包漿再生粗骨料對自密實混凝土力學(xué)性能及抗凍性的影響

曹鑫鋮，金寶宏,，侯玉飛

(1.寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021；2.寧夏大學(xué)新華學(xué)院 工程與應(yīng)用科學(xué)系，銀川 750021)

混凝土的抗凍性始終是土木工程界持續(xù)關(guān)注和研究的重大問題，尤其在東北、西北地區(qū)，由于凍融破壞，混凝土結(jié)構(gòu)經(jīng)常出現(xiàn)不能繼續(xù)承載的現(xiàn)象，縮短了建筑物的使用壽命，造成嚴重的經(jīng)濟損失。自密實再生混凝土具有綠色環(huán)保、節(jié)約自然資源、施工時不需要振搗等諸多優(yōu)點，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，因此，對其抗凍性的研究顯得尤為重要。但再生骨料自身存在強度低、表面粗糙、吸水率高等缺點，導(dǎo)致其抗凍性低于普通混凝土，采用水泥漿對再生骨料進行包漿處理，既可彌補骨料內(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，改善混凝土的抗凍性。

學(xué)者們已對混凝土的抗凍性作了大量研究。再生混凝土的抗凍性能明顯低于普通混凝土，且隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，較普通混凝土，再生混凝土的破壞形態(tài)越來越明顯[1-5]；在再生混凝土中摻入聚丙烯纖維、鋼纖維等纖維材料[6-8]及粉煤灰、硅灰等礦物材料[9-10]能改善其孔隙結(jié)構(gòu)，增強整體密實性，提高混凝土的抗凍性；Yang等[11]通過改進“EMV法”(等砂漿配比設(shè)計法)配置出的再生混凝土抗凍性也有較好改善；雷斌等[12]在再生混凝土中摻入氧化石墨烯，發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯可以優(yōu)化砂漿的微觀結(jié)構(gòu)，降低空隙率，進而改善混凝土抗凍性；王玲玲等[13]通過試驗發(fā)現(xiàn)，摻量為15%的納米CaCO3和1%的納米SiO2對再生混凝土的抗凍性提高最為顯著。目前的研究主要是通過外摻各種材料來達到改善再生混凝土的抗凍性，對于從骨料入手改善混凝土抗凍性的研究相對較少。筆者采用不同強度等級的水泥漿對再生粗骨料進行包漿處理，研究自密實包漿再生骨料混凝土的力學(xué)性能及抗凍性，并結(jié)合SEM電鏡試驗，從微觀的角度分析了骨料包漿對混凝土抗凍性的改善機制。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：賽馬牌32.5R、42.5R、52.5R普通硅酸鹽水泥；粉煤灰：靈武發(fā)電廠生產(chǎn)的一級粉煤灰，45 μm篩余5.7%；粗骨料：鎮(zhèn)北堡生產(chǎn)的5～20 mm人工碎石；細骨料：青銅峽人工水洗中砂；再生粗骨料：廢棄路緣石混凝土，經(jīng)回彈儀測定強度為C30，強度較高，機械破碎后篩選出5～20 mm。減水劑：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的水泥漿對再生粗骨料表面進行包漿處理，其中，粉煤灰摻量為膠凝材料的30%，骨料包漿后晾于陰涼處，待骨料達到不再相互粘結(jié)的狀態(tài)時，放入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護，28 d后取出晾干，用于混凝土攪拌，如圖1所示。各種骨料的基本性能見表1。

圖1 再生粗骨料

表1 粗骨料的基本性能

1.2 試驗方案設(shè)計

設(shè)置兩個試驗，試驗1用于測量混凝土力學(xué)性能的四因素四水平正交試驗，試驗2為研究骨料包漿對混凝土抗凍性影響的單因素試驗。試驗1選取粉煤灰摻量A、包漿水泥的強度B、再生粗骨料替代率C和減水劑摻量D等4個因素，每個因素選擇4個水平，依據(jù)正交表L16(45)安排試驗，因素水平見表2，其中，粉煤灰按照等質(zhì)量替代水泥的方式摻入，減水劑按照膠凝材料的百分比摻入；試驗2在試驗1正交試驗得出的最優(yōu)組合基礎(chǔ)上以包漿水泥強度為單因素進行凍融試驗。

