機(jī)制砂再生混凝土耐磨性能研究

劉唐志，芮 捷，王 兵，劉義峰

(1.重慶交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶 400074；2.路橋建設(shè)重慶公司，重慶 400020)

0 引 言

再生混凝土和機(jī)制砂混凝土是為解決廢棄混凝土堆積問(wèn)題和保護(hù)天然砂資源而發(fā)展起來(lái)的混凝土技術(shù)，目前，機(jī)制砂作為細(xì)集料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于中低標(biāo)號(hào)混凝土工程中，而再生混凝土技術(shù)還處于研究階段，應(yīng)用還不是很廣泛[1]。

由于摻入再生細(xì)集料后，再生混凝土的強(qiáng)度和耐久性會(huì)有很大程度的降低，而且不經(jīng)濟(jì)[2]，所以再生混凝土主要指由再生粗骨料配制的混凝土。再生粗骨料孔隙率、吸水率都高出天然粗骨料20多倍[1]，致使再生混凝土的需水量大、強(qiáng)度低，目前有關(guān)再生混凝土的研究已有很多，涉及再生混凝土的強(qiáng)度[3]、工作性能[4]、耐久性能[5]、再生混凝土結(jié)構(gòu)性能[6]、耐磨性能[7-10]等。大多有關(guān)再生混凝土耐磨性能的研究表明[7-8,10]，再生混凝土的耐磨性能低于同配比的普通混凝土，限制了其在路面工程中的應(yīng)用。日本Roshikana的研究表明，隨著原生混凝土強(qiáng)度的增大，再生粗集料的抗磨耗性能越好；R.K.Dhir，等[7]的研究指出，再生混凝土的磨損深度隨再生粗集料取代率的增加而增大，與同配比普通混凝土相比，再生粗集料的取代率小于50%時(shí)，磨損深度相差不大，再生骨料取代率達(dá)到100%時(shí)，磨損深度相差34%；楊國(guó)慶，等[8]的研究表明再生混凝土的耐磨性能略高于普通混凝土；梅迎軍，等[9]對(duì)改善再生混凝土耐磨性能的研究表明，聚合物乳的摻入顯著改善再生混凝土的耐磨性能，采用水泥漿包裹法進(jìn)行再生集料界面改性處理有利于改善再生混凝土的磨耗性能。機(jī)制砂作為天然河砂的替代品，目前已廣泛應(yīng)用于中低標(biāo)號(hào)混凝土工程中，相關(guān)文獻(xiàn)表明[10-11]，機(jī)制砂混凝土的耐磨性能明顯優(yōu)于河砂混凝土。吳隆德，等[10]的研究表明，石灰?guī)r機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度比河砂混凝土高9.1%,混凝土的磨損量?jī)H為河砂混凝土的78.1%，耐磨性較好；柯國(guó)炬[11]的研究表明，各種水灰比下機(jī)制砂混凝土的磨損量明顯低于河砂混凝土，并得出石粉含量是影響路面機(jī)制砂水泥混凝土耐磨性最關(guān)鍵因素的結(jié)論。

目前有關(guān)再生混凝土的研究大多是以河砂為細(xì)集料，以再生粗集料和機(jī)制砂細(xì)集料的組合還鮮見(jiàn)報(bào)道。筆者將對(duì)機(jī)制砂能否改善再生混凝土的耐磨性能進(jìn)行研究，為再生混凝土在對(duì)強(qiáng)度和工作性能要求不高的路面混凝土中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。隨著廢混凝土處理問(wèn)題的日益突出和天然河砂資源的日益匱乏，機(jī)制砂再生混凝土的應(yīng)用將會(huì)帶來(lái)巨大的社會(huì)效益。

