压强度的下降相对较小，特别是在20%和50%的置换率下。图3所示的结果还表明，RGAC的弹性模量的降低与在相同RCA下观察到的RAC在相同的NA置换率下的弹性模量的降低在相同的范围内。用20%、50%和100%的RCA代替NA，可使RAC的弹性模量分别降低6.6%、10.4%和21%。
图3 RGAC、RAG和RAC的弹性模量随再生骨料含量的增加而变化 此外，图3将RGAC的弹性模量的降低与其再生骨料含量的增加进行了比较，以评估RGA对硅酸盐水泥和地聚合物粘合剂制成的混凝土弹性模量的影响。如图所示，与观察到的RGAC相比，RGA替换率的增加导致RAG的弹性模量的降低要小得多。特别是，20%的粗RGA替换RAG中的粗NA不会导致RAG弹性模量的显著变化，如图3所示。此外，50%和100%取代RGA对NA取代率的影响分别为4.4%和8.3%。 图4比较了不同粗RGA的RGAC样品与相应RAC和RAG样品在粗NA置换率下的弯曲强度。如图所示，与抗压强度不同，并且类似于弹性模量，RGAC的挠曲强度的衰减速率随其再循环含量的增加而接近于RAC和RAG。结果表明，用再生集料取代20%粗钠后，RGAC、RAG和RAC的抗折强度分别仅下降3.4%、1.8%和5.9%。此外，RGAC、RAG和RAC在100%的粗骨料取代率下的抗弯强度最大衰减分别为21%、17.6%和19.6%。
图4 RGAC、RAG和RAC的弯曲强度随再生骨料含量的增加而变化 可见，RGAC、RAG和RAC的弯曲强度和弹性模量之间的差异显著低于抗压强度。尤其是，在相同的再生骨料含量下，100%的RGA取代率下，RGAC的抗折强度比RAG和RAC的抗折强度分别高出3.4%和1.4%。类似地，在20%、50%和100%粗再生骨料替换时，发现RGAC的弹性模量与在相应再生含量下测定的RAC的弹性模量接近。然而，在弹性模量方面发现RAG比RGAC和RAC性能好得多，表明在100%粗再生骨料取代率下，最大降低仅为8.3%。 结果表明，与抗压强度的降低相比，RGAC和RAG的弹性模量的降低幅度较小，无论使用哪种粘合剂（硅酸盐水泥或地聚合物），粗RGA替换对混凝土弹性模量的影响都很小。不同再生集料含量下RGAC和RAC的弹性模量和弯曲强度结果的接近性表明，RGAC在拉伸和弹性性能方面与广泛使用的RAC具有竞争力。假设在RGAC和RAC中使用相同的粘结剂，可以得出结论，RGA和RCA对使用硅酸盐水泥粘结剂制成的混凝土的弹性模量和抗弯强度具有相对相似的影响。 与抗压强度、抗折强度、弹性模量相反，在给定的再生骨料含量下，RAGC的VPV性能有所改善。RAGC的VPV明显低于RAC。如图5所示，与母体PPC混凝土（0%再生骨料替换）相比，母体地聚合物混凝土的VPV略低。此外，随着RGA/RCA对NA的取代率的增加，RGAC和RAC的VPV之间的差异不断增大。
图5 RGAC、RAG和RAC的渗透空隙率（VPV）随再生骨料含量的增加而变化 图5将RGAC、RAG和RAC的渗透空隙体积（VPV）的变化与粗再生骨料中粗NA替换百分比的增加进行了比较。如图所示，所有不同类型再生混凝土的渗透空隙体积随粗再生骨料含量的增加而成比例增加。如图所示，VPV的最大增长属于RAC，平均VPV的相对比例增长高达23.4%，RCA替换率从0%增加到100%。这可以与RGAC和RAG的VPV的最大增加（在NA替代为100％的回收骨料）下的分别为16.2％和15.6％相比。 总的来说，上述结果突出了地聚合物混凝土在新型硅酸盐水泥混凝土中的可回收性。这一点尤其得到了证实，弹性模量和弯曲强度的显著降低，以及粗NA在20%的RGA替代下，RGAC抗压强度的适度降低，这是混凝土回收实践中常用的替代率。RGAC和RAG及其相应的母体混凝土，即PCC和GPC的性能差异，可归因于再生骨料中存在粘结结合料，其中，所观察到的RAC的机械性能（包括抗压强度、抗拉强度和弹性模量）与其再循环含量之间的反向关系与RCA中存在的旧粘合砂浆含量有关。 4.结论 试验结果表明，在广泛使用的硅酸盐水泥混凝土中，地聚合物混凝土骨料的可回收性是地聚合物混凝土一种可行的报废废物管理方案。20%RGA置换后，RGAC的抗压强度、弹性模量和弯曲强度分别降低了约14%、1%和3%。充分证明，对于结构应用中使用的20%RGA替代量的PCC混合物，无需或进行最小调整。在相同的RGA取代率下，将RGAC与RAG的性能进行比较表明，在地聚合物粘结剂（如RAG）中，RGA的性能要比硅酸盐水泥粘结剂（如RGAC）好得多。100%RGA置换后，RGAC的抗压强度、弹性模量和弯曲强度分别降低了33%、26%和21%，明显高于相同RGA置换率下，RAG的各项性能降低了12%、8%和19%。 参考文献 [1]翟牧楠,诸华军,梁广伟等.改性粉煤灰对镍渣基地聚合物力学性能的影响[J].金属矿山,2019(09):199-203. [2]张虹.地聚合物材料在软土路基中的应用研究[J].合成材料老化与应用,2019,48(05):71-75. [3]郭晓潞,熊归砚.超高韧性粉煤灰基地聚合物的研制及性能[J].建筑材料学报,2019,22(06):949-956. [4] P. Chindaprasirt, T. Chareerat, V. Sirivivatnanon, Workability and strength of coarse high calcium fly ash geopolymer, Cem. Concr.Compos. 29 (3) (2007) 224–229. [5] G.S. Ryu et al., The mechanical properties of fly ash-based geopolymer concrete with alkaline activators, Constr. Build. Mater. 47 (2013) 409–418. [6] S. Detphan, P. Chindaprasirt, Preparation of fly ash and rice husk ash geopolymer, Int. J. Miner. Metall. Mater. 16 (6) (2009) 720–726. [7]沈万岳,汪洋,汤金洁.聚合物改性再生骨料渗透性混凝土净水性能的试验研究[J].新型建筑材料,2019,46(05):80-83. [8]易鼎鼎,刘伟,张书博,周肖庆,王旭升.聚合物再生混凝土力学性能研究[J].中国新技术新产品,2017(06):75-77. [9]唐灵,张红恩,黄琪,王清远,石宵爽.粉煤灰基地质聚合物再生混凝土的抗硫酸盐性能研究[J].四川大学学报(工程科学版),2015,47(S1):164-170. [10]王彤. 地聚合物稳定再生碎石材料性能研究[D].扬州大学,2019.  |
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基于地聚合物混凝土骨料的再生混凝土力学性能研究
