再生粗骨料品質(zhì)和取代率對(duì)再生混凝土抗凍性能影響?

韓 帥， 李秋義， 張修勤， 孔 哲, 莫 建

(1.青島理工大學(xué),山東 青島 266033; 2.濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司,山東 濟(jì)南 250101)

再生粗骨料品質(zhì)和取代率對(duì)再生混凝土抗凍性能影響?

韓 帥1,2， 李秋義1??， 張修勤1， 孔 哲1, 莫 建1

(1.青島理工大學(xué),山東 青島 266033; 2.濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司,山東 濟(jì)南 250101)

根據(jù)《混凝土用再生粗骨料》(GB/T 25177-2010),廢棄混凝土經(jīng)簡(jiǎn)單破碎、一次顆粒整形和二次顆粒整形后分別制得II類(lèi)再生粗骨料，準(zhǔn)I類(lèi)再生粗骨料和I類(lèi)再生粗骨料。采用再生粗骨料取代(φz=0%、50%、100%)天然骨料，研究再生粗骨料品質(zhì)和取代率對(duì)再生混凝土抗凍性能的影響。結(jié)果顯示：二次顆粒整形再生混凝土>普通混凝土>一次顆粒整形再生混凝土>簡(jiǎn)單破碎再生混凝土。隨著再生粗骨料取代率的增大，簡(jiǎn)單破碎再生粗骨料混凝土和一次顆粒整形再生粗骨料混凝土的抗凍性能均呈減小趨勢(shì)；二次顆粒整形再生粗骨料混凝土的抗凍性能呈先增大后減小的趨勢(shì)。

簡(jiǎn)單破碎；顆粒整形；再生粗骨料；再生粗骨料混凝土；抗凍性能;毛細(xì)吸水

凍融破壞是造成混凝土結(jié)構(gòu)耐久性失效的重要因素之一，凍融循環(huán)造成混凝土結(jié)構(gòu)表層剝落和內(nèi)部?jī)雒涢_(kāi)裂，嚴(yán)重影響混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。與普通混凝土相比，由于廢棄混凝土來(lái)源廣泛、組分復(fù)雜、性能差異較大，再生粗骨料品質(zhì)的差異導(dǎo)致再生混凝土抗凍機(jī)理更為復(fù)雜。

顆粒整形能夠改善了再生粗骨料的品質(zhì)，提高了再生粗骨料混凝土的力學(xué)性能。力學(xué)性能的改善，相應(yīng)地改善了混凝土內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，這有利于混凝土的耐久性能的提高[1-6]。因此，提高骨料的品質(zhì)能保證再生混凝土的抗凍性能得到改善。

本文將廢棄混凝土經(jīng)簡(jiǎn)單破碎、一次顆粒整形、二次顆粒整形制備出三種不同品質(zhì)的再生粗骨料，測(cè)試再生粗骨料不同品質(zhì)和取代率對(duì)混凝土抗凍性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)所采用原材料及其品質(zhì)如下：

水泥：山水水泥廠P.O 42.5R普通硅酸鹽水泥，其物理力學(xué)性能指標(biāo)和XRF分析結(jié)果見(jiàn)表1、2；

天然砂：河砂，Ⅱ級(jí)砂，級(jí)配良好，符合(GB/T 14684-2011)要求；

天然粗骨料：嶗山產(chǎn)5～25 mm連續(xù)級(jí)配的花崗巖碎石，符合(GB/T 14685-2011)要求；

再生粗骨料：簡(jiǎn)單破碎再生粗骨料(SBA)，一次顆粒整形再生粗骨料(FA)，二次顆粒整形再生粗骨料(SA)具體性能指標(biāo)見(jiàn)表3、4；

減水劑：江蘇博特高效聚羧酸減水劑,減水率為30%；

水：自來(lái)水,符合(JGJ63—2006)要求。

表1 水泥的物理力學(xué)性能指標(biāo)

表2 水泥XRF分析結(jié)果

表3 再生粗骨料顆粒級(jí)配

表4 再生粗骨料性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)根據(jù)《混凝土用再生粗骨料》(GB/T 25177-2010)、《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ55-2011)和《混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082-2009),確定混凝土原材料及配合比，研究3種物理強(qiáng)化再生粗骨料品質(zhì)和取代率對(duì)再生粗骨料混凝土碳化性能的影響。

本試驗(yàn)采用砂率為40%,減水劑為膠凝材料用量的1.2%，通過(guò)調(diào)整控制坍落度160～200mm確定用水量。通過(guò)測(cè)試試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量，研究化學(xué)強(qiáng)化再生粗骨料不同品質(zhì)和取代率(φz=0%、50%、100%)對(duì)再生粗骨料混凝土抗凍性能的影響，試驗(yàn)配合比如表5。

