再生骨料摻量對混凝土性能的影響*

楊利民，閆美珠，盧亞榮，斯方海

（陜西省建筑科學研究院有限公司，陜西 西安 710082）

0 前言

將廢棄混凝土破碎、分級并按一定比例相互配合后可得到“再生骨料”（Recycled Aggregate），將其部分或全部骨料替代天然骨料配制的混凝土即“再生混凝土”（Recycled Aggregate Concrete）。再生骨料混凝土的應用減小了對天然砂石骨料的開采，不僅節(jié)約自然資源，而且保護生態(tài)環(huán)境[1-3]。

雖然目前針對再生混凝土的性能研究比較多，但是研究的結果通常各不相同，有些結果甚至截然相反。同時，目前國內(nèi)外研究大多數(shù)集中在再生骨料混凝土的基本性能，而對再生骨料混凝土耐久性方面的研究相對比較少。針對上述問題，本文采用不同摻量的飽和面干再生骨料配制混凝土，系統(tǒng)研究再生骨料摻量對混凝土工作性和力學性能、抗水滲透性能、抗碳化性能、抗氯離子滲透性能，收縮性能的影響。

1 試驗設計

1.1 原材料

（1）膠凝材料

采用盾石牌 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，其物理性能見表1。

采用Ⅱ級粉煤灰和 S95 級磨細礦渣，其物理性能指標見表2。

表1 水泥的性能指標

表2 摻合料性能指標

（2）骨料細骨料為涇河中砂，細度模數(shù) 2.6，含泥量 1.1%。天然粗骨料為涇河碎石，粒徑 5～20 mm 連續(xù)級配，含泥量0.8%。

再生骨料主要來源為廢棄混凝土，由陜西龍鳳石業(yè)有限責任公司加工提供，粒徑 5～20mm，連續(xù)級配，含泥量 3.08%，壓碎指標 13.2%。

（3）外加劑

采用液體聚羧酸系高效減水劑，固含量 11.5%，摻量為膠凝材料用量的 1.7%。

1.2.40 混凝土配合比設計

在前期試驗基礎上，選擇合適的配合比設計，采用0、15%、30%、45% 四種摻量的骨料配制混凝土，分別標記為 C1、C2、C3 和 C4 組，如表3 所示。

表3 混凝土配合比.g/m3

1.3 測試方法

（1）采用飽和面干法對再生骨料進行表面改性。改性方法如下操作：采用普通清水對骨料進行浸泡，先將再生骨料裝入容器中浸泡 1h 左右，再將浸泡的骨料放入帶有微小孔（孔徑小于 5mm）的容器中用流水沖刷直到容器底部流出的水較為清澈為止。在 23℃、濕度 56% 的環(huán)境中，將清洗干凈的再生骨料在帶孔容器中晾干 2h 左右即為飽和面干再生骨料。要注意在飽和面干處理過程中，需把握好骨料的飽和面干狀態(tài)，若表面未晾干，多余水分會使混凝土實際水灰比增大，進而影響新拌混凝土和易性及硬化混凝土強度和耐久性

（2）采用改性后的骨料，選用四種摻量（0、15%、30%、45%）設計 C40 泵送混凝土。分別測試混凝土工作性、強度和耐久性。

按照國家標準 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》的試驗方法測試混凝土的出機坍落度、倒提時間、1 小時坍落度損失。

按照國家標準 GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》的試驗方法測試硬化混凝土3d、7d、28d、60d 強度?；炷量箟簭姸葴y試試驗樣塊采用 100mm×100mm×100mm 模具成型并通過機械振搗 10s，標養(yǎng)至規(guī)定齡期進行抗壓強度測試；

