自密實(shí)包漿再生混凝土早期塑性開裂試驗(yàn)研究

曹鑫鋮，金寶宏，宋牧原，謝 鑫

(寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021)

1 研究背景

混凝土的早期塑性開裂是現(xiàn)代混凝土建設(shè)工程中一直存在的普遍現(xiàn)象，裂縫的防治同時(shí)也成為施工過程中至關(guān)重要的一點(diǎn)。在早期水泥水化的過程中，混凝土內(nèi)部孔隙水分減少產(chǎn)生壓力，引起混凝土自行收縮而產(chǎn)生裂縫，再生粗骨料自身強(qiáng)度低、表面粗糙、吸水率高等缺點(diǎn)，使得再生混凝土的這種收縮明顯高于普通混凝土[1]，進(jìn)而早期塑性開裂更為明顯[2]。自密實(shí)混凝土是一種低水膠比、高流動(dòng)性、只需在自身重力作用下即可密實(shí)填充全部模板的混凝土，自密實(shí)再生混凝土則是利用再生粗骨料替代天然粗骨料配制的具有自密實(shí)混凝土諸多特點(diǎn)的新型綠色混凝土。為了改善再生粗骨料的諸多缺點(diǎn)對(duì)自密實(shí)再生混凝土抗開裂的影響，采用水泥漿對(duì)再生粗骨料表面進(jìn)行裹漿處理，既可彌補(bǔ)骨料內(nèi)部的微裂縫，也可改善骨料表面的粗糙程度，提高再生骨料的性能，進(jìn)一步抑制混凝土的早期塑性開裂。

針對(duì)提高再生混凝土的抗開裂能力，近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究。聚丙烯纖維、玻璃纖維等纖維材料的適量摻入，減弱了再生混凝土的收縮，抑制裂縫的產(chǎn)生，增強(qiáng)抗開裂能力[3-5]；粉煤灰等礦物摻合料有效地優(yōu)化再生混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高整體密實(shí)性，延緩裂縫的產(chǎn)生[6-7]；霍俊芳等[8]通過采用等體積砂漿法配置再生混凝土，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)方法相比，裂縫開裂面積出現(xiàn)一定程度的降低，且隨著再生粗骨料替代率的增加，降低幅度更大。目前提高再生混凝土抗開裂能力的方式有很多，但在改善骨料方面的研究相對(duì)較少，因此本文研究了不同強(qiáng)度等級(jí)下水泥漿包裹的再生粗骨料對(duì)自密實(shí)混凝土開裂性能的影響，為抑制再生混凝土開裂提供一定的理論基礎(chǔ)。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 原材料

水泥選用寧夏賽馬水泥廠生產(chǎn)的32.5R、42.5R及52.5R普通硅酸鹽水泥，粉煤灰選用寧夏錦泰新材料有限公司生產(chǎn)的一級(jí)灰，砂為人工水洗中砂，天然粗骨料為5～20 mm粒徑的人工碎石，再生粗骨料為廢棄路沿石混凝土，機(jī)械破碎后篩選出5～20 mm粒徑顆粒，水為自來水，減水劑采用北京慕湖公司生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑。

采用水膠比為0.5的不同強(qiáng)度等級(jí)的水泥漿對(duì)再生粗骨料進(jìn)行包漿處理，其中粉煤灰摻量為膠凝材料的30%，將包漿后的骨料置于室內(nèi)晾干，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境，待28 d后取出晾干備用，各性能指標(biāo)見表1。再生粗骨料實(shí)物如圖1所示，包漿再生粗骨料截面如圖2所示。

