再生高強(qiáng)混凝土基本力學(xué)性能研究

林水泳 畢賢順 羅才松，2 葉建峰

(1.福建工程學(xué)院土木工程學(xué)院 福建福州 350118； 2.福建省土木工程新技術(shù)與信息化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 福建福州 350116)

0 引言

再生骨料混凝土(Recycled Aggregate Concrete，RAC)簡(jiǎn)稱再生混凝土(Recycled Concrete，RC)，是指廢棄混凝土經(jīng)過破碎、清洗、分級(jí)加工后形成的再生骨料，按一定比例或級(jí)配代替天然骨料加工制備而成的混凝土。再生骨料(Recycled Aggregate，RA)是經(jīng)過破碎加工的廢棄混凝土得到的小于粒徑40mm的骨料。粒徑為5mm～40mm的骨料為再生粗骨料(Recycled Coarse Aggregate，RCA)。粒徑為0.5mm～5mm的骨料為再生細(xì)骨料(Recycled Fine Aggregate，RFA)[1-2]。

再生高強(qiáng)混凝土是在再生混凝土的基礎(chǔ)上，大幅度地提高混凝土性能，并且通過添加適量的高活性超細(xì)礦物質(zhì)與高效減水劑，經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量控制下形成的新型的高性能混凝土。高強(qiáng)混凝土在未來(lái)的應(yīng)用范圍將會(huì)越來(lái)越廣泛，也將不可避免地成為再生粗骨料的重要來(lái)源。由于建筑業(yè)高速發(fā)展導(dǎo)致建筑骨料缺乏，把廢棄混凝土化作可再生資源，實(shí)現(xiàn)資源化、環(huán)境效益化和最大效益化，高強(qiáng)高性能化應(yīng)是再生混凝土的發(fā)展方向，本文旨在通過研究再生粗骨料對(duì)再生高強(qiáng)混凝土的影響，探討制備再生高強(qiáng)混凝土的可能性。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

(1)水泥

本課題選用海螺牌P·O42.5等級(jí)普通硅酸鹽水泥。

(2)細(xì)骨料

本課題采用的細(xì)骨料為天然河砂,級(jí)配良好，其表觀密度和含泥量分別為2.6kg/m3和0.2%，細(xì)度模數(shù)為2.7。

(3)礦物摻合料

試驗(yàn)采用的鎳鐵渣為福建源鑫集團(tuán)提供，比表面積為425.6m2/kg，密度為2.89g/cm3。硅灰采用上海山鷹環(huán)?？萍加邢薰旧a(chǎn)的硅灰，SiO2的含量為85%～95%，平均粒徑為 0.10～0.225μm。

(4)外加劑

減水劑采用福建省建科高效減水劑，減水率25%～35%。

(5)水

采用福州本地自來(lái)水。

(6)粗骨料

圖1為再生粗骨料示意圖，圖2為天然粗骨料示意圖。再生粗骨料為高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管樁經(jīng)顎式破碎機(jī)破碎、除雜、篩分、分級(jí)等處理后獲得粒徑為5mm～20mm的再生粗骨料。天然粗骨料為連續(xù)級(jí)配，采用一級(jí)級(jí)配混凝土要求，同樣使用5mm～20mm的粗骨料。表1為骨料的基本性能。

圖1 再生粗骨料

圖2 天然粗骨料

表1 骨料基本性能

1.2 再生混凝土界面強(qiáng)化

混凝土界面過渡區(qū)作為混凝土中的薄弱點(diǎn)，破壞通常都是通過界面過渡區(qū)最先開始出現(xiàn)裂縫隨后擴(kuò)展貫通，從而導(dǎo)致再生混凝土的承載能力降低直至完全破壞。因此，從界面過渡區(qū)出發(fā)，進(jìn)行界面強(qiáng)化，達(dá)到改性目的。以下為常用3種再生混凝土界面強(qiáng)化方法。