表5 再生粗骨料混凝土試驗(yàn)配合比(以1m3計(jì))

2 試驗(yàn)分析

2.1 試驗(yàn)過(guò)程

顆粒整形法原理及過(guò)程如圖1所示。

廢棄混凝土(廢棄混凝土來(lái)自于青島膠州舊城改造項(xiàng)目)經(jīng)顎式破碎機(jī)破碎成簡(jiǎn)單破碎再生粗骨料；簡(jiǎn)單破碎再生粗骨料經(jīng)顆粒整形機(jī)一次整形、二次整形制得一次顆粒整形再生粗骨料和二次顆粒整形再生粗骨料。

再生粗骨料形貌如圖2所示。

圖1 顆粒整形法

圖2 再生粗骨料形貌圖

根據(jù)《混凝土用再生粗骨料》(GB/T 25177-2010)[7]，根據(jù)顆粒級(jí)配、吸水率、針片狀顆粒含量、有機(jī)物含量、壓碎指標(biāo)、表觀密度和空隙率等作為分類(lèi)依據(jù)，三類(lèi)再生粗骨料的等級(jí)為：Ⅱ類(lèi)、準(zhǔn)Ⅰ類(lèi)和Ⅰ類(lèi)，見(jiàn)表6。

表6 顆粒整形法再生粗骨料品質(zhì)

2.2 物理強(qiáng)化對(duì)再生混凝土抗凍性能影響

參照《混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082-2009)，測(cè)試試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量。

2.2.1 不同品質(zhì)物理強(qiáng)化再生粗骨料對(duì)再生混凝土抗凍性能影響 不同品質(zhì)再生粗骨料對(duì)再生混凝土抗凍性能影響如圖3～6所示。

再生粗骨料混凝土抗凍性能為：SA再生粗骨料混凝土>普通混凝土>FA再生粗骨料混凝土>SBA再生粗骨料混凝土。當(dāng)再生混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量低于60%或凍融次數(shù)達(dá)到300次時(shí)，其質(zhì)量損失率均未超過(guò)5%。

圖3 水泥用量為350 kg/m3再生粗骨料混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量變化曲線

圖4 水泥用量為400 kg/m3再生粗骨料混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量變化曲線

圖5 水泥用量為450 kg/m3不同品質(zhì)再生粗骨料混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量變化曲線

圖6 水泥用量為500kg/m3不同品質(zhì)再生粗骨料混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量變化曲線

以圖5為例，與SBA再生粗骨料混凝土相比，當(dāng)φz=50%時(shí)，F(xiàn)A再生粗骨料混凝土的凍融循環(huán)次數(shù)增大了25次，SA再生粗骨料混凝土的凍融循環(huán)次數(shù)增大了50次；當(dāng)φz=100%時(shí)，F(xiàn)A再生粗骨料混凝土的凍融循環(huán)次數(shù)增大了25次，SA再生粗骨料混凝土的凍融循環(huán)次數(shù)增大了75次。

混凝土凍融破壞機(jī)理主要是可凍水在結(jié)冰時(shí)，體積膨脹產(chǎn)生靜水壓、滲透壓和水的遷移，導(dǎo)致混凝土在凍融循環(huán)過(guò)程中，內(nèi)部的孔隙和裂縫逐漸的增大、擴(kuò)展、連通，最終混凝土凍脹開(kāi)裂和表面剝蝕。由凍融破壞機(jī)理可知，影響混凝土抗凍性的主要因素是平均氣泡間距、骨料品質(zhì)、強(qiáng)度、水泥品種和用量等。

當(dāng)粗骨料吸水飽和后，在受凍的過(guò)程中，不斷的排出水分所產(chǎn)生的壓力使得骨料—水泥漿界面破壞；如果受凍骨料接近混凝土表面，就會(huì)發(fā)生剝落[8]。硬化的再生混凝土存在兩個(gè)界面：新界面過(guò)渡區(qū)(集料與新水泥漿的界面)和老界面過(guò)渡區(qū)(再生集料與老水泥石之間的界面)。老界面過(guò)渡區(qū)包括舊水泥石與新水泥石界面、舊骨料與舊水泥石界面和新骨料與新水泥石界面。這三個(gè)界面結(jié)合處的顯微硬度值：舊水泥石與舊骨料界面>新骨料與新水泥石界面>舊水泥石與新水泥石界面處[9]。

