再生混凝土吸水率與強度的相關(guān)性研究

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(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 402160)

1 研究背景

目前，常用建筑材料吸水率的高低來檢測混凝土的吸水性能，從而評估混凝土的強度。王立成等[1]、周靜海等[2]、李佳彬等[3]通過損傷混凝土毛細試驗研究，發(fā)現(xiàn)在破損混凝土中毛細累積吸水曲線具有雙線性變化現(xiàn)象，而且一開始的吸水率要高于后期，但沒有研究再生混凝土的吸水率。劉寶舉等[4]、孫家國等[5]在相關(guān)試驗后，得出試驗樣品的吸水率與養(yǎng)護時間存在反比關(guān)系的結(jié)論，但未研究再生混凝土吸水率和養(yǎng)護時間的關(guān)系。陳亮亮等[6]研究發(fā)現(xiàn)：再生混凝土的劈拉強度與取代率大小有關(guān)，當(dāng)取代率不斷增大時，強度會先增大后減小，但沒有詳細地定量分析研究取代率和強度的關(guān)系。崔正龍等[7]以不同種類的粗骨料作為試驗對象，試驗后發(fā)現(xiàn)：隨著養(yǎng)護時間加長，不同級別的混凝土在吸水率和強度這2方面性能上呈現(xiàn)增長的趨勢，但未研究養(yǎng)護齡期對再生混凝土吸水率和強度的影響；張保中[8]、閻培渝等[9]、吳中偉等[10]對混凝土吸水率與混凝土抗壓強度關(guān)系進行了初步探討，但未研究再生混凝土抗壓強度與吸水率的關(guān)系。關(guān)于再生混凝土的吸水率與強度之間的相關(guān)性研究較少，為此，本文以5～20 mm的再生粗骨料為混凝土骨料，測試不同水膠比、不同再生骨料取代率條件下，各混凝土試件的吸水率以及強度，并重點研究了再生粗骨料取代率、養(yǎng)護齡期、水膠比對再生混凝土的吸水率及強度的影響規(guī)律。試驗結(jié)果為檢測混凝土的強度提供了新的思路和方法，對于再生混凝土研究具有重要的參考價值。

2 試驗設(shè)計

2.1 試驗原材料

(1)水泥：新疆天山水泥廠生產(chǎn)的P.O 42.5R水泥。

(2)細骨料：水洗砂，各項指標符合《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標準》(JGJ 52—2006)中的標準，顆粒級配符合Ⅰ區(qū)范圍，細度模數(shù)為3.5。

(3)天然粗骨料：天然粗骨料的相關(guān)技術(shù)參照值按《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標準》(JGJ 52—2006)來執(zhí)行，直徑10～20 mm。

(4)再生粗骨料：來源于新疆烏魯木齊市的建筑廢棄混凝土，經(jīng)過破碎處理后，制成粒徑直徑為5～20 mm的骨料。

(5)減水劑：采用羧酸減水劑。

(6)水：pH值為7左右的實驗室自來水。

2.2 配合比設(shè)計及制作

混凝土試件采用100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，設(shè)計強度等級為C30。試驗將養(yǎng)護齡期、水膠比、再生粗骨料取代率作為試驗變量。試驗操作標準參照《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ55—2011)，用減水劑調(diào)節(jié)坍落度，數(shù)值保持在70～90 mm內(nèi)。再生骨料混凝土配合比參見表1。

表1再生骨料混凝土配合比
Table1Mixproportionsofrecycledaggregateconcrete

混凝土各組分含量/(kg·m-3) 水泥天然砂天然粗骨料再生粗骨料水減水劑坍落度/mm450.0753.91 041.100.001354.579.0450.0753.9936.99104.111354.590.0450.0753.9832.88208.221354.575.0450.0753.9728.77312.331354.590.0450.0753.9624.66416.441354.586.0450.0753.9520.55520.551354.590.0450.0753.9416.44624.661354.590.0450.0753.9312.33728.771354.578.0450.0753.9208.22832.881354.574.5450.0753.9104.11936.991354.584.0450.0753.90.001 041.101354.588.0337.5801.21 106.400.001352.777.0337.5801.2995.76110.641352.780.0337.5801.2885.12221.281352.776.0337.5801.2774.48331.921352.778.5337.5801.2663.84442.561352.774.0337.5801.2553.20553.201352.776.0337.5801.2442.56663.841352.783.0337.5801.2331.92774.481352.783.0337.5801.2221.28885.121352.775.0337.5801.2110.64995.761352.781.0337.5801.20.001 106.401352.780.0270.0829.51 145.500.001351.283.0270.0829.51 030.95114.551351.281.0270.0829.5916.40229.101351.283.0270.0829.5801.85343.651351.279.0270.0829.5687.30458.201351.285.0270.0829.5572.75572.751351.285.0270.0829.5458.20687.301351.287.0270.0829.5343.65801.851351.286.0270.0829.5229.10916.401351.284.0270.0829.5114.551 030.951351.279.0270.0829.50.001 145.501351.280.0

