0～2.36 mm再生細(xì)集料水泥穩(wěn)定碎石相對濕度和干燥收縮性能

蘭雪江，張 翛，王永寶，郝忠卿，高 陽，董曉強(qiáng)

(太原理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，太原 030024)

過去幾十年，我國低等級公路路面大量采用水泥混凝土材料，近年來道路重修產(chǎn)生了大量的廢棄混凝土路面板，將其破碎成再生集料可以以一定的比例替代天然集料用于水穩(wěn)碎石基層[1]。然而，作為再生集料破碎過程的副產(chǎn)品，再生細(xì)集料的比例占50%[2]，且其比表面積大、吸水率和孔隙率高的特點(diǎn)導(dǎo)致性能遠(yuǎn)低于再生粗集料。其中0～2.36 mm粒徑性能更差，使用有限，堆積量驚人[3]，0～2.36 mm再生細(xì)集料(若無特別說明，后文中RFA均代表0～2.36 mm再生細(xì)集料)的應(yīng)用具有重要意義。

目前對再生細(xì)集料的研究主要集中在混凝土中，其干燥收縮作為一項(xiàng)重要的長期性能對混凝土構(gòu)件正常使用階段具有重要影響。研究發(fā)現(xiàn)混凝土干縮應(yīng)變隨再生細(xì)集料摻量的增加而增大，其中2.36～4.75 mm粒徑的影響極小[4-5]，而0～2.36 mm粒徑影響較大，使干縮增大90%以上[4]。水泥、集料、濕度等影響因素使混凝土產(chǎn)生內(nèi)部毛細(xì)管壓力、表面張力和內(nèi)部分離壓力，導(dǎo)致收縮過程變得復(fù)雜，為有效預(yù)測并評估其長期收縮性能，國內(nèi)外研究人員進(jìn)行了大量研究，得到了較多干縮預(yù)測模型，典型的有B3、CEB/FIP、ACI209和GL2000等[6-9]。水穩(wěn)碎石是具有與混凝土類似性能的水泥基膠凝材料，其干燥收縮也受水泥和集料等因素的影響[10-12]，然而其干縮模型研究較少，且均未考慮RFA對收縮性能的影響。

混凝土內(nèi)部水分的變化對其干燥收縮具有重要影響，內(nèi)部濕度與干燥收縮之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性，內(nèi)部濕度顯著降低時(shí)，干燥收縮增大[13-14]。大量的研究人員通過FICK定律建立濕度模型，以此來預(yù)測混凝土內(nèi)部濕度變化[15-17]，DING et al[18]、JIANG et al[13]、SHEN et al[19]分別引入水泥組成、水灰比、養(yǎng)護(hù)溫度等影響參數(shù)，對濕度模型進(jìn)行了修正。同樣的，水穩(wěn)碎石內(nèi)部水分的變化對其干燥收縮也具有重要影響，然而其與混凝土濕度變化有一定差別，且現(xiàn)有模型尚未考慮RFA對水穩(wěn)碎石濕度的影響，建立其濕度預(yù)測模型對研究其收縮性能具有重要意義。

因此，本課題對RFA水穩(wěn)碎石(CSM-2.36RFA)的濕度和干燥收縮進(jìn)行了長期的測量，建立了不同RFA摻量下的CSM-2.36RFA內(nèi)部濕度理論預(yù)測模型，在參照GL2000模型的基礎(chǔ)上提出了CSM-2.36RFA的干燥收縮理論預(yù)測模型，并對兩者的關(guān)系進(jìn)行了研究，為CSM-2.36RFA長期干燥收縮耐久性性能提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)原材料

天然集料取自山西太原當(dāng)?shù)氐氖規(guī)r，將其篩分為4個(gè)粒徑范圍，其技術(shù)參數(shù)測試結(jié)果見表1，其中0～2.36 mm粒徑篩分曲線如圖1所示，經(jīng)調(diào)查，該結(jié)果與太原當(dāng)?shù)卮蟛糠?～2.36 mm天然細(xì)集料級配相近。

表1 集料技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of aggregate

圖1 0～2.36 mm天然集料級配曲線Fig.1 Distribution curve of 0～2.36 mm natural aggregate

再生集料取自北京某路段廢棄混凝土路面板，粒徑約為10 mm，為模擬再生集料回收過程中副產(chǎn)品RFA的產(chǎn)生過程，使用錘式破碎機(jī)進(jìn)行二次破碎。其技術(shù)參數(shù)見表1，RFA的表觀密度與0～2.36 mm粒徑的天然細(xì)集料相比低約7%，吸水率約高1.4倍，這是因?yàn)镽FA的表面有大量的水泥漿和微裂紋。為排除因級配不同引起的結(jié)構(gòu)性能差異，按0～2.36 mm天然細(xì)集料級配進(jìn)行RFA配置。