簡(jiǎn)單破碎再生粗骨料混凝土的新舊水泥石界面處顯微硬度普遍偏低和新舊砂漿兩者的相容性存在較大差異，這些因素都可能降低再生混凝土的抗拉強(qiáng)度，這無(wú)疑更不利于再生混凝土的抗凍性；在生產(chǎn)過(guò)程中，簡(jiǎn)單破碎再生骨料受外力沖擊存在大量微細(xì)裂紋，其吸水率明顯高于天然骨料，骨料的凍脹效應(yīng)更加明顯。

顆粒整形處理將再生粗骨料的老界面過(guò)渡區(qū)剝除，使再生粗骨料表面微裂縫減少，外觀圓滑，剝離了表面的水泥砂漿，克服了簡(jiǎn)單破碎再生混凝土新舊界面區(qū)顯微硬度低和骨料的凍脹效應(yīng)的缺陷；顆粒整形顯著降低了再生混凝土的毛細(xì)吸水量，從而優(yōu)化了再生混凝土的孔結(jié)構(gòu)并減小了孔隙率，有效地抵御水的侵入，顯著提高了再生混凝土的抗凍性。由圖7可知，二次顆粒整形再生混凝土的毛細(xì)吸水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于簡(jiǎn)單破碎再生混凝土。

再生混凝土毛細(xì)吸水量如圖7所示。

2.2.2 不同再生粗骨料取代率對(duì)再生混凝土抗凍性能影響 不同再生粗骨料取代率對(duì)再生混凝土抗凍性能影響如圖8～10所示。

圖7 再生混凝土毛細(xì)吸水量

圖8 SBA再生粗骨料取代率對(duì)再生混凝土抗凍性能影響

圖9 FA再生粗骨料取代率對(duì)再生混凝土抗凍性能影響

圖10 SA再生粗骨料取代率對(duì)再生混凝土抗凍性能影響

隨著再生粗骨料取代率的增大，簡(jiǎn)單破碎再生粗骨料混凝土的抗凍性能呈減小趨勢(shì)；一次顆粒整形再生粗骨料混凝土的抗凍性能呈減小趨勢(shì)；二次顆粒整形再生粗骨料混凝土抗凍性能呈先增大后減小的趨勢(shì)。

影響混凝土抗凍性的最主要因素是平均氣泡間距，平均氣泡間距越大，在凍融循環(huán)過(guò)程中，在毛細(xì)孔和裂縫中將產(chǎn)生更大的靜水壓和滲透壓，混凝土的抗凍性越低。

平均氣泡間隔系數(shù)：

本試驗(yàn)采用相同的引氣劑質(zhì)量和工藝水平，因此氣泡平均半徑相同；根據(jù)許麗萍等人得到的不同水膠比下含氣量與平均氣泡間隔系數(shù)的關(guān)系：當(dāng)混凝土含氣量相同時(shí)，隨著水膠比的減小，漿體內(nèi)的可凍水含量減小，形成的氣泡結(jié)構(gòu)會(huì)更好，氣泡數(shù)量會(huì)越多，則氣泡間隔系數(shù)越小，對(duì)于混凝土抗凍越有利[10]。

由圖11a可知，隨著φz的增大，簡(jiǎn)單破碎再生粗骨料混凝土的水膠比呈增大趨勢(shì)，隨著水膠比的增大，漿體內(nèi)的可凍水含量增大，形成的氣泡結(jié)構(gòu)會(huì)越差，氣泡數(shù)量會(huì)越少，則氣泡間隔系數(shù)增大。如表7所示，與普通混凝土相比，簡(jiǎn)單破碎再生粗骨料混凝土的抗拉強(qiáng)度降低了5.4%～11.2%。隨著φz的增大，簡(jiǎn)單破碎再生粗骨料混凝土的強(qiáng)度逐漸減小，毛細(xì)吸水量逐漸增加，這些因素導(dǎo)致其凍性能呈減小趨勢(shì)。

由圖11b可知，隨著φz的增大，一次顆粒整形再生粗骨料混凝土的水膠比先減小后增大，但是由于其變化幅度較小，氣泡間隔系數(shù)變化不大。如表7所示，與普通混凝土相比，一次顆粒整形再生粗骨料混凝土的抗拉強(qiáng)度降低了1.5%～6.4%。隨著φz的增大，一次顆粒整形再生粗骨料混凝土的強(qiáng)度逐漸減小，毛細(xì)吸水量逐漸增加，導(dǎo)致其凍性能呈減小趨勢(shì)。