表2 正交因素、水平

根據(jù)試驗的需求，分別制作尺寸為100 mm×100 mm×100 mm和100 mm×100 mm×400 mm兩種試件，前者用于混凝土的抗壓與劈裂抗拉試驗，后者用于抗折和凍融試驗，凍融試驗采用《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》[14]規(guī)定的快速凍融法，每凍融循環(huán)25次后，取出試件，測其橫向基頻和質(zhì)量，待相對動彈性模量下降到60%或質(zhì)量損失達到5%時，視為凍融試驗結(jié)束。

1.3 配合比設(shè)計

試驗混凝土強度等級為C30，其配合比按照《自密實混凝土技術(shù)應(yīng)用工程》[15]進行設(shè)計，見表3、表4，表3為混凝土力學(xué)性能試驗的配合比，表4為混凝土凍融試驗的配合比，“NSCC”表示普通自密實混凝土，為基準組，“RSCC”表示自密實再生混凝土，其后數(shù)字為包漿水泥強度等級，無數(shù)字為未包漿。

表3 混凝土力學(xué)性能試驗配合比

續(xù)表3

表4 混凝土凍融循環(huán)試驗配合比

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 混凝土力學(xué)性能分析

自密實包漿再生骨料混凝土的工作性能及力學(xué)性能試驗結(jié)果見表5。

表5 混凝土正交試驗結(jié)果

2.1.1 坍落擴展度分析 根據(jù)《自密實混凝土技術(shù)應(yīng)用工程》[15]的規(guī)定，當(dāng)坍落擴展度為550～650 mm時，混凝土屬于SF1等級；當(dāng)坍落擴展度為650～750 mm時，屬于SF2等級；當(dāng)坍落擴展度為750～850 mm時，屬于SF3等級。從圖2坍落擴展度柱狀圖可以看出，各組混凝土的坍落擴展度均能達到性能等級SF1，大部分組擴展度的5%誤差線均達到性能等級SF2，其中，第6組達到了SF3，出現(xiàn)了較為嚴重的泌水現(xiàn)象，這是因為第6組中再生粗骨料替代率最低，相較于替代率高的其他組，骨料的吸水率低，同時，天然骨料表面光滑，在一定程度上可以增強混凝土的流動性；其次，該組的減水劑摻量最大，在混凝土的攪拌過程中，水泥顆粒之間形成絮凝結(jié)構(gòu)，減水劑能夠分散這種結(jié)構(gòu)，釋放其中的水分，增大了坍落擴展度，過量的減水劑則導(dǎo)致了泌水現(xiàn)象的出現(xiàn)，這種情況不滿足自密實混凝土的工作性能要求。

圖2 坍落擴展度測定

2.1.2 正交試驗分析 從表6及圖3各因素對抗壓強度的影響可看出，隨著粉煤灰摻量的增加，抗壓強度呈現(xiàn)出持續(xù)下降的趨勢，當(dāng)摻量由25%增長為40%時，混凝土的抗壓強度分別降低了2%、2.5%和7%；經(jīng)過水泥包漿后，抗壓強度有了不同程度的提高，其中，42.5R水泥的包漿效果最優(yōu)，強度提高了11%；隨著再生粗骨料替代率和減水劑摻量的增加，抗壓強度均出現(xiàn)先增加后減少的趨勢，在替代率為20%時，強度達到最大，為44.1 MPa，減水劑摻量為0.9%時達到最大，為43.9 MPa。故考慮上述因素對抗壓強度的影響，最優(yōu)組合為粉煤灰摻量25%、包漿水泥強度42.5R、再生粗骨料替代率20%和減水劑摻量0.9%。同理，劈拉強度的最優(yōu)組合為粉煤灰摻量25%、包漿水泥強度42.5R、再生粗骨料替代率20%和減水劑摻量0.7%，抗折強度的最優(yōu)組合為粉煤灰摻量25%、包漿水泥強度42.5R、再生粗骨料替代率30%和減水劑摻量0.9%。

圖3 各因素對指標的影響

表6 極差分析表

綜上可知，粉煤灰摻量A、包漿水泥強度B兩個因素對于3個指標來說，都分別以A1、B3為最優(yōu)；再生粗骨料替代率C因素，抗壓強度和劈裂抗拉強度均是C2好，從k值可以看出C因素取C2、C3,抗折強度相差不大，故選取C2；減水劑摻量D因素，抗壓強度和抗折強度均是D2好，對于3個指標來說，D因素均為處于末尾的次要因素，故選取D2。故最佳方案為A1B3C2D2，即粉煤灰摻量為25%，包漿水泥強度42.5R，再生粗骨料替代率20%和減水劑摻量0.9%。

