再生骨料高性能混凝土耐久性能試驗(yàn)研究

韓小華 項(xiàng)斌峰 張利俊 邱洪華 王靈秀 蔡素燕 毋明飛

（1北京鐵建永泰新型建材有限公司，北京 101113；2中國(guó)建材檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)北京天譽(yù)有限公司，北京 100113；3 北京城建集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100088）

1 前言

再生骨料混凝土（Recycled Aggregate Concrete，RAC）的研究開發(fā)可以減少對(duì)砂石等天然資源的消耗，同時(shí)可以綜合利用建筑垃圾固體廢棄物和工業(yè)廢渣，符合國(guó)家對(duì)于建筑垃圾資源化利用的發(fā)展方向。但是再生混凝土的工作性能、力學(xué)性能和耐久性能與普通混凝土相比較差[1]，對(duì)再生混凝土的推廣應(yīng)用造成了不利影響。如何使再生混凝土高性能化，在提高建筑垃圾再生骨料使用率的同時(shí)，材料又能滿足高耐久性、高工作性、較高的強(qiáng)度和高體積穩(wěn)定性等特征[2]，影響著未來(lái)綠色混凝土的發(fā)展[3]。

耐久性能作為再生混凝土的主要性能之一，研究已較為完備。通過(guò)研究可知，再生骨料的取代率、水灰比和膠材用量會(huì)對(duì)再生混凝土的抗氯離子滲透性能[4-6]、抗碳化性能[7-9]和抗凍性能[10-11]造成影響：再生混凝土的耐久性能會(huì)隨著再生骨料取代率的增加而降低。所以，基于再生混凝土耐久性和力學(xué)性能等因素考慮，再生骨料的摻量一般在15～30%，過(guò)量則會(huì)對(duì)再生混凝土的各項(xiàng)性能造成影響。劉立等[12]采用工業(yè)化高品質(zhì)的再生粗骨料對(duì)高性能再生混凝土的耐久性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)再生混凝土的水膠比和再生骨料取代率對(duì)抗凍性影響不大，而再生集料的加入略微降低了再生混凝土的抗?jié)B透性。通過(guò)查閱文獻(xiàn)可知，對(duì)于再生混凝土和高性能再生混凝土的研究多集中于力學(xué)性能[13-14]或者再生骨料的改性[15-16]，耐久性能方面的研究不足，且再生骨料改性會(huì)提高再生資源利用的成本，不利于再生混凝土的推廣應(yīng)用。本文采用普通的再生骨料、普通硅酸鹽水泥、粉煤灰、S95礦粉和聚羧酸減水劑配置再生骨料高性能混凝土，對(duì)不同膠材用量和再生粗細(xì)骨料同時(shí)取代對(duì)再生骨料高性能混凝土抗氯離子滲透、抗碳化、抗凍性能的影響進(jìn)行分析。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 原材料

2.1.1 膠凝材料

本文采用42.5低堿普通硅酸鹽水泥、粉煤灰、礦渣粉作為膠材制備再生骨料高性能混凝土。低堿普通硅酸鹽水泥（P.O 42.5）性能指標(biāo)如表1所示。

表1 低堿普通硅酸鹽水泥（P.O 42.5）性能指標(biāo)

試驗(yàn)所用粉煤灰（Fly Ash）的細(xì)度為7.8%（45μm方孔篩篩余），密度2.4g/cm3，比表面積638m2/kg，28天抗壓強(qiáng)度比70%。試驗(yàn)所用礦渣粉（Ground Granulated Blast Furnace Slag）為S95級(jí)礦渣粉，密度2.91 g/cm3，燒失量1.53%，28天活性指數(shù)100%，比表面積424 m2/kg。

2.1.2 骨料

本文制備再生骨料高性能混凝土用天然細(xì)骨料為天然砂（Sand），細(xì)度模數(shù)2.6，中砂，含泥量1.9%；天然粗骨料為天然碎石（Gravel），粒徑5-25mm，壓碎值為4.4%，泥塊含量0.2%，針、片狀顆粒含量3%；

再生細(xì)骨料（Recycled fine aggregate）粒徑0.01-4.75mm，細(xì)度模數(shù)2.9，需水量比為1.68%，表觀密度2560kg/m3；再生粗骨料（Recycled coarse aggregate）粒徑5-25mm，壓碎值為18.2%，泥塊含量0.3%，表觀密度2490kg/m3。

2.1.3 外加劑

為改善再生骨料高性能混凝土工作性能，混凝土拌合物中加入聚羧酸高性能減水劑（Superplasticizer），減水率27.0%，固含量13.08%，PH值4.4。為補(bǔ)償再生混凝土收縮，混凝土拌合物中加入高性能混凝土膨脹劑（Expand Agent），水中7天限制膨脹率0.060%，空氣中21天限制膨脹率0.023%，28天抗壓強(qiáng)度49.4MPa。

2.2 配合比設(shè)計(jì)

