再生細(xì)骨料濕度狀態(tài)及摻量對混凝土工作性及抗壓強(qiáng)度的影響

陳遠(yuǎn)遠(yuǎn)，季韜，江其東，梁詠寧

(1.福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建福州350116;2.福建同利建材科技有限公司，福建福州350001)

0 引言

快速發(fā)展的建筑業(yè)導(dǎo)致建筑廢料和垃圾大量產(chǎn)生，浪費(fèi)大量的土地征用費(fèi)和垃圾清運(yùn)費(fèi)，而且嚴(yán)重污染環(huán)境［1］.將廢棄混凝土破碎加工成再生粗、細(xì)骨料后循環(huán)再利用，是解決廢棄混凝土問題最有效的措施［2］.

有研究表明，用廢棄混凝土再生細(xì)骨料配制出的混凝土拌合物的流動(dòng)性比用其它細(xì)骨料配制出的混凝土拌合物的流動(dòng)性差［3－4］.在嚴(yán)格控制試驗(yàn)用水量的情況下，對由試驗(yàn)室廢棄混凝土試塊經(jīng)破碎、篩分后制成的再生細(xì)骨料預(yù)先加水浸泡，能夠制備出工作性良好的再生混凝土［5］.再生細(xì)骨料取代量的增加會(huì)增加再生細(xì)骨料混凝土的用水量［6］.雖然這些研究均考慮了再生細(xì)骨料摻量變化對混凝土工作性的影響，但未考慮不同濕度狀態(tài)的再生細(xì)骨料對混凝土工作性的影響.

由于再生骨料的高吸水性，有的研究考慮了再生粗骨料濕度狀態(tài)對新拌和硬化混凝土性能的影響［7］;有的研究考慮了不同濕度(自然干燥、飽和面干、完全干燥)狀態(tài)、不同摻量的再生粗骨料對混凝土的流動(dòng)性、抗壓強(qiáng)度的影響［8］.本文就不同濕度狀態(tài)及不同摻量的再生細(xì)骨料對混凝土工作性及力學(xué)性能的影響展開系統(tǒng)研究.

1 試驗(yàn)方案

1.1 原材料

1.1.1 膠凝材料

水泥采用福建煉石牌42.5R普通硅酸鹽水泥，表觀密度3 050 kg·m－3，28 d抗壓強(qiáng)度45.0 MPa;粉煤灰采用寧德Ⅱ級粉煤灰，表觀密度2 120 kg·m－3.

1.1.2 細(xì)骨料

天然細(xì)骨料采用細(xì)度模數(shù)為2.13的閩江河砂，表觀密度2 587 kg·m－3，飽和面干吸水率1.2%;再生細(xì)骨料由福建同利科技建材有限公司的閩候縣綠色低碳環(huán)保新型建筑材料研發(fā)中心生產(chǎn)，其細(xì)度模數(shù)為2.76，表觀密度2 292 kg·m－3，飽和面干吸水率7.2%.河砂及再生細(xì)骨料的顆粒級配見表1，河砂及再生細(xì)骨料的壓碎指標(biāo)值見表2.試驗(yàn)采用烘干(OD)、氣干(AD)及飽和面干(SSD)三種濕度狀態(tài)的再生細(xì)骨料.首先將再生細(xì)骨料放入烘箱中，溫度設(shè)置為105℃，將再生細(xì)骨料烘至恒重，此時(shí)的再生細(xì)骨料為烘干狀態(tài)，其含水率為0;在恒溫恒濕的試驗(yàn)室條件下，取試驗(yàn)所需的烘干狀態(tài)再生細(xì)骨料，加入適量水，用手拌勻平鋪于一平面，將其風(fēng)干24 h之后使再生細(xì)骨料成氣干狀態(tài)，其含水率為3.5%;取試驗(yàn)所需的烘干狀態(tài)再生細(xì)骨料，將其浸泡在盛裝混凝土配合比所需的總用水的容器中充分預(yù)濕，24 h后再生細(xì)骨料即可達(dá)飽和面干狀態(tài)，其含水率為7.2%.

表1 河砂與再生細(xì)骨料的級配(分計(jì)篩余)Tab.1 Gradations of river sand and recycled fine aggregate(residue on the each sieves)

表2 河砂與再生細(xì)骨料壓碎指標(biāo)Tab.2 Crushing indexes of river sand and recycled fine aggregate

1.1.3 粗骨料

粗骨料采用閩侯蘇洋采石場所產(chǎn)碎石，緊密堆積密度為1 537 kg·m－3，表觀密度2 666 kg·m－3，飽和面干吸水率0.2%，顆粒級配見表3.

