不同骨料等級再生混凝土的收縮徐變性能

羅俊禮，徐志勝，謝寶超

(中南大學(xué) 防災(zāi)科學(xué)與安全技術(shù)研究所，湖南 長沙，410075)

骨料是混凝土的骨架，混凝土原材料中用量最大的是砂和石骨料。隨著城市建設(shè)的蓬勃發(fā)展，可利用的天然骨料(natural aggregate, NA)資源正在急劇減少；同時，天然砂石的無序開采破壞了自然生態(tài)和人類生活環(huán)境。推廣使用再生骨料(recycled aggregate，RA)和實現(xiàn)建筑垃圾(如廢舊混凝土和砌筑物)的資源化利用，不但保護自然環(huán)境，而且能促進建筑業(yè)的節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展。根據(jù)再生骨料粒徑可以分為再生粗骨料(recycled coarse aggregate，C-RA)和再生細骨料(recycled fine aggregate，F(xiàn)-RA)。由于再生骨料的特殊性，需要制定一些技術(shù)標準以保證再生骨料應(yīng)用的效果和質(zhì)量。西方發(fā)達國家對再生骨料的研究起步較早，制定了各自的再生骨料及再生骨料混凝土(recycled aggregate concrete，RAC)的技術(shù)標準。在借鑒國外相關(guān)標準基礎(chǔ)上，近年來，國內(nèi)也陸續(xù)編制了一些地方性和國家技術(shù)標準，但是，國內(nèi)規(guī)范對再生骨料的技術(shù)要求比較保守，在一定程度上制約了再生骨料混凝土的廣泛應(yīng)用。迄今為止，國內(nèi)外學(xué)者大多偏重于再生骨料混凝土28 d強度、彈性模量等短期力學(xué)性能的研究，雖然也有一部分學(xué)者涉足如抗?jié)B性、抗凍性、抗碳化性、耐磨性等再生混凝土耐久性的研究，但是，由于試驗周期長、費用較高、影響因素眾多等原因，對于再生混凝土的收縮、徐變等長期變形性能的研究報道很少[1]。普通混凝土的收縮徐變主要來自于水泥砂漿的收縮徐變，天然巖石骨料本身的收縮徐變很小[2?3]。對于再生骨料，因其表面含有大量附著砂漿，所以，與普通混凝土相比, 再生混凝土的收縮徐變還更多地受到骨料本身性能的影響，尤其是再生骨料的品質(zhì)等級和取代天然骨料的比例，因而，對再生混凝土收縮徐變的研究更加困難。在實際工程中，若將再生骨料混凝土用作結(jié)構(gòu)混凝土，其收縮徐變性能的計算十分關(guān)鍵。

1 再生骨料分級標準

1.1 國外再生骨料分級標準

歐美等發(fā)達國家都各自研發(fā)了再生骨料制備技術(shù)及再生骨料混凝土應(yīng)用技術(shù)，并制定了相應(yīng)的技術(shù)標準。日本、荷蘭由于國土面積小，天然資源相對匱乏，其廢舊混凝土的再生資源有效利用率幾乎達100%。

附著砂漿含量是區(qū)分再生粗骨料與天然粗骨料的最根本因素，然而，由于測定砂漿含量成本較高，工序繁瑣，不便于實際工程操作，因而，一般不直接以砂漿含量作為分級的標準。因為再生粗骨料的附著砂漿含量與表觀密度、吸水率之間存在較好的相關(guān)性，所以，各國再生粗骨料技術(shù)標準一般將表觀密度和吸水率二者作為再生粗骨料分級的主要參數(shù)[4?5]。表 1和表2所示分別為日本和 RILEM(國際結(jié)構(gòu)材料試驗室和聯(lián)合會)關(guān)于再生骨料的等級分類要求。

1.2 國內(nèi)再生骨料分級標準

國內(nèi)在20世紀90年代開始再生混凝土的相關(guān)研究。借鑒國外相關(guān)標準，近年來，我國建筑科學(xué)研究院等單位陸續(xù)編制了國家標準GB/T 25177—2010(《混凝土用再生粗骨料》)[6]、GB/T 25176—2010(《混凝土和砂漿用再生細骨料》)[7]以及行業(yè)標準 JGJ/T 240—20119(《再生骨料應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》)[8]；此外，還有一些地方規(guī)范如上海市地方規(guī)程J08-2018—2007(《再生混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》)[9]和北京市地方規(guī)程DB11/T-803—2011(《再生混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》)[10]。