試驗(yàn)中采用太原獅頭水泥有限公司的普通硅酸鹽水泥P.O 42.5，試驗(yàn)用水為太原市普通自來水。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20-2015)[20]，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)其中C-B-2級配在山西當(dāng)?shù)氐墓こ讨斜粡V泛使用，因此本課題選用C-B-2級配。水泥摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))選用4%、5%和6%，RFA摻量選用0、30%、60%和100%.通過重型擊實(shí)試驗(yàn)確定CSM-2.36RFA的最佳含水量和最大干密度，進(jìn)而確定其配合比[21]，如表2所示。

由表2可知，RFA摻量影響水穩(wěn)再生碎石最佳含水量和最大干密度。隨著RFA摻量的增加，水穩(wěn)碎石的最佳含水量增大，最大干密度減小。這是由于RFA吸水率大于天然細(xì)集料，而其表觀密度較小，使水穩(wěn)再生碎石具有較大含水量和較小干密度。隨著水泥摻量的增加，最佳含水量和最大干密度均增大，且呈近似線性關(guān)系。

1.3 試驗(yàn)方法

制備φ100 mm×100 mm的圓柱試樣進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，400 mm×100 mm×100 mm長方體試樣進(jìn)行干燥收縮試驗(yàn)，脫模后放置于溫度(20±1) ℃、相對濕度95%的條件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。制備干縮試樣時(shí)，在頂部預(yù)留兩個(gè)直徑15 mm、深60 mm的圓柱孔，兩孔位于長度方向三等分點(diǎn)、寬度方向中點(diǎn)處，如圖2所示。使用精度2%、分辨率0.1%的DB115-30濕度傳感器進(jìn)行相對濕度測量，取兩孔平均值作為其最終值。

表2 CSM-2.36RFA試樣的最大干密度和最佳含水量Table 2 Maximum dry densities and optimum moisture contents of CSM-2.36RFA specimens

由于試件制備采用靜壓成型，直接埋設(shè)濕度傳感器會使其損壞，課題組前期試驗(yàn)采用預(yù)留孔洞放置傳感器并密封進(jìn)行濕度測量；由于試件早期濕度大于95%，傳感器易測量不準(zhǔn)甚至損壞，因此本文不采用埋設(shè)濕度傳感器的方法，而是測量時(shí)快速插入濕度傳感器并用一側(cè)帶有凹槽的特制橡膠塞塞緊孔口，不測量時(shí)用橡膠塞塞緊孔口并粘貼膠帶防止其失水。

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d后在側(cè)面粘貼靈敏度為0.1 με的JM-212振弦應(yīng)變計(jì)用于應(yīng)變測量，采用石英石作為溫度補(bǔ)償片以減小線膨脹系數(shù)誤差。為模擬CSM-2.36RFA一維方向的水分遷移，除正方形小面(水分遷移面)外，其余各面均用塑料薄膜和膠帶密封。將其置于溫度(20±1) ℃，濕度(60±5)%環(huán)境下進(jìn)行相對濕度和干縮應(yīng)變的測量，前28 d每天測量一次，28～40 d每兩天測量一次，40～120 d每十天測量一次，120～180 d每月測量一次。干縮應(yīng)變計(jì)算公式如式(1)：

εsh=εt+εQ.

(1)

圖2 干燥收縮試樣示意圖Fig.2 Diagram of the test specimen for drying shrinkage

式中：εsh為CSM-2.36RFA的實(shí)際總干燥收縮應(yīng)變(10-6)；εt為CSM-2.36RFA的應(yīng)變計(jì)數(shù)值(10-6)；εQ為溫度補(bǔ)償片應(yīng)變(10-6).

