混雜來源再生混凝土的抗壓強(qiáng)度及衍射分析

齊 武,張?jiān)粕?彭建庭

(浙江科技學(xué)院 a.土木與建筑工程學(xué)院；b.中德工程師學(xué)院,杭州 310023)

10.3969/j.issn.1671-8798.2017.05.008

2017-03-18

浙江科技學(xué)院學(xué)科交叉預(yù)研專項(xiàng)項(xiàng)目(2013JC08Y)

張?jiān)粕?1968— )，女，浙江省浦江人，教授，博士，主要從事高性能水泥基材料研究。E-mail:qinger0302@aliyun.com。

混雜來源再生混凝土的抗壓強(qiáng)度及衍射分析

齊 武a,張?jiān)粕廱,彭建庭a

(浙江科技學(xué)院 a.土木與建筑工程學(xué)院；b.中德工程師學(xué)院,杭州 310023)

利用混雜來源再生骨料(混雜骨料)和單一來源再生骨料(單一骨料)逐步替代天然骨料，討論不同水灰質(zhì)量比下再生骨料摻量對再生混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，并結(jié)合X射線衍射方法，分析混雜再生混凝土不同齡期的水化程度。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著混雜骨料摻量從0%到100%逐步增加，水灰質(zhì)量比為0.50、0.55、0.60的3組混雜再生混凝土的抗壓強(qiáng)度均迅速降低，其中水灰質(zhì)量比為0.55的試件組降低速率最小；混雜骨料摻量為100%時(shí)，在所測試齡期范圍內(nèi)，再生混凝土抗壓強(qiáng)度比未摻再生骨料的空白試件降低了18.7%～33.2%。水灰質(zhì)量比同為0.55時(shí)，混雜再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度均低于同條件下單一再生混凝土的抗壓強(qiáng)度；摻量較少時(shí)，混雜骨料和單一骨料來源問題對再生混凝土的早期抗壓強(qiáng)度影響不大，但達(dá)75%大摻量后對再生混凝土的后期抗壓強(qiáng)度有明顯影響。X射線衍射分析表明，混雜再生骨料中含有較多的C3S和C2S熟料組分，其活性較低，這導(dǎo)致?lián)郊釉偕橇虾蠡炷翉?qiáng)度的降低。

再生骨料混凝土;混雜骨料;單一骨料;抗壓強(qiáng)度;X射線衍射分析

近年來，中國每年因建筑物新建和拆除過程中產(chǎn)生的固體建筑廢棄物總量達(dá)3億t，僅廢棄混凝土就有1億t左右[1-2]。將廢棄的混凝土破碎、除雜、篩分制成再生粗骨料，部分替代或全部替代天然骨料配制成再生混凝土，是處理建筑廢棄物的有效途徑，對發(fā)展綠色混凝土具有重要意義。大量研究表明，再生混凝土由于受再生骨料的種類[3]、品質(zhì)[4-6]、摻量[7-9]的影響，其力學(xué)性能遜于傳統(tǒng)混凝土[10-12]。隨著再生骨料取代率的增大，再生混凝土抗壓強(qiáng)度下降明顯，這主要是因?yàn)樵偕橇吓c天然骨料相比，具有孔隙率高、吸水率大、強(qiáng)度低及壓碎指標(biāo)大等缺陷[13]。

目前，大多數(shù)研究采用的再生骨料以單一來源再生骨料[14](以下簡稱單一骨料)為主，其原生混凝土常為同強(qiáng)度、同齡期的同一批次混凝土，因此工程代表性不強(qiáng)。少數(shù)研究以混雜來源再生骨料(以下簡稱混雜骨料)為研究對象，其原生混凝土種類復(fù)雜，齡期、強(qiáng)度、配合比均不相同，這比較符合工程實(shí)際。再生骨料的來源和原生混凝土強(qiáng)度是影響再生骨料品質(zhì)的重要因素[15]，混雜骨料表觀密度相對較小，但吸水率、含水率和壓碎指標(biāo)常常比單一骨料大，對再生混凝土的力學(xué)性能影響與單一骨料相比不盡相同[16]。在實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)和科研過程中，每次混凝土試塊成形結(jié)束或試塊加載破壞后都將產(chǎn)生大量廢棄的混凝土，隨意傾倒既浪費(fèi)資源又會(huì)給環(huán)境帶來破壞，因此，開展實(shí)驗(yàn)室廢棄混凝土的再生利用研究具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。筆者利用試驗(yàn)室積存的廢棄混凝土試塊，破碎處理后獲得混雜骨料和單一骨料，用以替代部分天然骨料制作再生混凝土，以此來比較分析混雜骨料和單一骨料對再生混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，并結(jié)合X射線衍射分析，以比較混雜再生混凝土不同齡期的水化特性。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)原材料