本文再生骨料高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)采用容重法：在保持混凝土拌合水用量不變的情況下，分別設(shè)計(jì)膠凝材料 400kg/m3、430kg/m3、460kg/m3、490kg/m3，再生粗細(xì)骨料混合取代的情況下制備再生骨料高性能混凝土，為滿足再生骨料高性能混凝土的性能要求，礦物摻合料分別取代20%的膠材，再生混凝土砂率43%，加入膨脹劑補(bǔ)償再生混凝土收縮，加入聚羧酸高效減水劑改善再生混凝土工作性。通過(guò)調(diào)整膠材用量和再生材料取代率，對(duì)比其對(duì)再生骨料高性能混凝土的影響。具體配合比設(shè)計(jì)如表2所示。

2.3 樣品制備與試驗(yàn)方法

本文中再生骨料高性能混凝土的制備采用60L單臥軸式混凝土攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，試驗(yàn)環(huán)境相對(duì)濕度60%RH，溫度保持在22°C左右，所用材料、試驗(yàn)設(shè)備、容器及輔助設(shè)備的溫度與實(shí)驗(yàn)室溫度一致。經(jīng)測(cè)試，新拌混凝土的初始坍落度在230±10mm，H30=220～240mm，H60=225～235mm，新拌混凝土含氣量在4.5%～5.5%之間，混凝土不泌水。

抗氯離子滲透試驗(yàn)：參照GB/T50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中抗氯離子滲透試驗(yàn)的內(nèi)容，分別采用快速氯離子遷移系數(shù)法（RCM法）和電通量法對(duì)混凝土抗氯離子滲透能力進(jìn)行測(cè)試。

RCM試驗(yàn)采用直徑（100±1）mm，高度（100±2）mm的圓柱體試件，試件在標(biāo)養(yǎng)室水中養(yǎng)護(hù)49d時(shí)將試件延高度方向切成兩部分作為試驗(yàn)用試件，用水砂紙和細(xì)銼刀打磨光滑，繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至指定齡期56d取出，擦干水分測(cè)試尺寸，并在真空容器中真空處理，3h后加入飽和Ca（OH）2溶液浸沒(méi)試件繼續(xù)真空1h，恢復(fù)常壓浸泡20h，擦干表面后置于RCM試驗(yàn)裝置內(nèi)測(cè)量，結(jié)束后記錄每一側(cè)點(diǎn)氯離子滲透值計(jì)算DRCM，以3個(gè)試件的算術(shù)平均值為測(cè)定值，精確至0.1×10-12m2/s。

電通量試驗(yàn)的試件尺寸和過(guò)程與RCM試驗(yàn)相同，測(cè)量結(jié)束后計(jì)算通過(guò)試件的總電通量，精確至1C，換算成直徑95mm試件的電通量為Qs，取三個(gè)試件的算術(shù)平均值為測(cè)定值。

碳化試驗(yàn)：參照GB/T50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中碳化試驗(yàn)的內(nèi)容，采用100mm×100mm×100mm的立方體試件，以三塊為一組，養(yǎng)護(hù)28d取出在60°C下烘48h，留下一個(gè)側(cè)面外其余表面采用加熱石蠟密封，置于碳化箱內(nèi)碳化28d，分別取出測(cè)定碳化深度（從暴漏側(cè)面中間劈開），以三個(gè)試件碳化28d的碳化深度算術(shù)平均值作為碳化測(cè)定值，精確至0.1mm。

凍融試驗(yàn)：參照GB/T50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中抗凍試驗(yàn)的內(nèi)容，依據(jù)快凍法中的相關(guān)要求，采用100mm×100mm×400mm的試件，采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)24d，隨后放在20±2°C水中浸泡4d，然后進(jìn)行抗凍實(shí)驗(yàn)，將抗凍試件表面擦干水分測(cè)量初始質(zhì)量和橫向基頻初始值，然后將試件置于注滿水的試件盒內(nèi)一起放于凍融箱中心位置，每次凍融循環(huán)4h，溫度范圍為-20°C至5°C，凍融轉(zhuǎn)換時(shí)間為5min，每?jī)鋈谘h(huán)50次后測(cè)試質(zhì)量和表面損傷情況，抗凍等級(jí)以質(zhì)量損失率不超過(guò)5%或相對(duì)動(dòng)彈模量下降不到60%時(shí)的最大凍融循環(huán)次數(shù)來(lái)確定，每組試件以三個(gè)試件試驗(yàn)結(jié)果的算術(shù)平均值為測(cè)定值，精確至0.1-0.01。

表2 再生骨料高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)

3 結(jié)果與討論

3.1 高性能再生混凝土抗氯離子滲透性能

再生骨料高性能混凝土的56天齡期氯離子滲透試驗(yàn)結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 氯離子遷移系數(shù)與再生骨料和膠材用量的關(guān)系

