再生粗骨料對(duì)自密實(shí)再生混凝土性能的影響

鄭惠珍

（黎明職業(yè)大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，福建 泉州362000）

0 引言

隨著土木工程的快速發(fā)展，全球每年產(chǎn)生巨量的建筑垃圾，其中廢棄混凝土就約占總建筑垃圾的30%～50%。據(jù)估計(jì)，我國(guó)目前每年產(chǎn)生的廢棄混凝土可達(dá)1億多t［1－2］。從環(huán)境保護(hù)和建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展的角度出發(fā)，有必要對(duì)這些廢棄混凝土加以高效回收利用，于是再生混凝土［3－4］應(yīng)運(yùn)而生。

自密實(shí)混凝土［5－6］是一種具有低水膠比、高流動(dòng)性，能不經(jīng)振搗靠自重流平就可充滿模型和包裹鋼筋的特種混凝土，再生骨料有著良好的環(huán)保效益，將再生骨料用于自密實(shí)混凝土，不僅其綠色度提高，還使再生混凝土的性能得到提升，必將帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)普通再生混凝土基本力學(xué)性能的研究較多［1－7］，但針對(duì)自密實(shí)再生混凝土基本力學(xué)性能的研究尚少見［8］。本文針對(duì)再生粗骨料和自密實(shí)混凝土各自的特點(diǎn)，研究不同再生粗骨料取代率對(duì)自密實(shí)再生混凝土工作性能以及抗壓強(qiáng)度和彈性模量的影響，并與普通混凝土及普通自密實(shí)混凝土進(jìn)行對(duì)比分析。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥為福建省順昌水泥廠生產(chǎn)的煉石牌42.5普通硅酸鹽水泥（OPC），表觀密度3 100kg／m3；粉煤灰為福建廈門嵩嶼電廠生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰，比表面積2 600m2／kg，表觀密度2 200kg／m3；天然粗骨料為連續(xù)級(jí)配的碎石，最大粒徑為13mm；水為普通自來(lái)水，高效減水劑是福建省建筑科學(xué)研究院生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑，高效減水劑摻量主要由自密實(shí)混凝土的工作性決定。

再生粗骨料采用PE－150×250顎式破碎機(jī)和錘式破碎機(jī)復(fù)合破碎生產(chǎn)，原始混凝土強(qiáng)度為C30，其粒形呈橢圓形的米粒狀，粒形良好，試驗(yàn)測(cè)得其針片狀含量為1.7%，5～10mm，10～16mm再生粗骨料的表觀密度分別為2 455kg／m3、2 563kg／m3，30min吸水率分別為6%、1.62%，具體見圖1～2。

1.2 自密實(shí)再生混凝土的配合比

現(xiàn)階段關(guān)于自密實(shí)再生混凝土的研究還較少見，本文所選用的配合比設(shè)計(jì)方法主要參照的是普通自密實(shí)混凝土的配合比設(shè)計(jì)方法［1，9－10］，而有別于普通再生混凝土基于抗壓強(qiáng)度的配合比設(shè)計(jì)方法，試驗(yàn)所用的再生粗骨料尚不考慮預(yù)濕處理，而主要考慮通過(guò)摻加高效減水劑和調(diào)整其他配合比參數(shù)來(lái)滿足其工作性能。最終配合比詳見表1。共計(jì)5組，其中RA－SCC1、RA－SCC2、RA－SCC3分別為再生粗骨料取代率為50%、70%、100%的自密實(shí)再生混凝土，SCC、NC分別為普通自密實(shí)混凝土和普通混凝土。

圖1 5～10mm再生粗骨料

圖2 10～16mm再生粗骨料

表1 自密實(shí)再生混凝土配合比初步設(shè)計(jì)

