再生粗骨料特性及其對混凝土性能的影響研究

梁強強，鄭揮欣

（浙江天石建材有限公司，浙江 金華 322300）

0 前言

近年來，隨著我國城鎮(zhèn)化的快速推進和城鎮(zhèn)舊城區(qū)的大量拆遷更新，造成了廢棄混凝土、磚石等固體廢棄物的大量排放，給城市環(huán)境帶來了大量負荷，同時也占用大量人力物力等公共資源轉(zhuǎn)運處置

[1]。大量學(xué)者[2-5]嘗試對廢棄混凝土進行再生資源化利用，通過破碎、沖洗、篩分等工藝獲得與天然砂石相同粒徑的再生骨料，部分或全部取代天然骨料進行中低強度混凝土的配制，國家也相應(yīng)出臺了 GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》，對再生粗骨料應(yīng)用進行規(guī)范化指導(dǎo)。然而再生粗骨料由于附帶部分砂漿、空隙率高于天然粗骨料，在應(yīng)用過程中需要特殊區(qū)分，另外其特性受到循環(huán)利用次數(shù)和強度等級等因素影響，有關(guān)研究資料相對較少，需要更多數(shù)據(jù)支撐。

本文針對再生粗骨料特性進行分析，并對再生粗骨料在混凝土中的性能進行研究，以期為再生粗骨料的應(yīng)用提供參考。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

（1）膠凝材料

水泥采用 P·O42.5R 普通硅酸鹽水泥；粉煤灰為Ⅱ級灰，需水比為 98%；礦粉為 S95。水泥的主要性能指標(biāo)見表 1。

（2）骨料

細骨料由天然砂和機制砂組成，天然砂細度模數(shù)為 1.5，含泥量 1.0%，機制砂為石灰質(zhì)砂，細度模數(shù)為2.7，含粉 12%，MB 值 1.5。

表 1 水泥主要性能指標(biāo)

天然碎石顆粒粒徑為 5～25mm，連續(xù)級配，壓碎指標(biāo) 8.0，無泥塊；再生粗骨料由 C30 混凝土試塊經(jīng)破碎，篩選而成，去除表面附帶石粉，粒徑為 5～25mm。

（3）外加劑

采用聚羧酸外加劑，含固 12%，減水率 21%。

1.2 試驗方法

（1）將廢棄混凝土經(jīng)破碎，篩分，去除表面所含石粉，得到粒徑為 5～25mm 的再生粗骨料，其吸水率、篩分試驗及其他物理性能試驗參照 GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》進行。

（2）混凝土工作性能參考 GB/T 50080—2016 《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》?；炷量箟簭姸劝凑?GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》成型 100mm×100mm×100mm 混凝土試件，常溫養(yǎng)護 24h 拆模，測試混凝土指定齡期的抗壓強度。

（3）采用接觸法測試混凝土的干燥變形性能。按照混凝土配比成型尺寸 100mm×100mm×515mm 的棱柱體試件，每組 3 塊，并預(yù)埋測頭，帶模養(yǎng)護 1d 后脫模，室內(nèi)養(yǎng)護，條件為 (20±2)℃、相對濕度為 60%，測試不同齡期的混凝土收縮率，計算公式如下：

式中：

εt——試驗期為 t(d) 的混凝土收縮率，%；L0——時間長度的初始度數(shù)，mm；

Lt——試件在試驗期 t(d) 時測得的長度，mm；Lb——試件的測量標(biāo)距，mm。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 再生粗骨料特性

（1）顆粒分布

良好的骨料顆粒級配能夠降低水泥用量、改善混凝土和易性、降低硬化后混凝土結(jié)構(gòu)孔隙率。再生粗骨料由天然原石和人工石組成，破碎后要對再生粗骨料的級配進行分析，選擇合適的再生粗骨料。

表 2 結(jié)果顯示再生粗骨料大部分尺寸在5～25mm，其中 4.75～19mm 粒徑范圍占比超過 90%，基本符合連續(xù)骨料級配。

（2）吸水率

測試了再生粗骨料隨時間吸水量變化，結(jié)果見表3、圖 1。

表 3 再生粗骨料隨時間吸水率變化 %

圖 1 再生粗骨料隨時間吸水率變化曲線

測試結(jié)果顯示，隨著時間推移，天然粗骨料吸水量較低，且在 100min 內(nèi)吸水量基本穩(wěn)定，而再生粗骨料吸水率較高，且吸水過程是持續(xù)性的，但主要在 60min內(nèi)，這說明再生粗骨料對外界水分的吸收主要發(fā)生在早期，早期充足的水分對于再生骨料穩(wěn)定較為必要。

混凝土在水化和服役的過程中，不可避免的產(chǎn)生氣孔和微裂紋，在進行再生粗骨料的生產(chǎn)中，這些孔隙和微裂紋為水分遷移提供了大量通道，使得再生粗骨料吸水速率和吸水率都高于天然粗骨料[6]。

