再生混凝土沖擊磨耗性能與調(diào)控方法

段珍華 ， 鄧 琪 ， 肖建莊 ，*， 劉 春

（1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092；2.廣東省公路建設(shè)有限公司，廣東廣州 510623；3.廣深新塘立交改造項(xiàng)目管理處，廣東廣州 510765）

中國(guó)每年的廢混凝土排放量已近 20 億 t［1］，對(duì)環(huán)境和生態(tài)影響巨大.利用再生集料科學(xué)制備再生混凝土（RAC），是解決廢棄混凝土問(wèn)題的最有效措施，符合中國(guó)建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求，是未來(lái)混凝土發(fā)展的必然趨勢(shì).在道路與橋梁工程領(lǐng)域，為滿(mǎn)足城市負(fù)載容量的需求，近年來(lái)涌現(xiàn)出了一系列改擴(kuò)建工程，帶來(lái)了大量拆除廢棄混凝土處置難題.相對(duì)于一般的建筑固廢，橋梁拆除廢棄混凝土具有母材強(qiáng)度高、雜物含量低的特點(diǎn)，原位填埋處置會(huì)造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)，而運(yùn)至固廢資源廠(chǎng)會(huì)產(chǎn)生大量的運(yùn)輸成本和能耗，與當(dāng)前的國(guó)家碳減排政策相悖.因此，開(kāi)展拆除廢棄混凝土在新（擴(kuò)）建工程中的原位協(xié)同高附加值再生利用成為了其資源化的有效途徑.

道路與橋梁工程用混凝土材料表面易受磨損和侵蝕，耐磨性能指標(biāo)是關(guān)系到其使用壽命的重要因素，受水灰比、力學(xué)性能以及所采用集料基本屬性的影響較大［2-4］.當(dāng)前針對(duì)混凝土耐磨性能的研究多集中于以下2 種磨損侵蝕情景：（1）路面結(jié)構(gòu)中移動(dòng)交通荷載和混凝土表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的摩擦［5］；（2）水工結(jié)構(gòu)中水流攜帶砂石等固體顆粒對(duì)混凝土表面的作用［6］.考慮到混凝土路面、防撞墻、墩柱等應(yīng)用場(chǎng)景中固體沖擊荷載的磨耗侵蝕作用同樣常見(jiàn)，為了實(shí)現(xiàn)改拆建協(xié)同處置場(chǎng)景中再生粗集料（RCA）的高附加值應(yīng)用，有必要研究RAC 在沖擊磨耗下的耐久性及其沖擊磨耗行為的時(shí)變特征.

本文旨在考察RCA 取代率對(duì)RAC 力學(xué)性能和沖擊磨耗性能的影響，并對(duì)比分析纖維種類(lèi)和再生橡膠顆粒粒度對(duì)RAC沖擊磨耗性能的作用機(jī)制.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥為P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥；細(xì)集料（FA）為細(xì)度模數(shù)2.71 的機(jī)制砂；粗集料（CA）包括天然碎石（NCA）和廢混凝土破碎加工得到的RCA.廢混凝土來(lái)自廣州市一座舊橋改擴(kuò)建的構(gòu)件拆除工程，其原始抗壓強(qiáng)度為40～60 MPa.集料的基本性能見(jiàn)表1，其級(jí)配曲線(xiàn)見(jiàn)圖1（圖中級(jí)配上下限值參照J(rèn)TG/T F30—2014《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)細(xì)則》）.高性能減水劑（減水率1文中涉及的減水率、摻量、比值等除特殊說(shuō)明外均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比.≥25%）被用于調(diào)控混凝土的工作性能；由廢棄橡膠輪胎破碎加工而成的2 種粒度再生橡膠顆粒（1 700～4 000、380～830 μm），炭黑含量為25.1%，表觀密度為1 050 kg/cm3，拉伸強(qiáng)度為11 MPa；聚乙烯（PE）纖維、聚乙烯醇（PVA）纖維分別被用于改善混凝土的耐磨性能，其物理性能見(jiàn)表2.