(1)改善攪拌工藝

采用先裹灰工藝法，先將再生粗骨料、部分水泥、鑷鐵渣、硅灰與部分水進(jìn)行攪拌，達(dá)到再生粗骨料表面包裹水泥漿的目的，再加入細(xì)骨料、天然粗骨料和剩余水進(jìn)行攪拌。

(2)摻入膠乳聚合物

在混凝土制備過程中，加入水中與拌合物一起進(jìn)行攪拌[3]。

(3)礦物摻合料

由于混凝土內(nèi)的孔隙大小不一，加入硅灰與鎳鐵渣起到微骨料的作用，填充內(nèi)部的間隙，使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為致密。

該試驗(yàn)采用第一種和第三種方法。

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)配合比如表2所示。每個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的混凝土均以再生粗骨料取代率作為研究參數(shù)，取值為0%、30%、70%和100%。分別測(cè)定各編號(hào)再生高強(qiáng)混凝土的坍落度、混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

試驗(yàn)在福建工程學(xué)院北校區(qū)結(jié)構(gòu)館進(jìn)行，所有配合比均使用60L攪拌機(jī)攪拌，采用150mm×150mm×150mm的模具制作13組試件進(jìn)行抗壓試驗(yàn)與劈裂試驗(yàn)；采用150mm×150mm×550mm的模具制作3組試件進(jìn)行抗折試驗(yàn)；采用150mm×150mm×300mm的模具制作10組試件，進(jìn)行彈性模量試驗(yàn)，所有試驗(yàn)每組3個(gè)試塊。

表2 試驗(yàn)配合比

表3 試驗(yàn)結(jié)果

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 再生粗骨料對(duì)再生高強(qiáng)混凝土坍落度影響

圖3為再生粗骨料取代率對(duì)再生高強(qiáng)混凝土坍落度的影響示意圖。圖3中可看出，隨著再生粗骨料取代率的增加，各個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的混凝土坍落度均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

圖3 再生粗骨料取代率對(duì)坍落度影響

再生粗骨料對(duì)于再生高強(qiáng)混凝土拌合物的流動(dòng)性具有很大的影響性。各強(qiáng)度等級(jí)的再生高強(qiáng)混凝土在再生粗骨料含量增大的同時(shí)，坍落度大部分均下降10mm～15mm。這是由于再生粗骨料經(jīng)過顎式破碎機(jī)作用后，骨料中產(chǎn)生大量的孔隙與微裂縫。再生粗骨料內(nèi)部結(jié)構(gòu)稀松多孔，吸水率相對(duì)比天然粗骨料較大，骨料表面粗糙，棱角較多，制備的過程中混凝土拌合物內(nèi)部之間的摩擦阻力將會(huì)增大。因此，在相同的配合比下，再生粗骨料的取代率增大，再生粗骨料吸附的水就越多從而降低流動(dòng)性，混凝土拌合物的坍落度會(huì)逐漸減少。在不同強(qiáng)度等級(jí)下，再生粗骨料取代率對(duì)于混凝土拌合物坍落度的影響均呈現(xiàn)削減作用，與文獻(xiàn)[4-5]結(jié)論相同。

2.2 再生粗骨料對(duì)再生高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的影響

圖4為再生粗骨料取代率對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響示意圖，對(duì)于強(qiáng)度等級(jí)為C80的混凝土而言，再生粗骨料取代率為0%時(shí)，再生高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度為84.41MPa；再生粗骨料取代率為30%時(shí)，再生高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度為78.68MPa，強(qiáng)度下降5.73MPa；當(dāng)再生粗骨料取代率為70%時(shí)，再生高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度為73.04MPa，強(qiáng)度較取代率為30%時(shí)下降了5.64MPa；再生粗骨料取代率為100%時(shí)，再生高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度為63.07MPa。從再生粗骨料含量為0%到100%，混凝土強(qiáng)度下降了25.28%；對(duì)于強(qiáng)度等級(jí)為C60的混凝土,強(qiáng)度也隨著取代率的增大呈下降趨勢(shì)，下降趨勢(shì)比C80小。同一強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，再生粗骨料取代率的變化對(duì)再生高強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度存在影響，隨著再生粗骨料的增加，再生高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度下降，且強(qiáng)度等級(jí)越高，影響越明顯。

