再生骨料粒徑對(duì)堆石混凝土性能的影響研究

【摘要】為擴(kuò)大再生骨料應(yīng)用，采用堆石混凝土技術(shù)，將再生粗骨料作為堆石，再生細(xì)骨料制備再生自密實(shí)砂漿填充堆石，研究不同粒徑再生細(xì)骨料對(duì)砂漿和堆石混凝土力學(xué)性能和耐久性的影響。結(jié)果表明，再生自密實(shí)砂漿的強(qiáng)度受骨料粒徑影響，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)抗壓強(qiáng)度高。含0.15～1.18 mm再生骨料堆石混凝土具有最高強(qiáng)度和抗凍性，再生砂漿強(qiáng)度與再生堆石混凝土強(qiáng)度之間不存在顯著相關(guān)性。

【關(guān)鍵詞】建筑廢棄物； 再生骨料； 堆石混凝土； 自密實(shí)砂漿

【中圖分類(lèi)號(hào)】X799.1A

0 引言

隨著建筑行業(yè)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，對(duì)建筑材料特別是對(duì)混凝土的需求巨大，一方面，新建建筑需要消耗大量的砂石骨料；另一方面，老舊建（構(gòu)）筑物因使用壽命到期而拆除也產(chǎn)生了大量的建筑固體廢棄物。建筑固廢主要包括廢舊混凝土、磚塊、石料等，其中廢舊混凝土占比最多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每1000 m2建筑施工面積平均可產(chǎn)生55 t建筑垃圾，而拆除相同面積的建筑平均產(chǎn)生800 t建筑垃圾［1］。我國(guó)建筑垃圾已超過(guò)城市垃圾總量40%，預(yù)計(jì)到2026年，建筑垃圾將突破40億t［2-3］。目前，我國(guó)對(duì)建筑垃圾的處置方式局限于簡(jiǎn)單堆積與填埋，隨之帶來(lái)了一系列的環(huán)境問(wèn)題，并造成了寶貴土地資源的浪費(fèi)。一些學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，將建筑垃圾用于制備再生混凝土可以解決建筑固廢資源化利用問(wèn)題，具有重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，降低環(huán)境污染，節(jié)約天然資源［4-6］。

現(xiàn)階段，將廢舊混凝土進(jìn)一步破碎分級(jí)、粉磨處理制備再生粗骨料/細(xì)骨料或再生微粉是對(duì)建筑垃圾資源化利用的主要技術(shù)手段。但與傳統(tǒng)天然礦物骨料相比，再生骨料存在吸水率高、壓碎指標(biāo)高、表觀(guān)密度小等特性，使得制備的再生混凝土力學(xué)性能較低，耐久性差，這主要是由于再生骨料表面黏附部分水泥砂漿，缺陷多，孔隙率高所造成的［7-10］。經(jīng)多次破碎粉磨的再生骨料暴露了更多的界面，聚集了更多的微裂紋等缺陷，一些用來(lái)增強(qiáng)再生骨料品質(zhì)的物理或化學(xué)改性方法被證明是有效的，但增加了額外經(jīng)濟(jì)成本和時(shí)間成本［11-13］。

堆石混凝土（Rock-filled concrete， RFC）是一種基于自密實(shí)混凝土的新型大體積混凝土施工技術(shù)，其特殊之處在于先向模板填/投大尺寸塊石（粒徑大于300 mm），再向堆石體形成的空腔中灌注具有良好流動(dòng)性和抗離析性的自密實(shí)混凝土，最終形成具有低水化熱和高體積穩(wěn)定性的堆石混凝土［14-16］。與普通混凝土相比，堆石混凝土單位體積水泥用量少，施工工藝簡(jiǎn)單，綜合造價(jià)低，被廣泛用于大體積水工混凝土，水下混凝土以及水下修補(bǔ)工程。自密實(shí)混凝土的填充性能是影響堆石混凝土性能的重要因素，而自密實(shí)混凝土中的骨料粒徑對(duì)填充性具有直接影響。因此，本文以再生粗骨料為堆石，再生細(xì)骨料制備的再生自密實(shí)砂漿填充堆石，研究不同粒徑范圍再生細(xì)骨料對(duì)砂漿力學(xué)性能，以及堆石混凝土力學(xué)性能與耐久性影響。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

