再生粗骨料配制普通混凝土的研究

張冠軍

廢棄混凝土在普通混凝土中的再生利用是一項(xiàng)亟待深入研究的課題。在廢棄混凝土塊中往往含有大量砂石骨料，若能將它們充分回收，并經(jīng)破碎、清洗、分級等精細(xì)加工，作為骨料用于生產(chǎn)普通混凝土，不僅可降低生產(chǎn)成本、節(jié)省天然砂石骨料資源、緩解骨料供需矛盾，而且可保護(hù)骨料產(chǎn)地的生態(tài)環(huán)境，解決城市拆遷過程中廢棄混凝土的堆放占地和環(huán)境污染等問題，實(shí)現(xiàn)普通混凝土的循環(huán)再利用。廢棄混凝土的循環(huán)再利用，是發(fā)展綠色混凝土的主要措施之一，具有十分顯著的社會效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。

再生粗骨料混凝土是指以再生粗骨料部分或全部取代天然粗骨料的混凝土，若全部采用再生粗骨料取代天然粗骨料，會對混凝土性能產(chǎn)生較大影響。一般對于粗骨料，多采用不同的取代率，細(xì)骨料則全部采用普通砂來配制混凝土。本文分別采用比例為0%、20%、40%、60%、80%、100%的再生粗骨料取代天然石灰石骨料，觀察分析不同再生粗骨料取代率對C40混凝土工作性能、力學(xué)性能及耐久性能的影響。

1 試驗(yàn)用原材料

1.1 水泥

選用P·O42.5水泥，其物理性能見表1。

表1 P·O42.5水泥物理性能

1.2 粉煤灰

選用電廠Ⅰ級粉煤灰，比表面積為320kg/m2，45μm篩篩余為12.5%，粉煤灰技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 粉煤灰技術(shù)指標(biāo)，%

1.3 礦渣粉

選用S95級礦渣粉，其物理性能指標(biāo)見表3。

表3 礦渣粉物理性能指標(biāo)

1.4 細(xì)骨料

機(jī)制砂，物理性能見表4，累計篩余見表5。

表4 機(jī)制砂物理性能

表5 細(xì)骨料累計篩余，%

1.5 粗骨料

（1）普通石灰石：5～25mm連續(xù)碎石。

（2）再生粗骨料：5～25mm連續(xù)再生粗骨料，二級再生粗骨料，物理性能見表6。

表6 再生粗骨料物理性能

1.6 外加劑

采用高效萘系減水劑。

1.7 拌合水

采用自來水拌合。

2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)設(shè)計根據(jù)C40普通混凝土生產(chǎn)配比，分別用0%、20%、40%、60%、80%、100%的再生粗骨料取代天然石灰石骨料，C40再生粗骨料混凝土砂率為45%，外加劑摻量為2.7%，通過調(diào)整用水量，控制出攪拌機(jī)初始坍落度＞200mm，具體試驗(yàn)配比見表7，試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表7 再生粗骨料混凝土試驗(yàn)配合比

表8 再生粗骨料混凝土試驗(yàn)結(jié)果

2.1 不同比例再生粗骨料對混凝土需水量的影響

試驗(yàn)通過調(diào)整用水量，控制混凝土出攪拌機(jī)的初始坍落度＞200mm，研究利用不同比例再生粗骨料取代普通石灰石后，再生混凝土需水量的變化。不同比例再生粗骨料取代石灰石后，混凝土需水量變化結(jié)果如圖1所示。

由圖1可以看出，C40混凝土需水量隨再生粗骨料取代比例的增加而逐漸增加。當(dāng)再生粗骨料取代比例增加至40%時，相對空白C40混凝土試樣（不含再生粗骨料）需水量增加了3%；當(dāng)用再生粗骨料完全取代石灰石骨料時，相對空白試樣需水量則增加了9%。再生粗骨料表面粗糙、顆粒棱角多、組分中含有硬化水泥砂漿，且破碎過程中內(nèi)部有大量裂紋，導(dǎo)致再生骨料空隙率大、吸水率高，用水量較天然骨料混凝土高。同時，在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，隨著膠凝材料用量的增加，需水量增幅有所減小。

