再生骨料混凝土抗壓強度的試驗研究及其機理分析

劉志龍，杜向琴，胡強圣，盧晨怡

(安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系，安徽 安慶 246003)

隨著我國城鎮(zhèn)化進程的不斷加快，建筑固體廢棄物排放量逐年增加，環(huán)境負擔(dān)日益加劇，而常規(guī)的填埋處理又會消耗大量人力、物力并占用有限的土地資源，非常不利于建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。廢棄混凝土再生利用是混凝土綠色健康發(fā)展的必由之路，是節(jié)約資源能源和實現(xiàn)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。近年來，再生骨料混凝土研究與應(yīng)用受到各國政府、建筑行業(yè)與企業(yè)、科研人員與工程技術(shù)人員的廣泛關(guān)注，對其基本物理性能、力學(xué)性能與耐久性能的研究已成為新時代的熱點課題，并取得了很大進展[1-4]。

作為混凝土最重要的力學(xué)性能指標(biāo)，再生混凝土抗壓強度一直是學(xué)者們研究的重點。史才軍等[1]討論了再生骨料對混凝土抗壓強度的影響，認為其來源與組成、附著漿體量、含水率、取代率、粒徑及其強化處理程度等都會影響混凝土的抗壓強度，其中再生骨料取代率對抗壓強度影響顯著[5-11]。因此，國內(nèi)外眾多研究人員針對再生骨料取代率與混凝土抗壓強度間的關(guān)系開展了深入而廣泛的研究，但不同研究者得出的結(jié)論不盡相同。駱行文等[5]、郭遠新等[6]的研究表明再生混凝土抗壓強度隨再生骨料取代率的增大而減小。李佳彬等[7]認為通過調(diào)整有效水灰比可使再生混凝土抗壓強度與普通混凝土接近。肖建莊等[8]指出當(dāng)骨料取代率達50%時，再生混凝土能達到比普通混凝土更高的抗壓強度。陳宗平等[9]的研究卻表明再生混凝土抗壓強度隨再生骨料取代率的增大而有所增長，完全取代時強度增幅可達8%?；艉殒碌萚10]研究發(fā)現(xiàn)若用低強度等級混凝土(C20～C35)制備再生骨料，則再生混凝土抗壓強度隨再生骨料取代率增加而明顯下降，而用較高強度等級混凝土(C40、C45)制備的再生骨料，其取代率對混凝土抗壓強度無顯著影響。Thomas等[11]和de Brito等[12]指出再生骨料取代率不超過25%時不會顯著改變混凝土抗壓強度。在以上研究中，再生骨料來源及其本體混凝土強度、再生骨料加工處理、再生混凝土配合比、外加劑與摻合料使用、再生骨料取代率范圍等方面均存在較大差異，從而導(dǎo)致了完全不同的研究結(jié)論，這也影響了人們對于再生骨料取代率與混凝土抗壓強度間關(guān)系的認識與理解。此外，研究者們還就如何改善再生混凝土抗壓強度進行了研究。王寧等[13]研究表明再生骨料飽水后可改善混凝土工作性并提高其抗壓強度。張麗素等[14]通過試驗得出了水膠比、再生骨料取代率、粉煤灰摻量和基體混凝土強度四個因素對再生混凝土28 d抗壓強度的最優(yōu)組合。薛建陽等[15]開展了42個普通混凝土、378個再生混凝土試件的正交試驗，結(jié)果表明經(jīng)合理的配合比設(shè)計后，再生混凝土能夠達到設(shè)計要求的抗壓強度，再生骨料預(yù)吸水有助于提高混凝土強度，作者還指出再生骨料取代率為50%時對抗壓強度最有利。

以上研究雖對再生骨料取代率對混凝土抗壓強度間的關(guān)系進行了研究，有些還提出了合理取代率及最優(yōu)配合比，但均未對再生骨料對混凝土抗壓強度的影響機理進行研究與討論。由于再生骨料來源的廣泛性及其性能的變異性，以及不同研究所用試驗方法、配合比、齡期及研究目的的不同，所得結(jié)果必然會有所差異。要建立兩者之間的量化關(guān)系，從根本上改善再生混凝土抗壓強度，必須從再生骨料的影響機理入手。本文通過對C20、C30兩種強度等級、7個不同骨料取代率下混凝土工作性和抗壓強度的研究，進一步確定再生骨料取代率與混凝土性能間的關(guān)系，并通過微觀形貌分析其影響機理，從而為再生混凝土材料的設(shè)計和優(yōu)化提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗原材料