表3 碎石顆粒級配Tab.3 Gradation of gravel

1.1.4 外加劑等

外加劑為高效減水劑，采用福州建筑科學(xué)研究院生產(chǎn)的TW－4緩凝高效減水劑，減水率為15%～20%.再生細(xì)骨料混凝土拌合用水采用自來水.

1.2 試驗(yàn)配合比及變化參數(shù)

試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)中砂率統(tǒng)一為0.42.將石子與天然砂事先曬干，保證其含水率都為0.控制再生細(xì)骨料的濕度狀態(tài)，即烘干、氣干和飽和面干三種狀態(tài)，變化再生細(xì)骨料取代天然河砂的比例，即再生細(xì)骨料摻量βRE:0%、25%、50%、75%和100%.由于再生細(xì)骨料吸水率大，其在混凝土中的吸水返水過程為一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過程，所以引入總水灰比、凈水灰比及有效水灰比的概念.總水灰比是指總用水量與水泥用量的比值;凈水灰比是指凈用水量與水泥用量的比值;有效水灰比是在考慮再生細(xì)骨料從水泥漿中吸水或返水的情況下，混凝土中沒有被骨料吸收的水與水泥的質(zhì)量比.因此，有效水灰比不是定值，它隨時(shí)間而變化.試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)中總水灰比統(tǒng)一設(shè)計(jì)為0.61.

再生細(xì)骨料混凝土的總用水量包括按照《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》JGJ55方法計(jì)算的用水量(計(jì)算用水量)和滿足砂、石達(dá)到飽和面干狀態(tài)的附加水［9］.計(jì)算用水量為183 kg·m－3，這部分水量是在假設(shè)砂(天然砂和再生細(xì)骨料)、石都為飽和面干狀態(tài)的情況下，所加入混凝土中的水量.因此，總用水量隨著再生細(xì)骨料摻量的變化而變化.當(dāng)再生細(xì)骨料摻量一定時(shí)，AD組、OD組、SSD組的總用水量一致.由于試驗(yàn)所用的再生細(xì)骨料有三種濕度狀態(tài)，因此凈用水量為總用水量扣去粗細(xì)骨料在摻入混凝土之前已經(jīng)含有的水量.總用水量=計(jì)算用水量+(再生細(xì)骨料用量×再生細(xì)骨料飽和面干吸水率7.20%+天然砂用量×天然砂飽和面干吸水率1.24%+石子用量×石子飽和面干吸水率0.2%)=凈用水量+(再生細(xì)骨料用量×再生細(xì)骨料含水率(3.5%、0%或7.2%)+天然砂用量×天然砂含水率0%+石子用量×石子含水率0%).以再生細(xì)骨料摻量及其濕度狀態(tài)為變化參數(shù)，設(shè)計(jì)出的混凝土試驗(yàn)配合比見表4.

表4 混凝土試驗(yàn)配合比Tab.4 Test mix proportion of concrete

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

1.3.1 工作性能

按GB/T 50080－2002普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［10］進(jìn)行新拌再生細(xì)骨料混凝土工作性試驗(yàn)，在攪拌好混凝土后先測量混凝土的初始坍落度，之后每隔15 min測量一次坍落度，直到混凝土的坍落度為0，以此來觀測新拌混凝土坍落度的損失.

1.3.2 抗壓強(qiáng)度

再生細(xì)骨料混凝土3、7和28 d標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，按GB/T 50081－2002普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［11］進(jìn)行.

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 初始坍落度

2.1.1 再生細(xì)骨料摻量

當(dāng)再生細(xì)骨料摻量分別為25%、50%、75%和100%時(shí)，飽和面干組混凝土的初始坍落度最小，氣干組次之，烘干組最大(圖1).這是由于烘干組混凝土中的凈用水量最大，氣干組的次之，飽和面干組的最小(表4).

