再生粗集料初始含水率對混凝土性能的影響

吳　晶，　張麗娟

(河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院　公路學(xué)院， 河南　鄭州　450000)

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再生粗集料初始含水率對混凝土性能的影響

吳晶，張麗娟

(河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院公路學(xué)院， 河南鄭州450000)

摘要：通過設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究了再生粗集料初始含水率對新拌再生集料混凝土塌落度及其物理力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明：再生粗集料初始含水率將顯著影響新拌混凝土塌落度及其經(jīng)時(shí)損失。當(dāng)再生粗集料為干燥或氣干狀態(tài)時(shí)，其較大的吸水率導(dǎo)致混凝土初始塌落度隨再生粗集料替代率的增大而明顯增大且經(jīng)時(shí)損失減小。另外，由不同初始含水率再生粗集料配制的混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均出現(xiàn)下降，飽和面干再生粗集料內(nèi)部大量自由水導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度下降最大；當(dāng)再生粗集料為干燥狀態(tài)時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度下降最小，但劈裂抗拉強(qiáng)度值較為離散，與其抗壓強(qiáng)度值相關(guān)性較差。因此，在再生混凝土的實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)盡量避免使再生粗集料處于干燥或潮濕狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：再生粗集料；含水率；塌落度；抗壓強(qiáng)度；劈裂抗拉強(qiáng)度

由于再生集料混凝土技術(shù)能夠?qū)⒒炷凉腆w廢棄物進(jìn)行二次利用，符合綠色、節(jié)能、環(huán)保的建筑理念，通常被認(rèn)為是發(fā)展綠色生態(tài)混凝土的主要措施之一。近年來，國內(nèi)外諸多學(xué)者針對再生集料混凝土領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究，取得了諸多重要的研究成果。但總體而言，目前的研究方向主要集中在改進(jìn)再生集料的生產(chǎn)加工工藝[1]，確定再生集料的性能評價(jià)指標(biāo)[2]，探討再生集料替代率對混凝土物理力學(xué)及耐久性能的影響[3～5]，以及通過摻加礦物摻合料改善再生集料與水泥石之間界面特征，從而提高再生混凝土性能[6～9]等幾方面。而對于再生集料，由于水泥砂漿含量較高，再加上機(jī)械破碎造成的損傷積累使其內(nèi)部產(chǎn)生大量微裂紋，這就導(dǎo)致與天然集料相比，再生集料具有較大的吸水率及較快的吸水速度。而這種高吸水率勢必會(huì)對新拌混凝土的工作性以及硬化混凝土強(qiáng)度產(chǎn)生重要影響，但目前針對再生集料初始含水率對混凝土性能影響方面的研究尚不多見。

為此，本文通過設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究了再生粗集料初始含水率對新拌再生混凝土工作性及其物理力學(xué)性能的影響，以期為再生混凝土的工程應(yīng)用提供試驗(yàn)依據(jù)。

1原材料及試驗(yàn)方法

1.1原材料

試驗(yàn)中所用水泥為天瑞牌P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，各項(xiàng)性能均滿足要求；砂子為細(xì)度模數(shù)2.8的河砂，吸水率1.28；粗集料為石灰石碎石，粒徑5～20 mm，分為天然集料及再生集料，其基本性能見表1。

表1　粗集料基本性能

1.2配合比設(shè)計(jì)

考慮到再生粗集料具有較高的吸水率，而本文試驗(yàn)的研究目的旨在探討再生粗集料初始含水率對再生混凝土性能的影響，因此，在進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)，將再生粗集料初始含水率分別設(shè)為飽和面干、干燥以及氣干3種狀態(tài)，混凝土拌合前粗集料初始含水率見表2。