水泥采用安徽海螺水泥廠生產(chǎn)的海螺牌42.5級普通硅酸鹽水泥，其化學(xué)組成與主要物理性能如表1、表2所示。細骨料為當(dāng)?shù)睾由?，細度模?shù)2.57，表觀密度2 564 kg/m3，級配良好，含泥量0.7%。再生粗骨料為當(dāng)?shù)芈访娣藓蠼?jīng)特殊工藝加工得到的工業(yè)化產(chǎn)品，其原生混凝土強度等級為C30；天然粗骨料為當(dāng)?shù)芈咽?。再生粗骨料與天然粗骨料的主要性能指標(biāo)如表3所示。粗、細骨料中有害物質(zhì)含量符合文獻[16]要求。粉煤灰為I級粉煤灰。試驗用水為自來水，水質(zhì)符合文獻[17]規(guī)范要求。

表1水泥化學(xué)組成
Table1Chemical compositions of cement %

CaOSiO2Al2O3Fe2O3MgOSO3燒失量62.4622.646.433.452.652.121.24

表2水泥的基本物理性質(zhì)
Table2Basic physical properties of cement

密度/(g·cm-3)初凝時間/min終凝時間/min安定性3.13100360合格

表3粗骨料性能指標(biāo)
Table3The performance index of coarse aggregate

骨料來源粒徑/cm堆積密度/(kg·m-3)表觀密度/(kg·m-3)壓碎指標(biāo)/%吸水率/%含泥量/%天然骨料5～26.5163826804.50.940.5再生骨料5～161475225613.63.850.3

1.2 試驗設(shè)計

參照《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ 55—2011)[17]配置C20、C30混凝土，基準配合比如表4所示，其中粉煤灰用量為水泥用量的10%。再生粗骨料取代率分別取0、20%、40%、50%、60%、80%和100%。

表4混凝土配合比
Table4Mix proportions of concrete

混凝土水/kg水泥/kg砂/kg石/kg粉煤灰/kg水膠比C201803007001180300.54C301803606801160360.45

本試驗所有試件均采用人工拌和法制備，先將砂、石、再生骨料、水泥和粉煤灰攪拌均勻，再加水?dāng)嚢? min左右，然后測定坍落度。選用150 mm×150 mm×150 mm 立方體PVC試模，每個配合比不同再生骨料取代率下各制備6個試件。為保證拌合物質(zhì)量及其均勻性，于混凝土澆筑前在試模內(nèi)涂刷一薄層礦物油作為脫模劑，原材料稱重、混凝土拌合、振動搗實及坍落度測定等均嚴格執(zhí)行現(xiàn)行國家規(guī)范[18]。試件澆筑后立即用一層塑料薄膜覆蓋以防硬化期間失水，24 h后拆模并置于溫度( 20±3) ℃，相對濕度大于95%的標(biāo)準養(yǎng)護室養(yǎng)護至28 d，然后測試其抗壓強度。

1.3 試驗設(shè)備

采用HCT106A型微機控制電液伺服壓力試驗機測定再生骨料混凝土試件的抗壓強度，最大試驗力為1 000 kN，試驗力示值相對誤差在±0.5%以內(nèi)。采用JSM-6360LV型鎢燈絲掃描電子顯微鏡觀察再生骨料混凝土的微觀形貌，其最大放大倍數(shù)可達300 000倍。

2 試驗結(jié)果

2.1 再生骨料混凝土流動性

為滿足混凝土施工要求，再生骨料混凝土需具有必要的流動性。再生骨料來源、顆粒形狀、最大粒徑、顆粒級配、取代率及天然骨料性質(zhì)、水灰比、灰砂比等都會影響再生混凝土的流動性。本試驗在再生骨料混凝土試件澆注前對其坍落度進行了測試，結(jié)果如表5所示?？梢钥闯?，C20、C30混凝土坍落度均隨再生骨料取代率增加而逐漸越小，這與文獻[6]的試驗結(jié)果一致，表明再生混凝土流動性較普通混凝土要差。這是由于再生骨料吸水率較普通骨料要高，當(dāng)再生骨料取代普通骨料時，混凝土實際水灰比減小，導(dǎo)致流動性降低。此外，隨再生骨料取代率增大，C30混凝土坍落度降低幅度小于C20混凝土，一方面是因為C30混凝土骨料用量相對較少，再生骨料吸水量小，包裹骨料所需凈漿量也少，導(dǎo)致坍落度降幅較小，另一方面也可能是因為C30基準混凝土水灰比較低，再生骨料的影響不明顯。