按照國家標準 GB/T 50082—2002《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》的試驗方法測試混凝土耐久性：成型 185mm×175mm×150mm 試塊6 塊養(yǎng)護至規(guī)定齡期后進行抗?jié)B試驗（抗水滲透）；成型 Φ100mm×50mm 試塊 6 塊養(yǎng)護至規(guī)定齡期后進行抗氯離子滲透試驗（電通量法）；成型 100mm×100mm×300mm 試塊 3 塊養(yǎng)護至規(guī)定齡期后進行碳化深度試驗；成型100mm×100mm×400mm 試塊 3 塊養(yǎng)護至規(guī)定齡期后進行抗凍試驗（快凍法）；成型100mm×100mm×515mm 試塊 3 塊養(yǎng)護至規(guī)定齡期后進行收縮試驗（接觸法）。

2 試驗結果分析

2.1 工作性

測量出機坍落度、坍落度筒倒提時間和 1h 坍落度、1h 坍落度筒倒提時間，得出試驗結果如表4 和圖1所示。

表4 混凝土工作性能結果

圖1 工作性

從圖1 可以看出，混凝土出機坍落度在 235～240mm 之間波動；1h 坍落度在 205～225mm 范圍內(nèi)波動，1h 坍落度經(jīng)時損失均小于 20mm；出機倒提時間在 9.6～20.3s 內(nèi)波動，1h 倒提時間在 11.5～28.6s 內(nèi)波動。

從結果可以看出，當飽和面干再生骨料摻量小于45% 時，再生骨料對混凝土工作性的影響非常小，拌合物滿足混凝土工作性要求。

眾所周知，再生粗骨料表面附著大量泥和石粉，泥和石粉主要是水泥石在碾磨過程中相互摩擦產(chǎn)生，它的活性很小，而且泥和石粉會吸收外加劑和大量的水分，因此骨料改性的首要問題是解決再生骨料高吸水率的問題。本文采用飽和面干法改性骨料，大大降低骨料含泥量和石粉含量，也就是降低了骨料在拌合過程的需水量，因此，拌合物表現(xiàn)出較好的流動性。

2.2 抗壓強度

混凝土 3d、7d、28d 和 60d 抗壓強度結果如表5 和圖2 所示。

表5 混凝土抗壓強度結果 MP a

圖2 混凝土抗壓強度

從圖2 可以看出，混凝土 28d 抗壓強度均達到 C40設計要求，再生骨料摻量為 15% 時混凝土 60d 抗壓強度最大，可見當飽和面干再生骨料摻量在 45% 以下時，再生骨料摻量對混凝土強度的影響不大。

眾所周知，天然骨料混凝土強度高于再生骨料混凝土的原因主要是：首先相比于再生骨料，天然骨料本身的強度高；其次，天然骨料含泥量低，骨料和水泥石的界面過渡區(qū)強度高。再生骨料的界面分為：骨料和新水泥石之間的界面；以及骨料表面舊砂漿和新水泥石之間的界面[4-5]。而張利娟[6]認為再生骨料對混凝土具有正負兩方面的效應，再生骨料存在一個最佳替代率。石宵爽等[7]通過研究發(fā)現(xiàn)，再生骨料吸收的水分會隨水泥水化作用緩慢地釋放出來，促進了再生混凝土強度的發(fā)展，即有一個自養(yǎng)護過程。且再生骨料表面狀態(tài)的改善、礦物外加劑的摻入及攪拌方式的改進有助于界面過渡區(qū)結構均勻性、密實性及強度的提高，最終增強再生混凝土物理力學性能[8]。本文選擇飽和面干法對骨料表面改性，再生骨料含泥量很低，可以很大程度降低骨料對拌合用水和外加劑的吸收，可有效強化再生骨料混凝土內(nèi)部界面強度，有益于混凝土強度的增長。這就是 C2 組60d 強度高于 C1 組的原因。

但飽和面干骨料摻量不宜過大，若摻量過大，則在混凝土成型之后，飽和面干骨料內(nèi)部的水分處于不停地蒸發(fā)狀態(tài)，直到和外界濕度形成平衡狀態(tài)，在此過程中會造成界面過渡區(qū)局部水灰比較高，進而造成界面過渡區(qū)水泥石強度較低，對混凝土抗壓強度有降低的不良影響。