2.1.3 力學(xué)性能指標換算關(guān)系分析 從表7和圖4劈裂抗拉強度與抗壓強度的關(guān)系可看出，式(1)、式(2)、式(4)計算的C60以下混凝土劈裂抗拉強度明顯高于本文研究的自密實再生混凝土的強度，式(3)計算的C30以上混凝土的劈裂抗拉強度明顯低于本文的自密實再生混凝土的強度。同理，抗折強度與抗壓強度的關(guān)系也是如此，故普通混凝土、再生混凝土劈裂抗拉和抗折強度的計算式已經(jīng)不再適用于自密實包漿再生骨料混凝土。新提出的式(5)、式(9)的計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)較吻合，可以作為自密實包漿再生骨料混凝土劈裂抗拉和抗折強度的計算式。

表7 力學(xué)性能指標換算關(guān)系

圖4 混凝土劈裂抗拉強度、抗折強度與抗壓強度的關(guān)系

2.2 混凝土抗凍性能分析

2.2.1 性能指標分析 從圖5混凝土質(zhì)量損失曲線圖可看出，在50次凍融循環(huán)之前，普通混凝土的質(zhì)量損失率逐漸增大，而再生混凝土組均出現(xiàn)負增長趨勢。這是因為與天然骨料相比，再生粗骨料自身存在較多微裂縫及孔洞，在凍融前期，隨著凍融次數(shù)的增多，這種微裂縫進一步擴展，大量吸收外界水分，造成了試件質(zhì)量的增加；50次循環(huán)之后，各組試件質(zhì)量損失率均逐漸增長，普通混凝土的增長趨勢明顯緩于再生混凝土，在150次凍融循環(huán)后，未包漿的RSCC組質(zhì)量損失率達到最大，為3.71%，普通混凝土NSCC組為3.43%，經(jīng)過包漿的32.5R、42.5R、52.5R三組分別為3.24%、2.97%、3.09%。這是因為再生混凝土的凍融損傷在初期就高于普通混凝土，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多，損傷不斷累積，導(dǎo)致新舊界面過渡區(qū)破壞嚴重，試件外表剝落更為顯著。經(jīng)過包漿處理后，水泥漿優(yōu)化了再生粗骨料的物理性能，強化了界面過渡區(qū)，提高了混凝土抗凍性，降低了質(zhì)量損失率。

圖5 混凝土性能指標與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

從圖5強度損失率曲線圖可以看出，在25次凍融循環(huán)后，未包漿的RSCC組抗壓強度損失率最大，為6.9%，包漿的3組與普通混凝土的強度損失相差不大，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，各組的強度損失出現(xiàn)明顯差別，100次循環(huán)后，RSCC組強度損失率最大，為27.8%，NACC組最小，為16.7%，經(jīng)過包漿的32.5R、42.5R、52.5R三組分別為23.1%、19.5%、22.3%。經(jīng)比較，雖然包漿后的再生混凝土強度損失率不及普通混凝土，但相較于未包漿的，已經(jīng)有了明顯的改善，其中，42.5R的水泥包漿效果最好。這是因為水泥漿填充了再生粗骨料內(nèi)部的細小裂縫，提高了其整體密實性，同時，在骨料表面形成一種保護層，增強了其堅固性，進而改善了凍融后的混凝土抗壓強度。