表5再生骨料混凝土坍落度試驗結(jié)果
Table5Slump test results of recycled aggregate concrete mm

混凝土再生骨料取代率/%02040506080100C2056504541383022C3041353027242014

2.2 再生骨料混凝土抗壓強度

不同再生粗骨料取代率下，C20、C30混凝土的抗壓強度試驗結(jié)果如圖1所示?？梢钥闯?，再生骨料取代率對混凝土抗壓強度影響顯著，再生混凝土抗壓強度總體上隨再生骨料取代率的增大而降低。與普通混凝土相比，粗骨料取代率100%時C20、C30混凝土抗壓強度分別降低27.5%和28.4%。但取代率50%時兩種再生混凝土強度均高于普通混凝土，分別高出7.2%和6.1%。

由于再生骨料本身的力學(xué)性能較普通骨料差，且吸水率高、孔隙率大，故再生混凝土抗壓強度一般低于普通混凝土。兩者之間的差異與再生骨料性質(zhì)、取代率、施工方法等有關(guān)。再生骨料取代率50%時的抗壓強度反而高于普通混凝土，這與肖建莊等[8]的試驗結(jié)果一致，究其原因可能是由于該取代率下再生骨料與天然粗骨料形成的骨料級配較好，提高了混凝土致密程度，進而改善了抗壓強度。

圖1 再生粗骨料取代率與混凝土抗壓強度的關(guān)系Fig 1 Relationship between replacement rate of recycled coarse aggregate and compressive strength of concrete

2.3 再生骨料混凝土破壞形態(tài)

再生骨料混凝土和普通混凝土的受壓破壞過程基本相似。隨著荷載的增大，試件中部位置先出現(xiàn)豎向裂縫，之后裂縫向上下延伸并逐漸變寬。荷載繼續(xù)增大時，由于上下承壓板的約束作用，試件中部出現(xiàn)外鼓，表面剝落，試件徹底破壞，破壞時再生混凝土和普通混凝土均呈正、倒相連的四角錐形態(tài)。從破壞面來看，再生混凝土和普通混凝土的破壞都基本發(fā)生在粗骨料和硬化水泥漿體之間的黏結(jié)面上，也有部分再生骨料本身的舊界面黏結(jié)破壞，但未出現(xiàn)天然骨料破壞情況。這主要是因為，一方面，不論天然粗骨料還是再生骨料中的原生粗骨料，其強度都高于硬化水泥石，而骨料與硬化水泥漿體間的界面區(qū)是混凝土中的薄弱環(huán)節(jié)，混凝土破壞多是界面區(qū)微裂紋的擴展和連通引起的。另一方面，本試驗混凝土強度級別較低，水灰比較大，硬化水泥石強度相對較低，壓力作用下混凝土內(nèi)的裂縫會沿著界面擴展并貫穿水泥漿體，不會出現(xiàn)劈開骨料的情況。

3 討論

3.1 再生骨料取代率對抗壓強度的影響

要改善再生骨料混凝土力學(xué)性能，擴大其應(yīng)用范圍與領(lǐng)域，首先需明確引起再生混凝土破壞的根源。再生骨料混凝土與普通混凝土的根本差異在再生骨料。盡管再生骨料物理、力學(xué)性能普遍不及普通骨料，但由圖1可知其摻量與混凝土抗壓強度的關(guān)系卻并非簡單的單調(diào)遞減關(guān)系。綜合國內(nèi)外關(guān)于再生骨料取代率與混凝土抗壓強度間關(guān)系的大量研究成果，可以發(fā)現(xiàn)存在三種情況：一是再生混凝土抗壓強度隨再生骨料取代率增大而降低，降幅在0～30%間不等，主要與再生骨料品質(zhì)及水灰比有關(guān)；二是再生骨料混凝土抗壓強度隨再生骨料取代率增大而提高，增幅一般較小，多在10%以內(nèi)；三是在一定取代率范圍內(nèi)再生骨料混凝土抗壓強度與普通混凝土基本相當(dāng)，超過該范圍后抗壓強度隨取代率增大而降低。多數(shù)研究認為，再生骨料表面粗糙、孔隙率大、吸水率高、壓碎值大且內(nèi)部含有微裂縫，其摻量越大，對混凝土強度越不利。此外，再生骨料與新漿體的接合面往往也是微裂紋的多發(fā)帶，是混凝土的最薄弱環(huán)節(jié)，這也是造成再生混凝土強度比普通混凝土低的重要原因。