2.1.2 再生細(xì)骨料濕度狀態(tài)

1)對飽和面干組混凝土，隨著再生細(xì)骨料摻量的增大，初始坍落度變化不大.這是因?yàn)殡S著再生細(xì)骨料摻量的增大，混凝土中的凈用水量減小(表4).達(dá)到飽和面干狀態(tài)再生細(xì)骨料在混凝土攪拌過程中不會(huì)繼續(xù)吸水，而且會(huì)釋放部分水，所以混凝土中的有效用水量隨著再生細(xì)骨料摻量的增大不會(huì)降低過多，這導(dǎo)致混凝土的初始坍落度變化不大(圖1).

圖1 新拌再生細(xì)骨料混凝土坍落度經(jīng)時(shí)變化Fig.1 Slump change of fresh recycled fine aggregate concrete with time

2)對氣干組混凝土，初始坍落度隨著再生細(xì)骨料摻量的增大而增大.這是由于隨著再生細(xì)骨料摻量的增大，混凝土中的凈用水量增大(表4)，且氣干再生細(xì)骨料吸水作用較弱，混凝土中的有效用水量降低不多，從而導(dǎo)致混凝土的初始坍落度也增大(圖1).

3)對烘干組混凝土，初始坍落度隨著再生細(xì)骨料摻量的增大而增大.這是由于烘干狀態(tài)再生細(xì)骨料吸水率高，隨著再生細(xì)骨料摻量的增大，混凝土中的凈用水量大幅度增大(表4)，雖然烘干狀態(tài)再生細(xì)骨料有較強(qiáng)的吸水能力，但混凝土中的有效用水量仍增大，所以再生細(xì)骨料混凝土的初始坍落度增大(圖1).

2.2 坍落度損失

2.2.1 再生細(xì)骨料摻量

對于飽和面干組，雖然隨著再生細(xì)骨料摻量的增大，混凝土中的凈用水量減小(表4)，但達(dá)到飽和面干狀態(tài)再生細(xì)骨料會(huì)釋放出部分水，混凝土中保持一定的有效水量;對于氣干組和烘干組，隨著再生細(xì)骨料摻量的增大，混凝土中的凈用水量增大(表4)，雖然再生細(xì)骨料有一定的吸水作用，能造成有效水灰比減小，但由于混凝土中原本凈用水量較大，吸水后的有效用水量仍較大.因此，任一濕度狀態(tài)下，隨著再生細(xì)骨料摻量的增大，混凝土坍落度損失減小，坍落度完全損失到0所經(jīng)歷的時(shí)間延長.

2.2.2 再生細(xì)骨料濕度狀態(tài)

預(yù)先吸水至飽和面干狀態(tài)的再生細(xì)骨料，在混凝土拌合過程中基本不再吸水，反而可以釋放出水，使飽和面干組混凝土中的有效用水量減小最慢，使坍落度損失最小;氣干狀態(tài)的再生細(xì)骨料在混凝土拌合過程中會(huì)繼續(xù)少量吸水，使氣干組混凝土中的有效用水量減小較快，使坍落度損失也較大;烘干狀態(tài)的再生細(xì)骨料在混凝土拌合過程中會(huì)大量吸水，導(dǎo)致烘干組混凝土中的有效用水量減小最快，混凝土坍落度損失也最大.因此，當(dāng)再生細(xì)骨料摻量一定時(shí)，飽和面干組混凝土的坍落度完全損失到0所經(jīng)歷的時(shí)間最長，氣干組次之，烘干組最短(圖1).

2.3 抗壓強(qiáng)度

當(dāng)改變再生細(xì)骨料的濕度狀態(tài)及摻量時(shí)，再生細(xì)骨料混凝土的3、7和28 d立方體抗壓強(qiáng)度變化趨勢如圖2所示.再生細(xì)骨料的摻量從0%增加到25%、50%、75%和100%時(shí)，混凝土的3、7和28 d立方體抗壓強(qiáng)度降低的百分率見表5.