表1 粗骨料的基本性能Table 1 Basic properties of coarse aggregates

圖1 再生粗骨料Fig.1 Recycled coarse aggregates

圖2 包漿再生粗骨料截面Fig.2 Section of the surface-coating of recycled coarseaggregate

2.2 方案設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)選取粉煤灰摻量、包漿水泥強(qiáng)度、再生粗骨料替代率及減水劑摻量4個(gè)因素(以下分別用A、B、C、D來指代)，每個(gè)因素4個(gè)水平，共16組試驗(yàn)研究混凝土的抗壓與抗折強(qiáng)度，進(jìn)一步得出最優(yōu)配比方案。因素水平見表2。在此基礎(chǔ)上，為了詳細(xì)研究骨料包漿對(duì)混凝土早期塑性開裂的影響，以包漿水泥強(qiáng)度等級(jí)為變量，控制其他因素不變，設(shè)計(jì)了5組試驗(yàn)，配合比見表3。其中“NSCC”代表普通自密實(shí)混凝土，為基準(zhǔn)組；“RSCC”代表未包漿自密實(shí)再生混凝土；RSCC-32.5R、RSCC-42.5R、RSCC-52.5R分別代表用強(qiáng)度等級(jí)32.5R、42.5R、52.5R的水泥包漿的自密實(shí)再生混凝土。

表2 因素水平Table 2 Factor levels

2.3 裂縫評(píng)價(jià)指標(biāo)

試驗(yàn)采用刀口約束法來研究混凝土早期塑性開裂性能，試驗(yàn)裝置為600 mm×600 mm×100 mm的鋼制平板模具，如圖3所示，內(nèi)部存在5根裂縫誘導(dǎo)器，可預(yù)測(cè)裂縫產(chǎn)生位置，方便數(shù)據(jù)處理。為了減少再生骨料吸水率高的影響，本試驗(yàn)采用飽和面干法攪拌混凝土，即攪拌前在水中浸泡再生骨料到飽和后取出晾曬，待骨料表面水分晾干后立即用于混凝土的拌制。試件在溫度為(20±2) ℃、相對(duì)濕度為(60±5)%的恒溫恒濕環(huán)境下澆筑，因其為自密實(shí)混凝土，不需振搗，澆筑完抹平即可，如圖4所示。在平行試件表面和裂縫誘導(dǎo)器的方向設(shè)置風(fēng)速為(5±0.5)m/s的風(fēng)扇，記錄首條裂縫的出現(xiàn)時(shí)間，24 h后通過ZT501裂縫測(cè)寬儀觀測(cè)裂縫開展情況，如圖5所示。

表3 混凝土配合比

圖3 平板抗裂試驗(yàn)?zāi)＞逨ig.3 Mold in slab test

圖4 混凝土板試件Fig.4 Concrete slab test pieces

圖5 裂縫及其觀測(cè)裝置Fig.5 Crack observation device

采用每條裂縫平均開裂面積、單位面積裂縫數(shù)目、單位面積總開裂面積及裂縫變異系數(shù)作為裂縫的評(píng)價(jià)指標(biāo)[9]，見式(1)—式(4)。

每條裂縫平均開裂面積為

(1)

單位面積裂縫數(shù)目為

b=N/A。

(2)

單位面積總開裂面積為

c=ab。

(3)

裂縫變異系數(shù)[5]為

(4)

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 正交試驗(yàn)分析

混凝土的工作性能及力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 混凝土正交試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Result of orthogonal test of concrete

自密實(shí)混凝土工作性能規(guī)定[10]，坍落擴(kuò)展度分為3個(gè)等級(jí)：Ⅰ級(jí)為550～650 mm，Ⅱ級(jí)為650～750 mm，Ⅲ級(jí)為750～850 mm。由表4可知，所有組的坍落擴(kuò)展度均達(dá)到了Ⅰ級(jí)，部分組達(dá)到Ⅱ級(jí)，其中第6組擴(kuò)展度最大，為735 mm，但是在試驗(yàn)過程中該組出現(xiàn)了骨料中間堆積、四周泌水嚴(yán)重的現(xiàn)象。再生粗骨料替代率低，骨料吸水較弱，同時(shí)減水劑摻量最大，故導(dǎo)致泌水現(xiàn)象產(chǎn)生。出現(xiàn)此現(xiàn)象的混凝土是達(dá)不到自密實(shí)混凝土工作性能要求的。