表2　粗集料初始含水率　%

再生混凝土的配合比設(shè)計(jì)考慮了再生粗骨料較高吸水性能，用有效水灰比(質(zhì)量比)進(jìn)行調(diào)整[10]，即混凝土的用水量由2部分組成：一部分是按照普通混凝土配合比設(shè)計(jì)方法計(jì)算出的用水量，稱為拌和水；另一部分稱作附加水，其作用是為了補(bǔ)償再生粗骨料的吸水量，其用量根據(jù)再生粗骨料的自然干燥吸水率(集料從干燥狀態(tài)到飽和面狀態(tài)的吸水率)確定，混凝土配合比見表3，其中有效水灰比為0.55，試驗(yàn)中所用砂在混凝土攪拌前置于105℃烘箱內(nèi)烘干24 h，試驗(yàn)中視為干燥狀態(tài)。再生粗集料的替代率分別設(shè)為0、20%、50%以及100%。

表3　混凝土配合比

注：表中BH代表飽和面干，GZ代表干燥，QG代表氣干；RC0BH代表再生粗集料替代率為0，粗集料初始含濕狀態(tài)為飽和面干，以此類推。

1.3試驗(yàn)方法

本文試驗(yàn)在考察再生粗集料初始含水率對混凝土性能影響時(shí)主要測試以下混凝土的性能指標(biāo)：(1)新拌混凝土塌落度及其經(jīng)時(shí)變化；(2)硬化混凝土抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度。為便于描述，下文統(tǒng)一將無再生粗集料替代的混凝土稱為普通混凝土，反之則稱為再生混凝土。

對混凝土塌落度及其經(jīng)時(shí)損失的測試步驟如下：(1)在混凝土攪拌完成后立即測試其塌落度，并稱之為初始塌落度；(2)在第一個(gè)小時(shí)內(nèi)每隔20 min測試混凝土塌落度，隨后測試間隔為30 min，共測試150 min內(nèi)混凝土塌落度的經(jīng)時(shí)變化；(3)每次測試2次，取平均值。為防止水分散失，每次測試完畢后，將混凝土上覆塑料膜直到下次測試開始。

對混凝土抗壓強(qiáng)度及抗劈裂強(qiáng)度的測試方法參照GB/T 50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)范進(jìn)行，測試齡期分別選為7 d以及28 d，其中劈裂強(qiáng)度測試齡期為28 d。為了減小澆筑因素的影響，把每6個(gè)試塊分為1組澆筑，每組3個(gè)試塊測試1個(gè)抗壓強(qiáng)度，3個(gè)試塊測試對應(yīng)的1個(gè)劈裂抗拉強(qiáng)度。

2試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1新拌混凝土塌落度

如圖1所示，當(dāng)粗集料處于飽和面干或干燥狀態(tài)時(shí)，對于普通混凝土，其初始塌落度值分別為90 mm和100 mm，而當(dāng)粗集料為氣干狀態(tài)時(shí)，初始塌落度值介于90～100 mm?？梢?，對于普通混凝土，粗集料的干濕狀態(tài)對其初始塌落度的影響較小。但對再生混凝土，當(dāng)粗集料為飽和面干時(shí)，不同粗集料替代率下的再生混凝土，其初始塌落度值與普通混凝土差別不大。而當(dāng)粗集料為干燥狀態(tài)時(shí)，再生混凝土初始塌落度值將隨粗集料替代率的增大而顯著增加。如當(dāng)替代率為20%、50%以及100%時(shí)，再生混凝土初始塌落度分別增大到120、135以及150 mm，而當(dāng)粗集料為氣干狀態(tài)時(shí)，初始塌落度值也在粗集料替代率較大(50%和100%)時(shí)出現(xiàn)較大幅度的增加。

