再生細(xì)骨料對混凝土塑性收縮開裂性能影響

孫家瑛， 肖天翔， 陸陽升

（1.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院 綠色建材與廢棄物資源化研究中心，浙江 寧波 315100；2.浙江弛成建設(shè)有限公司，浙江 東陽 322100）

在生產(chǎn)再生混凝土骨料過程中，會產(chǎn)生20%左右粒徑小于4.75mm的細(xì)顆粒，對這些細(xì)顆粒進行深加工處理后可產(chǎn)生粒徑為0.15～4.75mm的再生細(xì)骨料，用其替代部分天然砂可配制再生細(xì)骨料混凝土.但是再生細(xì)骨料會使混凝土性能與同配合比普通混凝土存在較大的差異.國內(nèi)外學(xué)者對再生細(xì)骨料混凝土的力學(xué)性能、耐久性能等方面作了一定的研究［1－3］，提出了相應(yīng)的措施，并取得了一定的成果［4－13］，然而針對再生細(xì)骨料對混凝土塑性收縮開裂影響的研究較少.由于混凝土塑性開裂會影響混凝土使用壽命，本文主要針對再生細(xì)骨料粒徑、取代率以及再生細(xì)骨料混凝土水灰比、砂率等對混凝土塑性收縮應(yīng)力、孔結(jié)構(gòu)及塑性收縮開裂性能的影響進行系統(tǒng)研究.

1 試驗方法

1.1 試驗材料

水泥：采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其物理力學(xué)性質(zhì)和化學(xué)組成見表1，2.拌和水：自來水.粗骨料：采用4.75～31.5mm連續(xù)級配的石灰石碎石，最大粒徑31.5mm，表觀密度2 620kg／m3，含泥量0.3%1）質(zhì)量分?jǐn)?shù)，文中涉及的含量、壓碎指標(biāo)等除特別說明外均為質(zhì)量分?jǐn)?shù).，壓碎指標(biāo)9%.細(xì)骨料：天然細(xì)骨料為普通河砂，細(xì)度模數(shù)2.7；再生細(xì)骨料由某公司生產(chǎn)，骨料粒徑有0～4.75mm，0.15～4.75mm和0.3～4.75mm 3種，分別標(biāo)記為RXG1，RXG2和RXG3.

表1 水泥的物理力學(xué)性能Table 1 Physical mechanical performance of cement

表2 水泥化學(xué)組成和礦物組成Table 2 Chemical and mineral composition（by mass）of cement%

1.2 試驗方案

基準(zhǔn)混凝土配合比m水泥∶m碎石∶m細(xì)集料∶m水∶m外加劑＝388.0∶1 102.0∶735.0∶155.0∶209.5，其28d抗壓強度為38.0MPa.為了研究再生細(xì)骨料粒徑對混凝土塑性開裂的影響，分別用再生細(xì)骨料RXG1，RXG2和RXG3取代河砂，取代率為40%.此外，用RXG1分別取代20%，40%，60%，80%，100%的河砂，以研究再生細(xì)骨料摻量對混凝土塑性收縮的影響；用水灰比分別為0.40，0.45，0.50，0.55的再生細(xì)骨料混凝土來研究水灰比對混凝土塑性收縮的影響；用砂率分別為36%，42%，48%，54%的再生細(xì)骨料混凝土來研究砂率對混凝土塑性收縮的影響.

再生細(xì)骨料混凝土塑性收縮開裂性能測試參考ICBO標(biāo)準(zhǔn)［8］.塑性收縮平板試模尺寸560mm×360mm×114mm，用彎起的波浪形的薄鋼板提供約束，混凝土填充在模具中，上表面外露，置于專用風(fēng)箱中，風(fēng)速為9.5m／s，相對濕度40%，持續(xù)3h，平板試驗示意圖見圖1.

開裂評價指標(biāo)：再生細(xì)骨料混凝土塑性收縮開裂性能測試常采用手持顯微鏡手工測量，并以開裂權(quán)重值作為評價指標(biāo)，能夠較準(zhǔn)確地表征出裂縫的面積、寬度及長度等.本文選擇開裂面積、寬度及長度作為塑性收縮開裂性能評價指標(biāo).

