不同骨料替代方案下再生骨料混凝土力學(xué)性能分析

■肖長(zhǎng)進(jìn)

（福州新區(qū)交通建設(shè)有限責(zé)任公司， 福州 350002）

隨著我國(guó)建筑行業(yè)的快速發(fā)展，混凝土材料消耗日益增大，天然碎石、河砂等非再生資源骨料也日益枯竭，同時(shí)建設(shè)過(guò)程中伴隨的拆遷改造也產(chǎn)生了大量的建筑廢棄物。 在體量巨大的建筑廢棄物中，廢混凝土占了大約41%的比例。 廢混凝土的傳統(tǒng)處理方式為簡(jiǎn)單堆填，一方面，這占用了日益緊缺的土地資源、造成嚴(yán)重的土壤和空氣污染，另一方面，在資源日趨匱乏的今天，建筑廢棄物的粗暴處理本身就是對(duì)資源的極大浪費(fèi)[1]。 為解決這一難題，再生骨料混凝土的概念應(yīng)運(yùn)而生。 再生骨料混凝土，是指將廢棄混凝土、砂漿、磚塊、瓷磚等破碎加工成再生粗、細(xì)骨料后、用于全部或部分替代天然骨料生產(chǎn)而成的混凝土。 再生骨料混凝土技術(shù)的應(yīng)用推廣，不僅可以消納城市化過(guò)程改建、拆除產(chǎn)生的大量建筑垃圾、減少環(huán)境污染，還可以解決過(guò)度開(kāi)采天然骨料帶來(lái)的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，具有重要的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和社會(huì)效益[2]。

廢混凝土經(jīng)加工后可得到粒徑不同的骨料，根據(jù)再生骨料粒徑的不同可將再生骨料分為再生粗骨料（粒徑＞4.75 mm）和再生細(xì)骨料（粒徑≤4.75 mm）。再生粗、 細(xì)骨料可用于分別替代混凝土中的天然粗、細(xì)骨料，所得的混凝土分別稱為再生粗/細(xì)骨料混凝土。 近年來(lái)，學(xué)術(shù)界通過(guò)大量試驗(yàn)研究，已經(jīng)證明在相同配合比條件下，再生粗/細(xì)骨料混凝土的力學(xué)性能均要劣于普通天然骨料混凝土[3-16]。 一般地，當(dāng)配合比相同時(shí)， 隨著再生粗骨料取代率的增加，再生粗骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和彈性模量逐漸減小[17-24]。 當(dāng)再生粗骨料取代率達(dá)到100%時(shí)，混凝土力學(xué)性抗壓強(qiáng)度損失率可達(dá)12%～30%[9]。而再生細(xì)骨料混凝土的性能劣化較普通混凝土更為顯著，肖建莊等[25]研究得出，當(dāng)再生細(xì)骨料取代率大于30%時(shí)， 再生混凝土的抗壓強(qiáng)度明顯降低；當(dāng)再生細(xì)骨料取代率為100%時(shí)， 再生細(xì)骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度只達(dá)到普通混凝土抗壓強(qiáng)度的61%。 從建筑固廢回收利用的有效性來(lái)看，將再生粗、細(xì)骨料同時(shí)用于取代天然骨料來(lái)配制混凝土，將進(jìn)一步提高對(duì)建筑固廢的消納效率，并提升再生混凝土制品的經(jīng)濟(jì)與環(huán)保屬性。 然而，盡管學(xué)術(shù)界對(duì)再生粗骨料混凝土、再生細(xì)骨料混凝土研究較系統(tǒng)，但對(duì)同時(shí)采用再生粗、細(xì)骨料完全取代天然骨料配制的全再生骨料混凝土性能研究相對(duì)薄弱。 此外，考慮到引入再生粗、細(xì)骨料后，全再生骨料混凝土中界面過(guò)渡區(qū)、老砂漿等薄弱環(huán)節(jié)相較于單一種類骨料取代時(shí)更多， 這將影響全再生骨料混凝土在不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的應(yīng)用設(shè)計(jì)， 然而現(xiàn)階段對(duì)這一問(wèn)題的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。因此，本文分別研究了再生粗骨料混凝土（recycled coarse aggregate concrete，RCAC）、再生細(xì)骨料混凝土（recycled fine aggregate concrete，RFAC）及全再生骨料混凝土（fully recycled aggregate concrete,FRAC）的力學(xué)性能，對(duì)比不同骨料替代方案下再生骨料混凝土的力學(xué)性能。 研究結(jié)果可為不同再生骨料替代方案下再生混凝土的應(yīng)用提供力學(xué)性能依據(jù)，為再生骨料在混凝土中的應(yīng)用推廣提供理論指導(dǎo)。