2 結(jié)果與討論

2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

B3、CEB/FIP、ACI209和GL2000等[6-9]模型均證實(shí)了水泥基材料收縮與其抗壓強(qiáng)度有一定的關(guān)系，因此本文對CSM-2.36RFA的28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(UCS)進(jìn)行了測試，得到圖3所示結(jié)果。由圖3可知，當(dāng)水泥摻量為4%時(shí)，CSM-2.36RFA的28 d UCS隨RFA摻量的增加而降低，推測其原因：一方面是強(qiáng)度較低的水泥砂漿同粘附在再生集料上的砂漿形成大的砂漿團(tuán)塊，容易被外力分離，另一方面是再生集料-水泥砂漿的界面結(jié)合強(qiáng)度較低[10]。當(dāng)水泥摻量為5%和6%時(shí)，CSM-2.36RFA的28 d UCS隨RFA摻量的增加先增大后減小，30%摻量時(shí)其值最大，這是由于當(dāng)RFA摻量小幅增加時(shí)，其表面未水化的水泥漿與水進(jìn)一步發(fā)生水化反應(yīng)，加強(qiáng)了與集料的附著力，此外RFA較高的吸水率也起到了一定的內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用，促進(jìn)了水泥的水化；但隨著RFA摻量的進(jìn)一步增加，其自身強(qiáng)度下降幅度大于水化反應(yīng)產(chǎn)生的強(qiáng)度，因此強(qiáng)度下降。

圖3 不同RFA和水泥摻量CSM-2.36RFA的28 d UCSFig.3 28 d UCS of CSM-2.36RFA with different content of RFA and cement

2.2 水穩(wěn)碎石相對濕度

2.2.1相對濕度變化規(guī)律

CSM-2.36RFA的相對濕度變化規(guī)律如圖4所示，隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加，其相對濕度降低，這主要是CSM-2.36RFA內(nèi)部水分遷移，通過端面散失所導(dǎo)致。且同齡期時(shí)，RFA的含量越大，CSM-2.36RFA的相對濕度越大，因?yàn)镽FA吸水率高，使得CSM-2.36RFA在成型時(shí)吸水較多，養(yǎng)護(hù)時(shí)水分不易散失，導(dǎo)致濕度降低較少。隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加，CSM-2.36RFA相對濕度降低的速度先快后慢。分析其原因發(fā)現(xiàn)，收縮的前30 d內(nèi)水泥水化過程迅速，水分遷移速率也相對較快；隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加，水泥水化趨于穩(wěn)定，反應(yīng)速率降低，且水化產(chǎn)物使得水穩(wěn)碎石結(jié)構(gòu)變得致密，水分遷移速率降低。

將t時(shí)刻相對濕度與初始相對濕度的差值定義為相對濕度衰減量，如式(2)：

ΔR=H0-Rt.

(2)

式中：ΔR為相對濕度衰減量，%；Rt為t時(shí)刻的相對濕度，%；R0為初始相對濕度，%.

圖4 CSM-2.36RFA試樣相對濕度隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化Fig.4 Variation in the relative humidity of CSM-2.36RFA specimens with curing period

對不同RFA摻量CSM-2.36RFA的180 d相對濕度衰減量的平均值進(jìn)行計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，4%、5%和6%水泥摻量下，其值分別為20.7%、18.5%和17.1%，可知隨水泥摻量的增加，CSM-2.36RFA相對濕度降低的幅度減小。這是因?yàn)樗鄵搅吭黾訒r(shí)，水化反應(yīng)生成的產(chǎn)物增多，使結(jié)構(gòu)更加致密，水分不易散失。

2.2.2相對濕度預(yù)測模型

參考文獻(xiàn)[22]，并基于大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，最終得到不同齡期的CSM-2.36RFA相對濕度R(t，ωRFA)隨RFA摻量呈非線性關(guān)系，可表示為：

(3)

式中：Kt是與水泥摻量有關(guān)的系數(shù)，按式(4)計(jì)算；ωRFA為RFA摻量，%；R(t,0)為RFA摻量為0時(shí)水穩(wěn)碎石(即天然集料水穩(wěn)碎石)的相對濕度，%，按式(5)計(jì)算。

Kt=a×(1-e-0.04t) .

(4)

(5)

式中：a、b、c為與水泥摻量相關(guān)的系數(shù)，列于表3中；t為養(yǎng)護(hù)齡期，d.

表3 相對濕度預(yù)測模型參數(shù)Table 3 Parameters of relative humidity prediction model

由式(4)可知，時(shí)間影響系數(shù)Kt均大于0，且隨齡期的增加而增大，這說明RFA的摻入對CSM-2.36RFA相對濕度的降低起到一定的緩解作用，這可能是由于RFA對CSM-2.36RFA起到了一定的內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用。隨著齡期的增加，Kt的增大速率逐漸降低，原因是RFA的內(nèi)養(yǎng)護(hù)效果逐漸減弱。

圖5顯示了CSM-2.36RFA相對濕度模型和試驗(yàn)值的對比，計(jì)算分析可知R2均大于0.9，表明理論模型與試驗(yàn)結(jié)果吻合度良好，上式可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測CSM-2.36RFA的相對濕度。