GB/T 25177—2010規(guī)定再生粗骨料按性能要求分為3個等級，見表3。GB/T 25176—2010規(guī)定再生細骨料按性能要求也分為3個等級，見表4；JGJ/T 240—2011規(guī)定了3類再生粗骨料和再生細骨料允許配制混凝土的最高強度等級。由于再生細骨料的應(yīng)用實踐較少，對其應(yīng)用的限制比粗骨料更加嚴格。國內(nèi)有些工程采用再生細骨料部分取代天然細骨料，但取代率一般都限制在50%以下。而實際上，再生細骨料取代天然骨料的比例還可以進一步提高。

國內(nèi)標準對再生骨料的品質(zhì)要求比較高，最低等級再生骨料的品質(zhì)(表觀密度大于2.250 t/m3)相當于一些國外高等級骨料，而高等級骨料的各項指標已與普通混凝土用的天然骨料各項指標接近。高標準保證了其配制的再生混凝土具有優(yōu)良的性能，然而，另一方面，相對保守的要求也制約了再生骨料在實際工程中的廣泛應(yīng)用。

1.3 建議等級分類標準

提出一套與國際接軌的再生骨料分類標準，將有利于共享國際先進成果，促進我國再生骨料產(chǎn)品技術(shù)進步，逐步提高建筑垃圾的再生利用率。低品質(zhì)再生骨料混凝土在公路工程、水工結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域均有應(yīng)用，國內(nèi)外有部分研究針對于低品質(zhì)再生骨料混凝土，并得出了一些有價值的規(guī)律。

表1 日本標準中再生骨料等級分類要求Table 1 Classification of RA in Japan

表2 RILEM標準再生粗骨料等級分類要求Table 2 Classification of RA in RILEM

表3 GB/T 25177—2010再生粗骨料等級分類要求Table 3 Classification of C-RA in GB/T 25177—2010

表4 GB/T 25176—2010再生細骨料等級分類要求Table 4 Classification of F-RA in GB/T 25176—2010

為了便于分析研究低品質(zhì)再生骨料混凝土，參照RILEM和日本標準，建議在國內(nèi)分類標準的基礎(chǔ)上增加Ⅳ類再生骨料。以表觀密度和吸水率二者作為分級參數(shù)，將表觀密度大于2.000 t/m3、但不滿足國家標準中Ⅲ類再生骨料要求的再生骨料統(tǒng)一歸為Ⅳ類再生骨料。表5所示為Ⅳ類再生粗骨料和再生細骨料的性能指標。由于國內(nèi)再生骨料標準要求較高，實際上，Ⅳ類再生骨料的性能基本相當于 RILEM 標準中Ⅱ類再生骨料的性能。

表5 建議Ⅳ類再生骨料的性能參數(shù)Table 5 Parameters of recommended Ⅳ grade RA

2 不同品質(zhì)等級再生骨料混凝土的收縮徐變

2.1 規(guī)范中再生混凝土收縮徐變的修正系數(shù)

目前，計算再生混凝土長期變形比較通用的方法是：在同強度等級普通混凝土收縮、徐變計算值的基礎(chǔ)上乘以1個修正系數(shù)。該修正系數(shù)是再生混凝土與普通混凝土收縮、徐變的相對值，一般是通過總結(jié)以往試驗結(jié)果從而給定的經(jīng)驗值。國內(nèi)外一些規(guī)范給出了不同再生粗集料取代率下的再生混凝土收縮、徐變相對值，見表6和表7。

表6 再生混凝土收縮相對值Table 6 Relative shrinkage of RAC

表7 再生混凝土徐變相對值Table 7 Relative creep value of RAC

然而，以上規(guī)范中收縮、徐變相對值都是按再生粗骨料取代率不同來取值，很少考慮不同骨料品質(zhì)對該值的影響，僅荷蘭規(guī)范中有提及。但是，實際上，再生骨料品質(zhì)在很大程度上決定了再生混凝土的收縮徐變性能，不同骨料品質(zhì)等級的再生混凝土不能一概而論。

另外，需要指出的是：用再生骨料取代天然骨料時，有些規(guī)范是按等體積比例取代，而國內(nèi)的標準則是按等質(zhì)量取代，作法不一致。由于再生骨料密度一般都較小，等體積取代必然會使再生混凝土中的骨料總質(zhì)量小于天然骨料混凝土的質(zhì)量，這也造成各研究者的成果存在差異。