從圖5相對動彈性模量曲線圖可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，各組試件的相對動彈性模量均逐漸降低，在整個凍融過程中，未包漿的RSCC組下降趨勢一直最快，150次凍融循環(huán)后，其相對動彈性模量僅為53.3%。在50次凍融循環(huán)前，普通混凝土與包漿的32.5R、42.5R、52.5R三組相差不大，50次循環(huán)之后，隨著次數(shù)的增加，差別逐漸顯著，在150次循環(huán)后差別達到最大，相對動彈性模量分別為66.7%、61.3%、63.2%、58.9%。經(jīng)過包漿的32.5R、42.5R、52.5R三組與未包漿的RSCC組相比，150次后，相對動彈性模量分別增加了8%、9.9%、5.6%，其中，42.5R水泥的效果最好。這是因為再生粗骨料內(nèi)部具有眾多的微小裂縫，表面殘留大量的水泥砂漿，在配置成混凝土?xí)r，一般存在多種界面過渡區(qū)，與普通混凝土相比，這些過渡區(qū)相對脆弱，更易受到破壞。在凍融循環(huán)過程中，骨料自身的微裂縫加上界面過渡區(qū)受到破壞產(chǎn)生的微裂縫為水分的遷移提供了大量通道，使得混凝土內(nèi)部形成靜水壓力及滲透壓力，當(dāng)壓力超出一定范圍時，再生混凝土產(chǎn)生破壞。隨著凍融次數(shù)的增加，再生混凝土內(nèi)部的裂縫逐漸增多、加寬，相互貫通，導(dǎo)致混凝土的破壞逐漸加劇[2]。再生骨料經(jīng)過包漿后，水泥水化反應(yīng)加上粉煤灰與Ca(OH)2等高堿性物質(zhì)發(fā)生二次水化反應(yīng)能夠生成大量的水化硅酸鈣和鋁酸鈣等物質(zhì)，彌補了內(nèi)部的微裂縫，改善了表面粗糙程度，使得混凝土的不同類型界面過渡區(qū)有了不同程度的增強，提高了混凝土的抵抗凍脹能力。

2.2.2 基于抗壓強度和相對動彈性模量的凍融損傷模型分析 混凝土的抗壓強度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加不斷下降，為了詳細地研究不同種類骨料配置的混凝土強度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，以抗壓強度為損傷變量，凍融前的混凝土抗壓強度為基準值，對各組混凝土的試驗數(shù)據(jù)進行擬合，建立抗壓強度的非線性關(guān)系式

fcu,N=fcu,0-aN2-bN

(10)

式中：fcu,N為凍融循環(huán)N次后的抗壓強度；fcu,0為凍融循環(huán)前的抗壓強度；N為凍融循環(huán)次數(shù)；a、b為擬合系數(shù)。

基于抗壓強度建立的損傷模型式(10)，得到各組的擬合系數(shù)a、b，見表8，相應(yīng)的抗壓強度與凍融循環(huán)次數(shù)擬合曲線如圖6(a)所示。從表8可以得出，相關(guān)系數(shù)R2均在0.99以上，擬合精度較高，說明抗壓強度與凍融循環(huán)次數(shù)之間具有較好的相關(guān)性，基于抗壓強度建立的混凝土凍融損傷模型合理。

表8 抗壓強度損傷模型系數(shù)和R2

根據(jù)Lemaitre應(yīng)變等價原理[22]，用無損材料的應(yīng)變等價代替受損材料的應(yīng)變，定義自密實包漿再生骨料混凝土的凍融損傷變量D為

D(N)=1-EN/E0=1-Er

(11)

式中：EN為凍融循環(huán)N次后的動彈性模量；E0為凍融循環(huán)前的動彈性模量；Er為相對動彈性模量。

根據(jù)式(11)計算各組混凝土不同凍融循環(huán)次數(shù)的損傷值，將試驗數(shù)據(jù)進行擬合，建立混凝土凍融損傷模型的關(guān)系式

D(N)=ln(c+dN)

(12)

式中：N為凍融試驗次數(shù)；c、d為擬合系數(shù)。

基于損傷值建立的模型式(12)，得到各組的擬合系數(shù)c、d，見表9，繪制損傷值與凍融循環(huán)次數(shù)的擬合曲線如圖6(b)所示，從表9可以得出，相關(guān)系數(shù)R2均在0.94以上，擬合精度較高，說明損傷值與凍融循環(huán)次數(shù)之間具有較好的相關(guān)性，基于相對動彈性模量建立的混凝土凍融損傷模型是合理的，同時，從擬合曲線圖6中可以看出，未包漿RSCC組的損傷值一直處于最大，包漿的3組相較之下?lián)p傷值均有所減少，混凝土的抗凍性有了不同程度的改善，其中42.5R水泥的包漿效果最好。

