不同摻量再生骨料對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響研究

梁謙 ，賈生海 ，程建萍 ，張永勝 ，馬成曉 ，趙廣興

（1.河西學(xué)院土木工程學(xué)院，甘肅張掖734000；2.河西走廊水資源保護(hù)利用研究所，甘肅張掖734000；3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅蘭州730000）

近幾十年以來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅猛發(fā)展以及建筑材料及施工技術(shù)革新的突飛猛進(jìn)，不可避免地在建筑物（構(gòu)筑物）的建設(shè)、翻新及維修過程中產(chǎn)生了大量的副產(chǎn)物——建筑垃圾，例如廢金屬、廢棄燒土制品、廢棄混凝土等。其中，廢棄混凝土在建筑垃圾總量中占有較大的比例[1]，如何將廢棄混凝土回收并廢料資源化，已成為人們研究和密切關(guān)注的焦點(diǎn)。

從眾多學(xué)者在大量再生骨料混凝土的研究中發(fā)現(xiàn)，再生骨料對(duì)提高廢料的重復(fù)利用，減少環(huán)境污染和緩解生態(tài)持續(xù)破壞方面都有突破性的進(jìn)展。再生骨料的摻量從10%增加到100%[2]等不同摻量進(jìn)行了混凝土強(qiáng)度的研究。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)混凝土再生骨料摻量超過50%時(shí)[2-3]，28 d立方體試件的抗壓強(qiáng)度達(dá)到同等配合比下普通混凝土的強(qiáng)度水平[4]，這對(duì)我國(guó)混凝土再生骨料的應(yīng)用提供了可靠的試驗(yàn)依據(jù)。但在實(shí)際操作中出現(xiàn)了再生骨料拌合不均勻、強(qiáng)度不穩(wěn)定的情況，為此，筆者針對(duì)此類問題，提出將再生骨料進(jìn)行單粒級(jí)篩分后組合為連續(xù)級(jí)配，用以取代部分由基準(zhǔn)配合比設(shè)計(jì)確定的粗骨料，來(lái)研究不同摻量連續(xù)級(jí)配再生骨料對(duì)混凝土和易性和強(qiáng)度的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 粗骨料

在試驗(yàn)的混凝土配合比設(shè)計(jì)中，粗骨料包括連續(xù)級(jí)配再生骨料（后文簡(jiǎn)稱為再生骨料）和天然骨料。再生骨料采用某拆除框架式住宅樓中廢棄的混凝土（有效運(yùn)行17年，原粗骨料為天然卵石，經(jīng)混凝土回彈儀測(cè)得其混凝土抗壓強(qiáng)度平均值為28.5 MPa），經(jīng)人工破碎、清洗、烘干、分級(jí)篩分成單粒粒級(jí)的粗骨料，按照規(guī)定組合成連續(xù)級(jí)配[5，6]。級(jí)配中，骨料最大粒徑為31.5 mm，最小粒徑為2.36 mm，其組合連續(xù)級(jí)配見表1。再生骨料的表觀密度為2 562 kg/m3，松散堆積空隙率為49.60%，質(zhì)量吸水率為9.271%，壓碎指標(biāo)為13.7%。天然骨料采用卵石，其材料標(biāo)準(zhǔn)符合規(guī)范用粗骨料的技術(shù)要求[5]，骨料最大粒徑為31.5 mm，普通骨料的表觀密度為2 853 kg/m3，松散堆積空隙率為44.47%，質(zhì)量吸水率為2.733%，壓碎指標(biāo)為12.1%。

表1 混凝土再生骨料顆粒連續(xù)級(jí)配

1.1.2 細(xì)骨料

細(xì)骨料為符合標(biāo)準(zhǔn)的河沙[5]，細(xì)度模數(shù)為2.6，含泥量為1.70%（標(biāo)準(zhǔn)法檢測(cè)）。