從本文試驗結(jié)果看，當(dāng)再生骨料取代率不超過40%及超過60%時，混凝土抗壓強度都隨再生骨料取代率的增大而減小，這與大部分研究者所得結(jié)論一致。但當(dāng)再生骨料取代率在50%左右時，再生混凝土抗壓強度有明顯提高且高于普通混凝土，這可能是因為此時再生骨料與天然粗骨料形成了良好級配[8]，使混凝土致密程度有所增強，進而提高了抗壓強度。事實上，由于再生骨料具有孔隙率高、吸水性大的特點，在混凝土強度形成早期，再生骨料會吸收部分用于水泥水化的拌合水，造成混凝土有效水灰比降低，影響了水泥水化進程，進而影響抗壓強度，故再生骨料取代率越大，混凝土抗壓強度降低越明顯。但在混凝土強度形成后期，再生骨料會緩慢釋放吸收的水分，對混凝土產(chǎn)生類似“內(nèi)養(yǎng)護”的作用，促進水泥水化并強化再生骨料與漿體間的黏結(jié)[19]，對抗壓強度產(chǎn)生有利作用。此外，水泥顆粒還會進入再生骨料孔隙內(nèi)，其水化產(chǎn)物的填充作用會減小再生骨料孔隙率，加強新舊漿體間的黏結(jié)。因此，再生骨料取代天然骨料后，對混凝土抗壓強度的影響程度既與再生骨料本身的性質(zhì)有關(guān)，還與混凝土配合比、再生骨料與天然骨料形成的級配有關(guān)，當(dāng)水灰比、骨料級配等合理時，再生骨料混凝土抗壓強度很有可能高于普通混凝土，正如本試驗中50%取代率時抗壓強度反而更高一樣。

3.2 再生骨料混凝土微觀形貌

混凝土是一種自身結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜的多相、多孔、非均質(zhì)材料，其宏觀性能總是與其內(nèi)部微、細觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。本文借助電鏡掃描(SEM)觀察了再生骨料混凝土的微觀形貌，如圖2所示。明顯看出，新、舊漿體區(qū)內(nèi)水化產(chǎn)物的形貌基本相似，但舊漿體區(qū)存在多條微裂紋，而新漿體區(qū)并無微裂紋出現(xiàn)。舊漿體內(nèi)微裂紋主要是在再生骨料生產(chǎn)、加工過程中形成的，很難避免，只能通過改進加工工藝和對再生骨料進行強化來減少。舊漿體微裂紋的存在極大地弱化了再生骨料力學(xué)性能，也是造成再生骨料強度較低的主要原因之一。

a 舊漿體區(qū)

b 新漿體區(qū)圖2 再生混凝土SEM圖像Fig 2 SEM images of recycled aggregate concrete

3.3 再生骨料混凝土界面過渡區(qū)

混凝土是一種非均質(zhì)多相復(fù)合材料，骨料-砂漿間的界面過渡區(qū)(ITZ)是其中的薄弱環(huán)節(jié)，很大程度上決定著混凝土的力學(xué)性能。相比于普通混凝土，再生骨料混凝土的 ITZ 更為復(fù)雜，包括了再生骨料本身的舊骨料-舊漿體(I)、新漿體-舊漿體(II)、新骨料-新漿體(III)、舊骨料-新漿體(IV)這4種新、舊界面過渡區(qū)[20]，如圖3所示。研究顯示，再生骨料混凝土中新漿體水化產(chǎn)物與老混凝土表面連接較差[21]，舊漿體與新漿體界面處富集大量的氫氧化鈣和鈣礬石晶體，板狀結(jié)晶層與層之間摩擦較小[22]，這對再生骨料混凝土力學(xué)性能和耐久性能不利。