由表5可知，各因素對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響次序?yàn)椋喊鼭{水泥強(qiáng)度>粉煤灰摻量>再生粗骨料替代率>減水劑摻量，最優(yōu)選水平為A1B3C2D2；各因素對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響次序?yàn)椋悍勖夯覔搅?包漿水泥強(qiáng)度>再生粗骨料替代率>減水劑摻量，最優(yōu)選水平為A1B3C3D2。鑒于再生粗骨料自身存在諸多缺陷，選取替代率相對(duì)較少的C2(20%)為最優(yōu)選，因此混凝土的最優(yōu)配比方案為粉煤灰摻量25%、包漿水泥強(qiáng)度42.5R、再生粗骨料替代率20%和減水劑摻量0.9%。

表5 極差分析Table 5 Range analysis

選取包漿水泥強(qiáng)度因素影響下各水平的強(qiáng)度平均值，繪制出圖6。由圖6可知，骨料經(jīng)過32.5R、42.5R及52.5R水泥包漿后，抗壓強(qiáng)度分別提高了6.1%、11%、6.4%，抗折強(qiáng)度分別提高了5.5%、8.8%、1.9%，其中42.5R水泥的包漿效果相對(duì)最好。這是因?yàn)榘鼭{所用的水泥漿經(jīng)過水化反應(yīng)，生成水化硅酸鈣等物質(zhì)，彌補(bǔ)了再生骨料內(nèi)部的微小裂縫及孔洞，優(yōu)化了孔隙結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了骨料的密實(shí)性，同時(shí)改善了骨料的表面粗糙程度，加強(qiáng)了其與新水泥砂漿的黏聚力，提高了混凝土強(qiáng)度。

圖6 骨料包漿對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響Fig.6 Influence of surface-coating cement slurryof aggregate on concrete strength

圖7 平板開裂示意圖Fig.7 Schematic diagram of cracks in plates

3.2 混凝土抗開裂性能分析

試件在約2 h后開始產(chǎn)生裂縫，24 h后觀測(cè)各試件的裂縫開展情況，圖7為3個(gè)試件的平板開裂示意圖。根據(jù)平板模具的5根誘導(dǎo)器，將裂縫編號(hào)No.1—No.5，具體裂縫的長(zhǎng)度、最大寬度及裂縫評(píng)價(jià)指標(biāo)見表6、表7。

由圖8(a)可知，摻有再生骨料的RSCC、RSCC-32.5R、RSCC-42.5R、RSCC-52.5R 4組混凝土的初裂時(shí)間明顯低于基準(zhǔn)組NSCC，分別減少了33.1%、21.8%、15.0%、25.6%，這說明再生骨料降低了混凝土的早期塑性抗裂能力，使得混凝土更易產(chǎn)生開裂。但是再生骨料經(jīng)過水泥漿包裹處理之后的RSCC-32.5R、RSCC-42.5R、RSCC-52.5R三組，與未包裹的RSCC組相比，初裂時(shí)間有不同程度的增加，分別增加16.9%、27.0%、11.2%，這說明再生骨料表面包裹水泥漿后，骨料性能得到改善，增強(qiáng)了混凝土的抗裂能力，雖然達(dá)不到天然骨料的效果，但是相比未包裹的再生骨料，顯著地抑制了混凝土開裂。同時(shí)未包裹的RSCC組混凝土板的裂縫最大寬度明顯寬于其他組(見圖8(b))，這也說明了上述結(jié)論。

表6 裂縫尺寸Table 6 Size of cracks

表7 裂縫評(píng)價(jià)指標(biāo)(平均值)Table 7 Evaluating indicators of cracks (average values)

圖8 包漿水泥強(qiáng)度對(duì)混凝土抗開裂性能的影響Fig.8 Effect of the strength of the surface-coating slurry cement on cracking resistance of concrete