1.1.3 膠凝材料及摻合料

膠凝材料采用祁連水泥集團(tuán)生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥（P·O-42·5R）。經(jīng)檢驗(yàn)，其化學(xué)指標(biāo)和物理指標(biāo)均符合通用硅酸鹽水泥規(guī)范規(guī)定[7]，為合格品。摻合料為粉煤灰，采用張掖電廠的Ⅰ級(jí)粉煤灰，其中SiO2含量為 39.84%，Al2O3含量為 17.77%，F(xiàn)e2O3含量為15.47%，CaO含量為20.87%，MgO含量為1.75%，SO3含量為1.49%，其他2.65%。燒失量為4.5%。

1.1.4 混凝土用水和減水劑

混凝土拌合及養(yǎng)護(hù)用水采用符合飲用標(biāo)準(zhǔn)的自來(lái)水；減水劑采用青島虹廈高分子材料有限公司生產(chǎn)的聚羧酸系高性能緩凝型減水劑（簡(jiǎn)寫為PS），按照普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程規(guī)定的減水劑最大摻量不超過2%[8]要求，確定其摻量為2%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

考慮到連續(xù)級(jí)配再生骨料空隙率較大，為減小空隙率對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，在采用普通硅酸鹽水泥、水膠比大于0.4的條件下，粉煤灰的最大摻量不超過30%的規(guī)定[8]，本試驗(yàn)中采用再生骨料混凝土配合比正交設(shè)計(jì)，根據(jù)再生骨料的摻量，相應(yīng)增加粉煤灰的摻量，以再生骨料摻量為基準(zhǔn)，按5%外加法采用同摻法，將粉煤灰摻入混凝土拌合物中。

為研究不同摻量再生骨料對(duì)普通混凝土性能的影響，本試驗(yàn)進(jìn)行了如下設(shè)計(jì)?；炷粱鶞?zhǔn)配合比設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C30，以確定的普通混凝土基準(zhǔn)配合比設(shè)計(jì)為對(duì)照試驗(yàn)（代號(hào)為CK，再生骨料摻量為0），在此基礎(chǔ)上摻入不同量連續(xù)級(jí)配再生骨料混凝土配合比為處理的5組平行試驗(yàn)（代號(hào)為TK，連續(xù)級(jí)配再生骨料摻量變化范圍為10%～30%），通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較，研究不同摻量連續(xù)級(jí)配再生骨料混凝土的性能；同時(shí)，考慮到連續(xù)級(jí)配再生骨料飽和吸水率對(duì)拌合物用水量及混凝土拌合物和易性的影響，拌合物用水量以基準(zhǔn)配合比為基數(shù)，隨連續(xù)級(jí)配再生骨料摻量的飽和吸水量[9]W增=m再*6.5%（其依據(jù)為連續(xù)級(jí)配再生骨料較普通骨料吸水率大9.271%-2.73%=6.538%，故取近似值6.5%）為變量而增加。遵循以上試驗(yàn)要求，確定的混凝土基準(zhǔn)配合比及混凝土拌合物的和易性測(cè)定如表2。

表2 不同摻量連續(xù)級(jí)配再生骨料混凝土配合比設(shè)計(jì)及和易性測(cè)定結(jié)果

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 和易性分析

按照不同摻量連續(xù)級(jí)配再生骨料配合比進(jìn)行了混凝土的配制及和易性的觀測(cè)，其中，對(duì)混凝土拌合物的坍落度值進(jìn)行了定量觀測(cè)，得到圖1的結(jié)果。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，隨著再生骨料摻量的增加，混凝土拌合物用水量隨之增加，當(dāng)再生骨料最大摻量m再=377 kg時(shí)，拌合物用水量較基準(zhǔn)配合比增加24.5 kg，其拌合物水灰比亦隨之變化，其值變化范圍為0.445～0.498，變幅為0.05，符合水工混凝土施工規(guī)范中規(guī)定（≤0.05）[10]的施工誤差要求。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，對(duì)照組CK試驗(yàn)拌合物坍落度為83 mm，在設(shè)計(jì)坍落度范圍75～90 mm內(nèi)，且其值較大，而處理組中除TK1摻量為10%時(shí)，對(duì)應(yīng)的坍落度值大于對(duì)照試驗(yàn)CK外，其余處理均小于對(duì)照，且趨勢(shì)為隨著再生骨料摻量的增加而減小，且處理組中坍落度最小值為61 mm。通過以往施工經(jīng)驗(yàn)及理論計(jì)算得知，隨著水灰比的增加，混凝土拌合物坍落度值會(huì)隨之增加，但在本試驗(yàn)中卻得到的結(jié)果與之相反，分析原因如下。