1 試驗(yàn)材料及方案

1.1 試驗(yàn)材料

水泥：拉法基水泥，P·O42.5R級(jí)水泥，密度為3 100 kg/m3；粗集料：5～25 mm連續(xù)級(jí)配石灰?guī)r碎石，表觀密度2 732 kg/m3；細(xì)集料：天然河砂細(xì)度模數(shù)2.9，機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)3.2，含粉量為5.3%，MB值為1.1；再生粗集料：來(lái)源于某翻修的舊水泥混凝土路面，原設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C30；減水劑：聚羧酸系高性能減水劑。

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 試驗(yàn)方法

試件抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、耐磨性能均依據(jù)現(xiàn)行JTG E 30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[12]試驗(yàn)方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。耐磨性能以試件磨損面上單位面積的磨損量為指標(biāo)，試件尺寸為150 mm×150 mm×75 mm，每個(gè)配合比制作3個(gè)試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至27 d從養(yǎng)護(hù)室取出，擦干表面水分放入室內(nèi)風(fēng)干12 h，再以60 ℃烘12 h，第28 d測(cè)試。測(cè)試前，在200 N負(fù)荷下預(yù)磨30轉(zhuǎn)，然后取下試件刷凈表面粉塵稱(chēng)重，記下相應(yīng)質(zhì)量，作為試件的初始質(zhì)量。然后在 200 N 負(fù)荷下磨 60 轉(zhuǎn)，然后取下試件刷凈表面粉塵稱(chēng)重，記下相應(yīng)質(zhì)量。計(jì)算每一試件的磨損量，以單位面積的磨損量來(lái)表示，計(jì)算如式(1)：

(1)

式中：Gc為單位面積的磨損量，kg/m2；m1為試件的初始質(zhì)量，kg；m2為試件磨損后的質(zhì)量，kg；0.012 5 為試件磨損面積，m2。

1.2.2 配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)中，為消除其他因素影響，采用單因素試驗(yàn)方法，研究再生粗骨料摻量、機(jī)制砂取代河砂、機(jī)制砂中石粉含量對(duì)再生混凝土耐磨性的影響規(guī)律。試驗(yàn)配合比保持水灰比和水泥用量、砂率不變，具體配合比如表1。

表1 混凝土配合比Table 1 Mix proportion of concrete /(kg ·m-3)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

不同配合比下抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、磨損量試驗(yàn)的結(jié)果如表2。

表2 不同配合比下的試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of different mixture ratio

2.1 不同再生粗集料取代量下的耐磨性能

2.1.1 再生粗集料取代量對(duì)混凝土耐磨性能影響

再生粗集料取代量對(duì)混凝土耐磨性能的影響規(guī)律如圖1。由圖1可以看出，細(xì)集料為天然河砂和機(jī)制砂時(shí)，混凝土耐磨性能隨再生粗集料取代量的增加而降低。粗集料全部為再生集料時(shí)與粗集料全部為天然集料相比，河砂與機(jī)制砂混凝土單位面積磨損量分別增加約24%和20%。再生粗集料使混凝土耐磨性能降低，一方面是由于再生混凝土的強(qiáng)度較低;另一方面，再生粗骨料表面黏有耐磨性能較差的砂漿和水泥漿，這部分黏著砂漿和水泥漿在磨損過(guò)程中容易被磨損掉而成為磨損物的來(lái)源。而相關(guān)研究[8]表明再生混凝土的耐磨性能略高于普通混凝土，分析原因認(rèn)為，可能與再生粗集料的使用年限不同有關(guān)。