由圖11c可知，隨著φz的增大，二次顆粒整形再生粗骨料混凝土的水膠比呈減小的趨勢(shì)，其氣泡間隔系數(shù)會(huì)逐漸減小。如表7所示，二次顆粒整形再生粗骨料混凝土的強(qiáng)度高于普通混凝土，這些因素使得二次顆粒整形再生粗骨料混凝土抗凍性能增大；當(dāng)φz=100%，二次顆粒整形再生粗骨料混凝土的強(qiáng)度低于普通混凝土，這些因素使得二次顆粒整形再生粗骨料混凝土抗凍性能又減小，最終呈現(xiàn)出二次顆粒整形再生粗骨料混凝土的抗凍性能呈先增大后減小的趨勢(shì)。不同再生粗骨料取代率對(duì)再生混凝土水膠比影響如圖11所示。再生混凝土抗拉強(qiáng)度如表7所示。

圖11 再生粗骨料取代率對(duì)再生混凝土水膠比的影響

水泥用量/kg·m-3Cementdosage取代率/%Replacementratio28d抗拉強(qiáng)度/MPaTensilestrengthSBAFASA35003．133．133．13502．963．083．161002．782．933．0140003．303．303．30503．123．253．331002．943．143．3045003．473．473．47503．343．373．531003．143．263．3650003．703．703．70503．503．613．651003．293．473．44

3 結(jié)論

(1)簡(jiǎn)單破碎再生粗骨料混凝土抗凍性能最差，劣于普通混凝土；一次顆粒整形再生粗骨料混凝土抗凍性能接近普通混凝土；二次顆粒整形再生粗骨料混凝土抗凍性能最好，優(yōu)于普通混凝土。

(2)隨著再生粗骨料取代率的增大，簡(jiǎn)單破碎再生粗骨料混凝土的抗凍性能呈減小趨勢(shì)；一次顆粒整形再生粗骨料混凝土的抗凍性能呈減小趨勢(shì)；二次顆粒整形再生粗骨料混凝土的抗凍性能呈先增大后減小的趨勢(shì)。

(3)與簡(jiǎn)單破碎再生粗骨料混凝土相比，顆粒整形再生粗骨料混凝土用水量較小，保水性和黏聚性較好,這些都有利于提高再生粗骨料混凝土的抗凍性能。

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責(zé)任編輯 徐 環(huán)

Influence of Quality and Substitution Rate of Recycled Coarse Aggregate on Anti-Freeze Performance of Recycled Concrete

HAN Shuai1, 2, LI Qiu-Yi1, ZHANG Xiu-Qin1, KONG Zhe1, MO Jian1

(1.Qingdao University of Technology, Qingdao 266033, China; 2.Ji′nan Rail Transit Group Co. Ltd. Jinan 250101, China)

According to《 Recycled coarse aggregate in concrete 》(GB/T 25177-2010), the waste concrete is simply crushed to II class recycled coarse aggregate, firstly particle-reshaped to I class-to-be recycled coarse aggregate in physical strengthening and twice particle-reshaped to I class recycled coarse aggregate. The influence of quality and substitution rate (substitution rate: 0%，50%，100%) of recycled coarse aggregate of physical and chemical enhancement on anti-freeze performance of recycled concrete were studied. The results show that anti-freeze performance of recycled coarse aggregate concrete is I class recycled coarse aggregate concrete>nature concrete> I class-to-be recycled aggregate concrete > II class recycled coarse aggregate concrete . with the increase of the substitution rate, cycle of freezing and thawing of II class and I class-to-be recycled coarse aggregate concrete reduces; Cycle of freezing and thawing of I class recycled concrete first increase and then decrease.

simple crushed; particle shaping; recycled coarse aggregate; recycled coarse aggregate concrete; anti-freeze performance; capillary absorption

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51378270,51208272)；山東省高校優(yōu)秀科研創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目資助 Supported by the National Natural Science Fund (51378270,51208272);Project Funding for Outstanding Scientific Research Innovation Team of Universities in Shandong Province

2015-07-09；

2015-09-06

韓 帥(1990-)，男，碩士生，主要從事混凝土材料與結(jié)構(gòu)研究工作。E-mail: hs_lff@163.com

?? 通訊作者：E-mail: lqyyxn@163.com

P528

A

1672-5174(2017)01-096-09

10.16441/j.cnki.hdxb.20150248

韓帥， 李秋義， 張修勤， 等. 再生粗骨料品質(zhì)和取代率對(duì)再生混凝土抗凍性能影響[J]. 中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2017, 47(1): 96-104.

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