圖4 再生粗骨料取代率對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

混凝土是由三相復(fù)合而成的材料。由于再生混凝土的界面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而骨料對(duì)于混凝土的強(qiáng)度的影響主要在于界面過渡區(qū)。相較于普通混凝土而言，再生高強(qiáng)混凝土的水泥砂漿與骨料之間的彈性模量相差太大。在溫度變化和荷載作用下，二者的變化不同，界面處產(chǎn)生微裂縫，這些界面過渡區(qū)將成為混凝土強(qiáng)度的薄弱點(diǎn)。再生粗骨料表面的粗糙度相比天然骨料大，加上在破碎過程中部分石子會(huì)因?yàn)槭芰Χ刂y理開裂。這樣，既增加新的粗糙表面又增加棱角效應(yīng)，但可能導(dǎo)致再生粗骨料強(qiáng)度降低。

骨料強(qiáng)度遠(yuǎn)大于水泥砂漿強(qiáng)度時(shí)，混凝土強(qiáng)度主要是由水泥砂漿和界面強(qiáng)度所決定。再生高強(qiáng)混凝土中，水泥砂漿包裹住再生粗骨料的同時(shí)也發(fā)揮著過渡作用，使得再生粗骨料與新的水泥砂漿之間的彈性模量差距縮小，界面過渡區(qū)的結(jié)合得到加強(qiáng)，但還不足以彌補(bǔ)缺失的強(qiáng)度。隨著再生高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)的增加，再生粗骨料含量越多，再生高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度下降幅度越大。試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[6]結(jié)論相同。

2.3 再生粗骨料對(duì)再生高強(qiáng)混凝土彈性模量的影響

圖5為再生粗骨料取代率對(duì)再生高強(qiáng)混凝土彈性模量的影響示意圖。總體上，隨著再生粗骨料取代率的增加，再生高強(qiáng)混凝土的彈性模量下降。

由于再生粗骨料的存在，在再生高強(qiáng)混凝土中天然粗骨料與舊水泥石之間界面，再生粗骨料中巖石部分與新水泥石之間界面，再生粗骨料中舊砂漿與新水泥石之間界面中，存在的孔隙與微裂縫數(shù)量相對(duì)于高強(qiáng)混凝土多，而孔隙率是影響混凝土彈性模量的因素之一，水泥石包裹再生粗骨料的同時(shí)發(fā)揮過渡作用，使得新水泥石與再生粗骨料之間的彈性模量差距縮小，但仍存在強(qiáng)度差異。整體上，同一強(qiáng)度等級(jí)的再生高強(qiáng)混凝土彈性模量，隨再生粗骨料取代率的增加而下降。

圖5 再生粗骨料取代率對(duì)彈性模量的影響

2.4 玄武巖纖維對(duì)再生高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度影響

圖6為玄武巖纖維對(duì)再生高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。再生高強(qiáng)混凝土在加入3kg/m3玄武巖纖維后，強(qiáng)度幾乎沒有改變，加入5kg/m3玄武巖纖維以后，強(qiáng)度下降了6.52MPa。這是由于玄武巖纖維的加入，使得再生高強(qiáng)混凝土內(nèi)部存在更多的微裂縫，這些裂縫導(dǎo)致再生高強(qiáng)混凝土中出現(xiàn)更多的薄弱界面，降低了再生高強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度[7]。