由圖8(c)可知，摻有再生骨料的4組混凝土每條裂縫的平均開裂面積和單位面積總開裂面積較基準(zhǔn)組均存在明顯增加的現(xiàn)象，RSCC組增加最為明顯，二者均增加48%左右，RSCC組達(dá)到了NSCC組的1.5倍。經(jīng)過包漿處理的RSCC-32.5R、RSCC-42.5R、RSCC-52.5R 3組較未包漿的RSCC組，平均開裂面積分別減少了21.0%、25.1%、30.5%，單位面積總開裂面積分別減少了11.1%、25.1%、13.1%。這也同樣說明了再生骨料經(jīng)過包漿后，增強(qiáng)了骨料性能，進(jìn)而提高了混凝土的抗裂能力。而每組試驗(yàn)的單位面積裂縫數(shù)目變化不是很明顯，無法由此分析各組混凝土板的抗裂能力，這是因?yàn)樵囼?yàn)采用的刀口約束法的模具只存在5根裂縫誘導(dǎo)器，誘導(dǎo)的裂縫數(shù)量較少，局限性較大。

變異系數(shù)可用來反映數(shù)據(jù)的離散程度，是概率分布離散程度的歸一化量度。本試驗(yàn)將同組的平板上10條裂縫的每條開裂面積作為樣本，計(jì)算裂縫的變異系數(shù)，在一定程度上反映裂縫在平板上的分布情況，如圖8(d)所示?？梢钥闯鯮SCC-42.5R組的變異系數(shù)最低，為0.6；RSCC組變異系數(shù)最高，為0.86。這說明前者平板上的裂縫開裂面積及分布較為均勻，離散程度小，后者離散程度較大。從圖7(制圖時(shí)裂縫寬度均為每條裂縫的最大寬度)也可看出，RSCC組的No.2裂縫開裂寬度明顯大于其他裂縫，離散性較大，而另外2組的裂縫開裂寬度相差不大，離散程度較小。因此說明骨料包漿可降低混凝土板裂縫開裂的離散程度，有利于裂縫均勻分布，間接提高了混凝土板的抗開裂能力。

綜上所述，從裂縫的初裂時(shí)間、最大寬度、評(píng)價(jià)指標(biāo)以及變異系數(shù)進(jìn)行整體分析，骨料包漿確實(shí)可以不同程度地提高板的抗開裂能力，其中效果最顯著的為采用42.5R水泥包漿的再生骨料。

3.3 微觀分析

圖9為普通混凝土NSCC、再生混凝土RSCC和包漿再生混凝土RSCC-42.5R掃描電鏡下的微觀結(jié)構(gòu)。熟料礦物C3S經(jīng)過水化后生成的層狀Ca(OH)2晶體、未水化的球狀粉煤灰顆粒，以及二者在水化過程中反應(yīng)生成的不規(guī)則膠狀物質(zhì)水化硅酸鈣C-S-H。從圖9(a)可見，骨料與漿體的界面結(jié)合緊密，孔洞較少，其原因?yàn)镃a(OH)2晶體和C-S-H等水化產(chǎn)物相互粘結(jié)，彌補(bǔ)了孔隙，形成較為密實(shí)的整體結(jié)構(gòu)。相比之下，RSCC組再生骨料表面殘留的舊水泥漿體與新水泥漿體粘結(jié)能力差，導(dǎo)致界面區(qū)出現(xiàn)明顯的裂縫，且裂縫中水化產(chǎn)物較少，如圖9(b)所示。這種界面區(qū)即為再生混凝土中最常見的再生骨料與漿體界面薄弱區(qū)，往往是混凝土受力時(shí)裂縫的發(fā)源地。從圖9(c)可見，骨料與漿體的界面區(qū)不存在明顯裂縫，只是骨料自身存在一些微小裂縫，這是再生骨料機(jī)械破碎作用下產(chǎn)生的，但是裂縫中充滿了Ca(OH)2晶體和C-S-H等水化產(chǎn)物，其原因?yàn)樵偕橇辖?jīng)過事先包漿處理，水泥漿的水化產(chǎn)物對(duì)骨料內(nèi)部的微裂縫進(jìn)行了彌補(bǔ)，同時(shí)覆蓋再生骨料表面，改善了其粗糙程度，使其與砂漿的結(jié)合更加緊密。綜上所述，從微觀層面可以得出，RSCC組的抗裂性能差主要是因?yàn)楣橇吓c漿體界面過渡區(qū)薄弱，存在微小裂縫，更易受到破壞。再生骨料經(jīng)過包漿處理后，改善了骨料與砂漿的界面過渡區(qū)，進(jìn)而達(dá)到了提高混凝土抗裂性能的效果。