表1 集料的基本性能Table 1 Basic properties of aggregates

圖1 集料的級(jí)配曲線(xiàn)Fig.1 Gradation curves of aggregates

表2 纖維的物理性能Table 2 Physical properties of fibers

1.2 配合比設(shè)計(jì)

基準(zhǔn)組（RC0）全部采用NCA，不采用任何外摻料，水灰比、集灰比分別為0.43、2.58.為考察RCA 取代率S 對(duì)RAC 性能的影響，采用RCA 等體積取代NCA，設(shè)定S=0%、25%、50%、75%、100%，并記為RC0、RC25、RC50、RC75、RC100；集料按其飽和面干表觀密度計(jì)算，考慮RCA 的高吸水率特性，根據(jù)其實(shí)際含水率添加相應(yīng)的附加水，以確保其有效水灰比保持不變.在RC50 中分別加入占水泥用量3%的PE、PVA 纖維，并分別記為 FRC1、FRC2；在 RC50中分別加入 33 kg/m3的 1 700～4 000、380～830 μm的橡膠顆粒，并分別記為RRC1、RRC2.RAC 的配合比見(jiàn)表3.試件的制備過(guò)程為：將RCA 和相應(yīng)的附加水置于混凝土攪拌機(jī)中靜置10 min，進(jìn)行預(yù)濕水，降低因RCA 快速吸水引起的有效水灰比顯著變化；將NCA、細(xì)集料和水泥等其他原材料加入并攪拌30 s；將水與減水劑一起加入并攪拌150 s；在30 s 內(nèi)將纖維分股添加到混合物中，并持續(xù)攪拌5 min.

表3 RAC 的配合比Table 3 Mix proportions of RAC

1.3 試驗(yàn)方法

試件拆模后置于（20±2）℃、相對(duì)濕度RH≥95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d后，根據(jù)JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》，進(jìn)行混凝土抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、彈性模量的測(cè)試，其相應(yīng)的試件尺寸分別為100 mm×100 mm×100 mm、100 mm×100 mm×400 mm、100 mm × 100 mm × 300 mm.抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)的加載速率分別為0.60、0.06 MPa/s.

根 據(jù) ASTM C131《Standard test method for resistance to degradation of small-size coarse aggregateby abrasion and impact in the Los Angeles machine》，采用洛杉磯磨耗機(jī)測(cè)試混凝土試件的沖擊磨耗性能.該方法用于評(píng)估粗集料的耐磨性能，其磨損機(jī)制是由摩擦、沖擊和研磨等作用的組合［7］.鋼筒旋轉(zhuǎn)速率為30 r/min；當(dāng)鋼筒旋轉(zhuǎn)次數(shù)t 分別達(dá)到50、100、200、300、500、700、1 000 轉(zhuǎn)時(shí)，記錄試件的磨耗率（質(zhì)量損失率）M，并將其作為沖擊磨耗性能指標(biāo).M 越小，沖擊磨耗性能越好；M 越大，沖擊磨耗性能越差.應(yīng)當(dāng)注意的是，當(dāng)混凝土承受動(dòng)態(tài)載荷時(shí)，孔隙中的游離水會(huì)產(chǎn)生阻止裂縫擴(kuò)展的力，這被稱(chēng)為Stefan 效應(yīng)［8］.為了減弱該效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的潛在影響，所有試件在試驗(yàn)前應(yīng)烘干至恒重.

2 結(jié)果與討論

2.1 再生混凝土的力學(xué)性能

2.1.1 RCA 取代率的影響

RCA取代率對(duì)RAC力學(xué)性能的影響見(jiàn)圖2（圖中縱坐標(biāo)為RAC 力學(xué)性能與基準(zhǔn)組RC0力學(xué)性能的比值）.由圖2可見(jiàn)：當(dāng)RCA 取代率為25% 時(shí)，RAC 抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、彈性模量均無(wú)明顯劣化，較基準(zhǔn)組僅分別下降了3.8%、3.1%、1.4%，說(shuō)明低取代率RCA與NCA 級(jí)配的相容性較好；隨著RCA 取代率的不斷增加，RAC的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和彈性模量均呈下降趨勢(shì)，且當(dāng)RCA取代率為100%時(shí)，其下降幅度分別達(dá)到了27.3%、17.9%、19.4%.這主要是因?yàn)镽CA 表面附著疏松多孔的老砂漿，導(dǎo)致RAC 基體中存在大量薄弱的界面過(guò)渡區(qū)［9-10］，對(duì)混凝土的力學(xué)性能存在不利影響 .Silva 等［11］的 統(tǒng) 計(jì) 結(jié) 果 顯 示 ，當(dāng) RCA 取 代 率 為100%時(shí)，RAC 彈性模量的降幅在40%以?xún)?nèi)，且RAC的彈性模量與抗壓強(qiáng)度具有相關(guān)性［12］，而本文RC100的彈性模量相對(duì)抗壓強(qiáng)度的降幅較低，可能是因?yàn)楸疚氖褂玫腞CA 品質(zhì)較高，其表觀密度大、吸水率低和壓碎值較低.