1 原材料

1.1 膠凝材料

水泥采用福建煉石牌42.5R 普通硅酸鹽水泥。其主要物理力學(xué)性能指標(biāo)顯示： 表觀密度為3050 kg/m3、比表面積為360 m2/kg、燒失量LOI 為1.06%、初凝/終凝時(shí)間為125 min∶185 min、抗折強(qiáng)度（3 d）為5.6 MPa、抗折強(qiáng)度（28 d）為8.2 MPa、抗壓強(qiáng)度 （3 d） 為27.5 MPa、 抗壓強(qiáng)度 （28 d）為45 MPa。 其化學(xué)組分為：SiO224.78%、Al2O34.26%、Fe2O33.88%、MgO 3.06%、CaO 53.44%、Na2O 0.32%、K2O 0.35%、SO34.27%、TiO20.28%。 其礦物成分為：C3S 53.3%、C2S 20.7%、C3A 7.33%、C4AF 10.85%、SO32.03%、C4A3S 5.15%。

1.2 粗骨料

粗骨料由福州市閩侯縣某石料廠提供，骨料粒徑為5.0～31.5 mm， 所用粗骨料由不同級(jí)配碎石配置而成。 再生粗骨料由浙江省桐鄉(xiāng)市同德墻體建材有限公司生產(chǎn)，骨料粒徑范圍為5.0～31.5 mm。 天然粗骨料和再生粗骨料的主要性能指標(biāo)如表1 所示，與天然粗骨料相比， 再生粗骨料的含泥量較高，吸水率是天然骨料的5 倍多，壓碎值指標(biāo)較高，表明再生粗骨料較為疏松，這主要是因?yàn)槠浔砻娓街欣仙皾{。 由圖1 級(jí)配曲線可知，所用再生和天然粗骨料的粒徑分布情況基本相當(dāng)。

圖1 天然粗骨料和再生粗骨料的粒徑分布曲線

1.3 細(xì)骨料

本試驗(yàn)天然細(xì)骨料采用閩江河砂，采用的再生細(xì)骨料由陜西龍鳳石業(yè)有限公司破碎廢舊混凝土后獲得，河砂與再生細(xì)骨料各項(xiàng)主要性能指標(biāo)如表2所示，同樣地，再生細(xì)骨料由于含有更多細(xì)小的老砂漿顆粒，或在砂的表面附著有老砂漿，導(dǎo)致其密度較天然河砂更低、吸水率顯著增大（近7 倍）。 由級(jí)配曲線（圖2）可知，兩者級(jí)配略有差異，但其差異可以接受。

表2 河砂及再生細(xì)骨料主要性能指標(biāo)

圖2 河砂及再生細(xì)骨料的粒徑分布曲線

1.4 減水劑

采用廈門科之杰新材料集團(tuán)有限公司銷售的聚羧酸高效減水劑，減水率達(dá)30%左右。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)配合比

本試驗(yàn)混凝土配合比設(shè)計(jì)參考JGJ55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》， 再生混凝土配合比如表3 所示，減水劑用量為膠凝材料用量的1%。

表3 混凝土配合比（單位：kg/m3）

2.2 成型與養(yǎng)護(hù)

攪拌時(shí)的投料順序如下：首先將粗骨料與細(xì)骨料在攪拌機(jī)中攪拌1 min， 而后再加入水泥繼續(xù)攪拌1 min， 最后將加入1%減水劑的水倒入攪拌機(jī)中，與之前的干料一起攪拌2 min。

在試件成型并振搗密實(shí)后，使用保鮮膜包裹試塊表面防止水分流失，在溫度為20±2 ℃、相對(duì)濕度95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)24 h 后拆模，然后放標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至不同齡期測(cè)試其指標(biāo)。

2.3 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

2.3.1 抗壓及劈裂抗拉強(qiáng)度

按GB/T 50081-2002 《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》測(cè)試各組混凝土3 d、7 d、28 d 齡期的抗壓及劈裂抗拉強(qiáng)度，每組混凝土均采用3 個(gè)100 mm×100 mm×100 mm 的試件。

2.3.2 動(dòng)彈性模量

按GB/T50082-2009 《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》 測(cè)試各組混凝土3 d、7 d、28 d齡期的動(dòng)彈性模量， 每組混凝土均采用3 個(gè)100 mm×100 mm×400 mm 的試件。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 抗壓強(qiáng)度