2.2 再生骨料品質(zhì)等級對收縮徐變的影響

一直以來，人們認為隨著再生骨料取代天然骨料比例的增加，再生混凝土的各種性能都會持續(xù)劣化，在一定程度上忽略了再生骨料品質(zhì)對再生混凝土性能的影響。但通過研究發(fā)現(xiàn)：高品質(zhì)再生骨料由于附著的廢舊水泥砂漿較少，孔隙率降低，有效水灰比減??；同時，骨料與新水泥砂漿的黏結(jié)較好，因此，高品質(zhì)再生骨料混凝土的各種性能均顯著提高，基本上與普通混凝土的性能相近；而低品質(zhì)再生骨料會降低混凝土的各種性能?？梢姡涸偕炷恋拈L期變形性能不能一概而論，再生骨料取代比例不是唯一影響因素，也應(yīng)該同時考慮再生骨料品質(zhì)等級的影響。以下總結(jié)了近年來國內(nèi)外再生混凝土收縮和徐變試驗成果(水灰比為0.36～0.60)，并按建議等級標準，分成 4類進行對比研究。

2.2.1 Ⅰ類再生粗骨料

全洪珠等[11]研究了高品質(zhì)再生粗骨料(Ⅰ類)和低品質(zhì)再生粗骨料(Ⅲ類)對再生混凝土的工作性能、力學(xué)性能及收縮性能的影響。結(jié)果表明：Ⅰ類高品質(zhì)再生粗骨料混凝土的強度與普通混凝土的強度基本相同，而彈性模量隨再生粗骨料取代率增加而增大。這是由于試驗所用Ⅰ類再生骨料的性能參數(shù)都與天然骨料的接近，而再生骨料較大的吸水性又降低了再生混凝土的有效水灰比。受強度和彈性模量的影響，Ⅰ類再生混凝土 90 d的收縮率比普通混凝土還減小了約15%，如圖1(a)所示。葉禾[12]的試驗結(jié)果顯示：Ⅰ類高品質(zhì)再生粗骨料混凝土的強度和彈性模量與同條件下的普通混凝土基本持平，180 d收縮和徐變較普通混凝土都增加約10%。Fathifazl等[13]的試驗證明：傳統(tǒng)方法配制的Ⅰ類再生粗骨料混凝土 224 d的收縮和245 d的徐變比同條件普通混凝土均高約11%，如圖1(a)和 1(b)所示。

圖1 Ⅰ類再生粗骨料混凝土的收縮和徐變Fig.1 Shrinkage and creep of ⅠC-RA concrete

2.2.2 Ⅱ類再生粗骨料

Fathifazl等[13]還進行了Ⅱ類再生粗骨料混凝土的試驗，結(jié)果證實Ⅱ類再生粗骨料混凝土的收縮和徐變分別高出普通混凝土約 26%和 29%；Kimura等[14]經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)Ⅱ類再生粗骨料混凝土100 d的收縮和徐變較普通混凝土均高約20%；小山明男等[15]發(fā)現(xiàn)Ⅱ類再生混凝土 365 d的收縮比普通混凝土高 10%；Limbachiya等[16]發(fā)現(xiàn)Ⅱ類再生混凝土90 d的收縮比普通混凝土高 9%，徐變高 34%；寇世聰證實Ⅱ類再生混凝土112 d的收縮比普通混凝土高33.3%，徐變高24.6%。Sagoe-Crentsil等[17]經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)Ⅱ類再生粗骨料混凝土 365d的收縮較普通混凝土高 25%。如圖 2所示。

圖2 Ⅱ類再生粗骨料混凝土的收縮和徐變Fig.2 Shrinkage and creep of ⅡC-RA concrete

2.2.3 Ⅲ類再生粗骨料

全洪珠等[11]的試驗表明：Ⅲ類低品質(zhì)再生骨料混凝土的強度和彈性模量均隨取代率增加而顯著下降，Ⅲ類再生混凝土的收縮隨取代率增加而增大，當再生粗骨料100%取代時天然骨料時，收縮增加了約35%。葉禾[12]的研究表明：Ⅲ類低品質(zhì)骨料混凝土的強度比普通混凝土降低約10%，彈性模量降低20%，收縮和徐變較普通混凝土大大增加，分別高40%和50%，見圖3(a)和圖3(b)。Domingo-Cabo等[18]測試了Ⅲ類再生粗骨料混凝土180 d的收縮和徐變，發(fā)現(xiàn)比普通混凝土高約70%和32%；朱磊[19]研究了Ⅲ類再生粗骨料混凝土60 d的收縮比普通混凝土高約60%；Gómez-Soberón等[20?21]發(fā)現(xiàn)Ⅲ類再生粗骨料混凝土270 d的總收縮比普通混凝土高約25%，總徐變高47%，如圖3(a)所示。

