再生細骨料對混凝土力學(xué)性能及抗凍性能研究

余乃宗，劉衛(wèi)東，歐陽瑞，王　宇，方乙涵

(1.上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院， 上海 200093； 2.上海浦東路橋建設(shè)股份有限公司， 上海 200120)

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再生細骨料對混凝土力學(xué)性能及抗凍性能研究

余乃宗1,2，劉衛(wèi)東1，歐陽瑞1，王宇1，方乙涵1

(1.上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院， 上海 200093； 2.上海浦東路橋建設(shè)股份有限公司， 上海 200120)

再生細骨料是廢棄混凝土再加工的產(chǎn)物。為了促進再生細骨料的工程應(yīng)用，采用不同再生細骨料取代率，對混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉強度和評定抗凍性能的動彈性模量及質(zhì)量損失率進行研究。結(jié)果表明，再生細骨料取代率越大，混凝土抗壓強度下降趨勢越明顯；經(jīng)28 d養(yǎng)護后，齡期對再生混凝土抗壓強度影響不顯著；摻加了再生細骨料的混凝土，其劈裂抗拉強度普遍高于對照組，劈裂抗拉強度隨著再生細骨料取代率的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，取代率達到20%后，劈裂抗拉強度趨于穩(wěn)定；通過構(gòu)建抗壓強度及劈裂抗拉強度間關(guān)系，提出了再生細骨料作用下混凝土劈裂抗拉強度與抗壓強度的經(jīng)驗回歸公式；同時，隨著凍融次數(shù)的增加，再生細骨料取代率越大，混凝土的動彈性模量下降率及質(zhì)量損失率也隨之增大，凍融次數(shù)達到75次，部分試塊出現(xiàn)凍壞現(xiàn)象，較高再生細骨料取代率的混凝土表現(xiàn)出較差的抗凍性能。

再生細骨料；再生混凝土；凍融循環(huán)；質(zhì)量損失

作為建筑材料的混凝土，伴隨著世界建筑業(yè)的高速發(fā)展，混凝土保有量呈現(xiàn)持續(xù)增長的趨勢。與此同時，由于建筑物使用年限期滿、基礎(chǔ)設(shè)施改造以及地震、風(fēng)災(zāi)等災(zāi)害影響，廢棄混凝土的數(shù)量也大量增加。原先粗放式的露天堆放或填埋，在大量占用土地資源的同時，粉塵、灰沙飛揚以及堿性廢渣令土壤“失活”等問題嚴重破壞了生態(tài)環(huán)境[1-2]。嚴峻的資源、環(huán)境問題，已經(jīng)讓人類不得不積極面對廢棄混凝土資源化。目前國內(nèi)學(xué)者、研究機構(gòu)對再生粗骨料不僅僅停留在學(xué)術(shù)研究，實際工程已有越來越多再生混凝土使用的案例[3]。相較于再生粗骨料而言，再生細骨料的粒徑尺寸范圍為0.075 mm～4.75 mm，國內(nèi)研究人員在試驗研究階段雖有所涉及[4-8]，但實際工程應(yīng)用案例還較為匱乏?；炷列阅芘c再生細骨料取代率、混凝土的服役環(huán)境等多種因素有關(guān)，在復(fù)雜的環(huán)境下，多種損傷的積累會使混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性降低，結(jié)構(gòu)性能會發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的劣化。對處于寒冷地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)來說，凍融循環(huán)作用是不利混凝土耐久性的因素之一[9]。本文通過調(diào)整不同的再生細骨料取代率，針對混凝土的力學(xué)性能及抗凍性能進行研究。

1　試驗概況

1.1試驗原材料

本次試驗所用水泥為P·O 42.5級；細骨料為天然細骨料河砂和再生細骨料；粗骨料采用天然碎石，最大粒徑為31.5 mm；試驗拌和用水為城市自來水。

試驗開始前，根據(jù)《建設(shè)用砂》[10](GB/T 14684-2011)中試驗方法、試驗用料數(shù)量及結(jié)果計算方式，對天然細骨料河砂和再生細骨料相關(guān)物理性能進行檢測，測試項目包括表觀密度、堆積密度、空隙率、吸水率及細度模數(shù)。具體測試結(jié)果見表1。