不同骨料替代方案下各組混凝土養(yǎng)護(hù)至不同齡期的抗壓強(qiáng)度如圖3 所示。 從圖3 中可以看出，混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著齡期的增長(zhǎng)而提高，并且無(wú)論在任一齡期，普通混凝土的抗壓強(qiáng)度均高于再生混凝土， 抗壓強(qiáng)度大小為NAC＞RCAC＞RFAC＞FRAC。

圖3 各組混凝土抗壓強(qiáng)度

以NAC 為對(duì)照組，當(dāng)僅有一種骨料被替代時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度相較于對(duì)照組的劣化并不明顯，RCAC 和RFAC 的28 d 抗壓強(qiáng)度相近，相較于對(duì)照組抗壓強(qiáng)度分別下降6.13%、6.97%，在可接受范圍之內(nèi)。此外，從圖3 中還可以看出，再生粗/細(xì)骨料分別替代天然骨料后，對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的劣化作用主要表現(xiàn)在水化早期（7 d 內(nèi)），且RFAC 的劣化作用更明顯，相較于基準(zhǔn)組抗壓強(qiáng)度下降17.80%；水化7～28 d 齡期內(nèi)RCAC 和RFAC 抗壓強(qiáng)度發(fā)展速率與NAC 組相當(dāng)。

再生骨料引入后對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度劣化作用原因可能是：再生骨料本身為“老砂漿-界面-天然骨料”的三相材料，再生骨料與水泥、砂、水等一起攪拌生產(chǎn)再生骨料混凝土?xí)r，再生骨料與新的水泥砂漿間也會(huì)形成界面過(guò)渡區(qū)，因此，在相同配比條件下，再生骨料混凝土相比普通混凝土含有更多種類和數(shù)量的界面過(guò)渡區(qū)。 圖4 為再生粗骨料取代天然骨料后混凝土界面過(guò)渡區(qū)分類對(duì)比圖[9]，圖4（a）中NAC 中只存在一種界面過(guò)渡區(qū)，即天然粗骨料和新砂漿間的界面過(guò)渡區(qū)（記為ITZ1），圖4（b）中RCAC 也含有ITZ1，位于未被老砂漿包裹的老天然粗骨料與新砂漿間，除此之外，RCAC 中老天然骨料和附著老砂漿間本來(lái)就存在老界面（記為ITZ2），老砂漿和新砂漿間化會(huì)形成新界面 （記為ITZ3）。RCAC 中存在數(shù)量更多、種類更復(fù)雜的界面過(guò)渡區(qū)，且界面過(guò)渡區(qū)往往是水泥基材料的薄弱環(huán)節(jié)，這是RCAC 抗壓強(qiáng)度低于NAC 的主要原因。 并且，再生粗骨料的附著老砂漿內(nèi)部往往存在大量的孔隙和微裂縫，這也會(huì)在一定程度上削弱RCAC 的抗壓強(qiáng)度。 再生細(xì)骨料取代天然骨料制備的RFAC 抗壓強(qiáng)度下降的原因與再生粗骨料相似，主要是因?yàn)樵偕橇系囊霑r(shí)混凝土中界面過(guò)渡區(qū)種類和數(shù)量增加、混凝土的薄弱環(huán)節(jié)增多。 由于再生細(xì)骨料相比再生粗骨料粒徑小，比表面積大，因此再生細(xì)骨料替代下界面過(guò)渡區(qū)增多更顯著[25]，進(jìn)而造成RFAC力學(xué)性能較RCAC 下降更顯著，表現(xiàn)RFAC 為水化早期抗壓強(qiáng)度（7 d）比RCAC 低。 然而，與再生粗骨料相比，再生細(xì)骨料中老砂漿占比更高，老砂漿中含有未水化水泥顆粒在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中可繼續(xù)水化，對(duì)RFAC 水化后期的抗壓強(qiáng)度具有一定的改善作用；并且再生細(xì)骨料中的微粉含量較再生粗骨料更大，其在硬化水泥漿體中具有一定的填充作用，也可改善混凝土后期強(qiáng)度，因此在水化后期（28 d）RFAC與RCAC 抗壓強(qiáng)度趨于相近。

