再生混凝土工作性與抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究

索 倫， 彭 鵬， 田 波

(1.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究所，北京 100088；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；3.道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100088)

利用廢棄混凝土進(jìn)行破碎、篩分制成再生骨料可以很好地緩解資源緊缺的現(xiàn)狀。但是再生骨料在生產(chǎn)過程中，廢棄混凝土塊受到破碎機(jī)械的沖撞、擠壓和研磨，造成損傷累積，因而與天然骨料相比，內(nèi)部裂紋多，吸水率大，其品質(zhì)好壞直接影響再生混凝土的強(qiáng)度。本研究從改善再生混凝土工作性的角度出發(fā)，通過試驗(yàn)分析了再生骨料取代率、附加水選取、減水劑摻量、粉煤灰摻量4個因素對再生混凝土和易性和抗壓強(qiáng)度的影響，為再生混凝土的施工和應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 表面粗糙度試驗(yàn)

再生骨料表面棱角多且表面粗糙，目前尚無測試粗骨料表面積的統(tǒng)一方法，此處采用相對表面粗糙度作為表征骨料表面結(jié)構(gòu)的指數(shù)，具體計算見公式 (1)，式中，M1、M0分別為裹漿前后的質(zhì)量，值越大，說明骨料表面越粗糙。

(1)

式中：λ為相對表面粗糙度。

1.2 正交試驗(yàn)設(shè)計

為減少試驗(yàn)數(shù)量并得到最佳組合，采用正交試驗(yàn)法，選擇L9(34)正交表，采用以下4個因素。

(1) 再生混凝土強(qiáng)度受再生粗骨料取代率影響顯著[1]，本試驗(yàn)共考慮3種取代率(因素A)，分別為30%、50%、100%。

(2) 再生骨料表面附著大量的水泥砂漿，導(dǎo)致其孔隙率較大，進(jìn)而吸水率和吸水速率也增大，為滿足和易性和工作性的需要，在拌制再生混凝土?xí)r需根據(jù)再生骨料吸水率適當(dāng)選取附加水[2]。以往研究在附加水的選取上并沒有統(tǒng)一的選取方法，試驗(yàn)考慮了再生骨料10 min、30 min、24 h吸水率的吸水量(因素B)來進(jìn)行附加水添加，通過試驗(yàn)得到一個相對合適的附加水選取標(biāo)準(zhǔn)。

(3) 高效減水劑對水泥有明顯的分散作用，它能吸附在水泥顆粒上，使水泥顆粒帶負(fù)電荷，由于高效減水劑陰離子本身的相互作用，使水泥顆粒相互排斥，釋放出水泥漿絮凝中的水分，從而大大提高新拌再生混凝土的和易性。試驗(yàn)采用減水劑摻量(因素C)為0.5%、0.2%、0%的水泥用量。

(4) 粉煤灰可以改善混凝土拌合物的和易性和保水性并提高耐久性。試驗(yàn)采用內(nèi)摻法，分別取粉煤灰摻量(因素D)10%、20%、30%。

1.3 試驗(yàn)材料

水泥為北京金隅牌P.O 42.5硅酸鹽水泥；水為普通自來水；天然骨料為5～26.5 mm連續(xù)級配碎石；再生骨料為來自交通運(yùn)輸部公路試驗(yàn)場廢棄混凝土試塊，經(jīng)顎式破碎機(jī)碎后，人工清洗篩分后得到，制得的再生骨料如圖1所示。兩種骨料級配相同，級配采用粒徑為(4.75～9.5 mm)粗骨料 ∶(9.5～16 mm)粗骨料 ∶(16～26.5 mm)粗骨料=0.31∶0.45∶0.24[3]，基本性能見表1；砂為天然河砂，細(xì)度模數(shù)2.6；粉煤灰為呼市某電廠Ⅱ級粉煤灰；外加劑為西卡牌萘系高效減水劑，褐色粉末，減水率大于20%。

圖1 再生粗骨料

1.4 配合比設(shè)計

正交試驗(yàn)Z1組為基準(zhǔn)組，用水量以Z1為基準(zhǔn)，水膠比全部采用0.47,砂率35%。各組配合比見表2，其中NA表示天然骨料摻量，RA表示再生骨料摻量，F(xiàn)A表示粉煤灰摻量，ΔW表示附加水摻量，JS表示減水劑摻量。

