RCA 強(qiáng)度對(duì)再生混凝土力學(xué)及變形的影響

崔 鵬

（1.甘肅路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司；2.公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)、材料及裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，甘肅 蘭州 730030）

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國建筑垃圾及拆卸廢棄物數(shù)量逐年增加，其中很大一部分廢棄物來自廢棄混凝土結(jié)構(gòu)[1-2]，至2020 年，我國建筑垃圾預(yù)計(jì)產(chǎn)生30億t，如此巨大的建筑垃圾將對(duì)自然生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重危害，而建筑垃圾的回收利用是解決生態(tài)問題的主要途徑[3]。此外，隨著我國公路建設(shè)的快速發(fā)展，道路工程中混凝土的大量使用，對(duì)天然集料的需求與我國環(huán)境保護(hù)的矛盾日益突出[4]。而將建筑垃圾替代部分天然骨料，制備再生混凝土，不僅可以回收建筑垃圾、節(jié)約資源，而且可以減少對(duì)天然集料的開采、保護(hù)環(huán)境[5]。

由于RCA 骨料自身強(qiáng)度低、吸水率高等缺陷，使得再生骨料混凝土的各項(xiàng)性能較天然混凝土低，這往往導(dǎo)致混凝土的物理、力學(xué)和耐久性性能下降[6-7]。因此，RCA 母體混凝土強(qiáng)度在再生混凝土性能起到至關(guān)重要的作用，以往的研究針對(duì)再生混凝土的力學(xué)性能、收縮及微觀機(jī)理等方面進(jìn)行了大量研究[8-10]，但多數(shù)的研究只局限于再生混凝土的短期性能，針對(duì)其長期力學(xué)性能等方面鮮有研究[11-12]。且對(duì)RCA 母體混凝土強(qiáng)度對(duì)再生混凝土力學(xué)及變形的影響研究也較少。因此，針對(duì)RCA 母體混凝土強(qiáng)度對(duì)再生混凝土力學(xué)及變形進(jìn)行了系統(tǒng)性研究，通過不同強(qiáng)度RCA 對(duì)再生混凝土抗壓強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度、彈性模量、收縮及徐變等方面的研究分析，以期對(duì)再生骨料的應(yīng)用上提供指導(dǎo)和借鑒。

1 原材料及試驗(yàn)方案

1.1 原材料

水泥采用普通硅酸鹽水泥，比表面積為324m2/kg，比重為3.150g/cm3，其主要化學(xué)成分見表1。天然集料采用玄武巖破碎集料，其最大公稱粒徑為19mm，表觀密度為2.62g/cm3，吸水率為2.0%；細(xì)集料材料公稱粒徑為2mm 的天然砂，表觀密度為2.70g/cm3，吸水率為0.4%，細(xì)度模數(shù)為2.3。

表1 普通硅酸鹽水泥化學(xué)成分

為了獲取不同強(qiáng)度的再生骨料，制備C20 和C50 兩種強(qiáng)度的混凝土并養(yǎng)生90d，然后采用集料破碎方式制備再生混凝土骨料，記為RCA-20 和RCA-50，其比重分別為2.16 g/cm3和2.36 g/cm3，吸水率分別為6.8%和5.5%。為了與天然集料進(jìn)行對(duì)比研究，采用逐級(jí)篩分的方式，確保RCA 級(jí)配與天然集料一致。

1.2 再生水泥混凝土制備

采用兩種RCA 等質(zhì)量替代天然集料，RCA 摻量為50%，不同再生水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)方案其結(jié)果見表2。

表2 再生混凝土配合比設(shè)計(jì)方案

從表2 中可以看出，通過對(duì)再生混凝土坍落度和密度進(jìn)行測(cè)試，基準(zhǔn)混凝土的坍落度為130mm，而再生混凝土的坍落度都為115mm，表明RCA 可降低再生混凝土的流動(dòng)性；此外，不管是現(xiàn)澆密度還是硬化密度，基準(zhǔn)混凝土都高于兩種再生混凝土，這主要是由于再生骨料顆粒棱角多、表面粗糙，且組分中含有硬化的水泥砂漿導(dǎo)致表觀密度低，這些使得再生混凝土流動(dòng)性降低、密度也低于普通混凝土[13-15]。