表1　天然細骨料河砂與再生細骨料物理性能

1.2方案及配合比

試驗采用C30混凝土，配置強度為38.2 MPa，砂率為36%。再生細骨料取代率不宜大于30%[8]，所以本試驗再生細骨料替代天然砂的比例為：0%、5%、10%、15%、20%、25%，其中將0%取代率組設(shè)為對照組。參照規(guī)范[11-12]選用100 mm×100 mm×100 mm尺寸三聯(lián)試模進行試驗，試塊制作經(jīng)過材料稱量、攪拌機攪拌、裝模及振搗等過程；每一配合比分別制作7組21個試塊，以3塊一組，養(yǎng)護到規(guī)定齡期后，分別測定試塊28 d、60 d及90 d抗壓強度、28 d劈裂抗拉強度，經(jīng)過25次、50次及75次凍融循環(huán)后測定試塊抗壓強度。試驗混凝土配合比如表2所示。

表2　試驗混凝土配合比表

2　試驗現(xiàn)象與結(jié)果分析

在混凝土養(yǎng)護完成后，分別對不同齡期試塊的抗壓強度(28 d、60 d及90 d)、劈裂抗拉強度(28 d)、初始質(zhì)量、初始動彈性模量以及每經(jīng)過25次凍融循環(huán)后試塊的動彈性模量和質(zhì)量進行測定。其中并不以試塊的相對動彈性模量下降量及其質(zhì)量損失率作為停止抗凍試驗的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)出現(xiàn)試塊潰散不能成型時方停止試驗。

2.1試驗現(xiàn)象

相同條件下養(yǎng)護28 d后，再生細骨料配制的混凝土試塊，外觀與對照組并無差異。試塊劈裂破壞時伴有“砰”的聲響，試塊瞬間斷裂、塑性變形小，破壞過程表現(xiàn)為明顯的脆性破壞；裂縫主要沿著粗骨料表面與砂漿的界面延伸發(fā)展，而粗骨料本身拉斷破壞很少。經(jīng)過25次凍融循環(huán)，不同取代率的混凝土表面均出現(xiàn)微小孔隙及微小孔洞，少數(shù)試塊棱角有磨損現(xiàn)象；50次凍融循環(huán)結(jié)束后，試塊表面出現(xiàn)少量混凝土脫落現(xiàn)象，并隨著再生細骨料取代率的增大，脫落現(xiàn)象越明顯；75次凍融循環(huán)后，混凝土試塊出現(xiàn)不同程度的掉渣現(xiàn)象，其中取代率為20%和25%的再生細骨料混凝土試塊經(jīng)過凍融后變?yōu)樗缮⑸笆逊e物，試塊不具備成型條件，判定試塊已凍壞。凍融循環(huán)前后部分再生細骨料混凝土外觀變化情況如圖1所示。