圖1 不同再生粗集料取代量下的磨損量示意Fig.1 Abrasion loss of different recycled coarse aggregate

2.1.2 河砂與機(jī)制砂混凝土耐磨性能比較

由圖1可以看出，無(wú)論再生粗集料取代量多少，機(jī)制砂混凝土的磨損量都小于河砂混凝土。在普通混凝土和再生混凝土中，機(jī)制砂作為細(xì)集料取代河砂時(shí)，混凝土的耐磨性能都有所改善，但改善效果隨著再生粗集料取代量的增加而減小，再生粗集料取代量為0%和100%時(shí)，機(jī)制砂混凝土的磨損量分別為河砂混凝土的89%和93%。機(jī)制砂混凝土的耐磨性能優(yōu)于河砂混凝土主要由于機(jī)制砂顆粒表面粗糙、多棱角，粗糙的表面增強(qiáng)了混凝土的界面[11]，機(jī)制砂的強(qiáng)棱角性使其與混凝土中其他成分的機(jī)械嚙合力較大。界面黏結(jié)力增大，顆粒之間嚙合增強(qiáng)，混凝土強(qiáng)度也就越高;同時(shí)隨著界面黏結(jié)力的增強(qiáng)，磨損區(qū)域孔結(jié)構(gòu)的改善，混凝土耐磨性變好。但隨著再生粗骨料的加入，機(jī)制砂對(duì)混凝土耐磨性能的改善效應(yīng)要抵消因再生集料缺陷帶來(lái)的混凝土磨損量的增加，改善效果有所降低。

2.2 石粉含量對(duì)機(jī)制砂再生混凝土耐磨性能影響

由于原材料和生產(chǎn)工藝的限制，機(jī)制砂中不可避免地含有一定量石粉，一般生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)有10%～20%的石粉顆粒[13]，采用不同除粉方式處理后，石粉含量為3%～17%。試驗(yàn)采用再生粗集料取代量為100%的機(jī)制砂混凝土配合比(RC2-100)，取石粉含量為3.0%，5.3%，7.5%，10.0%，12.7%，15.0%，17.0%，研究機(jī)制砂中石粉含量對(duì)再生混凝土耐磨性能的影響試驗(yàn)結(jié)果圖2。

圖2 不同石粉含量下磨損量示意Fig.2 Abrasion loss of different stone powder content

由圖2可以看出，隨著石粉含量的增加，機(jī)制砂再生混凝土的磨損量呈先減小后增加的趨勢(shì)。石粉含量在7.0%以?xún)?nèi)時(shí)對(duì)再生混凝土的耐磨性能有改善作用，石粉含量超過(guò)7.0%后再生混凝土耐磨性能降低。石粉含量在一定范圍內(nèi)能夠提高再生混凝土耐磨性能，是由于石粉在一定范圍內(nèi)能夠改善集料的級(jí)配[11]，并起到潤(rùn)滑及填充作用，改善了混凝土的黏聚性及保水性，增加了混凝土的密實(shí)度，磨損區(qū)域的孔結(jié)構(gòu)得到改善，從而再生混凝土的強(qiáng)度和耐磨性能得到提高。隨著石粉含量的繼續(xù)增加，再生混凝土的耐磨性能并沒(méi)有像普通混凝土那樣出現(xiàn)趨于穩(wěn)定狀態(tài)[11]，而是呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，分析原因認(rèn)為，再生粗骨料本身附著有大量舊砂漿和水泥凈漿，其與石粉的黏結(jié)能力不如天然骨料和新拌水泥砂漿，當(dāng)石粉含量超過(guò)一定范圍，在混凝土中表現(xiàn)出游離態(tài)，對(duì)混凝土強(qiáng)度和耐磨性能的改善效應(yīng)消失，混凝土內(nèi)粉體成分增加，也就是易磨成分增加。

3 結(jié) 論

1)隨再生粗集料取代量的增加，河砂和機(jī)制砂混凝土的磨損量都呈增加趨勢(shì)，河砂混凝土的增加幅度比機(jī)制砂混凝土大。

2)無(wú)論再生粗集料取代量多少，機(jī)制砂混凝土的磨損量都小于河砂混凝土，機(jī)制砂對(duì)混凝土耐磨性能的改善作用隨再生粗集料取代量的增加而減弱。

3)石粉含量在7.0%以?xún)?nèi)時(shí)，對(duì)再生混凝土耐磨性能有改善作用，石粉含量超過(guò)7.0%，再生混凝土的耐磨性能明顯降低。因此，從提高混凝土耐磨性能的角度來(lái)講，機(jī)制砂再生混凝土應(yīng)控制石粉含量在7.0%以?xún)?nèi)。

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