骨料含水量的差異對于粉煤灰再生混凝土性能的影響

程子揚，李敬芳，陳旭勇，程書凱，徐 雄，田 野，屠艷平*

1. 武漢工程大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢430074；2. 國投新疆羅布泊鉀鹽有限責(zé)任公司，新疆 哈密839000

近幾年來，海內(nèi)外的專家學(xué)者對于再生骨料性能對再生混凝土的影響進行了大量的試驗研究［1-3］，但是主要針對于再生骨料的壓碎值、吸水量和表觀密度等性能指標來研究其對再生混凝土性能的影響。由于再生骨料經(jīng)過破碎后，相對于天然骨料表面附著大量老砂漿以及內(nèi)部有較多的微小裂縫，導(dǎo)致再生骨料相對于天然骨料擁有較高的吸水量［4-5］，在再生混凝土拌制過程中，再生骨料由于自身較高的吸水量會吸收拌合物中大量的游離狀態(tài)的水，導(dǎo)致再生混凝土拌合物的游離狀態(tài)的水減少，使得水泥水化反應(yīng)不完全［6］，對再生混凝土和易性和力學(xué)性能，以及未來的施工過程造成一定影響，同時也對推廣再生混凝土的工程應(yīng)用帶來了阻礙和挑戰(zhàn)。

國內(nèi)外的一些研究學(xué)者在對于再生骨料的試驗研究發(fā)現(xiàn)［7-9］，再生骨料經(jīng)過前期一些預(yù)先處理，可以有效的改善再生混凝土的和易性和力學(xué)性能。相關(guān)的試驗研究也對于再生骨料的預(yù)處理給出相關(guān)建議，建議在攪拌前對再生骨料進行預(yù)先飽水處理來減少骨料和水泥漿之間的水分交換［10］，但是由于飽和面干的再生骨料在拌制過程中有水從骨料內(nèi)部轉(zhuǎn)移到水泥砂漿中的可能性，導(dǎo)致再生骨料和水泥砂漿之間過渡區(qū)的有效水膠比升高，進而使得其過渡區(qū)的粘結(jié)強度降低［11］。Ferreira 等［12］通過分析預(yù)先吸水狀態(tài)和添加附加水狀態(tài)的再生粗骨料對再生混凝土性能的影響，發(fā)現(xiàn)這兩種方法都能夠有效的提高再生混凝土的和易性，并且添加附加水狀態(tài)下制備的再生混凝土不僅和易性能得到提升，其抗壓強度和劈裂抗拉強度等力學(xué)性能也能得到顯著的提高。Brand等［13］通過研究再生混凝土在有效水膠比一致的條件下，兩種狀態(tài)下（飽和面干和干燥）再生骨料制備的再生混凝土的坍落度，試驗結(jié)果表明干燥狀態(tài)的再生骨料制備的再生混凝土的坍落度相對于飽和面干狀態(tài)下制備的再生混凝土的坍落度更大。然而，Oliveire 等［14］通過研究飽和面干狀態(tài)和干燥狀態(tài)的再生骨料制備的再生混凝土的性能，發(fā)現(xiàn)在這兩種含水狀態(tài)下的再生骨料制備的再生混凝土，其力學(xué)性能和耐久性能都要遜色于天然混凝土，并且飽和面干狀態(tài)下的再生骨料制備的再生混凝土的劈裂抗拉強度降低較明顯。

粉煤灰作為一種常用于混凝土中的礦物摻合料，當(dāng)粉煤灰等質(zhì)量取代水泥摻量為30% 時，再生混凝土的7 d 抗壓強度有所降低，但其長期性能會持續(xù)發(fā)展，甚至將會超過基準值［15-16］。Kou等［17］通過研究高摻量粉煤灰對于再生混凝土的性能的影響，試驗結(jié)果表明發(fā)現(xiàn)較高摻量（55%）的粉煤灰能夠使得再生混凝土的長期抗壓強度提高，增大其彈性模量改善再生混凝土的抗氯離子滲透性能，全方位的提高再生混凝土的性能。此外，一些學(xué)者的研究也發(fā)現(xiàn)，粉煤灰可以有效改善再生混凝土的和易性［18-19］。

因此，本文通過使用靜水天平測得再生粗骨料的吸水時變規(guī)律，研究不同含水量下的再生粗骨料對于粉煤灰再生混凝土坍落度、抗壓強度、劈裂抗拉強度和拉壓比的影響，分析得出不同含水量下的再生粗骨料對粉煤灰再生混凝土的各項性能影響的原因，為粉煤灰再生混凝土今后的研究和工程推廣應(yīng)用提供參考作用。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