圖1　不同替代率不同濕度粗集料混凝土塌落度經(jīng)時(shí)變化

造成上述現(xiàn)象的原因在于新拌混凝土塌落度的大小主要取決于其內(nèi)部自由水含量。在本次試驗(yàn)中，對不同含濕狀態(tài)的粗集料，需調(diào)節(jié)用水量以保證各配合比混凝土具有相同的有效水灰比。對于普通混凝土，由于天然集料吸水率較小，即使是干燥粗集料，也僅比飽和面干粗集料每立方米多摻加15 kg水，尚不足以對混凝土塌落度造成很大影響。而對于再生粗集料，由于其具有較大吸水率，當(dāng)替代率為20%、50%以及100%時(shí)，粗集料處于干燥狀態(tài)的再生混凝土比粗集料為飽和面干的再生混凝土每立方米多摻加的水分別達(dá)到23、36和57 kg，從而造成再生混凝土初始塌落度值隨粗集料替代率的增加而顯著增大。

通過測試混凝土塌落度的經(jīng)時(shí)變化(圖1)可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)粗集料為飽和面干和氣干狀態(tài)時(shí)，直到150 min時(shí)普通混凝土塌落度才損失殆盡。而當(dāng)粗集料為干燥狀態(tài)時(shí)，60 min內(nèi)混凝土塌落度即出現(xiàn)急劇減小，120 min時(shí)塌落度值已損失殆盡。這主要是因?yàn)榛炷林凶杂伤桓稍锎旨衔眨瑢?dǎo)致塌落度下降明顯，而由于攪拌完成后初期(60 min)干燥粗集料吸水速率較大，導(dǎo)致塌落度值急劇下降。而對于再生混凝土，塌落度的損失較普通混凝土變慢，當(dāng)替代率為20%～100%時(shí)，直到150 min，粗集料為飽和狀態(tài)的再生混凝土仍具有近20 mm的塌落度。相較而言，當(dāng)粗集料為干燥狀態(tài)時(shí)，再生混凝土塌落度的下降速率更為明顯，直到150 min時(shí)塌落度值才消失殆盡。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因在于雖然再生集料吸水率大于天然集料，但短時(shí)間內(nèi)再生集料不可能吸水至接近飽和，因此，再生混凝土的自由含水量要大于普通混凝土，塌落度的經(jīng)受損失得到延遲。

2.2抗壓強(qiáng)度

圖2給出了不同再生集料替代率對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，相較于普通混凝土，3種粗集料濕度狀態(tài)下不同替代率再生混凝土28 d抗壓強(qiáng)度分別降低了7.66%(GZ)、9.50%(QG)和16.84%(BH)。而粗集料含濕狀態(tài)對不同替代率再生混凝土抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生的影響不盡相同。當(dāng)再生集料替代率較低時(shí)(0或20%)，飽和面干粗集料配制的混凝土其抗壓強(qiáng)度最高，粗集料為氣干狀態(tài)的混凝土次之，干燥粗集料最低。但當(dāng)替代率較高時(shí)(50%和100%)，結(jié)果恰好相反。

圖2　再生集料替代率對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

現(xiàn)有研究表明，混凝土強(qiáng)度主要由集料強(qiáng)度、水泥石強(qiáng)度以及集料與漿體界面過渡區(qū)的粘結(jié)強(qiáng)度三部分構(gòu)成。對同一配合比普通混凝土，當(dāng)集料濕度狀態(tài)處于干燥或飽和時(shí)，混凝土強(qiáng)度主要取決于界面粘結(jié)強(qiáng)度。而Wong[11]在其研究中發(fā)現(xiàn)由飽和面干集料配制的混凝土，其粘結(jié)強(qiáng)度要好于干燥集料。另外，為保證混凝土有效水灰比接近，集料處于干燥狀態(tài)時(shí)其自由水含量較多，這在某種程度上增大了水泥石的水灰比，造成水泥漿體強(qiáng)度下降，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度值下降。對于再生集料混凝土，由于粗集料吸水率大，當(dāng)粗集料處于飽和面干狀態(tài)時(shí)，其內(nèi)部所含自由水較多，在振搗成型時(shí)大量自由水?dāng)U散到附近包圍的水泥漿體中，在界面過渡區(qū)形成水囊，影響集料與漿體之間的粘結(jié)強(qiáng)度，最終導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度下降。而當(dāng)粗集料處于干燥狀態(tài)時(shí)，水分遷移方向指向粗集料，此時(shí)水分帶動(dòng)水泥顆粒沉積在集料周圍，最終形成了較好的界面結(jié)構(gòu)。