圖1 混凝土塑性收縮約束試驗裝置Fig.1 Concrete plastic shrinkage constraint test device（size：mm）

2 結(jié)果與討論

2.1 再生細(xì)骨料粒徑對再生混凝土塑性收縮開裂性能的影響

再生細(xì)骨料粒徑對混凝土塑性收縮開裂影響見圖2.由圖2可知，在固定用水量和固定再生細(xì)骨料摻量情況下，再生細(xì)骨料粒徑對混凝土塑性收縮開裂影響較大，當(dāng)所用再生細(xì)骨料粒徑范圍從0～4.75mm變化到0.3～4.75mm 時，試樣的塑性開裂面積依次變小，這說明再生細(xì)骨料混凝土的抗塑性收縮開裂能力與骨料顆粒尺寸有關(guān)，顆粒尺寸越小，其抗塑性收縮開裂能力越差.

2.2 再生細(xì)骨料取代率對再生混凝土塑性收縮開裂性能的影響

圖2 再生細(xì)骨料粒徑對混凝土塑性收縮開裂的影響Fig.2 Effect of recycled fine aggregate grain size on plastic shrinkage cracking of concrete

圖3 再生細(xì)骨料取代率對混凝土塑性收縮開裂的影響Fig.3 Effect of recycled fine aggregate replacement rate on plastic shrinkage cracking of concrete

再生細(xì)骨料取代率對再生細(xì)骨料混凝土塑性收縮開裂性能的影響如圖3所示.由圖3可知，當(dāng)再生細(xì)骨料取代天然細(xì)骨料≤40%時，再生細(xì)骨料混凝土抗塑性收縮開裂能力與基準(zhǔn)混凝土相近，各項指標(biāo)如裂縫最大寬度、裂縫長度以及裂縫面積均與基準(zhǔn)混凝土基本相同，但是當(dāng)再生細(xì)骨料取代天然細(xì)骨料＞40%時，混凝土的抗塑性收縮開裂能力出現(xiàn)明顯的下降，而且隨著再生細(xì)骨料摻量的增加，抗塑性收縮開裂能力下降更為明顯.

2.3 水灰比對再生細(xì)骨料混凝土塑性收縮開裂性能的影響

在保持其他條件不變，采用不同水灰比（mW／mC＝0.40，0.45，0.50，0.55）的再生細(xì)骨料混凝土的塑性收縮開裂情況見圖4.在本試驗范圍內(nèi)混凝土單方用水量分別為155，175，194，213kg.由圖4可知，在單方用水量較小或較大情況下，再生細(xì)骨料混凝土的開裂面積等各項塑性收縮開裂性能評價指標(biāo)均較大，抗塑性開裂性能降低.因此再生細(xì)骨料混凝土存在一個最佳水灰比，當(dāng)水灰比小于或大于此值時，再生細(xì)骨料混凝土有增大塑性收縮開裂的趨勢，這主要與再生細(xì)骨料結(jié)構(gòu)特征有關(guān).

圖4 水灰比對再生細(xì)骨料混凝土塑性收縮開裂的影響Fig.4 Effect of water－cement ratio on plastic shrinkage cracking of recycled fine aggregate concrete

2.4 砂率對再生細(xì)骨料混凝土塑性收縮開裂性能的影響

在再生細(xì)骨料摻量、水泥用量以及減水劑摻量固定不變的條件下，研究不同砂率再生細(xì)骨料混凝土塑性收縮開裂情況.試驗配合比如表3所列.試驗結(jié)果見圖5.

