全再生骨料混凝土收縮性能試驗研究

梁娜, 趙順波, 朱偉偉, 姚坤奇, 靳麗輝, 錢曉軍

(華北水利水電大學 河南省生態(tài)建材工程國際聯(lián)合實驗室,河南 鄭州 450045)

全再生骨料混凝土收縮性能試驗研究

梁娜, 趙順波, 朱偉偉, 姚坤奇, 靳麗輝, 錢曉軍

(華北水利水電大學 河南省生態(tài)建材工程國際聯(lián)合實驗室,河南 鄭州 450045)

為了最大程度地利用廢舊混凝土再生骨料并取得最佳綜合效益,采用100%再生細骨料和再生粗骨料配制全再生骨料混凝土。考慮再生骨料是否進行預濕處理并變換水灰比、水泥強度進行配合比設計,開展了全再生骨料混凝土工作性能、抗壓強度和收縮性能的試驗研究。結果表明:通過合理的配合比設計和再生骨料預濕處理,全再生骨料混凝土的工作性能和抗壓強度均可達到設計要求;自收縮增長率曲線具有不受水灰比和水泥強度影響的同一變化路徑,但自收縮終值明顯受水灰比影響;水泥強度相同時,干縮隨水灰比的增大而增大;混凝土強度相近時,干縮隨水泥強度的增大而減?。辉偕橇喜蛔鲱A濕處理將導致全再生骨料混凝土的強度降低、收縮增大。該研究可為全再生骨料在預拌混凝土中的推廣和應用奠定基礎。

全再生骨料混凝土;再生粗骨料;再生細骨料;自收縮性能;干縮性能

在我國城鎮(zhèn)化進程中,可持續(xù)發(fā)展和建設環(huán)境友好型城鎮(zhèn)的理念被日益重視。拆除混凝土結構中的廢棄混凝土經(jīng)破碎、加工等處理后作為再生骨料用于制備混凝土或砂漿用[1-3],這項技術在混凝土產(chǎn)業(yè)中具有很大的應用潛力。隨著對混凝土再生骨料研究的深入,筆者對再生骨料及再生骨料混凝土有了更加深入的認識。

再生粗骨料具有與天然碎石骨料不同的特性,可直接影響再生骨料混凝土的性能。再生粗骨料的表面粗糙且黏附有原硬化水泥砂漿,這一特性會導致再生粗骨料與新混凝土基體的黏結強度存在不確定性：如產(chǎn)生薄弱黏結界面[4-6],或在一定粒徑范圍內(nèi)因骨料棱角的特征產(chǎn)生黏結強度增強的作用[7-8]。再生粗骨料的較低密實度與較高和快速的吸水特性會增大混凝土配合比設計和拌合物制備的難度,進而增加所制備混凝土的性能評價與設計指標確定的復雜性。再生粗骨料對混凝土的性能的影響是否有利，取決于母體混凝土的性能、破碎工藝和骨料粒徑[4-6,8-13]。為了消除該不利影響,已有學者研發(fā)了多種再生粗骨料處理工藝。其中可行的做法是在攪拌前預濕再生粗骨料,以使再生骨料混凝土拌合物獲得良好的工作性能[14-15]。

在已有的研究中,通常將再生粗骨料替代率(再生粗骨料與全部骨料的比值)作為一個重要參數(shù)。其反映再生骨料混凝土與天然碎石混凝土的配合比相近時,再生粗骨料含量對混凝土性能的影響。一般地,當該配合比相近時,隨著再生粗骨料替代率的增加,再生骨料混凝土的抗壓強度、抗拉強度和彈性模量均將逐漸減小[5-6,11-12,15-17],抗碳化性、耐硫酸腐蝕性、抗氯離子滲透性和抗凍性均將逐漸降低[5-6,12,15],但收縮卻逐漸增大,其收縮幅度與再生骨料的等級相關[5-6,17-20]。然而，此種研究方法及對應的結論在工程應用中還存在明顯的問題:從混凝土技術角度看,為了獲得相同的抗壓強度和工作性能,再生骨料混凝土配合比需要按照不同用量的再生骨料和天然骨料加以調整;從混凝土結構設計角度考慮,混凝土的設計指標對應混凝土的抗壓強度等級,不需要規(guī)定所采用配制骨料的規(guī)格[21]。通過采用合理的配合比設計方法[9,22]、適當?shù)牡V物摻和料[9,14,23-24]、正確的再生粗骨料預濕處理方法和合理的拌合工藝[14,23,25-27],再生骨料混凝土的性能可以完全達到甚至超過相同強度等級的天然碎石混凝土。