圖6 玄武巖纖維對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

2.5 玄武巖纖維對(duì)再生高強(qiáng)混凝土劈裂強(qiáng)度影響

圖7為玄武巖纖維對(duì)混凝土劈裂強(qiáng)度的影響示意圖。當(dāng)玄武巖纖維為0kg/m3時(shí)，混凝土劈裂強(qiáng)度達(dá)到14.07MPa；當(dāng)玄武巖纖維摻量達(dá)到3kg/m3時(shí)，劈裂強(qiáng)度上升了2.82MPa，是因?yàn)榧尤氲男鋷r纖維與無(wú)機(jī)膠凝材料相結(jié)合形成三維纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使得混凝土結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。有大量的水化產(chǎn)物附著而且能有效地組織微裂縫的擴(kuò)展，從而降低裂縫長(zhǎng)度、寬度以及開裂面積，吸收并消耗能量，在一定程度上提高了混凝土的抗裂性能。再增加2kg/m3的玄武巖纖維后，劈裂強(qiáng)度反而下降了1.68MPa，可能是因?yàn)榧尤脒^多纖維，多余的纖維與水泥漿液形成的界面過渡區(qū)與網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的效應(yīng)相互抵消，甚至產(chǎn)生負(fù)作用，所以多加入的纖維沒能起到分擔(dān)荷載、吸收并消耗能量的作用。雖然分多次加入攪拌機(jī)中進(jìn)行攪拌，但是難免會(huì)出現(xiàn)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象造成初始缺陷的產(chǎn)生，不能充分發(fā)揮纖維的作用，使得強(qiáng)度隨玄武巖纖維的增加而降低[8]。

圖7 玄武巖纖維對(duì)劈裂強(qiáng)度的影響

2.6 玄武巖纖維對(duì)再生高強(qiáng)混凝土抗折強(qiáng)度影響

圖8 玄武巖纖維對(duì)抗折強(qiáng)度的影響

圖8為玄武巖纖維對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響。添加3kg/m3玄武巖纖維時(shí)，混凝土抗折強(qiáng)度提高0.47MPa，當(dāng)玄武巖纖維含量達(dá)到5kg/m3時(shí)，抗折強(qiáng)度下降至4.77MPa。主要是由于玄武巖纖維的加入，抗折試件在開裂過程中，玄武巖纖維在裂縫開展位置起到承受外拉力的作用，增大纖維與混凝土之間摩擦與拉拔作用，增加抗折強(qiáng)度；纖維含量的增加，會(huì)導(dǎo)致結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，使得混凝土抗折強(qiáng)度受到負(fù)影響，致使強(qiáng)度下降。文獻(xiàn)[9]表明：在一定范圍內(nèi)，混凝土的抗折強(qiáng)度會(huì)隨著玄武巖纖維的增加而增大，但超過了這個(gè)最佳摻量后，過多的纖維會(huì)使得混凝土結(jié)構(gòu)遭到破壞，導(dǎo)致抗折強(qiáng)度下降。

3 結(jié)論

(1)再生粗骨料吸水率大于天然粗骨料，體現(xiàn)在降低混凝土拌合物的流動(dòng)性。因此，在制備再生高強(qiáng)混凝土?xí)r，需添加額外用水量，保證混凝土流動(dòng)性。

(2)對(duì)于同一強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，再生粗骨料取代率的變化對(duì)再生高強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度存在影響。隨著再生粗骨料的增加，再生高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度下降，且強(qiáng)度等級(jí)越高，影響越明顯；混凝土彈性模量隨再生粗骨料的取代率的增加而下降。

(3)在再生高強(qiáng)混凝土中摻加玄武巖纖維能增加混凝土的抗折強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度，但當(dāng)含量增大到5kg/m3時(shí)，玄武巖纖維會(huì)在混凝土中存在結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，導(dǎo)致再生高強(qiáng)混凝土抗折強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度下降。根據(jù)該試驗(yàn)結(jié)果，玄武巖纖維含量為3kg/m3時(shí)為適宜摻量。