混雜骨料采用實(shí)驗(yàn)室4種廢棄2年以上的混凝土試塊：無摻合料的普通混凝土、摻粉煤灰混凝土、摻橡膠粉混凝土和再生粗骨料混凝土，其齡期各不相同，強(qiáng)度為C20～C30,經(jīng)破碎、混合、篩分處理后制成。單一骨料采用混雜骨料的第一種混凝土即無摻合料的普通混凝土試塊破碎篩分而成。混雜骨料和單一骨料在攪拌混凝土前都進(jìn)行了預(yù)吸水處理。粗骨料的物理性能如表1所示，三者級配良好，皆為連續(xù)級配。水泥采用42.5錢潮牌普通硅酸鹽水泥。砂采用天然河砂,表觀密度為2 564 kg/m3，細(xì)度模數(shù)為2.46，為中砂，級配良好。

表1 粗骨料物理性能Table 1 Physical properties of coarse aggregates

1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[17]進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)，選用基準(zhǔn)質(zhì)量配合比水泥∶砂∶石=1∶1.90∶3.37,成形水灰質(zhì)量比分別為0.5、0.55、0.6的A、B、C三組混雜來源再生骨料混凝土試塊，每種水灰質(zhì)量比下考慮混雜骨料摻量分別為0%、25%、50%、75%、100%。另外，成形D組水灰質(zhì)量比為0.55的單一來源再生混凝土，其單一骨料摻量水平與A、B、C組相同,混凝土攪拌過程中利用減水劑控制坍落度基本一致。

混凝土試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，采用人工攪拌機(jī)械振實(shí)，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)24 h后拆模，移至水中養(yǎng)護(hù)至待測齡期，分別測定各組試件的7、14、28、56 d的抗壓強(qiáng)度。對于水灰質(zhì)量比為0.55的混雜來源再生混凝土(B組)同時(shí)制備試樣進(jìn)行各齡期的X射線衍射試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

各組再生混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度結(jié)果如表2所示。與普通混凝土相同，摻混雜骨料的A、B、C組和摻單一骨料的D組再生混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著齡期的增長而增大，但早期抗壓強(qiáng)度的增長比摻量為0%的普通混凝土慢，14 d后，其增長速度超越普通混凝土(表3)。這是因?yàn)轭A(yù)濕處理過的再生骨料中的水隨著水泥水化的進(jìn)行釋放出來參與水化，促進(jìn)了再生混凝土抗壓強(qiáng)度的增長[18]。

表2 不同齡期再生混凝土的抗壓強(qiáng)度Table 2 Compressive strength of recycled concrete at different curing ages

表3 再生骨料混凝土14～28 d的強(qiáng)度增長率Table 3 Strength increasing rate of RAC from 14 d to 28 d %

2.1 混雜來源再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度

2.1.1 水灰質(zhì)量比對混雜來源再生混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

與普通混凝土相似，水灰質(zhì)量比對混雜來源再生骨料混凝土強(qiáng)度起著重要作用。同齡期、同混雜骨料摻量情況下，隨著水灰質(zhì)量比的增大，各組混雜來源再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度下降明顯。

混雜骨料摻量為0%時(shí)，水灰質(zhì)量比為0.55的B組與水灰質(zhì)量比為0.60的C組在各齡期的抗壓強(qiáng)度相差不大，但比A組(水灰質(zhì)量比0.50)小得多，即水灰質(zhì)量比越大混凝土的強(qiáng)度越小。而一旦摻加混雜骨料，B組與C組的差距立即增大，反映出水灰質(zhì)量比和混雜骨料摻量的疊加效應(yīng)。水灰質(zhì)量比為0.55的B組，各齡期下隨著混雜骨料摻量的增加而下降的速率均比A組和C組小，說明該試驗(yàn)條件下隨著混雜骨料摻量的增加，選用水灰質(zhì)量比0.55較之0.50和0.60合適。