2.3 抗水滲透

采用逐級加壓法進行抗水滲透試驗，并按照滲水高度試驗方法測量每組混凝土的滲水高度。根據(jù)試驗結果做出柱狀圖，如表6 和圖3 所示。

表6 混凝土抗水滲透結果

圖3 抗水滲透等級和滲透高度

從結果來看，C1 和 C2 組最大水壓力為 1.0MPa，C3 和 C4 組最大水壓力為0.9MPa。4 組混凝土均達到P8 抗?jié)B等級。其中 C1 組的滲水高度大于 C2 組的滲水高度；C3 組的滲水高度大于 C4 組的滲水高度。

影響混凝土抗?jié)B性能的因素有水泥用量和品種、水灰比、骨料粒徑、外加劑、養(yǎng)護條件等。其中水灰比是影響混凝土抗水滲透性能的最重要的因素。水灰比越大，則混凝土內(nèi)部孔隙率越大，有害孔和多害孔越多，表現(xiàn)為混凝土抗水滲透性能越差。即混凝土的抗?jié)B性能會隨著混凝土水膠比的增加而降低[9-11]。而一般情況下，再生骨料和天然骨料的抗?jié)B性均比較高，水泥砂漿的抗?jié)B性是影響混凝土抗?jié)B性能的主要因素。

該試驗 C1～C4 組混凝土水灰比相同，均為0.37，砂率相同，唯一不同的是骨料，不同的骨料會有不同的界面，界面區(qū)的水泥砂漿的抗?jié)B同樣非常重要。當飽和面干再生骨料摻量為 45% 以下時，四組配合比的抗?jié)B性均可以達到 P8 要求，說明骨料的加入對混凝土抗?jié)B影響較小，即再生骨料界面區(qū)水泥砂漿的抗?jié)B與天然骨料的界面區(qū)差別不大。也即是說當飽和面干再生骨料摻量不大于 45% 時，再生骨料摻量對混凝土抗?jié)B性影響較小。

2.4 碳化深度

將試塊養(yǎng)護至 7d 開始測量碳化深度，分別測量7d、14d、28d 和 56d 碳化深度。根據(jù)試驗結果做出曲線圖，如表7 和圖4 所示。

表7 混凝土碳化深度 mm

圖4 碳化深度

從圖4 可以看出：四組混凝土碳化深度變化規(guī)律相似，均從 28d 起開始出現(xiàn)明顯的碳化。56d 齡期下，C4 組的碳化深度最高，為0.7mm，C1 和 C3 組碳化程度相同，均為0.3mm。四組碳化程度均屬于 T-IV 級。

混凝土碳化速度取決于混凝土的密實度及其Ca(OH)2含量，混凝土的密實度越大，堿儲備量越多，其抗碳化能力越強。水泥用量越大，水灰比越小，顆粒級配良好，則混凝土抗碳化能力越強[12-13]。而對于再生骨料混凝土來說，由于再生骨料孔隙率大于天然骨料，再生混凝土骨料界面區(qū)相對薄弱，這樣 CO2在再生骨料混凝土內(nèi)部的擴散通道多于普通混凝土，CO2能快速進入混凝土內(nèi)部，不利于混凝土的抗碳化性能；同時再生骨料表面含有舊水泥漿體，漿體中包含了較多的水化產(chǎn)物 Ca(OH)2，CO2在進入混凝土內(nèi)部的過程中會與再生骨料漿體中的 Ca(OH)2發(fā)生反應，降低其傳輸速率，提高其抗碳化能力，有利于混凝土的抗碳化性能。再生混凝土的抗碳化能力是以上二者綜合效應得到的[14]。

該試驗 C1～C4 組配合比 56d 碳化深度不相同，但均屬于 T-IV 級。說明當再生骨料摻量小于 45% 時，再生骨料的負效應與正效應相當，表現(xiàn)出碳化深度較小。也即是說當飽和面干再生骨料摻量不大于 45% 時，再生骨料摻量對混凝土抗碳化性能并未產(chǎn)生嚴重的影響。