1.1.1 水泥

試驗(yàn)所用水泥為廣東南方水泥P·O 42.5R普通硅酸鹽水泥，其粒度分布見(jiàn)圖1，特征粒徑D10， D50， D90分別為3.1 μm、16.4 μm、45.6 μm。粒徑為24.1 μm的顆粒占比最多，達(dá)到總量的5.4%。密度為3.03 g/cm3，比表面積為3.8 m2/g。水泥的化學(xué)成分分析結(jié)果如表1所示。

1.1.2 粉煤灰（Fly ash， FA）

實(shí)驗(yàn)所用粉煤灰來(lái)自惠州平海電廠(chǎng)風(fēng)選Ⅱ級(jí)粉煤灰。

1.1.3 再生骨料

再生粗骨料（19～37.5 mm）和再生細(xì)骨料（Recycled fine aggregate， RFA）來(lái)源于廣東省某處道路拆除破碎后的廢棄混凝土塊見(jiàn)圖2（a），經(jīng)錘式破碎機(jī)見(jiàn)圖2（b）粉碎、篩分得到見(jiàn)圖2（c）。為進(jìn)一步研究不同粒徑范圍再生細(xì)骨料制備的自密實(shí)砂漿對(duì)堆石混凝土性能的影響，利用搖篩機(jī)分別制備了粒徑范圍為0.15～2.36 mm（RFA1），0.15～1.18 mm（RFA2），1.18～4.75 mm（RFA3），2.36～4.75 mm（RFA4）四種再生骨料。

1.1.4 水和外加劑

實(shí)驗(yàn)用水為自來(lái)水，減水劑來(lái)自西卡公司聚羧酸粉體減水劑。

1.2 試驗(yàn)方法

再生自密實(shí)砂漿（Recycled self-compacting mortar， RSCM）選用PO42.5R水泥與粉煤灰組成膠凝材料，其中粉煤灰占40%。膠砂比為1∶1，水膠比為0.4。通過(guò)調(diào)整聚羧酸減水劑的摻量使得砂漿的初始流動(dòng)度保持一致，配合比見(jiàn)表2。

再生自密實(shí)砂漿流動(dòng)度與抗折抗壓強(qiáng)度按照GB/T 50448-2008 《水泥基灌漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》執(zhí)行，其中養(yǎng)護(hù)制度分為水養(yǎng)（20±2） ℃和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱（20±2） ℃， （95±3） %兩種方式。再生堆石混凝土抗壓強(qiáng)度與抗凍試驗(yàn)分別按照GB/T 50081-2019 《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》與GB/T 50082-2009 《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》執(zhí)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 再生自密實(shí)砂漿力學(xué)性能

再生自密實(shí)砂漿不同齡期抗折強(qiáng)度如圖3所示，可以看出再生細(xì)骨料的粒徑變化造成了砂漿抗折強(qiáng)度的變化，RSCM-3和RSCM-4含有較粗粒徑砂漿的強(qiáng)度明顯低于含較細(xì)粒徑砂漿的強(qiáng)度。這可以歸因于粗粒徑再生骨料比細(xì)粒徑再生骨料具有更小的比表面積，需要被包裹的漿體量更少，而總的漿體量是固定的，這就使得骨料與漿體間富余漿體更多，弱化了漿體與骨料之間的粘結(jié)，最終造成抗折強(qiáng)度的降低［17］。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，各砂漿的抗折強(qiáng)度均有增加，其中7～28 d齡期增加最顯著，在水養(yǎng)條件下，RSCM-1，RSCM-2，RSCM-3和RSCM-4抗折強(qiáng)度分別增長(zhǎng)了22.7%、30.6%、24%和36.3%；標(biāo)養(yǎng)條件下分別增長(zhǎng)了19.5%、41.5%、36.7%和31.3%。砂漿28d～56d齡期強(qiáng)度增長(zhǎng)變慢，其中水養(yǎng)和標(biāo)養(yǎng)條件下抗折強(qiáng)度分別增長(zhǎng)了2%～10%和0%～21%。從長(zhǎng)期來(lái)看，養(yǎng)護(hù)制度對(duì)砂漿抗折強(qiáng)度的影響不顯著。