圖2 再生細(xì)骨料混凝土抗壓強(qiáng)度變化趨勢Fig.2 Compressive strength change of recycled fine aggregate concrete

表5 再生細(xì)骨料混凝土抗壓強(qiáng)度隨再生細(xì)骨料摻量增加而減少的百分率Tab.5 Compressive strength decrease ratio of recycled fine aggregate concrete with the increase of recycled fine aggregate content

2.3.1 再生細(xì)骨料摻量

由圖2和表5知，當(dāng)再生細(xì)骨料分別為氣干、烘干和飽和面干狀態(tài)時(shí)，混凝土3、7及28 d抗壓強(qiáng)度隨著再生細(xì)骨料摻量的增大而減小.由表4可知，對于飽和面干狀態(tài)，隨著再生細(xì)骨料摻量的增大，凈水灰比減小，再生細(xì)骨料基本不再吸水，使得有效水灰比與凈水灰比趨于一致;對于氣干狀態(tài)，隨著再生細(xì)骨料摻量的增大，凈水灰比減小，再生細(xì)骨料從水泥漿中吸收水量增加，從而導(dǎo)致有效水灰比減小，這有利于混凝土抗壓強(qiáng)度的提高;對于烘干狀態(tài)，隨著再生細(xì)骨料摻量的增大，凈水灰比不變，再生細(xì)骨料從水泥漿中吸收水量大大增加，從而導(dǎo)致有效水灰比減小較多，這有利于混凝土抗壓強(qiáng)度的提高.另一方面，從表2中的再生細(xì)骨料與河砂的壓碎指標(biāo)值可以看出，經(jīng)過廢棄混凝土的破碎過程，內(nèi)部積累了大量損傷的再生細(xì)骨料的強(qiáng)度比河砂低，這導(dǎo)致隨著再生細(xì)骨料取代率的增大，混凝土抗壓強(qiáng)度減小，且減小的幅度超過因有效水灰比減小而導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度提高的幅度，最終導(dǎo)致混凝土3、7及28 d抗壓強(qiáng)度隨再生細(xì)骨料摻量的增大而減小.

2.3.2 再生細(xì)骨料濕度狀態(tài)

由圖2和表5知，當(dāng)再生細(xì)骨料摻量分別為25%、50%、75%和100%時(shí)，混凝土3、7及28 d抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出飽和面干組最大，氣干組次之，烘干組最小的趨勢，且混凝土3、7及28 d抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出飽和面干組降低幅度最小，氣干組次之，烘干組最大的趨勢.由表4可知，在再生細(xì)骨料摻量一定的情況下，由于飽和面干組混凝土中的凈用水量最少，凈水灰比最小，飽和面干再生細(xì)骨料在混凝土中基本不再吸水，有效水灰比與凈水灰比趨于一致;氣干組和烘干組混凝土中的凈用水量較飽和面干組的大，雖然氣干狀態(tài)及烘干狀態(tài)再生細(xì)骨料仍可再吸水，造成有效用水量下降，使有效水灰比減小，但再生細(xì)骨料在混凝土中的吸水不可能至飽和面干，這使氣干組及烘干組的有效水灰比降低后，其值仍然大于飽和面干組，所以飽和面干組混凝土的3、7及28 d抗壓強(qiáng)度均最大.

氣干組混凝土凈用水量比烘干組的小，氣干狀態(tài)再生細(xì)骨料在混凝土中還具有吸水能力，造成有效用水量下降，使有效水灰比減小.烘干狀態(tài)再生細(xì)骨料雖然也具有吸水能力，也能造成有效水灰比減小，但由于烘干組混凝土原本凈用水量就較大，使得烘干狀態(tài)再生細(xì)骨料吸水后，混凝土的有效水灰比仍然大于氣干組，所以氣干組混凝土的3、7及28d抗壓強(qiáng)度大于烘干組.

3 結(jié)論

1)當(dāng)再生細(xì)骨料摻量一定時(shí)，烘干組混凝土初始坍落度最大，但坍落度損失也最大;氣干組初始坍落度小于烘干組，坍落度損失也小于烘干組;飽和面干組初始坍落度最小，坍落度損失也最小.

2)當(dāng)再生細(xì)骨料濕度保持為任一狀態(tài)時(shí)，混凝土的初始坍落度隨著再生細(xì)骨料摻量的增大而增大，混凝土的坍落度損失值隨著再生細(xì)骨料摻量的增大而減小.

3)當(dāng)再生細(xì)骨料摻量一定時(shí)，隨著再生細(xì)骨料的濕度從烘干到氣干再到飽和面干的變化，混凝土3、7及28 d抗壓強(qiáng)度增大.

4)當(dāng)再生細(xì)骨料為任一濕度狀態(tài)，混凝土3、7及28 d抗壓強(qiáng)度隨再生細(xì)骨料摻量的增大而減小.

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［10］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 50080－2002普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003.

［11］中華人民共和國建設(shè)部，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 50081－2002普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003.