2.3劈裂抗拉強(qiáng)度

圖3給出了不同濕度狀態(tài)粗集料對再生混凝土28 d劈裂抗拉強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明再生集料的濕度狀態(tài)對劈裂抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律基本類似，當(dāng)再生集料替代率較低時(shí)(0或20%)，飽和面干粗集料配制的混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度最高，氣干狀態(tài)次之，干燥粗集料最低。但當(dāng)替代率較高時(shí)(50%和100%)，結(jié)果恰好相反。但相較于普通混凝土，3種粗集料濕度狀態(tài)下不同替代率再生混凝土28 d劈裂抗拉強(qiáng)度的降低幅度較抗壓強(qiáng)度增大，分別達(dá)到了24.13%(GZ)、25.63%(QG)和32.14%(BH)。

圖3　不同濕度狀態(tài)粗集料對再生混凝土28 d劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

再生集料抗拉劈裂強(qiáng)度之所以出現(xiàn)顯著降低，原因在于再生粗集料的加工破碎過程使其受到損傷，內(nèi)部存在微小裂縫。而相對于材料的抗壓性能，細(xì)小裂縫的存在顯然對抗拉作用更為敏感，在試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，相較于普通混凝土，再生混凝土出現(xiàn)劈裂破壞時(shí)，其斷裂面上有較多再生粗集料被劈裂，再生混凝土的破壞不僅表現(xiàn)為再生粗集料和新水泥漿體之間界面的粘結(jié)破壞，還表現(xiàn)為較多再生粗集料本身的斷裂破壞，可見，再生粗集料自身結(jié)構(gòu)上的缺陷導(dǎo)致其劈裂抗拉強(qiáng)度隨著替代率增加出現(xiàn)顯著降低。

根據(jù)GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》給出的普通混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系(式(1))，對相同條件下再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度fsp與抗壓強(qiáng)度fcu的關(guān)系進(jìn)行回歸分析，結(jié)果如圖4所示。

fsp=0.19fcu0.75

(1)

結(jié)果表明，對于普通混凝土，基本可按照式(1)通過混凝土抗壓強(qiáng)度值來估算其劈裂抗拉強(qiáng)度值。但對于再生混凝土，試驗(yàn)得到的不同抗壓強(qiáng)度值下對應(yīng)的劈裂抗拉強(qiáng)度值較為離散。因此，基于本文的試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，一方面由于再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度值隨再生集料替代率的增加而下降的程度較抗壓強(qiáng)度值更大，如按照規(guī)范中給出的關(guān)系式進(jìn)行預(yù)測勢必會(huì)高估再生混凝土劈裂強(qiáng)度值；另外，本次試驗(yàn)測試結(jié)果還表明，相較于其它2種濕度狀態(tài)粗集料，由干燥粗集料配制的再生混凝土其劈裂強(qiáng)度值最為離散，很難通過抗壓強(qiáng)度值來對其進(jìn)行預(yù)測。

圖4　再生混凝土28 d劈裂抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系

2.4小結(jié)