再生自密實(shí)砂漿不同齡期抗壓強(qiáng)度如圖4所示，與抗折強(qiáng)度不同，養(yǎng)護(hù)制度的不同對(duì)砂漿的抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生了明顯影響，標(biāo)養(yǎng)條件下砂漿的抗壓強(qiáng)度高于水養(yǎng)條件。其中7 d齡期砂漿標(biāo)養(yǎng)強(qiáng)度比水養(yǎng)增加了5%～7%（除RFC-2），28 d齡期砂漿標(biāo)養(yǎng)強(qiáng)度比水養(yǎng)增加了4%～21%（除RFC-3），56 d齡期砂漿標(biāo)養(yǎng)強(qiáng)度比水養(yǎng)增加了7%～9%（除RFC-4）。這說(shuō)明在95%相對(duì)濕度環(huán)境下更有利于水泥熟料的水化［18］。與抗折強(qiáng)度相似，砂漿早期抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)速率也高于后期，這與水泥熟料的水化歷程一致。還可以從圖4看出，含粗粒徑再生骨料的自密實(shí)砂漿抗壓強(qiáng)度低于含細(xì)粒徑骨料砂漿，這可能與含細(xì)粒徑骨料砂漿具有良好的顆粒級(jí)配有關(guān)。

2.2 再生堆石混凝土性能

堆石混凝土各齡期的抗壓強(qiáng)度如圖5所示，可以發(fā)現(xiàn)樣品RFC-2各齡期強(qiáng)度最高，說(shuō)明含粒徑0.15～1.18 mm再生骨料配置的自密實(shí)砂漿澆筑堆石形成的混凝土力學(xué)性能最好，28 d強(qiáng)度等級(jí)介于C35—C40。同時(shí)也說(shuō)明決定堆石混凝土填充性能的關(guān)鍵因素為自密實(shí)砂漿骨料的最大粒徑，粒徑越小，可充填能力越大［19］。從圖6來(lái)看，RFC-1和RFC-2破壞斷面大部分是堆石內(nèi)部，而RFC-3和RFC-4破壞斷面大多位于堆石與砂漿界面，這說(shuō)明前者自密實(shí)砂漿與堆石界面具有更好的粘接性能。

圖7展示了再生自密實(shí)砂漿與對(duì)應(yīng)堆石混凝土抗壓強(qiáng)度對(duì)比，可以看出堆石混凝土強(qiáng)度均低于灌注砂漿的強(qiáng)度，且提高灌注砂漿的強(qiáng)度不一定提升堆石混凝土的強(qiáng)度。其中RSCM-1和RSCM-3養(yǎng)護(hù)28天抗壓強(qiáng)度均比RSCM-2高出9%，但是與之對(duì)應(yīng)的堆石混凝土28天強(qiáng)度分別比RFC-2低26%和20%。因此，再生自密實(shí)砂漿的強(qiáng)度并不能直接決定堆石混凝土的強(qiáng)度。堆石混凝土與自密實(shí)砂漿7天、28天和56天的抗壓強(qiáng)度線(xiàn)性關(guān)系如圖8所示，可以看出兩者之間不存在顯著的線(xiàn)性關(guān)系，堆石混凝土的強(qiáng)度可能取決于堆石骨料與砂漿之間的界面性質(zhì)。

堆石混凝土抗凍試驗(yàn)（快凍法）結(jié)果見(jiàn)圖9?？梢钥闯觯栽嚰?0次凍融循環(huán)后，質(zhì)量損失率均大于5%。其中RFC-2樣品質(zhì)量損失為6.15%，是所有樣品中最低的。這一結(jié)果也說(shuō)明力學(xué)強(qiáng)度與耐久性之間存在一定相關(guān)性。圖10展示了50次凍融循環(huán)后各試件的形貌，可以看出只有RFC-2保留了比較完整的形貌，其余試件均出現(xiàn)試件缺失。

3 結(jié)論

（1）再生自密實(shí)砂漿的抗折和抗壓強(qiáng)度受骨料粒徑影響明顯，含粗骨料砂漿強(qiáng)度低于含細(xì)骨料砂漿強(qiáng)度。其中標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)抗壓強(qiáng)度高于水養(yǎng)，早期強(qiáng)度增長(zhǎng)速率高于后期。

（2）堆石混凝土的力學(xué)強(qiáng)度和耐久性受自密實(shí)砂漿骨料粒徑影響。含0.15～1.18 mm粒徑再生骨料配置的混凝土具有最高抗壓強(qiáng)度和抗凍性。再生自密實(shí)砂漿強(qiáng)度不能直接決定堆石混凝土強(qiáng)度。

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