再生細骨料自密實混凝土性能研究

葉強 劉柯琦

1. 江蘇蘇博特新材料股份有限公司 江蘇 南京 210000；2. 江蘇省建筑科學研究院有限公司/高性能土木工程材料國家重點實驗室 江蘇 南京 210000

引言

因為自制混凝土較好的施工和填充功能在建筑中普遍的應(yīng)用，所以大量的減水物質(zhì)、低水膠、高膠凝材料和礦物摻和料的加入也帶來了一系列不可忽視的問題。通過近幾十年來我國土地資源的開發(fā)利用，土地資源數(shù)量明顯減少，部分區(qū)域面臨資源枯竭、能源消耗、采礦運輸成本大，對環(huán)保損害巨大等問題。而且，隨著中國城市化建設(shè)和老城區(qū)改建的迅速進展，中國城市年均產(chǎn)生了大約十八億噸建筑廢棄物，占據(jù)了城市廢棄物量的30%～50%。巨大的垃圾混凝土不但浪費大量珍貴的土地，而且也帶來了環(huán)保和社會問題。而再生骨材水泥的使用不但能夠節(jié)省城市垃圾處置成本，降低環(huán)境污染和破壞，同時還能夠降低對自然砂石的再利用，緩解自然骨料的供應(yīng)日益緊張，從而實現(xiàn)中國建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。但是，由于再生細骨材有很大的吸水性，因此它也可以用作內(nèi)部材料密實混凝土的理論維護，以克服密實混凝土本身的收縮問題。目前的研究表明，回收的細廢料會降低普通水泥的熱力學性能和耐久性，以及增加了普通水泥的熱收縮率等。而普通水泥的劈裂抗拉強度、彈性模量、耐腐蝕性、防碳化性能，以及對氯化物離子滲透性等都不如水灰比相同的普通水泥。但是，也有些研究人員指出，工程上再生細骨料混凝土的滲透性能比天然骨料混凝土強，但由于再生細骨材替代量的增加，滲透特性有所改善。調(diào)查了部分再生細骨材取代天然水泥配制的水泥力學性能，結(jié)果顯示，再生細骨材對水泥的動力學特性沒有影響。當再生細骨料替代率低于30%時，混凝土的動力學特性研究表明，在凍融條件下，由于再生細骨料替代率的提高，再生混凝土的質(zhì)量賠償度逐漸提高，但由于彈性模量動剛度明顯降低，回收的細骨料會逐漸變得不耐寒。結(jié)果表明，再生細骨料的干濕形態(tài)對混凝土的抗寒性有較大影響。

綜上所述，目前還不能對可再生細骨料和密實水泥材料的結(jié)構(gòu)特性展開系統(tǒng)研究。本章內(nèi)容應(yīng)系統(tǒng)全面地檢查再生細骨料摻量和預飽和時間，對新拌和硬化的自密實混凝土工作特點、基本物理和機械特征及其耐久性的影響，為再生細骨料在自密實混凝土中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

試驗的主體材料包括：水泥、粉煤灰、減水劑、天然粗、細骨材。水泥采用PS32.5礦渣硅酸鹽水泥，粉煤灰用二級粉煤灰，攪拌方法直接使用就近河水。粗骨材粒徑約為4.75～20mm，而天然粗骨材則為碎巖，在飽和作用下的吸附效果約為百分之零點五八[1]。

1.2 試驗設(shè)計

本文研究了三種不同的取代率（25%、50%、75%）、三種不同的飽和水預處理時間（0、2、24h）、水灰比（0.28）對表面干飽和度的影響。見表1。

表1 自密實混凝土配合比

1.3 試驗方法

實驗全過程操作按照國家規(guī)定的制度規(guī)范進行。

1.4 試驗結(jié)果

1.4.1 表2顯示了再生細骨料的置換率和飽和時間對再生密實混凝土性能的影響。試驗結(jié)果表明，再生細骨料本身降低了密實混凝土的可靠性。隨著再生細骨料替代率的提高，Y型膨脹環(huán)的膨脹率下降，T500型膨脹環(huán)的膨脹率增加。這主要是因為再生細集料具有多角度和粗糙的質(zhì)地，它增加摩擦，減少流量。此外，再生細填料的孔隙率高，增加了孔隙中的水和粘土填充，從而減少了充油水泥層的厚度，容易導致更大的下降。當再生細集料置換率從0%提高到75%時，膨脹率下降37mm，J環(huán)膨脹率下降28mm，T500提高3.81s。再生自密實細骨料混凝土的工作性也受飽和時間的影響。飽和期延長后，混凝土的可靠性逐漸降低。灌溉前，飽和水的膨脹小于10m；J型環(huán)比不飽和水預浸膨脹小6mm，T500增加0.33s，飽和水預浸膨脹比不飽和水預浸膨脹小19mm，預飽和水越少，J型環(huán)比預飽和水小9mm，T500增加0.55秒。飽和時間對工作性能的影響主要是由加水引起的。為了保證混凝土水灰比的一致性，應(yīng)增加水灰比，使再生細集料達到飽和表面干燥狀態(tài)。過多的水在攪拌過程中不能充分吸收，從而提高了水泥的實際有效水灰比，提高了水泥的加工性。雖然再生細骨料的工作性較差，但是，根據(jù)《自密實混凝土使用技術(shù)規(guī)范》（jgjt283-2012），它滿足SF2的要求，可用于一般鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)[2]。