2.3 試驗方法

2.3.1 吸水率測試方法

本試驗采用質(zhì)量吸水率法。將3塊試驗樣品試件作為一組，放置在電熱鼓風(fēng)干燥箱，溫度保持在(60±5) ℃，時間為24 h，再放入(80±5) ℃下24 h,然后放入(105±5) ℃下烘至恒重m0。試件冷卻至室溫后，將試塊浸泡在水中3 d(水面至少超過試塊2 cm)后用濕布抹去表面水分，稱重，記為mg。由式(1)計算吸水率。

α=(mg-m0)/m0×100% 。

(1)

式中：α為再生混凝土吸水率(%)，精確到0.1；mg為試件浸泡后的飽水質(zhì)量(g)；m0為浸泡前的干燥質(zhì)量(g)。

2.3.2 抗壓強度測試方法

本課題抗壓強度的測試方法，都按《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2002)來執(zhí)行。

2.3.3 劈拉強度測試方法

試驗水膠比分別為0.3，0.4，0.5，配合比見表1。再生粗骨料的摻量分別采用10%，20%，30%，40%，50%，60%，70%，80%，90%，100%來取代粗骨料，制備再生混凝土,0%為對照組普通混凝土。按全系列進行再生混凝土試驗，配制后，裝入100 mm×100 mm×100 mm 的立方體試驗?zāi)Ｖ校?4 h后拆模，養(yǎng)護溫度為20 ℃、濕度≥95%。養(yǎng)護至7 d和28 d后按照《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL 352—2006)進行再生混凝土劈拉強度試驗。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 再生粗骨料取代率與混凝土吸水率的關(guān)系

7 d和28 d齡期下不同粗骨料取代率混凝土的吸水率變化如圖1所示。

圖1 再生混凝土不同再生粗骨料取代率與吸水率的關(guān)系Fig.1 Relationship between replacement rate of recycled coarse aggregate and water absorption rate of recycled concrete

從圖1(a)中可得出：當(dāng)齡期固定為7 d時，再生粗骨料取代率慢慢增大，當(dāng)快靠近20%時，水膠比分別為0.4和0.5的吸水率變化線之間有一交點，即說明二者吸水率大小近似相等。再生粗骨料取代率保持在≤50%時，相對于再生骨料取代率在60%～100%而言，混凝土的吸水率都較小。同時，觀察到再生骨料取代率在60%～100%的范圍內(nèi)變化時，吸水率明顯增加。此外，還觀察到，當(dāng)水膠比固定不變時，吸水率與再生骨料取代率之間存在正相關(guān)，即前者隨后者增加而變大。

從圖1(b)中可以看出：在齡期為28 d的情況下，當(dāng)再生粗骨料取代率的變化區(qū)間在0%～50%內(nèi)時，水膠比大小分別為0.3和0.4情況下，再生混凝土吸水率變化不明顯。當(dāng)再生粗骨料取代率在20%附近時，水膠比為0.4和0.5的2種試驗混凝土的吸水率有交點，即說明二者吸水率近似相等。同時也可以看出，再生混凝土的吸水率隨著再生粗骨料取代率變大而增大。同時，當(dāng)再生粗骨料取代率的范圍≤50%時，再生混凝土吸水率變化不大，并隨著水膠比的變大而增加，但吸水率隨齡期的延長變小。在試驗設(shè)計的再生粗骨料變化區(qū)間內(nèi)，水膠比為0.3和0.4的再生混凝土吸水率變化程度小，而水膠比為0.5的吸水率變化較明顯。同時，當(dāng)再生骨料取代率超過40%，逐漸升高時，混凝土試件的吸水能力明顯變強。

綜合試驗數(shù)據(jù)分析顯示：試驗組和對照組的混凝土的吸水率與水膠比和骨料取代率之間存在正相關(guān)，同時與齡期間存在負相關(guān)。當(dāng)養(yǎng)護齡期由7 d變?yōu)?8 d時，其吸水性能有較小的減弱。這種情況說明齡期在一定程度上能影響水泥漿內(nèi)部的孔隙率。進一步分析得到：隨著時間的延長，混凝土內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)更充分，水化產(chǎn)物更多，填充效果更好，使得吸水孔越來越少。同時也證明了，當(dāng)水膠比較小時，再生混凝土的吸水能力較弱，填充效果較好，隨著水膠比的增大，吸水效率有進一步的提升。