表3 不同砂率再生細(xì)骨料混凝土的配合比Table 3 Mix proportion of different sand ratio of recycled fine aggregate concrete

由圖5可知，在本試驗范圍內(nèi)，混凝土塑性收縮裂縫最大寬度、裂縫長度、裂縫面積隨砂率變化有1個最佳砂率42%.砂率36%的再生細(xì)骨料混凝土塑性裂縫最大寬度、裂縫長度、裂縫面積較大的原因可能是混凝土拌和物中粗骨料相對過多，水泥砂漿相對較小，塑性階段時砂漿不足以包裹粗骨料表面，從而造成再生細(xì)骨料混凝土密實度下降，加快了混凝土中水分沿著毛細(xì)孔向外部遷移的速度，降低了再生細(xì)骨料混凝土抗塑性收縮開裂能力.此外由于再生細(xì)骨料混凝土密實度下降更是弱化了水泥漿與骨料結(jié)合區(qū)域的強度，在混凝土失水塑性收縮時體系的不穩(wěn)定和結(jié)合面強度增長緩慢促使混凝土塑性收縮裂縫增多.而砂率過大時，由于再生細(xì)骨料混凝土粗骨料比例降低，使混凝土體積穩(wěn)定性下降，也會造成再生細(xì)骨料混凝土抗塑性收縮開裂能力降低.

圖5 砂率對再生細(xì)骨料混凝土塑性收縮開裂的影響Fig.5 Effect of sand ratio on plastic shrinkage cracking of recycled fine aggregate concrete

2.5 再生細(xì)骨料混凝土塑性收縮開裂機理分析

由以上的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著再生細(xì)骨料取代量增加或再生細(xì)骨料粒徑尺寸減小，再生細(xì)骨料混凝土的抗塑性收縮開裂能力有所下降.這是由于再生細(xì)骨料在破碎過程中產(chǎn)生的裂縫，表層舊水泥砂漿的孔隙率，以及再生骨料中的老界面都將改變再生細(xì)骨料混凝土內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)，增大再生細(xì)骨料混凝土的孔隙率和孔徑，從而增大其失水速率.混凝土的抗塑性收縮開裂能力與其孔隙率或密實度直接相關(guān).試驗表明摻40%且粒徑0.3～4.75mm再生細(xì)骨料砂漿硬化體的孔隙率為0.024 2，平均孔徑5.94nm，而同樣摻40%粒徑0～4.75mm再生細(xì)骨料砂漿硬化體的孔隙率為0.043 9，平均孔徑8.97nm，同配合比普通混凝土硬化體的孔隙率為0.012 7，平均孔徑5.23nm.此外，在相同水灰比、再生細(xì)骨料摻量條件下各種粒徑再生細(xì)骨料混凝土收縮應(yīng)力測試結(jié)果如圖6所示.由圖6可見，再生細(xì)骨料混凝土的塑性收縮應(yīng)力隨再生細(xì)骨料粒徑減小而增加，說明再生細(xì)骨料混凝土的抗塑性收縮開裂能力隨粒徑尺寸減小而下降，因此再生細(xì)骨料混凝土不僅抗塑性收縮開裂能力低于普通混凝土，同時與裂縫有關(guān)的耐久性能均可能有所下降.

圖6 3種粒徑再生細(xì)骨料對混凝土收縮力變化的影響Fig.6 Effect of 3sorts of recycled fine aggregate grain size on contraction force of concrete

3 結(jié)論

（1）再生細(xì)骨料混凝土塑性收縮開裂風(fēng)險比同配合比普通混凝土大.當(dāng)再生細(xì)骨料取代率低于40%時，再生細(xì)骨料混凝土的抗塑性收縮開裂能力降幅較小，但高于40%時的抗塑性收縮開裂能力降幅明顯加大.再生細(xì)骨料粒徑對混凝土抗塑性收縮開裂能力影響較大.

（2）水灰比對再生細(xì)骨料混凝土抗塑性收縮開裂能力影響存在一個最佳值，當(dāng)水灰比在0.45～0.50時，再生細(xì)骨料混凝土抗塑性收縮開裂能力最佳.

（3）提高砂率可使再生細(xì)骨料混凝土需水量顯著增大，從而加大再生細(xì)骨料混凝土塑性收縮開裂風(fēng)險.

（4）再生細(xì)骨料混凝土塑性收縮開裂風(fēng)險比同配合比普通混凝土大的原因在于再生細(xì)骨料增大了混凝土的孔隙率和孔徑，加快了其失水速率.

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