水泥：采用武漢市建材大世界購買的華新水泥生產(chǎn)的P.O 42.5 級水泥，水泥的詳細的性能指標見表1；粉煤灰為中建商品混凝土有限公司資助的二級粉煤灰；天然細骨料（natural fine aggregate，NFA）為天然河砂，屬Ⅱ區(qū)中砂，細度模數(shù)為2.6，符合《建筑用砂》（GB/T 14684—2011）的要求；天然粗骨料（natural coarse aggregate，NCA）來自中建商品混凝土有限公司，粒徑在4.75～20.00 mm 范圍內(nèi)；再生粗骨料（recycled coarse aggregate，RCA）來自中建商品混凝土有限公司，粒徑在4.75～20.00 mm 范圍內(nèi)，符合規(guī)范JGJ 52—2006 的要求，NCA、RCA 和NFC 的物理性能結(jié)果參見表2。水：武漢市天然自來水；減水劑：中建商品混凝土有限公司資助的聚羧酸高效減水劑，其減水率為18%。

表1 水泥性能指標Tab. 1 Performance indexes of cement

表2 骨料的物理性能Tab. 2 Physical properties of aggregate

1.2 試驗配合比設(shè)計

以C30 天然粉煤灰混凝土為基準值，水灰比為0.49，粉煤灰摻量為水泥的25%，細骨料采用天然河砂，粗骨料使用天然碎石，作為對照組，記為NC（天然混凝土，nature concrete）。在此對照組的基礎(chǔ)上設(shè)計3 組再生混凝土的配合比，水膠比和膠凝材料的用量不變，采用3 種含水量（相較于飽和吸水量的0%、50%、100%）的RCA 等質(zhì)量全部替代天然骨料，所制備的再生混凝土的標號為RAC-1、RAC-2 和RAC-3，分別對應(yīng)RCA 的含水量為0%、50% 和100%，根據(jù)RCA 的含水狀態(tài)進行附加水的調(diào)整，具體的配合比見表3。

表3 混凝土配合比Tab. 3 Concrete mix ratio

1.3 試驗方法

1.3.1 RCA 吸水率測試方法 RCA 的吸水率根

據(jù)《混凝土用再生粗骨料》（GB/T 25177—2010）中的規(guī)定，按照GB/T 17431.2 中吸水率測試方法進行RCA 的吸水率測試，具體步驟如下：1）取RCA試樣4 L，用孔徑為2.36 mm 的篩子過篩后，洗刷干凈放置于烘箱中，溫度為（105±5）℃烘干至恒重；2）把烘干后的RCA 試樣等分為3 等分，分別稱重，精確至1 g，然后放入盛水的容器中，如有顆粒懸浮，將其壓入水中，液面要高于試樣表面5 mm；3）浸泡24 h 后，從水中取出，用濕毛巾將顆粒表面的水分擦干，此時試樣為飽和面干的RCA 試樣，立即稱重質(zhì)量，精確至1 g；具體的結(jié)果計算見公式（1）。

式中：w為RCA 24 h 吸水率，%；m0為RCA 浸泡24 h 后的質(zhì)量，g；m1為RCA 烘干后的質(zhì)量，g。

以3 組測定值的算術(shù)平均數(shù)作為試驗結(jié)果。

1.3.2 試塊制備與性能測試 混凝土攪拌開始前，對所需的所有實驗材料進行稱取。減水劑倒入稱取好的水中攪拌80～120 s，再按粗骨料、水泥、細骨料的投放順序依次倒入攪拌機中，干拌60 s，再倒入水，連續(xù)攪拌120～180 s，倒出拌合物。按照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》（GB/T 50080—2016）進行坍落度試驗來測定再生混凝土拌合物的坍落度，同時以經(jīng)驗觀察拌合物的黏聚性和保水性，判斷拌合物是否具有良好的和易性。若拌合物的坍落度滿足試驗設(shè)計，且其黏聚性和保水性都滿足要求，便將再生混凝土的拌合物倒入試模中，澆筑為尺寸100 mm ×100 mm ×100 mm的立方體試塊，放置24 h 后拆模并編號，搬送至混凝土的標準養(yǎng)護室內(nèi)進行養(yǎng)護，達到28 d 后按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2019）中的試驗方法采用電液伺服萬能試驗機對再生混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉強度進行測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 RCA 吸水隨時間變化情況