圖2 RCA 取代率對(duì)RAC 力學(xué)性能的影響Fig.2 Effect of R of RCA on mechanical properties of RAC

2.1.2 纖維種類(lèi)的影響

纖維種類(lèi)對(duì)RAC 力學(xué)性能的影響見(jiàn)圖3（圖中縱坐標(biāo)為RAC 力學(xué)性能與RC50 力學(xué)性能的比值）.由圖 3 可見(jiàn)：與 RC50 相比，PE 和 PVA 纖維的摻入對(duì)RAC 的抗壓強(qiáng)度影響不大，但其抗折強(qiáng)度分別提高了8.76%、2.60%，彈性模量分別提高了5.80%、3.20%.一般來(lái)說(shuō)，纖維對(duì)RAC 力學(xué)性能的增強(qiáng)作用可歸因于纖維與微裂紋之間的相互作用，當(dāng)微裂紋在纖維附近發(fā)展時(shí)，由于促使微裂紋發(fā)展的拉應(yīng)力方向與其潛在的發(fā)展路徑垂直，纖維的橋接作用導(dǎo)致裂紋尖端發(fā)展變緩和發(fā)展路徑變化.相較于PVA纖維，摻入PE 纖維的FRC1 具有較高的拉伸強(qiáng)度和彈性模量，但由于PE 纖維的疏水性使FRC1 界面黏結(jié)強(qiáng)度較低，在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中PE 纖維傾向于被拔出而非斷裂，PE 纖維的這些特性有利于纖維橋接能力的互補(bǔ)，從而增強(qiáng)砂漿基體的韌性［13-14］.PVA 纖維具有較強(qiáng)的界面附著力，在界面剝離后很快被拔出，增強(qiáng)效果較弱.另外，2 種纖維對(duì)RAC 抗壓強(qiáng)度的提升效果不明顯，可歸因于其降低了混凝土試件的密實(shí)程度，這與前期的一些研究結(jié)論相似［15-16］.

圖3 纖維種類(lèi)對(duì)RAC 力學(xué)性能的影響Fig.3 Effect of fiber type on mechanical properties of RAC

2.1.3 再生橡膠顆粒粒徑的影響

再生橡膠顆粒粒徑對(duì)RAC 力學(xué)性能的影響見(jiàn)圖4（圖中縱坐標(biāo)為RAC 力學(xué)性能與RC50 力學(xué)性能的比值）.由圖 4 可見(jiàn)：RRC1、RRC2 的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和彈性模量均低于RC50；RRC2 的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及彈性模量降低幅度較大.橡膠顆粒和砂漿基體的彈性模量差異顯著，其界面過(guò)渡區(qū)是導(dǎo)致橡膠混凝土試件破壞的原因之一［17］.相同摻量下粒度較細(xì)的再生橡膠顆粒比表面積更大，界面過(guò)渡區(qū)的薄弱區(qū)域較多，這可能是RRC2力學(xué)性能劣化更為明顯的原因.

圖4 再生橡膠顆粒粒徑對(duì)RAC 力學(xué)性能的影響Fig.4 Effect of recycled rubber particles size on mechanical properties of RAC

2.2 RAC 的沖擊磨耗性能

2.2.1 破壞形貌

經(jīng)歷不同旋轉(zhuǎn)次數(shù)后RAC 的破壞形貌見(jiàn)圖5.由圖5可見(jiàn)：經(jīng)歷100 轉(zhuǎn)的沖擊載荷作用后，圓柱形試件的棱邊逐漸剝落，但形狀的輪廓仍較為清晰；隨著旋轉(zhuǎn)次數(shù)的增加，磨耗繼續(xù)發(fā)生，試件的輪廓逐漸發(fā)生變化，當(dāng)t=500 轉(zhuǎn)時(shí)，圓柱體試件的棱邊基本消失，側(cè)表面開(kāi)始出現(xiàn)孔洞形的磨耗；t=500～1 000 轉(zhuǎn)過(guò)程中，磨耗進(jìn)一步加劇，除砂漿碎塊外，粗集料（以RCA 為主）的剝離逐漸出現(xiàn)在試件邊緣的磨耗中.