2.2力學(xué)性能分析

2.2.1劈裂抗拉強度

根據(jù)混凝土28 d劈裂抗拉強度測試結(jié)果，繪制不同再生細骨料取代率對混凝土劈裂抗拉強度影響的關(guān)系圖見圖2。

圖1　凍融循環(huán)前后混凝土外觀變化情況

圖2不同再生細骨料取代率對混凝土劈裂抗拉強度影響

由圖2所示，摻加了再生細骨料的混凝土，劈裂抗拉強度普遍高于對照組，混凝土劈裂抗拉強度隨著再生細骨料取代率的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。因為再生細骨料與新拌水泥漿體界面主要依靠機械力銜接，在再生細骨料生產(chǎn)過程中，其表層會含有一定量舊混凝土的水泥漿體，粗糙表面的舊水泥漿體通過咬合作用與新漿體間產(chǎn)生粘結(jié)，提高了密實度，即增強了再生細骨料混凝土的劈裂抗拉強度，使再生細骨料取代率為15%時達到最佳狀態(tài)，劈裂抗拉強度為對照組的176%。但是舊水泥漿體存在較多的細微裂紋，表現(xiàn)出較高吸水能力，使再生細骨料與新水泥漿體接觸界面出現(xiàn)水分缺失，降低了水泥水化速度，進而減少水化產(chǎn)物，最終影響界面強度形成。這就出現(xiàn)當(dāng)再生細骨料的取代率超過15%后，混凝土的劈裂抗拉強度下降，并趨于穩(wěn)定的結(jié)果。

2.2.2抗壓強度

分別對不同齡期混凝土抗壓強度及經(jīng)過25次、50次及75次凍融循環(huán)后混凝土抗壓強度進行測定，試驗結(jié)果見圖3，表3。

圖3　不同齡期及不同再生細骨料取代率下混凝土抗壓強度關(guān)系

根據(jù)圖3的結(jié)果顯示，各個齡期混凝土隨著再生細骨料取代率的增大，抗壓強度呈現(xiàn)下降趨勢。由表1可知，再生細骨料的表觀密度與堆積密度分別為天然細骨料的92.0%和73.7%，在一定程度上會使連接粗骨料的砂漿密度減小，進而降低其密實度，使試塊抗壓強度下降。當(dāng)取代率在0%～15%之間時，混凝土的強度下降不顯著，說明再生細骨料中含有一定數(shù)量未完全水化的水泥，可以通過繼續(xù)水化增大混凝土的強度，進而部分抵消因再生細骨料堅固性差所造成的劣勢；15%再生細骨料取代率的抗壓強度較5%～10%取代率時出現(xiàn)增加，說明新舊水泥漿此時展現(xiàn)出較好的粘結(jié)性能。但當(dāng)取代率超過15%時，試塊的抗壓強度出現(xiàn)較大幅度下降，20%取代率的混凝土抗壓強度僅為對照組的61.6%，說明再生細骨料自身的缺陷產(chǎn)生的副作用已經(jīng)遠遠超過其所能帶來的有利作用；同時，隨著養(yǎng)護齡期的延長，不同取代率的混凝土強度雖然得到了一定的發(fā)展，但增長幅度有限，說明較長的養(yǎng)護齡期對再生細骨料混凝土后期抗壓強度性能提升作用較小。

根據(jù)抗壓強度試驗結(jié)果，繪制混凝土相對抗壓強度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線見圖4。

圖4再生細骨料混凝土相對抗壓強度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線

圖4所示，經(jīng)過25次的凍融循環(huán)，不同取代率的混凝土強度均出現(xiàn)下降現(xiàn)象，下降速率隨著取代率的增加而增大，這是由于生產(chǎn)再生細骨料的過程經(jīng)歷了破碎、分解，存在損傷積累，造成裂紋及孔隙數(shù)量增多[13]，加上試驗前物理性能測試得出再生細骨料的表觀密度、堆積密度均小于天然砂，在一定程度上降低了混凝土的密實度，同時再生細骨料的吸水率較大，在凍融循環(huán)過程中所形成的靜水壓力也越大，對混凝土的破壞也越嚴重[14]；50次的凍融循環(huán)后，取代率為0%～10%的混凝土抗壓強度下降速率大于25次凍融循環(huán)時的下降速率，同時取代率為15%～25%的混凝土抗壓強度下降速率大致與25次凍融循環(huán)時的一致；75次的凍融循環(huán)后，混凝土的抗壓強度持續(xù)下降，并出現(xiàn)試塊凍壞情況。