由于RCA 表面附著有老砂漿和內(nèi)部含有大量的微裂縫，導(dǎo)致RCA 相較于NCA 擁有吸水量高，吸水速率快的特點，利用靜水天平對含水量為0%的RCA 進行吸水時變的測試，得到RCA 的吸水時變曲線，如圖1 所示。通過圖1 可以發(fā)現(xiàn)，RCA 在處于含水量為0% 的情況下遇到水后，其吸水速率極快，第20 s 時其吸收的水分就已經(jīng)達到了其吸水量的21.2%；但是RCA 的吸水速度也隨著自身含水量和時間的增加逐漸降低，5 min 時RCA 吸收的水分達到了其飽和含水水量的48.9%，只相對于20 s 時增加了27.7%。該現(xiàn)象表明RCA 的含水量越低，其本身的吸水速率就越快，且吸水速率隨著自身含水量的增加而不斷減小。當(dāng)RCA 的含水量達到了其飽和吸水量的60% 以后，RCA 的吸水速率就開始隨著時間的推移變的逐漸平穩(wěn)。因此，RCA 含水量為0% 時加入到拌合物中時，其前5 min 吸水速率非?？欤h高于NCA 和其他兩種含水量下（50% 和100%）的RCA。通過此曲線也驗證了含水量為0% 的RCA 在短暫攪拌過程中對于拌合物中的游離狀態(tài)的水的吸收是大量且迅速的。同時，通過擬合曲線可以發(fā)現(xiàn)RCA 的含水量與時間成冪函數(shù)關(guān)系，圖像為凸曲線，通過擬合曲線計算出，RCA 在從含水量為0% 到含水量為100% 的時間約為950 min，與規(guī)范中骨料吸水飽和的浸泡時間相近。

圖1 RCA 吸水時變曲線Fig. 1 Time-varying curve of water absorption of RCA

2.2 坍落度結(jié)果與分析

詳細的坍落度測試的結(jié)果見圖2（a）。從圖中可知，根據(jù)坍落度的大小對混凝土排序為：RAC-1＞RAC-3＞RAC-2＞NC。再生混凝土的坍落度都大于NC 的坍落度，這是由于RAC-1 和RAC-2 添加了附加水，通過吸水時變曲線可以發(fā)現(xiàn)，在短暫的攪拌時間中，RCA 無法將附加水全部吸收，也就導(dǎo)致了拌合物中游離狀態(tài)的水較NC 有所增多，尤其是RAC-1，其坍落度是4 組中最大的。RAC-3 由于提前在水中浸泡了24 h，RCA 表面松散的老舊砂漿和一些灰塵顆粒在浸泡過程中被清洗，使得RCA 表面變的更加光滑，骨料之間的摩擦阻力也進而變小，再者由于本身已經(jīng)水分飽和，在攪拌過程中會出現(xiàn)一些水分滲出的現(xiàn)象，導(dǎo)致了拌合物中游離狀態(tài)的水含量增多，使RAC-3 的坍落度增大。由此可見，不同含水量下的RCA 對于新拌制的再生混凝土的坍落度有很大的影響，附加水是影響再生混凝土的坍落度大小的主要因素之一。

2.3 力學(xué)試驗結(jié)果與分析

2.3.1 抗壓強度和劈裂抗拉強度 詳細的抗壓強度和劈裂抗拉強度測試數(shù)據(jù)見圖2（b）。由圖2（b）可知，RAC-1、RAC-2 和RAC-3 的抗壓強度和劈裂抗拉強度都遠低于NC，造成這種情況的原因是因為RCA 是由廢舊建筑或道路拆除后的混凝土塊經(jīng)過各種破碎工序后再進行篩分得到，破碎和篩分的過程中不斷的受到?jīng)_撞、摩擦和擠壓，RCA 本身結(jié)構(gòu)的損傷不斷增加，導(dǎo)致得到的RCA 具有微裂縫多、棱角多、壓碎值大和表面附著大量老舊水泥砂漿等缺點，致使用其制作的再生混凝土的強度較低。RAC-1 和RAC-3 再生混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度都小于RAC-2 組，表明了含水量為50% 的情況下的RCA 對再生混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度的不利影響要小于含水量為0% 和含水量為100% 情況下的RCA。RAC-1 由于RCA的含水量為0%，拌合物中添加的附加水用量明顯高于RAC-2，如前所述，在短暫的攪拌時間中，無法使RCA 將附加水全部吸收，也導(dǎo)致RAC-1 的游離態(tài)的水相較于RAC-2 更多，致使RAC-1 有效水膠比變高，抗壓強度和劈裂抗拉降低。RAC-3 由于RCA 在拌制前已經(jīng)進行了預(yù)處理，達到飽和面干的狀態(tài)，在拌制過程中，會出現(xiàn)RCA 自身的水分滲出，使其界面過渡區(qū)的水膠比變大，導(dǎo)致界面過渡區(qū)的強度降低，從而致使再生混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度降低。由以上分析可知，不同含水量下的RCA 對于新拌制的再生混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度是有很大的影響，并且RCA吸水時變曲線對于研究RCA 對于再生混凝土的力學(xué)性能有著重要意義。