圖1 不同摻量連續(xù)級(jí)配再生骨料對(duì)混凝土坍落度影響曲線

首先，再生骨料在粉碎后，骨料表面帶有較多棱角，而棱角主要是水泥砂漿構(gòu)成，相比普通粗骨料，其表面粗糙，空隙較多，因此吸水量多于普通粗骨料。隨著再生骨料摻量的增加，拌合物達(dá)到設(shè)計(jì)配合比要求的坍落度值時(shí)，所需的拌合水量就相應(yīng)地增加，且其增加量并不以線性變化，試驗(yàn)結(jié)果就很好證明了這一點(diǎn)。其次，從試驗(yàn)結(jié)果還看到，當(dāng)再生骨料摻量為10%時(shí)，其坍落度值比對(duì)照試驗(yàn)高5 mm，但隨著再生骨料摻量增加，坍落度值并沒有相應(yīng)的增加，這就說(shuō)明，在再生骨料混凝土中摻入一定量的粉煤灰，會(huì)提高再生骨料混凝土拌合物的坍落度；當(dāng)再生骨料摻入量較大時(shí)，對(duì)拌合物坍落度值不會(huì)起到明顯的改善作用。第三，拌合物坍落度值還受到粗骨料顆粒形狀的影響。對(duì)照組CK中，粗骨料均為卵石，骨料表面較為圓滑，而再生骨料表面因黏結(jié)有較多的水泥砂漿而變得粗糙，在混凝土拌合物流動(dòng)的過程中增加了骨料間的摩擦力[11-12]。因此，再生骨料摻量也是影響拌合物坍落度的重要因素。

2.2 抗壓強(qiáng)度分析

對(duì)不同摻量再生骨料混凝土分別進(jìn)行了7 d，28 d，60 d，90 d的立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得到結(jié)果如圖2～圖5所示。

2.2.1 7d及28 d抗壓強(qiáng)度分析

從圖2及圖3可以看出，7d、28d不同摻量連續(xù)級(jí)配再生骨料混凝土立方體抗壓強(qiáng)度,混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期相對(duì)增長(zhǎng)率均達(dá)到了《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL/T5057—2009）規(guī)定的（0.55～0.65及1.0）的要求[9]。同時(shí)，從圖2可以看出，隨著再生骨料摻量的不同，抗壓強(qiáng)度值亦隨著變化，整體上呈下降趨勢(shì)，其趨勢(shì)線的R2=0.6800，線性相關(guān)性較差，究其原因如下：第一，拌合物攪拌時(shí)間對(duì)其強(qiáng)度有一定影響?；炷涟韬衔锏臄嚢钑r(shí)間影響到混凝土粗骨料表面膠凝材料的分布情況，拌合時(shí)間越長(zhǎng)，水泥砂漿分布于粗骨料表面將越均勻，凝結(jié)硬化后凝膠體的分布也相對(duì)均勻，其抗壓強(qiáng)度也隨之表現(xiàn)得較高。因此，考慮其粗骨料表面較為粗糙的原因，再生骨料混凝土拌合物的攪拌時(shí)間應(yīng)相應(yīng)地延長(zhǎng)。第二，粉煤灰的影響。從圖1及圖2可以看出，當(dāng)連續(xù)級(jí)配再生骨料摻量為10%時(shí)，7 d及28 d混凝土立方體抗壓強(qiáng)度均大于對(duì)照組CK，而其他處理均小于對(duì)照組。分析其原因?yàn)椋涸偕橇蠐搅孔钚?，摻入的粉煤灰足以分布在連續(xù)級(jí)配再生骨料空隙空間及周圍，起到微骨料的效應(yīng)，減小了混凝土內(nèi)部孔隙率，達(dá)到增加混凝土密實(shí)度、起到提高混凝土強(qiáng)度的作用。由此得出，粉煤灰的摻量應(yīng)按照再生骨料摻量的增加而作非線性摻入。