圖3 Ⅲ類再生粗骨料混凝土的收縮和徐變Fig.3 Shrinkage and creep of Ⅲ C-RA concrete

2.2.4 Ⅳ類再生粗骨料和細骨料

廢棄磚塊砌筑物生產(chǎn)的再生骨料，其性能如密度、吸水性、孔隙率等都普遍比廢混凝土再生骨料的低，是Ⅳ類再生粗、細骨料的一個主要來源。由于廢磚骨料中含有不等數(shù)量可與水泥發(fā)生火山灰反應(yīng)的 SiO2和 Al2O3，所以，不同來源的廢磚再生混凝土的長期變形性能也有一定差異。Debieb等[22]將廢棄磚塊破碎后，按粒徑分別用作再生粗骨料(Ⅳ類)、再生細骨料(Ⅳ類)，以質(zhì)量分數(shù) 25%，50%，75%和 100%等取代天然粗、細骨料，制作再生混凝土，塌落度均控制在60～80 mm。碎磚粗、細骨料同時100%取代天然骨料時，再生混凝土90 d的收縮最大，為普通骨料混凝土的1.8倍。Khatib[23]用廢磚細骨料(Ⅳ類)等質(zhì)量取代天然砂，制作了再生細骨料混凝土(粗骨料為天然骨料)。試驗結(jié)果顯示：取代比例100%的廢磚再生混凝土90 d強度降低不到10%，受強度的影響，廢磚混凝土的收縮隨取代率變化也比較小，見圖4和圖5。這是由于試驗所用廢磚再生骨料中含較大量的SiO2和Al2O3，與水泥水化反應(yīng)產(chǎn)物發(fā)生了火山灰反應(yīng), 生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣或水化硫鋁酸鈣等反應(yīng)產(chǎn)物，對促進砂漿和混凝土強度的增長起了重要作用(與粉煤灰的作用機理相似)。

已報道的文獻中，有關(guān)再生細骨料混凝土長期變形性能的試驗研究不多，尤其是用品質(zhì)較高的再生細骨料生產(chǎn)混凝土的相關(guān)研究很少，本文搜集的基本上都是Ⅳ類再生骨料混凝土的相關(guān)研究。Kou等[24]用Ⅳ類再生細骨料取代天然砂制備混凝土(粗骨料為天然骨料)發(fā)現(xiàn)：當取代率分別為50%和100%時，再生細骨料混凝土112 d的收縮約為天然河砂混凝土收縮的1.1和1.3倍，約為人工砂混凝土收縮的1.3和1.5倍。Khatib[23]將廢棄混凝土粉碎作細骨料(Ⅳ類)，制作不同取代比例的再生混凝土(等質(zhì)量取代，粗骨料為天然骨料)，發(fā)現(xiàn)再生混凝土的收縮隨取代比例增大而增大，當取代比例為25%，50%，75%和100%時，再生混凝土的收縮分別為普通混凝土的1.23，1.27，1.50和1.56倍。郝彤等[25]的試驗結(jié)果表明：再生細骨料(Ⅳ類)替代率30%，50%，70%和100%的混凝土 90 d干燥收縮率分別是普通混凝土的 1.13，1.21，1.41 和 2.19倍。取代率為 100%時收縮突然增大，可能與其水灰比(為0.23)太小、水泥未完全水化有關(guān)，見圖5。

在已摻入再生粗骨料的混凝土中再摻入再生細骨料，通常會使再生混凝土孔隙率和吸水性進一步增大，密度和強度進一步減小，進而導(dǎo)致再生混凝土收縮和徐變進一步增大。小山明男[15]的試驗還表明：再生粗骨料(Ⅱ類)、再生細骨料(Ⅳ類)同時 100%取代天然骨料的再生混凝土的收縮為僅再生粗骨料 100%取代的混凝土的1.3倍，可見再生細骨料的摻量對干燥收縮有明顯影響。Hasaba[26]也進行了相似試驗，發(fā)現(xiàn)Ⅳ類再生粗骨料 100%取代天然粗骨料的再生混凝土的收縮是普通混凝土的1.5倍；再摻入100%Ⅳ類再生細骨料時，收縮是普通混凝土的1.8倍。鄒超英等[27]研究了再生細骨料(Ⅳ類)取代比例對再生混凝土徐變的影響(100%再生粗骨料)，發(fā)現(xiàn)再生細骨料取代比例為66%，100%的再生混凝土90 d的徐變分別為天然骨料混凝土的1.427和1.865倍，見圖4和圖5。