圖6 混凝土凍融損傷擬合曲線

表9 相對動彈性模量損傷模型系數(shù)和R2

2.3 微觀分析

圖7為凍融循環(huán)前混凝土微觀形貌，其中圖7(a)為普通混凝土試件，可以看出，28 d時該組水化反應(yīng)比較充分，大量的水化產(chǎn)物C-S-H(水化硅酸鈣)凝膠將骨料緊密地粘結(jié)在一起，界面過渡區(qū)未發(fā)現(xiàn)明顯微裂縫，整體密實度高，孔洞較少，這也是該組凍融循環(huán)前抗壓強度最高的微觀原因；圖7(b)為未包漿的再生骨料混凝土試件，可以清楚看見大量水化產(chǎn)物C-S-H凝膠，未水化的球形粉煤灰顆粒等物質(zhì)，但與圖7(a)相比，整體密實度低，存在較多孔洞，骨料與漿體的界面過渡區(qū)存在明顯的裂縫，這是因為再生骨料表面存在較多的舊水泥砂漿，在配置混凝土?xí)r與新水泥砂漿的粘結(jié)力較差，容易出現(xiàn)微裂縫，造成界面過渡區(qū)薄弱，降低再生混凝土的強度；圖7(c)為再生骨料采用42.5R水泥漿包裹的混凝土，可以看出，骨料自身存在著裂縫，但裂縫里存在大量的水化產(chǎn)物。這是因為再生骨料自身強度較低，在機械破碎時容易造成損傷，產(chǎn)生一定的裂縫，經(jīng)過水泥漿包裹后，水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的C-S-H凝膠等物質(zhì)彌補了骨料內(nèi)部的微裂縫，同時改善了骨料表面的粗糙程度，加強了骨料與漿體的界面過渡區(qū)，提高了混凝土的強度。

圖7 0次凍融循環(huán)的混凝土微觀形貌

圖8為100次凍融循環(huán)后混凝土的微觀形貌，圖8(d)、(e)、(f)分別為圖8(a)、(b)、(c)3幅圖在電鏡5 000倍下的微觀圖片。與圖7中未凍融試件相比，100次凍融循環(huán)后，由于各組試件中的毛細水反復(fù)凍結(jié)融化，受到膨脹壓應(yīng)力和滲透壓應(yīng)力的氣孔出現(xiàn)膨脹破裂，導(dǎo)致水化產(chǎn)物由密實變疏松，且出現(xiàn)不同程度的裂縫，如圖8所示。從電鏡5 000倍下的圖片可以看出，普通混凝土的裂縫最大寬度為1 μm，骨料經(jīng)過包漿的再生混凝土最大裂縫為1.67 μm，未包漿的再生混凝土裂縫最大寬度則達到了5 μm，遠大于其他兩組，且裂縫不斷延伸，逐漸出現(xiàn)相互貫通的趨勢，宏觀上表現(xiàn)為抗壓強度的下降。再生混凝土抗凍性差的一個關(guān)鍵因素是骨料與漿體的界面過渡區(qū)較普通混凝土相對薄弱，在凍融循環(huán)過程中極易受到破壞，再生骨料經(jīng)過水泥漿的包裹處理后，能夠在一定程度上強化薄弱的界面過渡區(qū)，延緩凍融循環(huán)后裂縫的產(chǎn)生，進而達到提高混凝土抗凍性的效果。

圖8 100次凍融循環(huán)的混凝土微觀形貌

3 結(jié)論

采用的再生粗骨料取自廢棄的路緣石混凝土，該混凝土強度高于其他樓板之類的混凝土，其破碎后的再生粗骨料性能相對更優(yōu)，經(jīng)過試驗研究后得到以下結(jié)論：

1)通過正交試驗得出，自密實包漿再生骨料混凝土的最佳配比方案為：粉煤灰摻量25%，包漿水泥強度42.5R，再生粗骨料替代率20%和減水劑摻量0.9%，且普通混凝土和再生混凝土的力學(xué)性能之間的關(guān)系式不適用于該混凝土，提出的劈裂抗拉強度、抗折強度與抗壓強度的新關(guān)系式與試驗數(shù)據(jù)較吻合。

2)從質(zhì)量損失、抗壓強度及相對動彈性模量3個方面均可看出采用包漿骨料的自密實再生混凝土相較于骨料未包漿的混凝土抗凍性能有了明顯地提高，其中，42.5R的水泥包裹效果最佳。

3)基于抗壓強度和相對動彈性模量建立的混凝土凍融損傷模型，相關(guān)系數(shù)均在0.9以上，擬合精度較高，能夠直觀地反映出自密實包漿再生骨料混凝土的凍融損傷規(guī)律。

4)從微觀分析得出，再生粗骨料經(jīng)過包漿改善混凝土的性能主要通過優(yōu)化再生粗骨料物理性能及強化混凝土的界面過渡區(qū)實現(xiàn)。