圖2 7 d不同摻量連續(xù)級(jí)配再生骨料對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響曲線

圖3 28 d不同摻量連續(xù)級(jí)配再生骨料對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響曲線

2.2.2 60d及90d抗壓強(qiáng)度分析

從圖4、圖5可以看出，隨著再生骨料摻量的增加，處理組立方體抗壓強(qiáng)度均呈線性下降，且線性相關(guān)性R2值從混凝土立方體試件齡期7 d的R2=0.68增大至齡期為90 d的R2=0.974 4，得到R2＞0.95的結(jié)果，線性相關(guān)性非常明顯，由此證明了再生骨料摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度值的影響是呈線性變化的，即從再生骨料摻入量的角度，確定了隨著再生骨料摻量的增加，混凝土抗壓強(qiáng)度有隨之下降的趨勢(shì)。

從圖4及圖5可以看出，不同處理的混凝土試件，在不同齡期（60 d，90 d），其立方體抗壓強(qiáng)度最小值分別為37.14 MPa及43.92 MPa，滿足《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL/T5057—2009）要求的混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期相對(duì)增長(zhǎng)率 1.1（33 MPa）及1.2（36 MPa）的要求。分析其試驗(yàn)結(jié)果，主要取決于以下兩個(gè)方面的因素：其一，減水劑的摻入。本次試驗(yàn)中所采用的減水劑為第三代聚羧酸類高性能減水劑，與本項(xiàng)目前期再生骨料混凝土不摻減水劑的試驗(yàn)結(jié)果相比較，在不改變膠凝材料總量的情況下，減水劑不但可以減少拌合物水的用量，同時(shí)混凝土強(qiáng)度可提高25%～40%，因此，在再生骨料混凝土中摻入高效減水劑是必要的。其二，粉煤灰的摻入。盡管在連續(xù)級(jí)配再生骨料混凝土拌合物中的施工及凝結(jié)硬化初期，粉煤灰主要起“微骨料效應(yīng)”[13-14]，但在凝結(jié)硬化后期，具有水化性能的粉煤灰隨著水泥水化過程中產(chǎn)生Ca（OH）2量的增加，自身也開始發(fā)生水化，產(chǎn)生水化硅酸凝膠，提高了骨料間的黏結(jié)能力，從而表現(xiàn)出隨著連續(xù)級(jí)配再生骨料混凝土齡期的增加，抗壓強(qiáng)度隨之提高的現(xiàn)象。

圖4 60 d不同摻量連續(xù)級(jí)配再生骨料對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響曲線

圖5 90 d不同摻量連續(xù)級(jí)配再生骨料對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響曲線

3 結(jié)論

通過對(duì)不同摻量連續(xù)級(jí)配再生骨料混凝土和易性及強(qiáng)度的試驗(yàn)，并進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)分析，得到以下結(jié)論。

（1）通過再生骨料混凝土和易性試驗(yàn)得出，相比基準(zhǔn)配合比用水量，拌合物用水量的增加量并不以再生骨料摻量按線性增加。因此，在實(shí)際的施工操作中，應(yīng)根據(jù)連續(xù)級(jí)配再生骨料的吸水率，通過試驗(yàn)確定其拌合用水量。同時(shí)，再生骨料混凝土中應(yīng)摻入一定量粉煤灰，可提高拌合物的流動(dòng)性。

（2）通過7 d，28 d的試驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)得出，在實(shí)際施工中，再生骨料混凝土拌合物的攪拌時(shí)間應(yīng)大于水工混凝土施工規(guī)范中規(guī)定的3 min[9]，應(yīng)根據(jù)再生骨料摻量做相應(yīng)的延長(zhǎng)。

（3）通過60 d，90 d的試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，連續(xù)級(jí)配再生骨料摻量小于30%時(shí)，再生骨料的摻量對(duì)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度的影響呈線性下降變化；同時(shí)得出，對(duì)沒有早期強(qiáng)度要求的混凝土，可使用摻量小于30%的再生骨料混凝土，以降低工程成本，減輕廢棄混凝土對(duì)環(huán)境造成的壓力[15]。