與天然砂比較,再生細骨料具有明顯不同的特性：顆粒多棱角且不規(guī)則、砂漿含量高、質地不均勻、含有凝膠和氫氧化鈣化合物、由天然骨料和水泥漿體的多相異質性產(chǎn)生的低密度和高吸水率[5-6,28-29]。一些研究表明,摻加再生細骨料配制的混凝土,會表現(xiàn)出較差的工作性能和力學性能[5-6,30]。但也有研究表明,采用部分再生細骨料或采用再生細骨料添加高效減水劑配制的再生混凝土的性能不低于天然砂混凝土[30]。

由于再生粗骨料和再生細骨料是廢舊混凝土的共同產(chǎn)物,單獨利用其一均不能獲取最佳效益。綜合分析上述文獻資料,有一些成功案例指出:采用全部再生粗骨料或全部再生細骨料、采用部分再生粗骨料和部分再生細骨料,均可配制出與天然骨料混凝土性能相同的再生骨料混凝土[31]。因此,研發(fā)采用100%再生粗骨料或再生細骨料配制全再生骨料混凝土,在技術上是可行的。這樣可以最大程度地利用再生骨料,減少由拌制工藝和生產(chǎn)設備影響產(chǎn)生的再生骨料混凝土性能的差異,使其在預拌混凝土產(chǎn)業(yè)中得到更好的推廣和應用。

基于此,本文研究采用100%再生細骨料和再生粗骨料配制全再生骨料混凝土。考慮再生骨料是否進行預濕處理并變換水灰比、水泥強度進行配合比設計,進行全再生骨料混凝土的工作性能、抗壓強度和收縮性能的試驗研究。

1 試驗概況

1.1 原材料

本次試驗采用P·O 42.5和P·O 52.5普通硅酸鹽水泥,其物理力學性能實測結果見表1。

按照規(guī)范GB/T 25177—2010的規(guī)定[2]，再生粗骨料由華北水利水電大學結構實驗室5年前制備的鋼筋混凝土梁破碎得到,并經(jīng)篩分形成5～20 mm粒徑的連續(xù)級配。其物理力學性能實測結果見表2。

表1 試驗用水泥的物理力學性能

表2 再生粗骨料的物理力學性能

按照規(guī)范GB/T 25176—2010的規(guī)定[1],再生細骨料是將破碎再生粗骨料過程中產(chǎn)生的粒徑小于5 mm的共生產(chǎn)物經(jīng)篩分級配而成,細度模數(shù)為3.05,其物理力學性能實測結果見表3。

表3 再生細骨料的物理力學性能

其他原材料包括拌合用自來水和減水率為25%的高效減水劑。

1.2 混凝土配合比

全再生骨料混凝土的配合比根據(jù)規(guī)范JGJ 55—2011的規(guī)定進行計算確定[32-33],其具體配合比見表4。P·O 42.5水泥用于配制C30和C40全再生骨料混凝土,P·O 52.5水泥用于配制C50全再生骨料混凝土;減水劑用量為水泥用量的0.75%～1.00%,并適時根據(jù)拌合物的工作性能加以調整;附加用水量由再生骨料吸水率確定,用于再生骨料的預濕處理。拌合程序為:首先,向攪拌機內(nèi)投入再生粗骨料和再生細骨料,攪拌均勻并加入附加用水，預濕1 h;其次,加入水泥并攪拌均勻;最后,加入拌合水和減水劑,攪拌5 min。

為了研究再生骨料預濕處理對全再生骨料混凝土收縮性能的影響,筆者增加了一組再生骨料未預濕處理的C40全再生骨料混凝土(編號為2C40)。其在配制過程中，附加用水與拌合水同時加入攪拌機。

表4 全再生骨料混凝土的配合比

1.3 試驗方法

全再生骨料混凝土的坍落度試驗按照規(guī)范GB/T 50080—2002的規(guī)定進行[34];抗壓強度試驗按照規(guī)范GB/T 50081—2002的規(guī)定采用尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件,3個1組進行[35];自收縮試驗采用尺寸為φ150 mm×450 mm的圓柱體試件,環(huán)向對稱按標距250 mm埋設固定座固定千分表和接觸銅棒,2個1組進行;干縮試驗按照規(guī)范GB/T 50082—2010的規(guī)定采用尺寸為100 mm×100 mm×550 mm的梁式試件,兩端埋設銅頭,3個1組進行[36]。試件均在振動臺振實,抹面后覆蓋塑料薄膜。立方體試件成型24 h后脫模并移入溫度為(20±2) ℃的標準養(yǎng)護池中水養(yǎng)。自收縮試驗中，圓柱體試件成型12 h后脫模并采用塑料薄膜包裹,安裝測試千分表后放置在溫度為(20±2) ℃、相對濕度為95%以上的標準養(yǎng)護室內(nèi),并按預定齡期測試收縮變形。干縮試驗中，梁式試件成型12 h后脫模并放入標準干縮箱內(nèi),按預定齡期測試收縮變形。自收縮和干縮試驗均在試件成型24 h后開始。同一編號的混凝土試件同批澆筑成型,試驗方案和養(yǎng)護齡期見表5。