肖建莊等[8]研究表明，再生骨料混凝土的破壞基本上始于粗骨料和水泥凝膠體的黏結(jié)破壞。他對再生骨料混凝土微觀結(jié)構(gòu)和破壞機理的研究表明，再生骨料混凝土的薄弱區(qū)域為界面過渡區(qū)，新硬化水泥砂漿在其力學(xué)性能中起著決定性作用[23]。李文貴等[24]指出再生混凝土破壞過程中初始微裂縫先出現(xiàn)在新界面過渡區(qū)還是老界面過渡區(qū)，取決于兩者的相對力學(xué)性能。李婷[25]利用SEM對再生骨料混凝土界面過渡區(qū)微觀結(jié)構(gòu)進行觀察，發(fā)現(xiàn)再生骨料-新水泥砂漿界面黏結(jié)強度最低。Xiao等[26]基于納米壓痕技術(shù)發(fā)現(xiàn)新界面過渡區(qū)的模量僅為舊界面過渡區(qū)模量的70%～80%。還有研究人員認為再生集料-新水泥砂漿界面的黏結(jié)性能要優(yōu)于舊水泥砂漿-新水泥砂漿界面。因此，提高界面過渡區(qū)微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性質(zhì)是提高再生混凝土力學(xué)性能的重要途徑。

圖3 再生骨料混凝土的界面過渡區(qū)示意圖Fig 3 Interfacial transition zone of recycled aggregate concrete

3.4 再生骨料混凝土抗壓強度改善途徑

作為影響再生骨料混凝土性能的主要因素之一，再生骨料本身的性質(zhì)具有多樣性、變異性與離散型，它對混凝土強度的影響比普通骨料要復(fù)雜得多。學(xué)者們針對再生骨料與再生混凝土性質(zhì)間的關(guān)系開展了大量研究，普遍認為增大表面粗糙度、減少表面砂漿附著量、采用高性能原生混凝土等措施能提高再生骨料品質(zhì)，通過再生骨料預(yù)吸水、級配優(yōu)化和采用最優(yōu)取代率等有助于改善再生骨料混凝土綜合性能。Shi等[27]提出可采用機械研磨法、聚合物處理法、火山灰處理法、碳化處理法、酸處理法等對再生骨料進行強化處理。甘福等[28]通過采用物理、化學(xué)法對再生骨料進行改進強化，使再生骨料密度、吸水率、壓碎值等接近天然骨料。肖建莊等[29]研究表明通過人工級配調(diào)整來優(yōu)化再生骨料級配，不僅能提高其堆積密度、降低壓碎指標(biāo)，還能提高再生混凝土抗壓強度，降低抗壓強度標(biāo)準差和離散性。文獻[30-32]指出單摻或復(fù)摻粉煤灰、硅灰、礦渣等礦物摻合料可改善再生混凝土性能。文獻[33-35]還提出通過合理摻加纖維材料有助于改善再生骨料混凝土工作性能、力學(xué)性能和耐久性能。

4 結(jié)束語

再生骨料混凝土是節(jié)約資源能源和實現(xiàn)混凝土可持續(xù)發(fā)展的必然選擇，對其抗壓強度的研究有助于再生混凝土的性能優(yōu)化與應(yīng)用擴展。本文通過試驗研究了再生骨料取代率對混凝土抗壓性能的影響，結(jié)果表明再生骨料取代率對混凝土流動性和抗壓強度影響顯著。再生骨料取代率越大，混凝土流動性越小；混凝土抗壓強度整體上隨骨料取代率增大而降低，但當(dāng)取代率為50%時，再生骨料混凝土抗壓強度卻高于普通混凝土。通過對漿體區(qū)域微觀形貌的電鏡掃描分析可知，舊漿體區(qū)內(nèi)存在較多微裂紋，而新漿體區(qū)結(jié)構(gòu)更為致密均勻，舊漿體內(nèi)的微裂紋是造成再生混凝土抗壓強度較低的重要原因。提高再生骨料品質(zhì)、優(yōu)化再生骨料級配、改善界面過渡區(qū)微觀結(jié)構(gòu)是改善再生骨料混凝土抗壓強度的根本途徑。