2.2.3抗壓及劈裂抗拉強度關(guān)系分析

結(jié)合混凝土試塊28 d的劈裂抗拉強度與抗壓強度，計算拉壓比，具體計算結(jié)果如表4所示。

表4　混凝土拉壓比計算結(jié)果

混凝土的拉壓比越大，說明混凝土脆性越小，擁有更佳的韌性和變形能力；相反則說明韌性越小，抵抗變形的能力越差[15]。試驗結(jié)果表明，再生細骨料取代下的混凝土拉壓比處于0.08～0.12之間，普遍高于對照組的0.056，總體隨著再生細骨料取代率的增加而微小增大，說明再生細骨料使混凝土適應(yīng)變形的能力增強。同時，拉壓比的增大是伴隨著劈裂抗拉強度和抗壓強度同時增減的過程，其中以15%與25%的取代率為例，抗壓強度降低的幅值為44.1%大于劈裂抗拉強度的37.2%。

通過試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計回歸，可以得到再生細骨料取代下，混凝土劈裂抗拉強度與抗壓強度的關(guān)系(見圖5)為

fts=0.08fcu+0.67

(1)

或

(2)

由于試驗結(jié)果僅基于C30混凝土，并且再生細骨料的取代率區(qū)間為0%～25%，統(tǒng)計數(shù)據(jù)較少，在實際工程應(yīng)用中，已有的再生細骨料配制混凝土取得的抗壓強度并不一定完全適用于劈裂抗拉強度的推算，但上述回歸公式可作為理論參考依據(jù)。

圖5再生細骨料取代下混凝土劈裂抗拉強度與抗壓強度的關(guān)系

2.3動彈性模量及質(zhì)量損失

分別對混凝土的初始質(zhì)量、初始動彈性模量以及經(jīng)過25次、50次及75次凍融循環(huán)后混凝土的動彈性模量與質(zhì)量損失進行測定。

用混凝土超聲測量儀測量動彈性模量，混凝土的動彈性模量越大，則表明了混凝土內(nèi)部的孔洞和縫隙較少，因而超聲波繞過的路程較少，所需要傳播的時間較少，反映了混凝土內(nèi)部較密實；反之，波速較低，即傳播的路徑較遠，表明了混凝土內(nèi)部孔洞和裂縫較多，混凝土不密實。

如圖6、圖7所示，不同再生細骨料取代率混凝土的動彈性模量均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低。再生細骨料空隙率及吸水率大于天然細骨料，取代率升高，混凝土在成型養(yǎng)護后空隙中存留游離狀態(tài)的水越多，毛細孔壁受到膨脹壓力和滲透壓力等多重疊加作用力越大，造成微細裂縫的擴展，動彈性模量下降。初始動彈性模量及50次凍融后動彈性模量均隨再生細骨料取代率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，其中10%的再生細骨料取代率時為拐點也是最大值點；經(jīng)過50次凍融循環(huán)后，裂縫寬度的持續(xù)擴大使試塊劣化速率加快，再生細骨料混凝土的動彈性模量發(fā)生較大幅度的下降，其中25%取代率的再生細骨料混凝土的動彈性模量僅為初始彈性模量的55.12%。當(dāng)凍融次數(shù)達到75次后，取代率為20%～25%的再生細骨料混凝土試塊已經(jīng)凍壞，0%～20%取代率的再生細骨料混凝土動彈性模量繼續(xù)降低，均已低于初始動彈性模量的60%。