表1 粗骨料基本性能

表2 L9(34)試驗(yàn)配合比與正交試驗(yàn)設(shè)計

2 試驗(yàn)方法

2.1 粗骨料表面粗糙度試驗(yàn)

再生骨料表面棱角多且表面粗糙，目前尚無測試粗骨料表面積的統(tǒng)一方法，此處采用相對表面粗糙度作為表征骨料表面結(jié)構(gòu)的一個重要指數(shù)，取干燥狀態(tài)單級試樣(9.5～16 mm,16～19 mm)各1000 g,倒入水灰比為0.6的基準(zhǔn)水泥凈漿中，迅速攪拌均勻，倒入10 mm圓孔篩中，篩去多余凈漿,移入標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護(hù)7 d,烘干至衡重，放在天平上秤取試樣裹漿前后的質(zhì)量。

2.2 工作性與抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

試驗(yàn)在道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行?；炷撂涠仍囼?yàn)和立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)嚴(yán)格按照文獻(xiàn)[4]進(jìn)行，立方體抗壓強(qiáng)度試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm,成型24 h后脫模，立刻移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d，取出試塊在20 t萬能壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，計算結(jié)果乘以折算系數(shù)0.95。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 表面粗糙度試驗(yàn)分析

兩種粗骨料表面粗糙度試驗(yàn)結(jié)果見表3，裹漿處理后的碎石、再生骨料表面狀況見圖2。由表3可知，粒徑為16～19 mm和9.5～16 mm的再生粗骨料表面粗糙度分別是同粒徑天然碎石的1.9倍和1.3倍,這是因?yàn)樵偕橇媳砻娓街f水泥砂漿，且再生骨料在破碎篩分過程中，部分石子因受力而產(chǎn)生微裂紋，既增加了新粗糙表面，又增加了棱角效應(yīng)，因而導(dǎo)致其表面比天然骨料粗糙。

表3 粗骨料表面粗糙度試驗(yàn)

(a) 天然碎石 (b) 再生粗骨料圖2 裹漿后的天然碎石與再生粗骨料

3.2 再生混凝土和易性分析

新拌再生混凝土坍落度和和易性見表4。由表4可以看出，Z2、Z5、Z7、Z9組的再生混凝土粘聚性較差，且均出現(xiàn)少量泌水現(xiàn)象，可能是因?yàn)閆2、Z5組減水劑摻量過高，Z7、Z9組的減水劑和附加水摻量過高。Z3、Z6、Z8組的再生混凝土工作性好，沒有泌水泌漿的現(xiàn)象，且粘聚性較好，說明再生混凝土通過適量添加減水劑和附加水可以克服再生骨料吸水率高、表面粗糙度大等缺陷，滿足新拌混凝土工作性要求。

表4 再生混凝土和易性

各因素對坍落度試驗(yàn)影響極差分析結(jié)果見表5，由表5可以看出，影響再生混凝土坍落度的主次順序?yàn)椋簻p水劑摻量→再生骨料取代率→附加水附加量→粉煤灰摻量，再生骨料取代率和附加水附加量的極差差別很小，說明附加水的選取對再生混凝土的坍落度是有一定影響的。

表5 極差分析

3.3 再生混凝土強(qiáng)度分析

28 d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表2,根據(jù)表2算出各因素對強(qiáng)度的影響極差值，計算結(jié)果見表5。

由表2可知，用粉煤灰等量替代水泥對再生混凝土28 d抗壓強(qiáng)度影響很大，20%、30%等量取代水泥后強(qiáng)度分別降低29.2%和31.1%，摻加粉煤灰會降低再生混凝土早期抗壓強(qiáng)度。除了Z6(50%取代率)組的抗壓強(qiáng)度高出對照組1.5%以外,試驗(yàn)組的抗壓強(qiáng)度幾乎都低于對照組，這與文獻(xiàn)[5]中50%取代率的再生混凝土與天然混凝土的抗壓強(qiáng)度的關(guān)系相似,說明再生混凝土在強(qiáng)度上略遜于天然混凝土，但通過優(yōu)化改善的再生骨料仍有一定的應(yīng)用前景。由表5可以得出，影響再生混凝土28 d立方體抗壓強(qiáng)度的主次因素為：粉煤灰摻量→再生骨料取代率→附加水附加量→減水劑摻量。