2.1.2 混雜骨料摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

從表2可以看出，隨著混雜骨料摻量的增加，各齡期同水灰質(zhì)量比的混雜來源再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度均迅速降低，且以水灰質(zhì)量比為0.60的C組下降幅度最大。混雜骨料摻量為100%時(shí)，其各齡期的抗壓強(qiáng)度與未摻混雜骨料的空白試件相比降低了18.7%～33.2%。這與相關(guān)的研究結(jié)果一致：由于混雜骨料包裹的老砂漿中含有較多孔隙和裂縫[19]，由C20～C35廢棄混凝土制備的再生骨料，隨著混雜骨料摻量的增加，再生混凝土基本力學(xué)性能明顯下降[20]。

混雜骨料摻量小于75%時(shí)，隨著摻量的增加，各齡期再生混凝土的抗壓強(qiáng)度下降均較快；而摻量大于75%后，抗壓強(qiáng)度變化趨于平緩。這說明當(dāng)混雜骨料摻量達(dá)到一定程度后，摻量的影響不再是混雜來源再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的主要因素。

2.2 單一來源再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度

水灰質(zhì)量比為0.55的單一來源再生骨料混凝土(D組)的抗壓強(qiáng)度隨著摻量的增加而降低，隨著齡期的增長而增大。與水灰質(zhì)量比同為0.55的B組混雜來源再生骨料混凝土相比可知：齡期為7 d時(shí)，所有摻量下D組與B組的抗壓強(qiáng)度均較為接近；齡期為14 d時(shí)，摻量25%時(shí)，抗壓強(qiáng)度稍有差異，而摻量0%和50%時(shí)，抗壓強(qiáng)度均相同，只有摻量大于75%后，D組抗壓強(qiáng)度明顯超越B組。齡期為28 d和56 d時(shí)，當(dāng)混雜骨料摻量大于50%后，D組才超越B組。這說明在早期相同條件下，由混雜骨料和單一骨料來源問題帶來的影響不大；隨著齡期的增長，再生骨料來源差異逐漸顯現(xiàn)，較大摻量下會(huì)引起抗壓強(qiáng)度的分化，越到后期，這種影響越明顯。

2.3 X射線衍射分析

根據(jù)不同的衍射角度標(biāo)記處相應(yīng)的物相，通過比較特征峰值，可半定量比較物相在水化過程中的變化規(guī)律。通過X射線衍射分析混雜來源再生骨料混凝土中尚未水化的水泥熟料C3S和C2S，以及水化產(chǎn)物Ca(OH)2、鈣礬石(AFt)等的衍射強(qiáng)度，根據(jù)這些物相變化來分析混雜骨料對再生混凝土水化程度的影響。物相衍射角度，Ca(OH)2選34°，C3S選29.4°，各組試樣的衍射圖譜相似。統(tǒng)計(jì)混雜來源再生骨料混凝土在不同齡期的C3S和C2S及水化產(chǎn)物Ca(OH)2衍射峰值，如表4所示。

表4 不同齡期混雜來源再生骨料混凝土衍射峰值Table 4 Peaks of XRD of RAC with BA at different curing ages

由表4可以看出，隨著齡期的增長，同摻量下各組試件的Ca(OH)2衍射峰值逐漸增大，水泥熟料C3S和C2S的峰值不斷降低，這說明隨著齡期的增長水化反應(yīng)不斷深入，表明隨著水泥水化的不斷進(jìn)行，各組再生混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸增長。

同齡期下混雜骨料摻量較小時(shí)，混雜來源再生骨料混凝土Ca(OH)2衍射峰值都很接近；當(dāng)摻量為50%、75%、100%時(shí)，Ca(OH)2衍射峰值都有不同程度的降低。另外，齡期為14 d的試驗(yàn)結(jié)果稍有波動(dòng)(可能由試驗(yàn)誤差引起)，C3S和C2S峰值隨著混雜骨料摻量的增加而有所增大。究其原因是C2S和C3S為水泥熟料主要組分，水化均生成C—S—H水化硅酸鈣膠體和Ca(OH)2。隨著水泥水化的進(jìn)行，熟料中C3S和C2S不斷減少，但由于再生骨料表面附著的老水泥砂漿含有大量未水化的水泥熟料顆粒，其活性較差，其中的C3S和C2S不易進(jìn)行二次水化反應(yīng)。因此，由混雜骨料摻量增加而帶來的C3S和C2S的增加幅度超越了由于水泥水化產(chǎn)生的C3S和C2S的減少，故C3S和C2S的衍射峰值表現(xiàn)為隨著混雜骨料摻量增加而增大。這也從另一個(gè)側(cè)面表明：混雜骨料不僅其老砂漿部分基本不會(huì)水化，且?guī)砀啾∪踅缑鏁?huì)導(dǎo)致混雜來源再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度隨著混雜骨料摻量的增加而下降。