圖5 不同水泥摻量CSM-2.36RFA的相對 濕度理論模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.5 Relative humidity of theoretical model and test data of CSM-2.36RFA with different cement content

2.3 水穩(wěn)碎石干燥收縮

2.3.1干燥收縮變化規(guī)律

圖6給出了不同配比CSM-2.36RFA干燥收縮試驗(yàn)結(jié)果，由圖6可知，CSM-2.36RFA的干燥收縮應(yīng)變隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長而增大。在傳統(tǒng)干燥收縮試驗(yàn)中，CSM在約30 d后達(dá)到最終干縮，然后趨于穩(wěn)定[10,23]，但本文中CSM-2.36RFA的干燥收縮發(fā)展較傳統(tǒng)試驗(yàn)慢很多。這是因?yàn)镽FA吸水率較高，成型后不易失水，此外，試樣用塑料薄膜和膠帶包裹，有效防止水分的大量散失。試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，隨著RFA摻量的增加，CSM-2.36RFA的干縮應(yīng)變增大，可以發(fā)現(xiàn)其與UCS成負(fù)相關(guān)，這與混凝土性質(zhì)類似[24]。

圖6 CSM-2.36RFA試樣干燥收縮應(yīng)變隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化Fig.6 Variation in the drying shrinkage strain of CSM- 2.36RFA specimens with curing period

對180 d時(shí)不同RFA摻量CSM-2.36RFA與天然水穩(wěn)碎石進(jìn)行對比可知：4%水泥摻量時(shí)，30%、60%和100%RFA摻量CSM-2.36RFA分別增大21.1%、31.9%和71.8%；5%水泥時(shí)，分別增大40.9%、42.8%和94.4%；6%水泥時(shí)，分別增大46.3%、51.3%和119.5%。由此可知水泥摻量增加時(shí)，RFA摻量對CSM-2.36RFA的180 d干縮應(yīng)變影響變大。

2.3.2干燥收縮預(yù)測模型

混凝土干燥收縮預(yù)測模型表示其干燥收縮應(yīng)變與養(yǎng)護(hù)齡期之間的關(guān)系函數(shù)，國內(nèi)外研究人員得到了較多的預(yù)測模型，研究發(fā)現(xiàn)其中ACI209模型缺乏尺寸效應(yīng)，存在大量的散點(diǎn)和不符合邏輯的發(fā)展趨勢，CEB/FIP模型低估了收縮發(fā)展，B3模型采用實(shí)際配合比，有利于收縮預(yù)測，其收縮模型優(yōu)于CEB/FIP模型，GL2000模型在B3模型基礎(chǔ)上更加優(yōu)化，因此GL2000模型被廣泛應(yīng)用于混凝土干縮預(yù)測[8]。

然而，水穩(wěn)碎石干燥收縮預(yù)測模型的研究屈指可數(shù)，且均未考慮RFA摻量的影響。由上節(jié)可知CSM-2.36RFA 的干縮主要受時(shí)間、水泥摻量和RFA摻量的影響，且為模擬水分在一維方向的遷移，試件五個(gè)面均用塑料薄膜和膠帶包裹，其干縮發(fā)展與傳統(tǒng)情況相比較慢，因此，本文在混凝土GL2000干縮模型的基礎(chǔ)上，對其時(shí)間影響系數(shù)進(jìn)行修正，提出了適用于CSM-2.36RFA的干縮預(yù)測模型，公式如式(6)所示，該公式適用于一維方向水分遷移，齡期為180 d內(nèi)，水泥摻量為4%～6%的CSM-2.36RFA干縮應(yīng)變預(yù)測。

εsh=εshuβ(h)β(t) .

(6)

式中：εshu為干縮應(yīng)變終值，計(jì)算公式如式(7)；β(h)、β(t)分別為濕度影響系數(shù)、時(shí)間影響系數(shù)，計(jì)算公式如式(8)-(9).

(7)

β(h)=1-1.18h4.

(8)

(9)

式中：K為水泥類型參數(shù)，P.O 42.5時(shí)K取1；fcu為CSM-2.36RFA的28 d UCS，MPa；h為環(huán)境濕度，%；V/S為體表比，mm；ωC為水泥摻量，%.