圖5 經(jīng)歷不同旋轉(zhuǎn)次數(shù)后RAC 的破壞形貌Fig.5 Failure morphologies of RAC at different revolutions

2.2.2 RCA 取代率的影響及沖擊磨耗時(shí)變模型

RCA 取代率對(duì)RAC沖擊磨耗時(shí)變曲線(xiàn)的影響見(jiàn)圖6.由圖6可見(jiàn)，在前200 轉(zhuǎn)沖擊載荷作用后，以RC50為代表的試件沖擊磨耗時(shí)變曲線(xiàn)波動(dòng)較大，這表明早期沖擊磨耗具有較大的隨機(jī)性.在洛杉磯沖擊磨耗的早期階段，磨耗表現(xiàn)為新砂漿或附著在RCA 上舊砂漿的剝離.由于粗集料分布的隨機(jī)性，試件邊緣砂漿層的厚度分布具有差異性，經(jīng)歷相同旋轉(zhuǎn)次數(shù)沖擊載荷作用后，具有較厚砂漿保護(hù)層的試件往往表現(xiàn)出較高的磨耗率.經(jīng)過(guò)500 轉(zhuǎn)沖擊載荷作用后，試件逐漸呈現(xiàn)為橢球形，試件磨耗的增速略有下降.在1 000 轉(zhuǎn)沖擊載荷作用后，RAC磨耗率隨著RCA取代率的增加而降低.這是因?yàn)殡S著RCA取代率的增加，一方面，粗集料與新砂漿的薄弱界面過(guò)渡區(qū)增大，導(dǎo)致在沖擊載荷作用下RCA 附近的新砂漿相比NCA附近的更易剝落；另一方面，附著在RCA上疏松多孔的老砂漿也是磨耗區(qū)的重要組成部分.

圖6 RCA 取代率對(duì)RAC 沖擊磨耗時(shí)變曲線(xiàn)的影響Fig.6 Effect of R of RCA on abrasion resistance time-varying curves of RAC

隨著磨耗的不斷累積，RAC 試件邊緣逐漸變得平滑，磨耗速率逐漸減小.圖6 的擬合結(jié)果顯示，RAC 的沖擊磨耗時(shí)變曲線(xiàn)服從二次函數(shù)：

式中：A、B 為待定系數(shù).

RAC 沖擊磨耗時(shí)變擬合曲線(xiàn)參數(shù)見(jiàn)表4.由表4可見(jiàn)：各擬合曲線(xiàn)相關(guān)系數(shù)R2均高于0.980 0，尤其當(dāng)RCA 取代率在50%以上時(shí)，擬合效果最為理想；隨著RCA 取代率的增加，系數(shù)A、B 分別呈遞增、遞減趨勢(shì)，可將其表示為關(guān)于RCA 取代率S 的函數(shù)：

系數(shù)A、B 的函數(shù)表達(dá)式 A（S）和B（S）可簡(jiǎn)單認(rèn)為服從一次函數(shù)關(guān)系，即系數(shù)A、B 隨RCA 取代率S的增加呈線(xiàn)性變化.采用Pearson函數(shù)進(jìn)行模型驗(yàn)證，結(jié)果也列于表4.由表4 還可見(jiàn)，基于Pearson 函數(shù)的相關(guān)系數(shù)R2均在0.990 0 以上，可見(jiàn)將系數(shù)A、B 表示為RCA 取代率的一次函數(shù)有較好的擬合效果.因此，在無(wú)需進(jìn)行沖擊磨耗試驗(yàn)的前提下，本文提出的沖擊磨耗時(shí)變模型表達(dá)式可有效預(yù)測(cè)RAC 沖擊磨耗性能隨RCA 取代率和磨耗次數(shù)的演化規(guī)律.

表4 RAC 沖擊磨耗時(shí)變擬合曲線(xiàn)的參數(shù)Table 4 Parameters of abrasion resistance time-varying fitting curves of RAC