圖1 再生粗骨料取代比例對混凝土需水量影響曲線

2.2 不同比例再生粗骨料對混凝土強(qiáng)度的影響

利用不同比例再生粗骨料取代石灰石骨料，配制的C40混凝土強(qiáng)度變化曲線如圖2所示。

由圖2可以看出，C40混凝土7d、28d、56d強(qiáng)度均隨再生粗骨料取代比例增加而逐漸降低。用40%再生粗骨料取代天然石灰石骨料，C40混凝土7d、28d抗壓強(qiáng)度相對空白試樣強(qiáng)度分別降低了6%、2%，但是56d抗壓強(qiáng)度反而略高于空白試樣。用再生粗骨料完全取代天然骨料時，7d、28d、56d抗壓強(qiáng)度相對空白試樣分別降低31%、19%、24%。

圖2 C40混凝土各齡期強(qiáng)度隨再生粗骨料取代比例增加的變化曲線

由表8可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)再生粗骨料取代天然石灰石骨料比例達(dá)到60%時，C40混凝土強(qiáng)度雖有所下降，但仍能達(dá)到應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)要求?？紤]到再生粗骨料取代石灰石骨料對混凝土強(qiáng)度的影響，再生粗骨料取代比例應(yīng)以≯40%為宜，最高≯60%。

2.3 不同比例再生粗骨料對混凝土工作性能的影響

再生粗骨料表面粗糙，且附有硬化水泥砂漿等高吸水率材料，因此用再生粗骨料配制的混凝土坍落度均會有不同程度的損失。用不同比例的再生粗骨料取代石灰石骨料，配制的C40混凝土坍落度損失如圖3所示。

圖3 摻加不同比例再生骨料的C40混凝土坍落度損失對比

由圖3可以看出，隨著再生粗骨料取代比例的增加，C40混凝土40min坍落度損失逐漸增大。在初始坍落度達(dá)到210mm的前提下，摻加40%再生粗骨料的C40混凝土40min坍落度降低至180mm，而用再生粗骨料完全取代石灰石骨料的C40混凝土40min坍落度為80mm，坍落度大幅降低。

由表3可以發(fā)現(xiàn)，在再生粗骨料取代比例達(dá)到60%時，坍落度為170mm，仍可滿足施工標(biāo)準(zhǔn)，但混凝土粘度太大。考慮到摻加再生粗骨料后C40混凝土的坍落度的變化情況，再生粗骨料取代比例應(yīng)以≯40%為宜，最大取代比例≯60%。

2.4 不同比例再生粗骨料對混凝土收縮性能的影響

混凝土干燥收縮是指混凝土停止正常標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后，在不飽和的空氣中失去內(nèi)部毛細(xì)孔和凝膠孔的吸附水而發(fā)生的不可逆收縮?；炷恋母稍锸湛s，本質(zhì)上是水化相的收縮，骨料及未水化膠凝材料則起到約束收縮的作用。因此，在一定齡期下，水化相的數(shù)量及其微觀孔隙結(jié)構(gòu)決定了混凝土收縮率的大小。

由于再生粗骨料有較高的吸水特征，再生混凝土收縮變形相對更為顯著，再生粗骨料混凝土收縮率隨再生粗骨料摻加量的變化而有所不同。本節(jié)試驗(yàn)在控制再生骨料混凝土出攪拌機(jī)初始坍落度＞210mm的前提下，調(diào)整需水量，分析不同取代比例的再生粗骨料對C40混凝土的不同齡期收縮率的影響。

分別用0%、20%、40%、60%、80%、100%的再生粗骨料取代石灰石骨料，配制C40混凝土，其各齡期收縮率分別如圖4所示。

由圖4可以看出，隨著再生粗骨料取代天然石灰石骨料比例的增加，混凝土早期（7d、14d、28d）收縮率先降低后增加，但是后期（45d、56d、90d）收縮率均隨之大幅度增加。當(dāng)用再生粗骨料取代40%天然石灰石骨料時，C40混凝土相對空白試樣28d收縮率減少了7%，但90d收縮率增加了22%。當(dāng)用再生粗骨料完全取代天然石灰石骨料時，C40混凝土相對空白試樣28d收縮率增加了13%，90d收縮率增加了34%。