3.2 再生粗骨料取代率與再生混凝土強度的關(guān)系

3.2.1 再生粗骨料取代率與再生混凝土抗壓強度的關(guān)系

7 d和28 d齡期下再生粗骨料取代率與再生混凝土抗壓強度的關(guān)系如圖2所示。

圖2 再生粗骨料取代率與再生混凝土抗壓強度的關(guān)系Fig.2 Relationship between replacement ratio of recycled coarse aggregate and compressive strength of recycled concrete

從圖2(a)中可以看出：當(dāng)再生骨料取代率取值范圍在20%～40%時，制成的再生混凝土的抗壓強度性能好且強度高于一般的混凝土；取代率在50%～100%區(qū)間內(nèi)，再生混凝土抗壓強度隨著再生粗骨料取代率的升高而減?。淮送?，不論再生粗骨料取代率選取哪個數(shù)值，再生混凝土抗壓強度大小都隨著水膠比的增大而變小。

從圖2(b)中可以看出：再生粗骨料取代率變化范圍在≤50%時，水膠比為0.4和0.5時，試驗組的抗壓強度大小與對照組的普通混凝土基本一致。也可以看出，當(dāng)水膠比為0.3且取代率為50%左右再生混凝土抗壓強度最佳。

3.2.2 再生粗骨料取代率與再生混凝土劈拉強度的關(guān)系

7 d和28 d齡期時再生粗骨料取代率與再生混凝土劈拉強度的關(guān)系如圖3所示。

圖3 再生粗骨料取代率與再生混凝土劈拉強度的關(guān)系Fig.3 Relationship between replacement ratio of recycled coarse aggregate and splitting tensile strength of recycled concrete

從圖3(a)中可以看出：再生粗骨料取代率20%時再生混凝土的劈拉強度均較高且大部分均高于普通混凝土強度；再生粗骨料取代率為60%～70%時，再生混凝土劈拉強度較低；再生粗骨料取代率30%時，再生混凝土劈拉強度達到了最大值；再生粗骨料取代率50%時，再生混凝土劈拉強度與普通混凝土強度相差不大;普通混凝土與再生混凝土的劈拉強度均隨水膠比的增大呈減小的趨勢。當(dāng)再生粗骨料取代率在50%～100%時，再生混凝土的劈拉強度較低。

從圖3(b)中可以看出：再生粗骨料取代率20%時再生混凝土的劈拉強度均最高且均高于普通混凝土強度；再生粗骨料取代率為60%～70%時，再生混凝土劈拉強度較低；再生粗骨料取代率≤50%時,再生混凝土劈拉強度的總體趨勢是隨著取代率的增加先增加后降低，直到再生粗骨料取代率為50%時再生混凝土強度與普通混凝土強度相差不大。再生粗骨料取代率為50%～100%的再生混凝土強度較低。

綜上分析表明：當(dāng)取代率≤50%時，再生混凝土的抗壓和抗劈拉性能較好，得益于骨料和水化水泥間產(chǎn)生的較強物理黏合力。再生粗骨料取代率為20%時再生混凝土劈拉強度較好。此外，由于骨料與水泥間、粗骨料與基體之間都存在著一個過渡區(qū)，內(nèi)部的微縫使混凝土結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，所以決定因素由基體和過渡區(qū)二者來決定。其一，廢棄混凝土制成的再生粗骨料表面粘附一些舊的水泥基，粘附的水泥基實際增加了凝固后再生混凝土的膠體含量，而隨著膠體含量的增加，試件的抗壓強度也會變大；其二，再生粗骨料自身具備棱角較多、表面比較粗糙且易粘結(jié)、界面強度高的特點；其三，再生粗骨料內(nèi)部存在裂縫，當(dāng)它受到外力后，加速了混凝土內(nèi)部的破壞。這3種因素在混凝土受力過程中產(chǎn)生耦合作用，并相互作用。同時，不利因素和有利因素的大小關(guān)系將決定再生混凝土強度的高低。值得一提的是，水膠比為0.3、取代率為50%時，骨料與水泥之間的物理作用力最強，粘結(jié)性最好。

3.3 再生混凝土吸水率與再生混凝土強度的關(guān)系

3.3.1 再生混凝土吸水率與再生混凝土抗壓強度的關(guān)系

7 d和28 d齡期時再生混凝土吸水率與再生混凝土抗壓強度的關(guān)系如圖4所示。

圖4 再生混凝土吸水率與再生混凝土抗壓強度關(guān)系Fig.4 Relationship between water absorption rate and compressive strength of recycled concrete

從圖4(a)可看出：齡期7 d再生混凝土吸水率變化范圍是2.5%～7.5%，對應(yīng)的再生混凝土抗壓強度范圍是20～45 MPa。通過對試驗數(shù)據(jù)分析，得出吸水率和抗壓強度這二者間存在對數(shù)關(guān)系，并且抗壓強度隨吸水率增大而減小。