本文試驗(yàn)結(jié)果表明，再生集料較高吸水率導(dǎo)致其含濕狀態(tài)的改變對混凝土塌落度、抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度均產(chǎn)生較大的影響。再生集料為干燥時(shí)混凝土初始塌落度將顯著增大且經(jīng)時(shí)損失較小，同時(shí)抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度較大，但在實(shí)際應(yīng)用中需注意，使用干燥狀態(tài)再生集料配置混凝土?xí)r，由于初期混凝土自由水含量較大，極易造成混凝土離析，從而影響材料均質(zhì)性。另外，鑒于用干燥粗集料配制的再生混凝土其劈裂強(qiáng)度值較為離散，因此對于某些服役期主要承受彎拉荷載的結(jié)構(gòu)物(如混凝土路面)進(jìn)行現(xiàn)場施工時(shí)，應(yīng)盡量避免使粗集料處于干燥狀態(tài)。而當(dāng)再生集料為飽和面干時(shí)，集料內(nèi)部大量的自由水會(huì)因振搗而溢出，從而造成混凝土出現(xiàn)泌水，這樣不僅影響材料強(qiáng)度，同時(shí)對混凝土耐久性能也會(huì)產(chǎn)生不利影響，應(yīng)盡量避免。因此，在再生混凝土的實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)盡量避免使再生粗集料處于干燥或者潮濕狀態(tài)，從而使再生混凝土性能得到保證。

3結(jié)論

(1)由于再生集料具有較大吸水率，相較于普通混凝土，當(dāng)再生粗集料為干燥狀態(tài)時(shí)，混凝土初始塌落度將隨再生集料替代率的增加而明顯增大，經(jīng)時(shí)損失也相應(yīng)減小。

(2)相較于普通混凝土，不同再生粗集料替代率及含濕狀態(tài)導(dǎo)致再生混凝土抗壓強(qiáng)度降低7%～17%。再生集料替代率較低時(shí)，粗集料為飽和面干的混凝土抗壓強(qiáng)度值大于干燥粗集料配制的混凝土，當(dāng)再生粗集料替代率較高時(shí)結(jié)果相反。飽和面干粗集料內(nèi)部大量自由水的存在影響了集料與漿體間的粘結(jié)強(qiáng)度，最終導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度下降。

(3)相較于普通混凝土，不同再生粗集料替代率及含濕狀態(tài)導(dǎo)致再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度降低24%～33%。低再生集料替代率下飽和面干粗集料配制的混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度最高，干燥粗集料最低，高替代率較高時(shí)結(jié)果恰好相反。干燥粗集料配制的再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度值最為離散，很難通過抗壓強(qiáng)度值來對其進(jìn)行預(yù)測。

(4)在再生混凝土的實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)盡量避免使再生粗集料處于干燥或潮濕狀態(tài)，從而使再生混凝土性能得到保證。

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Influence of Initial Moisture Content of Recycled Coarse Aggregates

on the Properties of Fresh and Hardened Concrete

WUJing,ZHANGLi-juan

(School of Highway, Henan Vocational and Technical College of Communications,

Zhengzhou 450000, China)

Abstract:The influence of initial moisture content of recycled coarse aggregates on the properties of fresh and hardened concrete was investigated according to the laboratory test. The results showed that the initial slump and the slump loss of concrete were changed significantly due to the initial moisture content of recycled coarse aggregates. The initial slump values of the concrete was increased and the slump loss was decreased with the increase of replacement rate of recycled coarse aggregate due to the higher water absorption capacity of the recycled coarse aggregate. Also, the compressive strength and the splitting tensile strength of concrete with different initial moisture content of recycled coarse aggregates were decreased. The average compressive and splitting tensile strength of concrete prepared with the saturated surface-dried aggregates were decreased mostly due to a larger amount of free water in the saturated surface-dried aggregates. The decrease of average compressive and splitting tensile strength of concrete prepared with the oven-dried aggregates were least but the splitting tensile strength values were of high discreteness and had low correlation with compressive strength. So the dry and moist recycled coarse aggregates should be avoided using in the production of the recycled aggregate concrete.

Key words：recycled coarse aggregate; moisture content; slump; compressive strength; splitting tensile strength

中圖分類號(hào)：TU528.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-0985(2016)01-0097-06

作者簡介：吳晶(1979-)，女，河南開封人，講師，碩士，研究方向?yàn)樵偕炷晾眉夹g(shù)、高等級(jí)公路維護(hù)(Email：paperssub@163.com)

收稿日期：2015-08-06修回日期： 2015-09-20