圖2 電通量與再生骨料和膠材用量的關(guān)系

圖1和圖2分別為RCM法和電通量法測(cè)得的氯離子滲透性與再生骨料和膠材用量之間的關(guān)系：從圖中可以看出，各不同膠材用量和再生骨料的再生骨料高性能混凝土56天的氯離子遷移系數(shù)均小于2.0×10-12m2/s，電通量小于700C，膠材用量達(dá)到490kg/m3的配比抗氯離子滲透性能最強(qiáng)，為0.5×10-12m2/s，電通量348C，隨著膠材的增加（水膠比降低），再生骨料高性能混凝土抗氯離子滲透性能逐漸增強(qiáng)，且再生粗細(xì)骨料的取代會(huì)提高氯離子滲透30%左右，這主要是因?yàn)樵偕止橇峡紫堵蚀笥谄胀ü橇希驹囼?yàn)通過(guò)加入混凝土摻合料、降低水膠比、混凝土膨脹劑等措施可以提高再生骨料高性能混凝土的抗氯離子滲透性，滿足混凝土耐久性的要求。

3.2 再生骨料高性能混凝土抗碳化性能

圖3所示為再生骨料高性能混凝土的碳化深度與再生骨料和膠凝材料用量的關(guān)系。通過(guò)摻入礦物摻合料和膨脹劑，再生骨料高性能混凝土的28天碳化深度均在3.5mm以下，空白組普通混凝土的在同條件下碳化深度可以達(dá)到3.0mm以下，加入再生骨料50%取代后會(huì)導(dǎo)致混凝土碳化深度的增加，這是因?yàn)樵偕橇显谏a(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生微裂縫和自身內(nèi)部存在孔隙，為CO2的擴(kuò)散提供了通道，增大了再生混凝土的物質(zhì)透過(guò)性，降低了抗碳化性能。而膠凝材料的增加，水膠比降低會(huì)增強(qiáng)再生骨料混凝土抗碳化能力，碳化深度降低15%左右，這可能是因?yàn)樗z比降低，再生骨料高性能混凝土中膠材水化后殘余的孔隙減小，阻礙了CO2的擴(kuò)散和與再生骨料高性能混凝土內(nèi)部堿性物質(zhì)的反應(yīng)腐蝕，提高了再生骨料高性能混凝土的抗碳化性能。

圖3 再生骨料高性能混凝土碳化深度與再生骨料和膠材用量的關(guān)系

3.3 再生骨料高性能混凝土抗凍融性能

不同膠凝材料用量的再生骨料高性能混凝土凍融循環(huán)300次的質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈模量如表3所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：再生粗細(xì)骨料替代50%時(shí)，改變水膠比或增加水泥用量對(duì)再生混凝土的抗凍性影響不明顯，經(jīng)過(guò)300此凍融循環(huán)，再生骨料高性能混凝土的質(zhì)量損失率小于2.5%，沒(méi)有明顯的規(guī)律，相對(duì)動(dòng)彈模量均大于80%，維持在80%～83%之間。與普通高性能混凝土相比，再生粗細(xì)骨料取代50%會(huì)降低再生混凝土的抗凍性，質(zhì)量損失從1.5%上升到了2.4%。通過(guò)查閱的文獻(xiàn)可知，再生混凝土經(jīng)過(guò)一定凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失和相對(duì)動(dòng)彈模量下降幅度均小于普通混凝土，所以認(rèn)為以上兩種評(píng)價(jià)方法對(duì)于再生混凝土抗凍性評(píng)判不太準(zhǔn)確。而本試驗(yàn)中，采用質(zhì)量損失和相對(duì)動(dòng)彈模量下降評(píng)價(jià)高性能再生混凝土中，質(zhì)量損失率評(píng)價(jià)方法沒(méi)有明顯規(guī)律，原因是因?yàn)殡S著凍融循環(huán)的增多，再生混凝土中再生骨料吸水會(huì)抵消掉試件表面因凍融循環(huán)引起的剝落和掉角，所以采用相對(duì)動(dòng)彈模量下降幅度評(píng)價(jià)高性能再生混凝土的抗凍性能較為合適。

4 結(jié)論

表3 不同水泥用量/水膠比對(duì)再生骨料高性能混凝土抗凍性的影響

本試驗(yàn)采用礦物摻合料、低水膠比、高性能減水劑和膨脹劑制備再生骨料高性能混凝土，研究了再生骨料和膠材用量對(duì)再生骨料高性能混凝土的耐久性能的影響，得到的結(jié)論如下：

1） 再生骨料高性能混凝土抗?jié)B透性能、抗碳化、抗凍性能良好，56天氯離子遷移系數(shù)小于2.0×10-12m2/s，電通量小于700C，28天碳化深度小于3.5mm，F(xiàn)300次凍融循環(huán)質(zhì)量損失率小于2.5%，相對(duì)動(dòng)彈模量下降小于80%；

2） 膠凝材料的增加（即水膠比的降低）可以提高再生骨料高性能混凝土的抗?jié)B性和抗碳化性能，再生骨料取代天然骨料會(huì)在一定幅度內(nèi)降低再生骨料高性能混凝土的抗?jié)B性、抗碳化性能和抗凍性能，但其耐久性能依然能滿足工程設(shè)計(jì)的耐久性要求。

3） 對(duì)于再生骨料高性能混凝土的抗凍性宜采用相對(duì)動(dòng)彈模量下降幅度或抗壓強(qiáng)度損失等指標(biāo)來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。