表5 全再生骨料混凝土的試驗方案與養(yǎng)護齡期

2 試驗結果分析

2.1 拌合物工作性能

對再生骨料進行預濕處理的全再生骨料混凝土,其拌合物具有良好的黏聚性、保水性和流動性,坍落度試驗值為145～165 mm。未對再生骨料做預濕處理的全再生骨料混凝土,其拌合物出現(xiàn)了泌水現(xiàn)象,坍落度為175 mm。

2.2 自收縮性能

全再生骨料混凝土的自收縮應變實測值εas見表6，其中fcu為28 d立方體抗壓強度實測值。由表6可知：①對再生骨料進行預濕處理的全再生骨料混凝土,其自收縮應變隨著水灰比的減小而增大,與水泥強度無關。這緣于用水量相同的情況下,混凝土的內(nèi)孔隙和毛細管因水泥的持續(xù)水化反應而發(fā)生自干燥[37-38]。②對比C40和2C40的試驗數(shù)據(jù),未預濕處理再生骨料時,全再生骨料混凝土的自收縮在養(yǎng)護齡期達到70 d之前時相對較小,但之后變得相對較大。這是由于附加用水在早期為水泥水化反應提供了良好的潮濕環(huán)境,但隨后因再生骨料持續(xù)從混凝土孔隙中吸收水分,使得混凝土孔隙和毛細管加速失水而發(fā)生自干燥[25]。③綜合來看,預濕處理再生骨料對降低全再生骨料混凝土的自收縮是有利的。④2C40全再生骨料混凝土的28 d抗壓強度僅達到C40全再生骨料混凝土28 d抗壓強度的82.2%。說明在攪拌過程中加入附加用水可增大實際水灰比,這對混凝土的抗壓強度和收縮性能均會產(chǎn)生顯著影響。

表6 全再生骨料混凝土自收縮應變實測值εas 10-6

全再生骨料混凝土任意養(yǎng)護齡期與360 d養(yǎng)護齡期的自收縮應變比(εas,t/εas,360)隨養(yǎng)護齡期的變化規(guī)律如圖1所示。由圖1可知:各組混凝土試驗散點的變化曲線幾乎重疊為同一路徑(在28 d養(yǎng)護齡期前迅速增加,28 d至70 d養(yǎng)護齡期之間增加較快,隨后以較小增量持續(xù)增大);180 d養(yǎng)護齡期的自收縮值達到了360 d養(yǎng)護齡期自收縮值的92%以上。這意味著全再生骨料混凝土試件絕大部分的自收縮發(fā)生在180 d養(yǎng)護齡期之前,說明全再生骨料混凝土的自收縮性能與水泥水化過程緊密相關；隨著180 d養(yǎng)護齡期之后全再生骨料混凝土水泥水化反應的減弱,其自收縮性能主要緣于水泥漿體的孔隙和毛細管的物理性失水效應[39]。

圖1 全再生骨料混凝土自收縮應變隨養(yǎng)護齡期的變化

從表6和圖1中還可以看出:水灰比和水泥強度主要影響混凝土的自收縮終值,對混凝土自收縮的增長率影響很??；當再生骨料未做預濕處理時,全再生骨料混凝土在70 d養(yǎng)護齡期之內(nèi)的自收縮增長率較小。

2.3 干縮性能

全再生骨料混凝土的干縮應變實測值εds見表7。

全再生骨料混凝土任意養(yǎng)護齡期與360 d養(yǎng)護齡期的干縮應變比(εds,t/εds,360)隨養(yǎng)護齡期的變化規(guī)律如圖2所示。由表7可知，對再生骨料進行預濕處理的C30和C40全再生骨料混凝土,其干縮應變及增長率會隨著水灰比的降低而減小,這源于C40全再生骨料混凝土具有較高的密實度,且其內(nèi)孔隙和毛細管的自由水較少,難以向周圍環(huán)境蒸發(fā)。