從表1可以看出RA－SCC1和SCC的工作性能基本相同，但其配合比有所不同，除再生粗骨料取代率這個(gè)變量外，主要是外加劑用量的不同。其中普通自密實(shí)混凝土高效減水劑摻量為0.9%，采用復(fù)合顎式破碎機(jī)生產(chǎn)的再生粗骨料取代50%的天然粗骨料配制自密實(shí)再生混凝土RA－SCC1時(shí)，高效減水劑的摻量為1.0%。當(dāng)再生粗骨料取代率繼續(xù)增加到70%時(shí)，RA－SCC2配合比中高效減水劑的摻量增加到了1.2%，當(dāng)再生粗骨料全部取代天然粗骨料時(shí)，RA－SCC3配合比中不僅高效減水劑摻量增加到了1.3%，為了達(dá)到一定的工作性能，RA－SCC3配合比中的砂率調(diào)高到了0.5，水膠比微調(diào)到了0.32。

1.3 試件的澆筑和養(yǎng)護(hù)

本文自密實(shí)再生混凝土基本力學(xué)試驗(yàn)方法主要依據(jù)GB／T50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，養(yǎng)護(hù)到相應(yīng)時(shí)間后進(jìn)行相關(guān)測(cè)定，測(cè)定內(nèi)容有按標(biāo)準(zhǔn)分別養(yǎng)護(hù)至3d、7d、14d、28d、60d齡期時(shí)的立方體抗壓強(qiáng)度，按標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至7d、28d、60d齡期時(shí)的彈性模量。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 自密實(shí)再生混凝土的工作性能

自密實(shí)混凝土關(guān)鍵的特征之一就是混凝土拌合物必須具有良好的工作性能，對(duì)于新拌混凝土而言，必須具備良好的填充性、間隙通過(guò)性和抗離析性。根據(jù)CCES02—2004《自密實(shí)混凝土設(shè)計(jì)與施工指南》中的規(guī)定，自密實(shí)混凝土的工作性能指標(biāo)應(yīng)達(dá)到坍落度240～270mm，擴(kuò)展度大于550mm。由表2可知，本文所配制的自密實(shí)再生混凝土具有良好的流動(dòng)性，滿足要求。

表2 新拌自密實(shí)再生混凝土工作性能

從圖3中可以看出隨著再生粗骨料取代率的增加，自密實(shí)再生混凝土的流動(dòng)性變差，原因在于再生粗骨料相比天然粗骨料吸水率大，在拌合過(guò)程中吸水了部分拌合水。另外從拌制現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)可以觀測(cè)出其保水性和黏聚性較用天然粗骨料配制出的自密實(shí)混凝土好，這主要是由于再生粗骨料表面粗糙，附著有一定量的水泥砂漿，會(huì)增加拌合物在拌合過(guò)程中的摩阻力。從圖4和圖5可以看出再生粗骨料取代率為100%時(shí)，通過(guò)微調(diào)配合比，可以得到坍落度和擴(kuò)展度良好的自密實(shí)再生混凝土，其坍落度和擴(kuò)展度均滿足《自密實(shí)混凝土設(shè)計(jì)與施工指南》規(guī)定的指標(biāo)。

圖3 不同再生粗骨料取代率下自密實(shí)再生混凝土的流動(dòng)性

圖4 RA－SCC3坍落度試驗(yàn)圖

圖5 RA－SCC3擴(kuò)展度試驗(yàn)圖

2.2 再生粗骨料取代率對(duì)自密實(shí)再生混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度是混凝土各種力學(xué)性能指標(biāo)中最重要而基本的一項(xiàng)，因此目前關(guān)于再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度研究得較多，雖結(jié)論有所差異，但大部分的研究結(jié)果都認(rèn)為再生混凝土的抗壓強(qiáng)度相比普通混凝土有一定程度的降低，降低的百分比各異，但基本在20%的范圍內(nèi)。本文試驗(yàn)結(jié)果見表3所示。