所有混凝土試件成型后在標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)以備待測(cè)，制備完成后對(duì)不同水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、彈性模量以及變形進(jìn)行測(cè)試，其主要測(cè)試方法參照規(guī)范進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 再生水泥混凝土強(qiáng)度分析

圖1 所示為再生混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果。

圖1 再生混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

圖1（a）所示為再生混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，從圖中可以看出，相同齡期下，RCA-20 再生混凝土的抗壓強(qiáng)度最低，RCA-50 再生混凝土前期強(qiáng)度略低于基準(zhǔn)混凝土，而90d 以后，其強(qiáng)度與再生混凝土強(qiáng)度相似。隨著齡期的增長，所有混凝土的抗壓強(qiáng)度都逐漸增加，基準(zhǔn)混凝土前期（28d 前）強(qiáng)度增長較快，28d 以后，其抗壓強(qiáng)度隨齡期的增加略有增長；而再生混凝土抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加而快速增長，且在后期養(yǎng)護(hù)過程中，其強(qiáng)度增長速率略高于基準(zhǔn)混凝土，RCA 母體混凝土對(duì)再生混凝土強(qiáng)度的影響較大，母體混凝土強(qiáng)度越大，其再生混凝土的強(qiáng)度也越大。

圖1（b）所示為再生混凝土抗折強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，從圖中可以看出，三種混凝土的抗折強(qiáng)度隨齡期的增加略有增加。三種混凝土中，RCA-20 再生混凝土的抗折強(qiáng)度最低，RCA-50 與基準(zhǔn)混凝土的抗折強(qiáng)度相近，兩者顯著高于RCA-20 再生混凝土，表明RCA 母體混凝土強(qiáng)度對(duì)再生混凝土抗折強(qiáng)度起到至關(guān)重要的作用。

2.2 再生水泥混凝土彈性模量分析

圖2 所示為再生水泥混凝土彈性模量測(cè)試結(jié)果。

圖2 再生混凝土彈性模量測(cè)試結(jié)果

從圖2 中可以看出，與再生混凝土強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果相似，RCA-20 再生混凝土的彈性模量最差，且隨著齡期的增加，其彈性模量增長率較低，28d 時(shí)再生混凝土的彈性模量為26.7GPa，至180d 時(shí)，其彈性模量為28.1GPa，增長了5.2%。RCA-50 再生混凝土和基準(zhǔn)混凝土的彈性模量顯著高于RCA-20 再生混凝土，且前期基準(zhǔn)混凝土的彈性模量略高于RCA-50，后期兩者彈性模量基本保持一致，這與前述再生混凝土的強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果一致，表明高強(qiáng)度再生混凝土骨料可制備與天然集料性能相似的混凝土。

2.3 干縮性能分析

為研究不同再生混凝土的干縮性能，對(duì)基準(zhǔn)混凝土、RCA-20 和RCA-50 再生混凝土的干縮性能進(jìn)行測(cè)試，其結(jié)果如圖3 所示。

圖3 再生混凝土干縮性能測(cè)試結(jié)果

從圖3 中可以看出，三種再生混凝土的干縮性能表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，即隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，前期再生混凝土干縮應(yīng)變均較大，后期（90d 以后）其收縮應(yīng)變?cè)鲩L速率減緩。三種混凝土中，RCA-20 再生混凝土的干縮應(yīng)變最大，90d 后的干縮應(yīng)變是基準(zhǔn)混凝土的55%以上；RCA-50 與基準(zhǔn)混凝土的干縮應(yīng)變變化趨勢(shì)接近，其值略高于基準(zhǔn)混凝土的干縮應(yīng)變，進(jìn)一步說明再生骨料母體混凝土強(qiáng)度越高，所制備再生混凝土的性能也就越好。