表2 自密實混凝土工作性

1.4.2 再生自密實混凝土強度。耐壓性能是評價混凝土動力學特性的主要指標。因此再生水泥在建筑結(jié)構(gòu)中的使用也應(yīng)當符合強度要求。研究表示了置換量和預濕時間對再生骨料自密實水泥耐壓性能的影響。當再生細骨料取代比為25%、50%和第75%時，28d再生自密實砼的耐壓性能就依次相較于自密實砼降低了6.5%、11.2%和14.6%。盡管壓實率正常，但五十六d的耐壓性能僅為2.7%、5.4%和9.7%。就這樣，由于水化過程的進行，從水分中汲取的干再生細材逐漸釋放，并在里面愈合，從而增加了混凝土水化水平，并可以恢復對水泥的壓力。另外，它還補償了干再生細骨材特性差帶來的強度損失。如采用了干再生細材，則水泥強度就會下降。這主要由于在拌和過程中必須加入了更多的水泥，這樣就有效地增加了水灰比，從而降低了混凝土的耐壓性能。當細骨材飽和二小時之后，混凝土的抗拉強度與自密實混凝土和飽和細骨材相當。而干再生細材的吸水性能應(yīng)在24小時內(nèi)超過90%。再生細骨材對密實混凝土的年28天壓縮力都超過了50個MPa，而五十六天的耐壓性能也都低于了65MPa。在不同替代速率和飽和時期內(nèi)的可再生細集材顆粒，對其抗彎強度和劈裂強度的影響隨著可再生細骨材替換速率的增加，混凝土的抗折強度和劈裂強度降低。但盡管如此，再生細集料對耐壓性能的影響卻要大于對扭轉(zhuǎn)強度和劈裂強度的影響。當再生細骨材替代率為0%～75%時，在28天內(nèi)，再生細自密實混凝土的抗折硬度只下降了0.6MPa，而劈裂硬度則為0.9MPa。所以，在28日內(nèi)。再生細骨料對混凝土的抗折硬度和劈裂硬度影響都不大。除去內(nèi)部處理以外，再生細集材的表面粗糙度也可能與之相關(guān)。再生細骨材對自密實混凝土28天后的抗折強度約為7.6～8.2MPa，其最大爆炸抗拉強度約為4.2～5.1MPa。由再生細骨材對自定砼的耐壓性能、抗折強度和斷裂強度之間的比值，表明了再生細骨材的耐壓性能、抗折強度和斷裂強度之間存在著線性關(guān)系。

1.4.3 再生自密實混凝土抗凍融性能。在中國北部嚴寒地帶，凍融循環(huán)也是產(chǎn)生水泥劣變的主要原因之一。再生細骨料活性取代率越高，自密實水泥的耐凍融特性就越差。對替代比為75%的自密實砼材料，經(jīng)二百多次凍融循環(huán)后，其動態(tài)模量仍維持在80%以下，超過了凍融循環(huán)破壞的要求（60%）。因此，再生自密實砼細骨材仍具備較高的耐凍融特性。但由于動態(tài)相對模量不同，再生細骨料砼的品質(zhì)損失隨著再生細骨料摻雜率的提高而降低。

2 上述趨勢的主要因素可能為

在進行了多次冷融循環(huán)之后，由于混凝土產(chǎn)生了連續(xù)的內(nèi)部損傷裂紋，其相對動彈性模量減少。由于可再生細骨料取代量的提高，抗壓混凝土本身的壓強也減小。

由于再生細骨材的超高吸水率，水分隨著凍融所形成的裂隙流到混凝土，從而被再生細骨材完全吸收，所以再生細骨料混凝土在表面上凝結(jié)了更多的水分和更少的砂漿。這樣，可再生細骨料水泥的質(zhì)量變化就隨著可再生細骨材匯率的提高而降低。隨著再生細骨料含水率的提高，水泥的抗凍性能也逐步下降，而干燥再生細骨料水泥的抗凍性能，甚至超過了再生細骨料的自制水泥。因為再生細骨料中存在著巨大的空隙，能夠在水泥中發(fā)揮“進氣”的功能，從而改善了水泥的抗凍性能。但是，由于在預聯(lián)網(wǎng)后，從再生細骨料的一些孔洞中吸入了水氣，造成無水氣孔數(shù)量下降，對“充氣”的影響減弱，混凝土的抗凍性能也減弱了。同時，混凝土中干再生細骨料的吸水性改善了骨料與水泥石之間的界面結(jié)構(gòu)，提高了混凝土的抗凍性[3]。

3 實驗結(jié)論

在檢查對再生細混凝土替代率和飽和前再生密實混凝土特性的影響時，主要結(jié)論如下：

再生細骨料可能會降低新拌混凝土的可靠性，但如果再生細骨料含量為75%，則仍可滿足SF2的要求，并可用于普通混凝土。

隨著細骨料再生總量的增加，混凝土的壓力減小，再生細骨料和密實混凝土的強度略有提高。同樣，再生細混凝土增加其壓力，隨著飽和時間的增加而增加。28天混凝土壓力大于50MPa，56天壓力大于65mpa，28天的抗彎強度為7.6～8.2mpa，斷裂拉力為4.2～5.1mpa。

在耐壓性能、抗折強度和可再生細骨料、密實混凝土劈裂能力之間，具有明顯的線性關(guān)系。完全飽和水再生細骨料，可降低水泥的防凍融特性，因為水泥的抗凍性能隨著完全飽和時間的提高而增強。

4 結(jié)束語

再生水泥細骨料是一項具有環(huán)境保護和經(jīng)濟價值的新型綠色建材。它作為一類新型材料，其基本特性直接關(guān)系著砼構(gòu)件的結(jié)構(gòu)安全性。因此對再生細骨料混凝土基本特性的實驗研究也有著重要價值。