圖9 不同混凝土的微觀結(jié)構(gòu)Fig.9 Micro-structure of different concretes

4 機(jī)理分析

正常情況下，再生骨料在混凝土中與膠凝材料的界面過渡區(qū)存在2種形式[11]：一種為再生骨料與表面殘留水泥漿體的舊界面過渡區(qū)，再生骨料在制備的過程中通常采用機(jī)械破碎的方法，因此會(huì)造成骨料內(nèi)部及舊界面過渡區(qū)產(chǎn)生微小裂縫，導(dǎo)致再生骨料孔隙率大，吸水率高，相較于天然骨料更易造成混凝土開裂；另一種為再生骨料表面殘留砂漿與新膠凝材料的過渡區(qū)，這種新過渡區(qū)粘結(jié)能力差，比較薄弱，容易產(chǎn)生裂縫，造成混凝土開裂。

骨料經(jīng)過水泥漿包裹處理后，一方面可以在一定程度上修補(bǔ)再生骨料內(nèi)部及舊過渡區(qū)的微小裂縫，另一方面水泥水化生成大量的水化硅酸鈣和鋁酸鈣，增強(qiáng)粘結(jié)力，使得再生骨料的表面更加致密，達(dá)到改善骨料性能的效果，進(jìn)而提高混凝土的抗開裂能力。但不同強(qiáng)度等級(jí)水泥包漿的骨料，性能是有一定差別的。在本試驗(yàn)中52.5R水泥因比表面積相對(duì)較大，導(dǎo)致水泥凈漿黏稠，在骨料包漿時(shí)，容易造成包漿厚度不均；32.5R水泥漿相對(duì)稀薄，骨料表面的包裹層較?。幌啾容^之下42.5R水泥漿包裹效果更好，故從試驗(yàn)數(shù)據(jù)也可看出RSCC-42.5R組混凝土的抗開裂能力最優(yōu)。

5 結(jié) 論

(1)再生骨料經(jīng)過水泥包漿后，混凝土的抗壓與抗折強(qiáng)度均得到不同程度的提高，其中42.5R水泥包漿的再生骨料混凝土強(qiáng)度提高最大。

(2)再生混凝土相較于普通混凝土，縮短了裂縫的初裂時(shí)間，加快了混凝土的開裂，且RSCC組單位面積總開裂面積達(dá)到了NSCC組的1.5倍。

(3)骨料包漿可以有效地抑制自密實(shí)再生混凝土的開裂，不同強(qiáng)度水泥包漿，效果也有差別。經(jīng)過32.5R、42.5R、52.5R水泥包裹處理的3組混凝土相較于未包裹的RSCC組，單位面積總開裂面積分別減少了11.1%、25.1%、13.1%，其中42.5R水泥的包漿效果最好。

(4)通過掃描電鏡可以得出：再生骨料經(jīng)過包漿后，水泥的水化產(chǎn)物一方面彌補(bǔ)了骨料內(nèi)部裂縫，另一方面改善了表面粗糙程度，使骨料與砂漿的界面過渡區(qū)更加密實(shí)，進(jìn)而提高了混凝土的抗開裂能力。