表3 自密實(shí)再生混凝土不同齡期立方體抗壓強(qiáng)度值／MPa

根據(jù)《建筑工程施工試驗(yàn)與檢測(cè)》中關(guān)于混凝土強(qiáng)度的非統(tǒng)計(jì)評(píng)定方法可知，表3中數(shù)據(jù)表明用原生混凝土強(qiáng)度為C30左右的再生粗骨料可配制C45強(qiáng)度等級(jí)的自密實(shí)再生混凝土。由此可以看出通過(guò)選用低水膠比，摻入礦物摻合料和高效減水劑并優(yōu)化配合比的途徑，可以成功實(shí)現(xiàn)用原生強(qiáng)度為C30左右的再生粗骨料進(jìn)行C45強(qiáng)度等級(jí)自密實(shí)再生混凝土的配制。原因在于：（1）再生粗骨料表面粗糙附著有水泥砂漿，雖相比天然粗骨料彈性模量有所下降，但卻易與水泥石形成較大的物理黏結(jié)強(qiáng)度，同時(shí)由于與新水泥石有相近的彈性模量，受力時(shí)將在界面處產(chǎn)生較小的應(yīng)力差。另外由于本試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)時(shí)并未考慮附加用水量，而鑒于再生粗骨料吸水率高的特點(diǎn)，有效水膠比下降，對(duì)其強(qiáng)度有利。（2）合理的高效減水劑摻量能大大提高水泥拌合物的流動(dòng)性和混凝土的坍落度，從而顯著改善混凝土的工作性能，同時(shí)合理的粉煤灰摻量也可以改善混凝土拌合物的流動(dòng)性、黏聚性及抗離析性能，兩者雙摻不僅可以各自起到作用，還能產(chǎn)生疊加效應(yīng)，從而很好地改善因再生粗骨料的摻入導(dǎo)致的新拌混凝土較差的工作性能。

圖6為再生粗骨料取代率對(duì)自密實(shí)再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的影響曲線圖，從圖中可以看出隨著再生粗骨料取代率的增加，自密實(shí)再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度明顯降低。其中RA－SCC1，RASCC2，RA－SCC3的28d立方體抗壓強(qiáng)度較普通自密實(shí)混凝土降低程度分別為1.9%，6.2%，13.1%，養(yǎng)護(hù)到60d時(shí)相比普通自密實(shí)混凝土分別降低了2.6%，6.8%，11%。說(shuō)明隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，自密實(shí)再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度相比普通自密實(shí)混凝土的降低幅度有所減小，從圖中還可以看出自密實(shí)再生粗骨料取代率為50%時(shí)，自密實(shí)再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度降低最少。造成自密實(shí)再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度低于普通自密實(shí)混凝土，主要原因在于所使用的再生粗骨料自身的特點(diǎn)，即再生粗骨料表面包裹水泥砂漿，導(dǎo)致承受壓力荷載時(shí)，水泥砂漿層因強(qiáng)度較粗骨料低而最先破碎導(dǎo)致混凝土喪失承載力，在自密實(shí)再生混凝土的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)試件破壞時(shí)主要是通過(guò)界面過(guò)渡區(qū)，即和普通混凝土類似，但由于再生粗骨料在機(jī)械制備過(guò)程中在老界面處可能產(chǎn)生的微裂紋或初始損傷及高孔隙率，易使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而使自密實(shí)再生混凝土的強(qiáng)度降低。

以往不同研究者所得出的研究結(jié)論是相比普通混凝土，再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度可降低20%左右，本試驗(yàn)與普通混凝土相比，50%、70%、100%再生粗骨料取代率的自密實(shí)再生混凝土28d立方體抗壓強(qiáng)度分別降低5.2%、9.4%、14.6%，60d時(shí)分別降低6.8%、10.8%、14.7%，即自密實(shí)再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度相比普通混凝土降低幅度在15%的范圍內(nèi)，且隨著齡期的增長(zhǎng)該幅度稍有增加，但相差不大。相比普通混凝土，自密實(shí)再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度降低幅度低于普通再生混凝土，原因在于相比普通混凝土，自密實(shí)混凝土對(duì)粗骨料粒形、粒徑及級(jí)配要求較高，本試驗(yàn)所選的天然粗骨料和再生粗骨料為連續(xù)級(jí)配，最大粒徑為16mm，針片狀含量最多為2.0%，滿足CCES 02—2004《自密實(shí)混凝土設(shè)計(jì)與施工指南》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定自密實(shí)混凝土所用粗骨料宜采用連續(xù)級(jí)配，最大粒徑宜小于20mm，針片狀顆粒含量宜小于10%的規(guī)定。即本試驗(yàn)所用的天然粗骨料和再生粗骨料是經(jīng)過(guò)嚴(yán)格選用的，連續(xù)級(jí)配和較小的針片狀含量可保證混凝土拌合物具有良好的工作性能，不易產(chǎn)生離析；較小的顆粒粒徑，可減小顆粒內(nèi)部缺陷，并且由于比表面積大可增強(qiáng)與水泥漿的黏結(jié)，且合適的顆粒粒徑在拌合過(guò)程中不會(huì)下沉太多，從而保證混凝土內(nèi)部顆粒分布的均勻。