圖4 C40混凝土各齡期收縮率隨不同比例再生粗骨料變化曲線

綜合比較不同比例再生粗骨料對C40混凝土不同齡期收縮率的影響可知，由于再生粗骨料吸水量較大，在拌制混凝土?xí)r需加入更多的拌合水，導(dǎo)致?lián)郊釉偕止橇系幕炷恋脑缙谑湛s變化較小，后期收縮增長較快。再生粗骨料的彈性模量低于天然碎石骨料，也會使摻加再生粗骨料的混凝土的收縮率高于普通混凝土。

2.5 不同比例再生粗骨料對混凝土抗?jié)B性能的影響

混凝土的抗?jié)B性是指其抵抗水、油等液體或氣體在壓力作用下的滲透性能?；炷恋目?jié)B性主要是由混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)和孔隙連通性決定的。混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的孔隙率越低、毛細(xì)孔直徑越小，則抗?jié)B性越好；毛細(xì)孔連通性越差，抗?jié)B性越好?；炷恋目?jié)B性能還與水膠比、摻合料、外加劑、骨料級配、養(yǎng)護(hù)措施等有關(guān)。

利用不同比例再生粗骨料取代天然石灰石骨料，因需水量增加，一定程度上會增加硬化體孔隙率，導(dǎo)致混凝土抗?jié)B性能下降。本節(jié)試驗(yàn)在保證混凝土工作性能的前提下，通過調(diào)整需水量配制C40混凝土，并分析不同比例的再生粗骨料對混凝土抗?jié)B性能的影響。

分別用0%、20%、40%、60%、80%、100%的再生粗骨料取代石灰石骨料，配制的C40混凝土的滲透高度曲線如圖5所示。

圖5 混凝土滲透高度隨再生粗骨料取代比例變化曲線

由圖5可以看出，C40混凝土滲透高度均隨再生粗骨料取代比例的增加而增加。未摻加再生粗骨料的C40混凝土滲透高度為8mm；當(dāng)取代比例增加至40%時，滲透高度增加至11mm；當(dāng)取代比例增加至100%時，滲透高度則增加至17mm。由圖5還可以看出，當(dāng)再生粗骨料取代比例＜40%時，混凝土滲透高度增加幅度較小，但是當(dāng)取代比例增加至60%時，混凝土滲透高度增加幅度較為顯著。

由不同比例的再生粗骨料對C40混凝土的抗?jié)B性能的影響分析可以得出，摻加再生粗骨料會降低混凝土的致密度，增加孔隙率，使混凝土抗?jié)B性能有所降低，其取代比例應(yīng)以≯40%為宜。

2.6 不同比例再生粗骨料對混凝土抗凍性能的影響

混凝土是由硬化的水泥漿體和骨料組成的含毛細(xì)孔的復(fù)合材料，為了滿足澆筑混凝土的和易性要求，其拌合水量多于水泥水化所需的水量。多余的水滯留在混凝土中，形成占有一定體積的連通毛細(xì)孔。在混凝土處于負(fù)溫時，其內(nèi)部孔隙中的水分將發(fā)生從液相到固相的轉(zhuǎn)變，體積增大，液相固相循環(huán)變化，破壞混凝土結(jié)構(gòu)。

混凝土的抗凍性能是混凝土耐久性能的重要衡量指標(biāo)，建筑物凍融破壞是致其老化破壞的重要原因，嚴(yán)重影響建筑物的使用壽命和使用安全。為使受凍融損壞的工程繼續(xù)安全使用，需耗費(fèi)巨額費(fèi)用進(jìn)行維修。影響混凝土抗凍性的主要因素有水膠比、外加劑、礦物摻合料、骨料類型等，再生粗骨料作為骨料應(yīng)用于混凝土中，研究不同比例再生粗骨料對混凝土抗凍性能的影響非常必要。

分別用0%、20%、40%、60%、80%、100%的再生粗骨料取代石灰石骨料，配制C40混凝土，分別進(jìn)行50次和100次凍融循環(huán)試驗(yàn)，測試其質(zhì)量損失和強(qiáng)度損失，試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