3 結(jié) 論

綜上所述，可以得出以下結(jié)論：

1)再生混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著齡期的增長而增大，但早期抗壓強(qiáng)度的增長比普通混凝土慢，28 d后，其增長速度超越普通混凝土。

2)混雜來源再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著混雜骨料摻量的增加而迅速降低，但當(dāng)混雜骨料摻量達(dá)75%后降低速率變緩。摻100%混雜骨料時(shí)，在所測試齡期范圍內(nèi)，混雜來源再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度比空白未摻試件降低了26.7%～32.5%。

3)本試驗(yàn)條件下，0.55為最優(yōu)水灰質(zhì)量比，其混雜來源再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度隨著混雜骨料摻量增加而下降的速率比水灰質(zhì)量比為0.50和0.60的試件小。

4)混雜來源再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度均低于相同條件下單一來源再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度。摻量較小時(shí)，混雜骨料和單一骨料來源問題對再生混凝土的早期抗壓強(qiáng)度影響不大；但大摻量下對再生混凝土的后期抗壓強(qiáng)度有明顯影響。因此，應(yīng)盡量將不同來源的廢棄混凝土分開回收利用。

5)附在混雜骨料表面的老水泥砂漿的活性很低，較難進(jìn)行二次水化反應(yīng)，同齡期C3S和C2S的衍射峰值均隨著混雜骨料摻量的增加而增大。

需說明的是，目前國內(nèi)關(guān)于再生混凝土的應(yīng)用研究尚處于起步階段，筆者雖然對再生混凝土的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)研究，但由于再生混凝土的抗壓強(qiáng)度影響因素較多，實(shí)驗(yàn)室的再生骨料與實(shí)際工程中的再生骨料還存在一定的差別，試驗(yàn)結(jié)果也許會(huì)有一些偏差，因此還有待更細(xì)致、深入的試驗(yàn)研究。

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AnalysisoncompressivestrengthandXRDofrecycledconcretewithblended-sourcerecycledaggregate

QI Wua， ZHANG Yunlianb， PENG Jiantinga

(a.School of Civil Engineering and Architecture; b.Chinese-German Institute of Applied Engineering, Zhejiang University of Science and Technology，Hangzhou 310023，Zhejiang, China)

With natural aggregate being gradually replaced by blended-source recycled aggregate(BA) and single-source aggregate(SA), this article discusses the influence of recycled aggregate(RA) dosage on the compressive strength of recycled aggregate concrete(RAC) with different water/cement (W/C)ratios. Based on the X-ray diffraction (XRD) method, the hydration situation of RAC with BA is tested at different curing ages. The results indicate that the compressive strength of three RAC groups with W/C ratios of 0.50, 0.55 and 0.60 decreases drastically with the gradual increase of BA replacement from 0% to 100%, among which the decreasing rate of the specimen with W/C of 0.55 is the smallest. When the dosage of BA being 100%, the compressive strength of concrete specimens diminishes by 18.7%～33.2% within the testing period, compared to the control ones without dosage. When W/C being 0.55, the compressive strength of RAC with BA is lower than that of RAC with SA. When the dosage being fairly little, the origin of BA and RA has no apparent impact on the early compressive strength of RAC, but very significant impact on the late strength when dosage being up to 75%. The X-ray diffraction(XRD) tests imply large quantities of clinker composites of C3S and C2S exist in BA, with low activity, resulting in the strength decrease of RAC.

recycled aggregate concrete(RAC)；blended-source recycled aggregate(BA); single-source recycled aggregate(SA); compressive strength; X-ray diffraction(XRD)

TU528

A

1671-8798(2017)05-0366-05