圖6　混凝土動彈性模量與取代率的關(guān)系曲線

圖7混凝土相對動彈性模量與凍融循環(huán)條件的關(guān)系曲線

由圖8所示，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達到25次，再生細骨料取代率為0%～20%時，混凝土的質(zhì)量損失率較小，且不同取代率之間相差不大，趨于一致；當(dāng)取代率達到25%時，25次凍融循環(huán)后試塊的質(zhì)量損失率達到了1.024%，相較于取代率為0%～20%時最大值的0.258%，提高了296.9%?；炷帘砻婕皟?nèi)部微細裂縫的擴展使骨料間粘結(jié)力部分散失，再生細骨料取代率越大，試塊多孔多裂紋的現(xiàn)象即越嚴重，抵抗凍融作用保持原有形態(tài)的能力就越差。當(dāng)凍融次數(shù)達到50次后，不同取代率混凝土的質(zhì)量損失率增長顯著，其中20%～25%取代率的混凝土質(zhì)量損失率趨于5%的上限值。當(dāng)凍融次數(shù)達到75次后，取代率為20%～25%的混凝土試塊已經(jīng)凍壞，試塊抵抗外部作用的能力已喪失，0%～20%取代率的混凝土質(zhì)量損失率持續(xù)增大，但低于5%的上限值。

圖8混凝土質(zhì)量損失率與凍融次數(shù)間的影響曲線

3　結(jié)　論

(1) 再生細骨料的摻加，降低了混凝土的抗壓強度，降幅總體呈現(xiàn)出隨取代率的增加而變大；齡期的延長，對不同取代率下試塊的抗壓強度影響不顯著；混凝土的劈裂抗拉強度，因再生細骨料的摻加得到了提高，呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，取代率達到20%以后趨于穩(wěn)定；再生細骨料混凝土的拉壓比處于0.08～0.15之間，表現(xiàn)出了良好的韌性和抵抗變形的能力。

(2) 根據(jù)28 d試驗數(shù)據(jù)回歸，再生細骨料取代天然砂配制C30混凝土，劈裂抗拉強度fts與抗壓強度fcu的函數(shù)關(guān)系可參考式(1)、式(2)。

(3) 凍融循環(huán)作用下，不同再生細骨料取代率的混凝土抗壓強度均產(chǎn)生下降。同時，凍融循環(huán)次數(shù)對抗壓強度下降速率也存在一定影響。隨再生細骨料取代率增加，不同凍融循環(huán)次數(shù)下的動彈性模量均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，10%取代率時為動彈性模量的最大值點。此外，20%～25%取代率的混凝土率先出現(xiàn)凍壞現(xiàn)象。

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Experimental Study on Mechanical Properties and Frost Resistance of Recycled Fine Aggregate Concrete

YU Naizong1,2, LIU Weidong1, OUYANG Rui1, WANG Yu1, FANG Yihan1

(1.SchoolofEnvironmentandArchitecture,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China; 2.ShanghaiPudongRoad&BridgeConstructionCo.,Ltd.,Shanghai200120,China)

Recycled fine aggregate is the reprocessed product of waste concrete. In order to promote the engineering application of recycled fine aggregate, the compressive strength, splitting tensile strength, dynamic elastic modulus and weight loss of a regenerated concrete with different recycled fine aggregate replacement rate were studied in this research. The results show that recycled fine aggregate reduces the compressive strength of concrete. The downward trend of the compressive strength is more obvious with higher recycled fine aggregate replacement rate. The change of compressive strength is not significant after 28 days. The splitting tensile strength of recycled concrete is higher than natural concrete. The substitution rate of the recycled fine aggregate makes the splitting tensile strength show the trend of increasing first and then decreasing. When the substitution rate rises to 20 percent, splitting tensile strength tends to be stable. The relationship between splitting tensile strength and compressive strength of recycled fine aggregate concrete is obtained with statistical regression. With the increasing of freeze-thaw circle numbers, the decrease rate of dynamic elastic modulus and weight loss increase gradually. Finally, some specimens were damaged after 75 times freeze-thaw circles. Higher recycled fine aggregate replacement ratio of concrete shows poor performance of frost resistance.

recycled fine aggregate; recycled concrete; freeze-thaw cycles; weight loss

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.04.024

2016-04-27

2016-05-20

上海市教育發(fā)展基金聯(lián)盟計劃(LM201537)

余乃宗(1990—)，男，福建龍巖人，碩士研究生，研究方向為無機非金屬建筑材料。E-mail：yunaizongusst@163.com

TU528.04

A

1672—1144(2016)04—0117—06