從圖2（b）中再生混凝土的抗壓強度和劈裂強度的變化趨勢來看，劈裂抗拉強度無論增加幅度還是降低幅度都要優(yōu)于抗壓強度，反映出摻入粉煤灰對于再生混凝土的劈裂抗拉強度是提升作用，對于再生混凝土的抗壓強度是降低作用。這與肖建莊等［20］對于粉煤灰摻入后再生混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度影響的結(jié)果十分相近，說明粉煤灰的摻入對于再生混凝土的早期強度抗壓強度是降低作用，只有到達90 d 齡期才會逐漸接近天然混凝土。

2.3.2 拉壓比 混凝土的拉壓比是指混凝土的劈裂抗拉強度和抗壓強度之間的比值，混凝土的拉壓比是用來衡量水泥基復(fù)合材料脆性和抗裂性能的一個非常重要的指標，拉壓比越小，混凝土的脆性越大，韌性越小，抗裂性能越差［21］。圖2（c）為混凝土拉壓比與抗壓強度的關(guān)系曲線，由圖可知，再生混凝土的拉壓比都大于天然混凝土，說明再生混凝土相對于天然混凝土其脆性更小，韌性更好。通過圖2（c）分析3 組再生混凝土的拉壓比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，再生混凝土的拉壓比隨著抗壓強度的增加而增加，但在達到一定程度后其增加的幅度逐漸減?。籖AC-3 的拉壓比在3 組中最小，這是由于飽和面干的RCA 存在水分滲出的現(xiàn)象，使得界面過渡區(qū)的有效水膠比降低，RCA 與砂漿之間的粘結(jié)性能變差，結(jié)構(gòu)不夠密實，造成RAC-3 組的劈裂抗拉強度降低幅度較大；RAC-1 和RAC-2 的拉壓比要遠大于RAC-3 的拉壓比，表明RCA 的不同含水狀態(tài)對于再生混凝土的拉壓比有著很大的影響，體現(xiàn)出RCA 的含水狀態(tài)對于研究再生混凝土的脆性和抗裂性能有著很好的研究意義。

圖2 再生骨料含水量與再生混凝土性能的相關(guān)性：（a）坍落度，（b）抗壓強度和劈裂抗拉強度，（c）拉壓比和抗壓強度的關(guān)系Fig. 2 Correlation between water content of recycled aggregate and properties of recycled concrete ：（a）slump，（b）compressive strength and splitting tensile strength，（c）relationship between tension-compression ratio and compressive strength

3 結(jié) 論

本文研究了不同含水量（相較于飽和吸水量的0%、50%、100%）的RCA 對于再生混凝土的坍落度、抗壓強度、劈裂抗拉強度和拉壓比的影響，從試驗的結(jié)果中總結(jié)得出以下的結(jié)論：

1）使用靜水天平得到RCA 的吸水時變曲線，通過此曲線發(fā)現(xiàn)了RCA 的本身的含水量越低，其吸水的速率就越快，吸水速率隨著RCA 的含水量的增加而迅速降低，RCA 的吸水時變曲線對于研究再生混凝土和易性和力學(xué)性能有著很好的研究意義。

2）不同含水量的RCA 對再生混凝土的坍落度有著不同的影響，且影響的程度差別較大，用含水量為0% 的RCA 去制備再生混凝土?xí)r，其坍落度要大于含水量為50% 和含水量為100% 的RCA 制備的再生混凝土，拌合物中的游離狀態(tài)的水是影響再生混凝土的坍落度的主要因素之一。

3）RCA 的含水量對于再生混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度有著不同的影響，用含水量100%和含水量為0% 的RCA 制備成的再生混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度要低于含水量為50% 的RCA 制備的再生混凝土，主要的原因是RCA 含水量的差異系數(shù)附加水的摻量不同，使得拌合物中游離狀態(tài)的水含量改變，制備的再生混凝土的有效水膠比不同。

4）不同含水量的RCA 對于再生混凝土的拉壓的影響不同，含水量為100% 的RCA 制備的再生混凝土的拉壓比最小，但也要大于天然混凝土，由此可見，再生混凝土的脆性和抗裂性能要優(yōu)于天然混凝土。