圖6 自密實(shí)再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度曲線圖

2.3 再生粗骨料取代率對(duì)自密實(shí)再生混凝土彈性模量的影響

再生粗骨料的表觀密度等基本性能相比天然粗骨料有所降低，這必將導(dǎo)致用其拌制的自密實(shí)再生混凝土的彈性模量的降低。本文測(cè)定的自密實(shí)再生混凝土的彈性模量見表4所示。

表4 自密實(shí)再生混凝土不同齡期的彈性模量

各配合比彈性模量隨齡期發(fā)展的曲線如圖7所示，從圖7中可以看出自密實(shí)再生混凝土的彈性模量明顯低于普通自密實(shí)混凝土。再生粗骨料取代率為50%，70%，100%時(shí)，其28d彈性模量相比普通自密實(shí)混凝土分別降低了16.4%，22.2%，26.8%，養(yǎng)護(hù)到60d時(shí)其彈性模量相對(duì)普通自密實(shí)混凝土分別降低了15%、19%、24%，可見隨著再生粗骨料取代率的增加其彈性模量降低，且隨著齡期的增加其下降幅度緩慢縮小。與立方體抗壓強(qiáng)度相比，自密實(shí)再生混凝土的彈性模量相比普通自密實(shí)混凝土降低更多。原因在于再生粗骨料的孔隙率高、表面附著有水泥砂漿且骨料內(nèi)部可能存在的先天微裂紋，將降低再生粗骨料的彈性模量，從而降低了自密實(shí)再生混凝土的彈性模量。

圖7 彈性模量曲線圖

以往研究表明再生混凝土的彈性模量比普通混凝土低20%～30%［11－12］，本文再生粗骨料取代率為50%，70%，100%時(shí)，其28d彈性模量相比普通混凝土分別降低了4.8%，11.5%，16.7%，養(yǎng)護(hù)到60d時(shí)其彈性模量相比普通混凝土分別降低了2.1%、6.7%、13.4%，表明本試驗(yàn)自密實(shí)再生混凝土的彈性模量比普通混凝土低約15%左右，且隨著齡期的增長(zhǎng)該幅度稍有降低。相比普通混凝土，自密實(shí)再生混凝土的彈性模量降低幅度低于普通再生混凝土，原因在于相比普通再生混凝土，自密實(shí)混凝土對(duì)粗骨料粒形、粒徑及級(jí)配要求較高。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）隨著再生粗骨料取代率的增加，自密實(shí)再生混凝土的流動(dòng)性變差，而黏聚性和保水性較好。在達(dá)到相同工作性能的情況下，50%、70%、100%再生粗骨料取代率的自密實(shí)再生混凝土分別比普通自密實(shí)混凝土的外加劑摻量增多0.1%、0.3%和0.4%。

（2）隨著再生粗骨料取代率的增加，自密實(shí)再生混凝土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量明顯降低，且隨著齡期的增長(zhǎng)，降低幅度有所減小。相比普通自密實(shí)混凝土，50%、70%、100%再生粗骨料取代率的自密實(shí)再生混凝土，其28d立方體抗壓強(qiáng)度分別降低了1.9%，6.2%，13.1%，其28d彈性模量分別降低了16.4%，22.2%，26.8%。相比普通混凝土，自密實(shí)再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度和彈性模量降低幅度分別在15%和20%左右。

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