2.5 抗氯離子滲透性能

將試塊養(yǎng)護至 28d 后，測量每組試塊的電通量。根據(jù)試驗結果做出柱狀圖，如表8 和圖5 所示。

由圖5 可以看出：四組混凝土 28d 電通量C4>C1>C2>C3，四組電通量均小于 1000C，均可以達到 Q-IV 級。可以看出電通量與再生骨料摻量沒有明顯的線性關系，這說明當摻量小于 45% 時，再生骨料的摻入對混凝土電通量的影響不大。

表8 抗氯離子滲透試驗結果

圖5 電通量

眾所周知，混凝土電通量法的實質(zhì)是測試混凝土的電阻（電導）。影響混凝土電導率的因素較多，主要是混凝土中的孔結構和孔隙率，其具體表現(xiàn)為水灰比與礦物摻合料。水灰比的影響最為直接，當水灰比降低時，混凝土的電阻率提高。然而，當水灰比下降到一定程度時，礦物摻合料會對電阻率產(chǎn)生顯著的影響，其主要原因是粉煤灰、礦渣等摻合料會在水化過程中發(fā)生二次水化反應，并填充在水泥水化產(chǎn)物之間，起到了“顆粒細化”和“孔徑細化”的作用，并可以有效改善再生骨料混凝土界面過渡區(qū)的性能，提高再生骨料混凝士的密實性[15-16]。

在再生骨料混凝土中，水泥石的孔結構、孔隙率以及內(nèi)部的微裂紋，骨料與水泥石界面的微裂紋，再生骨料的微裂紋，均是影響再生骨料混凝土滲透性的主要因素[17]。而當再生骨料摻量小于 45% 時，再生骨料的缺陷對混凝土整體的孔結構的影響較小，因此表現(xiàn)出再生骨料摻量對混凝土電通量無明顯影響。

2.6 收縮變形

從試塊拆模開始測量混凝土收縮變形，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)做出曲線圖，如表9 和圖6 所示。

從圖表可以看出：28d 齡期之前，四組混凝土收縮基本相同，均為 230μm 左右，收縮變形在 28d 內(nèi)發(fā)展較快；28d 到 90d 齡期時，四組混凝土的收縮相互之間有了區(qū)別；當 90d 齡期時，C1 組混凝土收縮率為350μm 左右，C2 組混凝土收縮率為 370μm 左右，C3組 430μm 左右，C4 組混凝土收縮率為 400μm 左右，此后收縮隨混凝土與外界濕度逐漸平衡而趨于平緩。各組混凝土收縮率均在 300～400μm 之間，可以看出當再生骨料摻量小于 45% 時，再生骨料摻量與混凝土收縮無明顯線性關系，并且再生混凝土干燥收縮和普通混凝土發(fā)展規(guī)律相似，這與其他學者研究結果相似[18-20]。

表9 混凝土收縮率(×10-6mm)

圖6 干燥收縮率與齡期的關系

混凝土的干縮主要由水泥砂漿失水后產(chǎn)生毛細管張力的變化所引起，骨料在混凝土中形成骨架，對收縮有一定的抑制作用。影響混凝土干縮的主要有水泥品種、水泥用量、骨料性能（骨料彈性模量高，級配好，收縮就小）、養(yǎng)護條件等。本文采用飽和面干骨料，骨料含泥量較低，在摻量小于 45% 時，雖然界面區(qū)相對天然骨料較弱，并未直接影響水泥砂漿的孔隙結構，因此收縮變形與普通混凝土相差不大。

3 結論

（1）當飽和面干再生骨料摻量在 45% 以下時，再生骨料的摻入對混凝土工作性和強度的影響不大。

（2）當飽和面干再生骨料摻量在 45% 以下時，再生骨料對混凝土抗水滲透、碳化深度、抗氯離子滲透性能、收縮變形均未產(chǎn)生明顯的不良影響。

（3）采用合適的拌合工藝，當取代率小于 45%時，可以配制出滿足工作性、力學性能和耐久性良好的C40 混凝土。