圖4 再生粗骨料取代天然骨料前后混凝土界面過(guò)渡區(qū)分類對(duì)比

當(dāng)天然粗、細(xì)骨料同時(shí)被再生粗、細(xì)骨料取代時(shí)，觀察圖3，與天然骨料混凝土NAC 相比，F(xiàn)RAC抗壓強(qiáng)度劣化最為顯著，水化28 d 后FRAC 抗壓強(qiáng)度下降了29.41%。 分析原因主要是由于再生粗骨料和再生細(xì)骨料的物理性能均差于天然骨料，當(dāng)天然骨料全部被取代時(shí)， 相比于RCAC 與RFAC，F(xiàn)RAC 生成的界面過(guò)渡區(qū)薄弱環(huán)節(jié)更多。此外，老砂漿、再生粗骨料中的微裂縫、孔隙等也會(huì)使混凝土在壓力作用下更易開(kāi)裂失效，即使再生粗、細(xì)骨料的老砂漿部分仍含有部分未水化水泥顆粒，其在養(yǎng)護(hù)期間水化對(duì)抗壓強(qiáng)度的改善效應(yīng)也不足以彌補(bǔ)上述多重削弱效應(yīng)所帶來(lái)的不利影響，因此，F(xiàn)RAC相較于僅采用再生粗骨料或再生細(xì)骨料替代時(shí)，抗壓強(qiáng)度下降更顯著。

3.2 劈裂抗拉強(qiáng)度

不同骨料替代方案下各組混凝土養(yǎng)護(hù)至不同齡期的劈裂抗拉強(qiáng)度如圖5 所示。 從圖5 中可以看出， 混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度隨著齡期的增長(zhǎng)而提高，普通混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度最高；28 d 齡期時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度大小為NAC＞RCAC＞RFAC＞FRAC，與抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)的規(guī)律相同。

圖5 各組混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度

以NAC 為對(duì)照組，當(dāng)僅有一種骨料被替代時(shí)，RCAC、RFAC 相較于對(duì)照組劈裂抗拉強(qiáng)度分別下降8.59%、17.78%，再生細(xì)骨料取代下劈裂抗拉強(qiáng)度的下降程度顯著高于再生粗骨料取代的情況，這與前述抗壓強(qiáng)度劣化結(jié)果不同。 分析這一不同的原因，抗壓強(qiáng)度受到骨料、砂漿、界面過(guò)渡區(qū)等各細(xì)觀材料相的綜合影響，而劈裂抗拉強(qiáng)度受界面過(guò)渡區(qū)性能的影響更顯著。 由于天然粗、細(xì)骨料被再生粗、細(xì)骨料替換后均會(huì)引起混凝土中界面過(guò)渡區(qū)種類和數(shù)量的增多，然而，再生細(xì)骨料粒徑小，比表面積大，摻入再生細(xì)骨料所引起的界面過(guò)渡區(qū)數(shù)量增多相比再生粗骨料更加顯著，因此再生細(xì)骨料取代對(duì)所配制混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的削弱效應(yīng)更為明顯。

為進(jìn)一步解釋RCAC 和RFAC 劈裂抗拉強(qiáng)度相較于對(duì)照組下降程度明顯不同的原因，本研究對(duì)再生骨料混凝土劈裂抗拉破壞后的斷面圖進(jìn)行對(duì)比分析，如圖6 所示。 由圖6 可以看到，劈拉破壞面對(duì)界面過(guò)渡區(qū)有很強(qiáng)的取向性， 大部分破壞面沿著界面過(guò)渡區(qū)展開(kāi)并延伸至砂漿， 但也有部分破壞面將石子劈開(kāi)并延伸至砂漿。與對(duì)照組NAC 相似（圖6a），RCAC 和RFAC 大部分破壞是沿著界面過(guò)渡區(qū)開(kāi)展，具體特征是一邊破壞面會(huì)裸露出明顯的再生骨料， 另外一邊破壞面留下完好且平整的凹槽。然而，對(duì)比圖6（b）和圖6（c）可以看到，RFAC 中沿界面過(guò)渡區(qū)破壞而裸露出的骨料數(shù)量更多， 不僅有天然粗骨料，而且相比于RCAC 的破壞斷面，且斷面中裸露出的小顆粒細(xì)骨料數(shù)量更多， 這說(shuō)明RFAC 在劈拉試驗(yàn)時(shí)， 再生細(xì)骨料與水泥漿體間的界面過(guò)渡區(qū)同樣是易破壞的薄弱環(huán)節(jié)。如前所述，由于再生細(xì)骨料比表面積更大，相比于再生粗骨料取代天然粗骨料，用其取代天然細(xì)骨料在混凝土中引入的薄弱界面過(guò)渡區(qū)更多，因此再生細(xì)骨料取代對(duì)所配制混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的削弱效應(yīng)更為明顯。