（3）其他物理性能（見表 4）

表 4 再生粗骨料和天然粗骨料物理性質(zhì)對比

表 4 結(jié)果表明，再生粗骨料空隙率較高，且壓碎值較高，承受荷載的能力較弱，這將對拌合后的混凝土性能造成影響。

表 2 粗骨料在不同篩孔尺寸下的分級和累計篩余

2.2 再生粗骨料取代率對混凝土性能的影響

再生粗骨料和天然粗骨料在吸水率、空隙率、壓碎值等關(guān)鍵指標(biāo)方面存在明顯差異，在應(yīng)用中需要考慮再生粗骨料摻比問題，選擇合適的再生粗骨料取代比例對于混凝土性能的發(fā)揮極其重要。

以 C30 為例，C30 配合比及原材料用量見表 5。采用表 5 配合比，選擇不同的再粗生骨料取代比例，研究再生粗骨料對混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響，試驗結(jié)果見表 6。

表 5 C30 混凝土配合 kg/m3

表 6 再生骨料取代比例對混凝土性能性能的影響

從表 6 可以看出，再生粗骨料取代比例從 0% 增加至 100%，混凝土初始坍落度和擴展度也隨之下降，混凝土 7d、28d 和 60d 抗壓強度也出現(xiàn)不同程度的下降。這是因為再生粗骨料在破碎過程中會產(chǎn)生部分棱角[7]，表面凹凸不平，對漿體流動產(chǎn)生的阻力較大[8]，混凝土工作性能下降。當(dāng)再生粗骨料摻比 40% 以下時，混凝土初始坍落度和擴展度損失、抗壓強度損失相對可控，有利于再生粗骨料的資源化利用。

2.3 再生粗骨料預(yù)濕對混凝土性能的影響

干燥的再生粗骨料會吸收水分，使得混凝土流動性下降，為了降低再生粗骨料吸水率高對混凝土工作性能帶來的負面影響，采用骨料預(yù)濕技術(shù)，使得再生粗骨料處于飽和面干狀態(tài)，進行下一步試驗，結(jié)果見表 7。

表 7 結(jié)果顯示，在再生粗骨料取代 20%、40% 時，預(yù)濕有助于再生粗骨料混凝土流動性改善，1h 坍落度和擴展度保持能力也優(yōu)于未預(yù)濕再生粗骨料混凝土，這可能因為再生粗骨料預(yù)濕大幅降低了其內(nèi)部孔隙和毛細通道對外部水分的吸收，使得水分能夠足夠帶動漿體和骨料的流動，粗骨料吸收的水分在靜置的過程中又可以反哺混凝土內(nèi)部，使得混凝土經(jīng)時坍落度損失降低。

但同時也可以看出，再生粗骨料預(yù)濕后混凝土抗壓強度降低，且再生粗骨料比例越高，強度下降越明顯。混凝土強度取決于水泥漿體與骨料的粘接力[9]，干燥的再生粗骨料通過與周圍水泥漿進行水分交換，使得界面過渡區(qū)有效水膠比降低，混凝土整體強度提高。

表 7 再生粗骨料預(yù)濕對混凝土性能的影響

2.4 再生粗骨料對混凝土體積穩(wěn)定性的影響

混凝土在水化和養(yǎng)護過程中易產(chǎn)生收縮，進而產(chǎn)生微裂紋，若繼續(xù)發(fā)展會影響混凝土結(jié)構(gòu)的服役壽命[10]。再生粗骨料自身的特點使得其內(nèi)部與外界交換水分的通道較多，對混凝土體積穩(wěn)定性造成一定影響，對此，研究了不同比例的再生粗骨料混凝土在室內(nèi)養(yǎng)護（溫度(20±2)℃，相對濕度 50%）下混凝土的收縮，結(jié)果見表 8、圖 2。

表 8 再生粗骨料比例對混凝土收縮的影響(×10-6)

圖 2 再生粗骨料混凝土干燥收縮情況

表 8、圖 2 結(jié)果表明，再生粗骨料摻入能夠加大混凝土各齡期收縮，且再生粗骨料越多，收縮越大。全天然粗骨料混凝土主要發(fā)生在 18d 以內(nèi)，之后收縮幅度縮小，當(dāng)再生粗骨料摻量超過 20%，混凝土收縮增加，這是因為再生粗骨料內(nèi)部氣孔較多，在養(yǎng)護水分不足的情況下，混凝土內(nèi)部水分更容易通過內(nèi)部孔隙蒸發(fā)，進而加大自身收縮。

3 結(jié)論

（1）通過合理破碎篩分，可以生產(chǎn)級配連續(xù)的骨料，對比天然粗骨料，再生粗骨料空隙率更高，隨時間吸附水分的能力更強，壓碎指標(biāo)差，抵抗外界荷載的能力較弱。

（2）再生粗骨料比例增加，混凝土初始工作性能下降，抗壓強度下降，再生粗骨料取代率 40% 以下時，對混凝土工作性能和強度的負面影響相對可控。

（3）再生骨料預(yù)濕有助于拌合物水分的保持，能改善混凝土流動性；但預(yù)濕后粗骨料與漿體的粘接力減弱，混凝土抗壓強度有所下降。

（4）在外界水分不足的情況下，再生粗骨料內(nèi)部通道較多，向周圍環(huán)境釋放水分速度較快，使得混凝土收縮較大，再生粗骨料比例增加，混凝土各齡期收縮值越大。