由圖2可知:①2C40全再生骨料混凝土在70 d養(yǎng)護齡期之前的干縮值較小,但70 d養(yǎng)護齡期之后的干縮值超過了C40。這是因為2C40全再生骨料混凝土內(nèi)部孔隙在前期充滿了自由水而后期失水較快[25]。②在混凝土強度相近的情況下,采用P·O 52.5水泥的C50全再生骨料混凝土的干縮低于采用P·O 42.5水泥的C40全再生骨料混凝土。這緣于前者的再生骨料體積率較大而水泥漿體的體積率較小,再生骨料對水泥漿體的收縮變形約束較強[39]。③C30、2C40和C50全再生骨料混凝土的干縮增長率均表現(xiàn)出大于C40的趨勢。這表明全再生骨料混凝土的水灰比較大時,其內(nèi)部自由水更易失去；2C40全再生骨料混凝土早期干縮增長率大于C40,表明再生骨料未做預濕處理時,附加用水增加了混凝土孔隙內(nèi)的自由水,使其更易于從混凝土內(nèi)部向周圍環(huán)境蒸發(fā)而產(chǎn)生損失。

表7 全再生骨料混凝土干縮應變實測值εds 10-6

圖2 全再生骨料混凝土干縮應變隨養(yǎng)護齡期的變化

3 結語

通過對全再生骨料混凝土的工作性能、抗壓強度和收縮性能的試驗研究分析,可得出如下結論:

1)采用合理的配合比設計方法并預濕處理再生骨料時,全再生骨料混凝土的工作性能和抗壓強度均可達到預定要求。但若再生骨料不做預濕處理,全再生骨料混凝土的工作性能將變差,抗壓強度也會降低。

2)預濕處理再生骨料的情況下,不同水泥強度的全再生骨料混凝土自收縮的發(fā)展呈現(xiàn)基本相同的路徑,且可劃分為迅速增長、快速增長和持續(xù)增長3個階段;全再生骨料混凝土的自收縮值隨著水灰比的減小而增大,與水泥強度幾乎無關。當再生骨料不做預濕處理時,全再生骨料混凝土在70 d養(yǎng)護齡期之前的自收縮值及其增長率較小,但隨后逐漸變大并超過預濕處理再生骨料的全再生骨料混凝土。

3)預濕處理再生骨料的情況下,采用P·O 42.5水泥的全再生骨料混凝土的干縮值隨水灰比的減小而減小。在強度相近的情況下,采用P·O 52.5水泥的全再生骨料混凝土的干縮值低于采用P·O 42.5水泥的全再生骨料混凝土。當再生骨料不做預濕處理時,全再生骨料混凝土在70 d養(yǎng)護齡期之前的干縮值較小但增長率較大,最終的干縮值也較大。

4)考慮到影響全再生骨料混凝土收縮性能的因素復雜,尚需更加系統(tǒng)的試驗研究來對本文的研究結果進行充分的驗證。

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ExperimentalStudyonShrinkageBehaviorofFull-Recycled-AggregateConcrete

LIANG Na, ZHAO Shunbo, ZHU Weiwei, YAO Kunqi, JIN Lihui, QIAN Xiaojun

(Henan Provincial International United Lab of Eco-building Materials and Engineering, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

The aim of this study is to research and develop a full-recycled-aggregate concrete made of 100% recycled fine and coarse aggregates to get the best benefits by reusing the recycled aggregates of the waste concrete at the most extent. Considering whether to pre-wet the recycled aggregates and change the water-cement ratio and cement strength in mix proportion of full-recycled-aggregate concrete, tests were carried out to study the workability, compressive strength and shrinkage behavior of full-recycled-aggregate concrete. Results showed that by using proper mix proportion and pre-wetted recycled concrete aggregates, the workability and compressive strength reached the design requirements, the autogenous shrinkage increment of different full-recycled-aggregate concrete had a common path without being affected by the water-cement ratio and cement strength, while the final values of autogenous shrinkage were affected apparently by water-cement ratio. With the same cement strength, the larger water-cement ratio led to the greater drying shrinkage of full-recycled-aggregate concrete. With the similar strength of full-recycled-aggregate concrete, the lower drying shrinkage emerged with the higher cement strength. Recycled concrete aggregates without being pre-wetted generally led to worse compressive strength and larger shrinkage of full-recycled-aggregate concrete. This study lays the foundation for promotion and application of full recycled aggregates in premixed concrete.

full-recycled-aggregate concrete; recycled coarse aggregate; recycled fine aggregate; autogenous shrinkage; drying shrinkage

張陵)

TV332

A

1002-5634(2017)06-0043-06

2017-07-19

河南省高等學校重點科研項目(16A560023);河南省高校生態(tài)建筑材料與結構工程科技創(chuàng)新團隊專題(13IRTSTHN002);河南省新型城鎮(zhèn)建筑技術協(xié)同創(chuàng)新中心專題(河南省教育廳,教科技〔2013〕638號)。

梁娜(1979—),女,河南鄭州人,碩士,講師,從事建筑材料方面的研究。E-mail:tina@ncwu.edu.cn。

趙順波(1964—),男,河北武邑人,教授,博導,博士,從事土木工程材料與結構方面的研究。E-mail:sbzhao@ncwu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.06.006