圖6 劈裂抗拉破壞斷面圖

當(dāng)天然粗、細(xì)骨料同時(shí)被再生粗、細(xì)骨料取代時(shí)， 相似地，RFAC 與對(duì)照組NAC 相比其劈裂抗拉強(qiáng)度下降更為顯著 （水化28 d 后劈裂抗壓強(qiáng)度下降24.53%）。 再生粗、細(xì)骨料同時(shí)替代對(duì)劈拉強(qiáng)度更為不利的原因，與抗壓強(qiáng)度結(jié)果分析類似，即再生粗、細(xì)骨料的同時(shí)替代使得混凝土中界面過(guò)渡區(qū)數(shù)量更多、種類更復(fù)雜，薄弱環(huán)節(jié)更多，因此，劈裂抗拉強(qiáng)度劣化更明顯。

3.3 動(dòng)彈性模量

不同骨料替代方案下各組混凝土養(yǎng)護(hù)至不同齡期的動(dòng)彈性模量如圖7 所示。 由圖7 可以看出，各組混凝土在3～28 d 齡期過(guò)程中， 動(dòng)彈性模量隨著齡期的增大呈上升趨勢(shì)。 在各組混凝土中，無(wú)論是在3 d、7 d 還是28 d 齡期，普通混凝土的動(dòng)彈性模量均高于再生混凝土。

圖7 各組混凝土動(dòng)彈性模量

當(dāng)僅有一種天然骨料被全部取代時(shí)，與抗壓強(qiáng)度不同，RCAC 與RFAC 的動(dòng)彈性模量在各齡期相當(dāng)。 影響動(dòng)彈性模量的主要材料相主要是骨料與砂漿，盡管RFAC 中砂漿部分含有大量結(jié)構(gòu)疏松多孔的老砂漿，結(jié)構(gòu)不如RCAC 砂漿部分致密，但RFAC中粗骨料為天然粗骨料，比RCAC 中的再生粗骨料更密實(shí)、強(qiáng)度更高（表3），兩相綜合作用下，使得RFAC 和RCAC 的動(dòng)彈性模量大致相當(dāng)。當(dāng)天然粗、細(xì)骨料同時(shí)被再生粗、細(xì)骨料取代時(shí)，由于砂漿相和骨料相均較NAC 有顯著劣化， 因此FRAC 的彈性模量最低。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）無(wú)論采用何種骨料替代方案，同配合比條件下再生骨料混凝土（再生粗骨料混凝土、再生細(xì)骨料混凝土、全再生骨料混凝土）力學(xué)性能如抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度以及動(dòng)彈性模量均比普通混凝土更差。 （2）再生粗骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度在早齡期（3 d、7 d）時(shí)略優(yōu)于再生細(xì)骨料混凝土，但在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28 d 時(shí)，兩者的抗壓強(qiáng)度相當(dāng)；兩者的動(dòng)彈性模量基本相當(dāng)。 由劈裂破壞后的斷面分析可知，界面過(guò)渡區(qū)是劈拉破壞的薄弱環(huán)節(jié)，再生細(xì)骨料替代天然細(xì)骨料相比于再生粗骨料替代天然粗骨料，引入了更多薄弱的界面過(guò)渡區(qū)，因此劈裂抗拉強(qiáng)度在各齡期（3 d 、7 d 及28 d）均劣于再生粗骨料混凝土。 對(duì)于不同力學(xué)性能，再生粗骨料和再生細(xì)骨料混凝土間的差異不同，這可能與影響不同力學(xué)性能的細(xì)微觀材料相的不同有關(guān)。 總體而言，在不同組再生混凝土中，再生粗骨料混凝土力學(xué)性能要比同配合比條件下再生細(xì)骨料混凝土更優(yōu)。 （3）當(dāng)混凝土中骨料被再生粗、細(xì)骨料全部替代時(shí)，全再生骨料混凝土在早齡期時(shí)劈裂抗拉強(qiáng)度與再生細(xì)骨料混凝土相當(dāng)且劣于再生粗骨料混凝土，當(dāng)養(yǎng)護(hù)至28 d 時(shí)，全再生骨料混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度均劣于再生粗骨料混凝土與再生細(xì)骨料混凝土，而其抗壓強(qiáng)度以及動(dòng)彈性模量在各齡期均小于再生粗骨料混凝土與再生細(xì)骨料混凝土。 這表明，相比與其他兩組再生骨料混凝土，全再生骨料混凝土力學(xué)性能劣化更為顯著。 （4）在選擇用再生骨料替代天然骨料配制混凝土?xí)r， 應(yīng)優(yōu)先選用再生粗骨料替代的方案，當(dāng)采用再生細(xì)骨料替代、或考慮再生粗骨料和細(xì)骨料全替代的方案時(shí)，應(yīng)采取有效的改性措施以保證配制的混凝土力學(xué)性能達(dá)標(biāo)。