2.4 徐變性能分析

圖4 所示為不同齡期下再生混凝土徐變系數(shù)的測(cè)試結(jié)果，其中徐變系數(shù)定義為最大徐變應(yīng)變與彈性應(yīng)變的比值，該系數(shù)是估算持續(xù)荷載作用下的水泥混凝土結(jié)構(gòu)的撓度的重要參數(shù)。

圖4 再生混凝土徐變系數(shù)隨時(shí)間的變化

從圖4 中可以看出，同前述強(qiáng)度等測(cè)試結(jié)果一致，三種再生混凝土中RAC-20 再生混凝土的徐變系數(shù)最大，在相同養(yǎng)護(hù)齡期下，含有降低強(qiáng)度再生骨料的混凝土的徐變系數(shù)顯著高于其他兩種混凝土。與前述性能測(cè)試結(jié)果不同的是，RCA-50 再生混凝土的徐變系數(shù)略低于基準(zhǔn)混凝土，表明其性能略優(yōu)于基準(zhǔn)混凝土，再次證明了采用強(qiáng)度較高的再生骨料可制備與天然集料性能相似的水泥混凝土。

2.5 再生混凝土微觀機(jī)理分析

因再生骨料復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，使得其制備的再生混凝土也存在復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，主要包括再生骨料與新砂漿界面區(qū)、舊砂漿與新砂漿接觸面、再生骨料與舊砂漿界面區(qū)、新骨料與新砂漿界面區(qū)等，如圖5所示，其中ITZ 指再生混凝土集料與砂漿界面過渡區(qū)。這些復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)使得再生混凝土內(nèi)部存在多個(gè)薄弱區(qū)，如再生骨料與新砂漿界面區(qū)、舊砂漿與新砂漿接觸面、再生骨料與舊砂漿界面區(qū)，在外力的作用下，這些薄弱區(qū)率先產(chǎn)生微觀缺陷，使得混凝土的力學(xué)性能和耐久性下降。

圖5 再生混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)

采用掃描電鏡（SEM）對(duì)不同RCA 表面形貌進(jìn)行觀測(cè)，其結(jié)果如圖6 所示。從圖中可以看出，低強(qiáng)度RCA 表面具有較多的孔洞和裂縫結(jié)構(gòu)，而高強(qiáng)度RCA 的孔洞數(shù)量和裂縫明顯較少，使得高強(qiáng)度RCA再生混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實(shí)性明顯得到改善。此外，由于高強(qiáng)度表面砂漿層的強(qiáng)度也較高，其抵抗外部荷載的能力強(qiáng)于低強(qiáng)度RCA 再生混凝土。因此，采用高強(qiáng)度RCA 制備的再生混凝土其抗壓強(qiáng)度、彈性模量及變形性能顯著優(yōu)于低強(qiáng)度RCA 制備的再生混凝土。

圖6 再生骨料表面微觀結(jié)構(gòu)

3 結(jié)語

本文針對(duì)RCA 母體強(qiáng)度對(duì)再生混凝土力學(xué)與變形性能的影響進(jìn)行研究，其中主要包括再生混凝土抗壓、抗折強(qiáng)度、彈性模量及變形性能，得到如下結(jié)論：

（1）RCA 母體混凝土強(qiáng)度越高，所制備再生混凝土的性能越好，其抗壓、抗折強(qiáng)度和彈性模量越高，抗變形能力也越好。

（2）再生骨料整個(gè)齡期內(nèi)的抗壓強(qiáng)度呈明顯遞增的趨勢(shì)，且后期強(qiáng)度的增長趨勢(shì)顯著高于基準(zhǔn)混凝土，RCA-50 再生混凝土前期強(qiáng)度和彈性模量略低于基準(zhǔn)混凝土，但其后期的強(qiáng)度和彈性模量與基準(zhǔn)混凝土相似。

（3）再生混凝土的變形測(cè)試結(jié)果表明，采用高強(qiáng)度的再生骨料可制備與天然骨料變形性能相似的混凝土。

（4）針對(duì)再生混凝土微觀機(jī)理分析結(jié)果表明，再生骨料強(qiáng)度越高，其微觀表面缺陷越少、砂漿強(qiáng)度也越高，所制備的再生混凝土性能也越好。