通過上述公式可以發(fā)現(xiàn)，時(shí)間影響系數(shù)隨RFA摻量和水泥摻量的增加而增大，由此可知CSM-2.36RFA的干縮應(yīng)變與RFA摻量和水泥摻量均呈正相關(guān)，可以較為準(zhǔn)確地反映RFA和水泥摻量對其影響規(guī)律。

圖7對CSM-2.36RFA干縮預(yù)測模型和試驗(yàn)值進(jìn)行了對比，經(jīng)計(jì)算可知R2均大于0.9，說明預(yù)測模型擬合度良好，能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測180 d內(nèi)CSM-2.36RFA的干縮應(yīng)變。

圖7 CSM-2.36RFA干燥收縮應(yīng)變理論模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.7 Drying shrinkage strain of theoretical model and test data of CSM-2.36RFA

2.4 水穩(wěn)碎石相對濕度與干燥收縮的關(guān)系

水穩(wěn)碎石內(nèi)部水分遷移引起濕度降低，導(dǎo)致其內(nèi)部毛細(xì)孔失水產(chǎn)生毛細(xì)孔壓力，吸附水蒸發(fā)使膠凝體靠近，在毛細(xì)管作用、吸附水作用和分子間力的作用下發(fā)生干燥收縮[25]。根據(jù)上述兩節(jié)內(nèi)容的介紹可知，當(dāng)RFA摻量增加時(shí)，CSM-2.36RFA的相對濕度增大，其水分散失減小，然而其干燥收縮卻增大，這與全部粒徑替代的水穩(wěn)再生碎石不同[23，26]。可能是因?yàn)镽FA主要是從路面板廢棄混凝土中破碎研磨所得，其比表面積較大，微裂紋多，對水有較大的親和力，可以顯著減少CSM-2.36RFA中的游離水，且RFA在摻入水穩(wěn)碎石前含水率為0，其較大的吸水率會從其余碎石和膠凝材料中奪取水分，造成內(nèi)部毛細(xì)孔水分驟失，且在水泥水化過程中RFA中水分不易散失，因此在相同的水分蒸發(fā)速率下，RFA顯著增加了毛細(xì)管負(fù)壓，使CSM-2.36RFA表現(xiàn)出更大的塑性收縮。

為明確CSM-2.36RFA干縮應(yīng)變與相對濕度之間的關(guān)系，將CSM-2.36RFA干縮應(yīng)變和相對濕度衰減量試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖8所示，其關(guān)系滿足式(10).參數(shù)α和β的大小受水泥摻量和RFA摻量的影響，其關(guān)系如式(11)、(12)，且擬合程度較好，因此可根據(jù)相對濕度的變化預(yù)測干燥收縮發(fā)展。

圖8 CSM-2.36RFA干燥收縮應(yīng)變和相對 濕度衰減量關(guān)系擬合曲線Fig.8 Fitting curve of the relationship between drying shrinkage strain and relative humidity decay of CSM-2.36RFA

(10)

(11)

(12)

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了不同水泥摻量和0～2.36 mm RFA摻量的12組配合比，對CSM-2.36RFA的相對濕度和干燥收縮進(jìn)行了測量，建立了其相對濕度和干燥收縮預(yù)測模型?？梢缘玫揭韵陆Y(jié)論：

1) CSM-2.36RFA相對濕度與0～2.36 mm RFA摻量、水泥摻量以及養(yǎng)護(hù)齡期有關(guān)，隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加，其相對濕度降低；同齡期時(shí)，0～2.36 mm RFA的含量越大，其相對濕度越大；隨水泥摻量的增加，相對濕度降低的幅度減小。建立了CSM-2.36RFA相對濕度的數(shù)學(xué)模型，用于預(yù)測其相對濕度。

2) CSM-2.36RFA干燥收縮應(yīng)變隨養(yǎng)護(hù)齡期和0～2.36 mm RFA摻量的增加而增大，且與UCS密切相關(guān)；水泥摻量增加時(shí)，0～2.36 mm RFA摻量對CSM-2.36RFA的180 d干縮應(yīng)變影響變大。參考混凝土GL2000模型，考慮CSM-2.36RFA的0～2.36 mm RFA摻量和水泥摻量等因素，得到CSM-2.36RFA的干燥收縮預(yù)測模型，與試驗(yàn)值對比發(fā)現(xiàn)其擬合度良好，能較為準(zhǔn)確地預(yù)測一維水分遷移狀態(tài)下，180 d內(nèi)水泥摻量為4%～6%CSM-2.36RFA的干燥收縮應(yīng)變。

3) 當(dāng)0～2.36 mm RFA摻量增加時(shí)，CSM-2.36RFA的相對濕度增大，水分散失減小，然而其干燥收縮卻增大，這與全部粒徑替代的水穩(wěn)再生碎石不同。對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到了CSM-2.36RFA的干燥收縮應(yīng)變與相對濕度衰減量之間的關(guān)系，且擬合度良好，可根據(jù)相對濕度的變化預(yù)測干燥收縮發(fā)展。