圖4(b)中可以看出：齡期28 d吸水率區(qū)間是1.0%～4.5%，相對于齡期7 d再生混凝土的吸水率減少了3.0%左右。再生混凝土抗壓強度取值范圍在20～50 MPa之間，并且抗壓強度集中在30～50 MPa范圍內(nèi)；通過試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，吸水率和抗壓強度這二者之間的對數(shù)關(guān)系仍然存在，即再生混凝土吸水率增加，其抗壓強度反而降低。

3.3.2 再生混凝土吸水率與再生混凝土劈拉強度的關(guān)系

7 d和28 d齡期下再生混凝土吸水率與再生混凝土劈拉強度的關(guān)系如圖5所示。

圖5 再生混凝土吸水率與再生混凝土劈拉強度的關(guān)系Fig.5 Relationship between water absorption rate and splitting tensile strength of recycled concrete

從圖5(a)中可以看出：7 d齡期的再生混凝土吸水率接近3%～4%時劈拉強度最高；水膠比0.3和0.4的再生混凝土吸水率5%～6%時劈拉強度均最低；水膠比0.5的再生混凝土吸水率6%～7%時劈拉強度最低；再生混凝土劈拉強度與普通混凝土劈拉強度總體趨勢是隨著吸水率的增大而降低，并且其強度與吸水率之間呈冪指數(shù)關(guān)系。此外，再生混凝土和普通混凝土的劈拉強度總體趨勢是隨著水膠比的增大而降低。

從圖5(b)中可以看出：28 d齡期的再生混凝土吸水率接近1%～2%時劈拉強度最高；水膠比0.3和0.4的再生混凝土吸水率2%～3%時劈拉強度均最低；水膠比0.5的再生混凝土吸水率3%～4%時劈拉強度最低；再生混凝土劈拉強度與普通混凝土劈拉強度隨著吸水率的增大而降低，并且其強度與吸水率之間也是呈冪函數(shù)的規(guī)律。再生混凝土和普通混凝土的劈拉強度總體趨勢是隨著水膠比的增大而降低。

上述試驗證明：再生混凝土的吸水率能有效地反映其抗壓強度和劈拉強度。當(dāng)吸水率高時，其強度小。對試驗數(shù)據(jù)做進一步處理，發(fā)現(xiàn)混凝土的吸水率能從一定程度上反映出親水性的強弱以及內(nèi)部的孔隙特點。就一般情況而言，孔隙間隔越大，則吸水性能越好，封閉的孔隙水分無法進入，而且孔隙具有粗口開大情況時，反而不利于水分的吸取。內(nèi)部布滿細小開口孔隙的材料反而吸水性最佳。因此，吸水率的大小也從側(cè)面表現(xiàn)出混凝土內(nèi)部的密實程度。再生混凝土的親水性能越好，其吸水率也越高，那么它的劈拉強度反而更低。

綜上分析表明：再生混凝土的吸水率隨著齡期的增長而變小。再生混凝土和普通混凝土的劈拉強度總體趨勢是隨著吸水率的降低而增大。近一步分析表明：在水化初期，水化產(chǎn)物較少時，其劈拉強度低。此外，在水化初期，水分供應(yīng)比較充足，自由水較多，隨著烘箱把再生混凝土烘干，會留下很多孔，所以吸水率較高。隨著水化時間延長，水化產(chǎn)物越來越多，填充效應(yīng)明顯，再生混凝土和普通混凝土更加密實，所以其吸水率較低、強度較高。

4 結(jié) 論

(1)再生混凝土的吸水率和再生粗骨料取代率之間存在著密切的聯(lián)系，當(dāng)取代率不斷增加時吸水率先變小后變大；同時，再生粗骨料取代率≤50%時，再生混凝土吸水率基本保持不變；再生混凝土的吸水率與水膠比之間呈正相關(guān)的變化關(guān)系；此外，再生混凝土的吸水率隨養(yǎng)護齡期的增長而減小。

(2)再生混凝土的強度和再生粗骨料取代率之間有著密切聯(lián)系。當(dāng)再生粗骨料取代率≤50%時，其強度效果最好。當(dāng)再生粗骨料取代率數(shù)值范圍在50%～100%時，其強度效果不佳。此外，在整個取代率取值區(qū)間中，強度都是隨著取代率增大呈先增加后降低的趨勢。

(3)再生混凝土吸水率和抗壓強度存在對數(shù)關(guān)系；再生混凝土吸水率和劈拉強度存在冪函數(shù)關(guān)系。通過對試驗數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)再生混凝土的強度隨吸水率的增大而減小。