由表9可以看出，隨著摻加再生粗骨料比例的增加，C40混凝土經(jīng)50次、100次凍融循環(huán)后，質(zhì)量損失和強(qiáng)度損失均逐漸增大，但是質(zhì)量損失較小，均＜2%。當(dāng)C40空白試樣經(jīng)50次、100次凍融循環(huán)后，強(qiáng)度損失分別為7.1%和15.6%；當(dāng)再生粗骨料取代比例增加至40%時，50次、100次凍融循環(huán)后的C40試樣強(qiáng)度損失分別為7.1%和15.6%；當(dāng)再生粗骨料完全取代天然石灰石骨料時，50次、100次凍融循環(huán)后的C40試樣強(qiáng)度損失分別為8.9%和21.7%。

表9 摻加不同比例再生粗骨料混凝土凍融試驗(yàn)結(jié)果

由不同比例再生粗骨料取代天然石灰石骨料，對C40混凝土抗凍性能影響的試驗(yàn)可知，摻加再生粗骨料混凝土因需水量較大、內(nèi)部孔隙較多、毛細(xì)孔內(nèi)自由水較多，在負(fù)溫條件下，膨脹壓力和滲透壓較高，會使混凝土的抗凍性能有所降低。

2.7 再生骨料混凝土微觀結(jié)構(gòu)分析

以C40混凝土為例，分析再生骨料混凝土和天然骨料混凝土水化后的微觀結(jié)構(gòu)。配制的再生骨料混凝土和天然骨料混凝土采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后取出，在自然環(huán)境中靜置1d，切割成50mm×50mm×5mm的長方體切片。樣品應(yīng)包括骨料與水泥石的界面，用無水酒精將切片浸泡3d，終止其水化，70℃下干燥至恒重。

由圖6可以看出，天然骨料與水泥石間存在裂紋，水泥石內(nèi)還存在孔隙或孔洞；球狀粉煤灰填充在水泥水化產(chǎn)物之間，界面過渡區(qū)含有較少量針片狀Ca（OH）2晶體，富集且定向排列；硬化體結(jié)構(gòu)整體較為致密，水化產(chǎn)物被致密C-S-H凝膠覆蓋，孔隙率較低。

圖6 天然骨料C40混凝土微觀結(jié)構(gòu)

由圖7可以看出，再生骨料與水泥石間存在裂紋，裂縫較大，裂紋往往沿骨料邊緣向水泥石基體發(fā)展。水泥石內(nèi)存在孔隙或孔洞，球狀粉煤灰填充在水泥水化產(chǎn)物之間，未參加反應(yīng)的粉煤灰的量增多。界面過渡區(qū)也含有較少量針片狀Ca（OH）2晶體，富集且定向排列。

圖7 再生骨料C40混凝土微觀結(jié)構(gòu)

綜上分析可知，再生骨料混凝土存在天然骨料、新水泥石、舊水泥石、天然骨料與舊砂石界面、新舊水泥石界面等多相，這些界面相對水泥漿體和骨料本身都是相對薄弱的環(huán)節(jié)。

3 結(jié)語

綜合再生粗骨料混凝土強(qiáng)度、工作性能、收縮性能、抗?jié)B性能及抗凍性能的分析可知，混凝土需水量隨著再生粗骨料取代比例的增加而逐漸增加；混凝土各齡期強(qiáng)度隨著再生粗骨料取代比例的增加逐漸降低，但是在取代比例＜40%時，強(qiáng)度降低幅度較??；再生粗骨料混凝土早期收縮率較低，但是后期收縮率增加較快；滲透高度則隨取代比例增加而逐漸增加，在取代比例＜40%時，滲透高度增幅較小?；炷量箖龅燃壘綟100。

再生骨料與水泥石基體之間存在明顯的裂縫，界面過渡區(qū)含有較少量針片狀Ca（OH）2，富集且定向排列。骨料與水泥石間存在裂紋，裂縫較大，裂紋往往沿骨料邊緣向水泥石基體發(fā)展。水泥石內(nèi)還存在一些孔隙或孔洞，球狀粉煤灰填充在水泥水化產(chǎn)物之間，未參加反應(yīng)的粉煤灰的量增多。這些均是造成混凝土需水量增加的重要原因。

綜上可知，再生粗骨料取代比例應(yīng)以≯40%為宜，最大取代比例≯60%。