根據(jù)表5不同因素的水平分別做出再生混凝土坍落度和28 d抗壓強(qiáng)度趨勢點(diǎn)圖，見圖3、圖4。

圖3 因素與坍落度關(guān)系趨勢

圖4 因素與抗壓強(qiáng)度關(guān)系趨勢

由圖3可知，坍落度隨著減水劑摻量(因素C)的減小呈線性降低。再生骨料取代率(因素A)和附加用水量的選取(因素B)對坍落度的影響較大，粉煤灰摻量對坍落度影響較小。雖然直觀從坍落度值的角度來看，取代率為50%時的再生混凝土坍落度大于取代率為100%的再生混凝土，略小于取代率為30%的再生混凝土，但是從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，可以優(yōu)選50%再生骨料取代率，50%取代率的再生混凝土可以滿足工作性，同時由表2可知，其強(qiáng)度同時可以滿足C30混凝土的強(qiáng)度設(shè)計要求。按再生骨料30 min吸水率確定的附加水摻量優(yōu)于按10 min和24 h的附加水附加量；對于減水率為大于20%的萘系高效減水劑，0.2%摻量優(yōu)于0.5%摻量和0%摻量。

由圖4可知，再生混凝土28 d立方體抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰(因素D)摻量增加而呈線性降低，因?yàn)榉勖夯翌w粒會影響水泥中各礦物的早期水化速度，粉煤灰顆粒吸附Ca2+，從而減緩了C-S-H的結(jié)晶與成核，因而阻礙了水泥早期水化進(jìn)程[6]?？箟簭?qiáng)度隨著減水劑(因素C)摻量減少呈上升趨勢，由于減水劑釋放出了水泥漿絮凝中的水分，使得水泥顆粒相互排斥并完全分散于水泥漿中[7]，水泥石內(nèi)部孔隙體積明顯減少，水泥石更為致密，混凝土的抗壓強(qiáng)度應(yīng)顯著提高，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相反，可能是因?yàn)樽畲鬁p水劑摻量選擇偏大，再加上附加水的影響，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)過程中一些組的新拌再生混凝土發(fā)生泌水現(xiàn)象，水囊過多，影響了再生混凝土的強(qiáng)度。附加水選取(因素B)30 min吸水率附加量優(yōu)于其他兩種水平；再生骨料取代率(因素A)對抗壓強(qiáng)度影響較顯著，且在50%取代率時強(qiáng)度取得最大值，由于再生骨料老水泥砂漿和與天然骨料界面上存在孔洞甚至宏觀裂紋，而且再生骨料在破碎加工的過程中會造成內(nèi)部損傷，尤其是老砂漿與天然集料的界面過渡區(qū)本身就比較薄弱，因而導(dǎo)致再生混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著再生骨料取代率的增加而降低。

4 結(jié) 語

(1)再生粗骨料表面粗糙度大，粒徑16～19 mm和9.5～16 mm的再生粗骨料表面粗糙度是同粒徑天然碎石的1.9倍和1.3倍。主要是因?yàn)槠扑檫^程中產(chǎn)生了新的粗糙面，增加了棱角效應(yīng)。

(2)再生混凝土可通過摻加減水劑和附加水來改善工作性，附加水選取對再生混凝土坍落度有一定影響；粉煤灰摻量對再生混凝土和易性影響不大；減水劑摻量和再生粗骨料取代率對再生混凝土和易性影響顯著。滿足再生混凝土良好和易性和抗壓強(qiáng)度的最佳正交組合為A2B2C2D1,即再生骨料取代率50%，附加水選擇再生骨料30 min吸水量，減水劑摻量選擇0.2%，不摻加粉煤灰。

(3)粉煤灰是影響再生混凝土早期抗壓強(qiáng)度的主要因素，與不摻粉煤灰相比，用粉煤灰取代部分水泥的再生混凝土28 d抗壓強(qiáng)度分別為18%～25.1%和29.2%～31.1%；再生骨料取代率為50%時的再生混凝土28 d抗壓強(qiáng)度高于30%和100%取代率所對應(yīng)的強(qiáng)度；附加水選取和減水劑摻量對再生混凝土抗壓強(qiáng)度影響較小，附加水選取以再生骨料30 min吸水率計算為宜。

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