圖4 Ⅳ類再生粗骨料混凝土的收縮Fig.4 Shrinkage of Ⅳ C-RA concrete

圖5 Ⅳ類再生細骨料混凝土的收縮Fig.5 Shrinkage of ⅣF-RA concrete

2.3 再生混凝土收縮徐變的計算公式

表 8所示為以上試驗研究中Ⅰ～Ⅳ類再生粗骨料混凝土和Ⅳ類再生細骨料混凝土的收縮、徐變相對值。盡管受配合比、試驗條件、混凝土齡期、測試時間等因素的影響，各研究者的試驗結(jié)果存在一定離散性，但通過分類比較，仍然清晰地展示出再生骨料品質(zhì)等級對混凝土收縮徐變的影響規(guī)律：再生骨料品質(zhì)越高，對混凝土收縮徐變性能的不利影響越??；反之，骨料品質(zhì)越低，對混凝土收縮徐變性能的不利影響越大。

為了定量計算各類別再生骨料、任意取代比例的混凝土收縮徐變，用式(1)的線性函數(shù)對各組試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析，如圖1～5所示，得到擬合參數(shù)k見表9。由圖 1～5可知：各組擬合直線的相關(guān)系數(shù)0.670≤R2≤1.000。根據(jù)文獻[28]中的評判標準，相關(guān)系數(shù)R2≥0.650便可以接受，所以，文中的線性擬合直線都是可以接受的。

式中：參數(shù)k為直線的斜率；變量x為再生骨料取代比例。

根據(jù)表9、式(2)和(3)，可計算不同等級再生骨料、任意取代比例的混凝土的收縮、徐變。

式中：SRAC為RAC的收縮率；SNAC為NAC的收縮率；CRAC為RAC的徐變率；CRAC為NAC的徐變率；ksh為收縮回歸分析直線斜率；kC為徐變回歸分析直線斜率；rRA/NA為RA取代NA的比例。

影響再生混凝土收縮徐變的因素眾多，各種因素同時作用給再生混凝土收縮、徐變的研究帶來很大困難，因此，再生混凝收縮徐變的計算一般是在普通混凝土的基礎(chǔ)上用相對值進行修正。這種方法簡便易行，但是，不能全面真實地反映再生混凝土收縮徐變隨時間的變化特性。要實現(xiàn)對再生混凝土收縮徐變的準確計算，應(yīng)該從收縮徐變的機理出發(fā)，合理地引入再生骨料影響因素，對收縮徐變的預(yù)測模型進行調(diào)整。但目前相關(guān)研究很少。

表8 混凝土收縮和徐變相對值的范圍(取代比例為100%時)Table 8 Range of relative shrinkage and creep of concrete

表9 回歸分析直線的斜率(k)Table 9 Slope (k) of linear regression lines

3 結(jié)論

(1) 在分析國內(nèi)外再生骨料分類標準的基礎(chǔ)上，建議將表觀密度大于2 t/m3但低于國家標準中Ⅲ類再生骨料要求的再生骨料歸為Ⅳ類再生骨料，并給出了相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)。

(2) 總結(jié)了國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范中不同再生粗骨料取代率相應(yīng)的收縮、徐變修正系數(shù)的取值。按建議的標準等級進行分類，比較研究了Ⅰ～Ⅳ類再生粗骨料和Ⅳ類再生細骨料對混凝土收縮和徐變的影響規(guī)律，并提出了不同再生骨料類別對應(yīng)的收縮、徐變修正系數(shù)的取值范圍，揭示出再生粗骨料品質(zhì)對混凝土收縮和徐變的影響規(guī)律：再生骨料品質(zhì)越高，對收縮徐變性能的不利影響越??；反之，削弱程度越大。

(3) 通過線性回歸分析法，提出了同時考慮再生骨料等級、取代比例2個因素的收縮和徐變修正系數(shù)的計算公式，基于該公式可以定量計算不同等級再生骨料、任意取代比例的混凝土的收縮和徐變。

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