2.2.3 沖擊磨耗性能與力學(xué)性能的相關(guān)性

RAC 的磨耗率與力學(xué)性能的相關(guān)性見(jiàn)圖7.在比較了線(xiàn)性、多項(xiàng)式和指數(shù)3 種擬合曲線(xiàn)的效果后，多項(xiàng)式函數(shù)用于RAC 沖擊磨耗性能與力學(xué)性能相關(guān)性的描述最優(yōu) .由圖 7 可見(jiàn)：t=500、700、1 000 轉(zhuǎn)后的磨耗率與抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、彈性模量擬合曲線(xiàn)的相關(guān)系數(shù) R2分別為 0.928 0～0.996 0、0.942 1～0.999 4、0.932 3～0.980 8，可見(jiàn)抗折強(qiáng)度最適合作為預(yù)測(cè)RAC 沖擊磨耗性能的參數(shù)，其次為抗壓強(qiáng)度，彈性模量的相關(guān)性最差.在洛杉磯沖擊磨耗過(guò)程中，圓柱形RAC 試件隨著鋼筒旋轉(zhuǎn)反復(fù)滾動(dòng)、落體和撞擊，其磨耗機(jī)制是受壓、受彎、受剪及沖擊作用的綜合結(jié)果.相較于抗折強(qiáng)度，RAC 的抗壓強(qiáng)度和彈性模量2項(xiàng)指標(biāo)并不能反映除受壓外其他荷載的作用，因此與沖擊磨耗性能的相關(guān)性較小.總體來(lái)看，3 項(xiàng)力學(xué)性能與磨耗率相關(guān)系數(shù)R2均高于0.900 0，且1 000 轉(zhuǎn)下RAC 的力學(xué)性能與磨耗率的相關(guān)系數(shù)R2均高于0.980 0，表明抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和彈性模量均能夠有效預(yù)測(cè)RAC 的沖擊磨耗性能.

圖7 RAC 磨損率與力學(xué)性能的相關(guān)性Fig.7 Correlation between abrasion rate and mechanical properties of RAC

2.3 RAC 沖擊磨耗性能調(diào)控方法

2.3.1 纖維種類(lèi)的影響

纖維種類(lèi)對(duì)RAC 沖擊磨耗時(shí)變曲線(xiàn)的影響見(jiàn)圖8.由圖8 可見(jiàn)：纖維的摻入對(duì)RAC 在500、700、1 000 轉(zhuǎn)沖擊載荷下的磨耗率具有顯著的改善效果；在前100 轉(zhuǎn)內(nèi)，纖維的增強(qiáng)作用不明顯，這歸結(jié)于早期沖擊磨耗的隨機(jī)性；與RC50 相比，F(xiàn)RC1 和FRC2 在1 000 轉(zhuǎn)沖擊載荷作用時(shí)的磨耗率分別降低了31.19%、16.92%，這表明RAC 的磨耗率在500 轉(zhuǎn)沖擊載荷作用后隨旋轉(zhuǎn)次數(shù)的增加呈近似線(xiàn)性增加，纖維的增強(qiáng)作用趨于穩(wěn)定.

圖8 纖維種類(lèi)對(duì)RAC 磨耗時(shí)變曲線(xiàn)的影響Fig.8 Effect of fiber type on time-varying abrasion curve of RAC

2.3.2 再生橡膠顆粒粒徑的影響

再生橡膠顆粒粒徑對(duì)RAC 沖擊磨耗性能的影響見(jiàn)圖9（縱坐標(biāo)降低率以RC50 為基準(zhǔn)）.由圖9 可見(jiàn)：由于RAC 沖擊磨耗性能與力學(xué)性能具有高度相關(guān)性，再生橡膠顆粒的摻入將會(huì)同時(shí)降低RAC 的力學(xué)性能和沖擊磨耗性能；與RC50相比，RRC1、RRC2 的沖擊磨耗性能分別降低了4.52%、9.62%，粒徑較大的橡膠顆粒對(duì)沖擊磨耗性能的不利影響較小；再生橡膠顆粒使得RAC 抗壓強(qiáng)度降低幅度均高于沖擊磨耗性能的降幅，這是因?yàn)橄鹉z顆粒和砂漿基體彈性模量差異較大，橡膠顆粒取代集料可改善混凝土在沖擊載荷作用下的吸能能力［18-19］.

圖9 再生橡膠顆粒粒徑對(duì)RAC 沖擊磨耗性能的影響Fig.9 Effect of recycled rubber particle size on abrasion resistance of RAC

3 結(jié)論

（1）再生混凝土（RAC）的力學(xué)性能隨再生粗集料（RCA）取代率增加均呈下降趨勢(shì)；纖維摻入可有效提高RAC 的抗折強(qiáng)度和彈性模量，但對(duì)抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)效果不顯著；摻加粒徑較小再生橡膠顆粒的RAC 力學(xué)性能劣化明顯.

（2）隨著RCA 取代率的增加，RAC 沖擊磨耗性能呈下降趨勢(shì)；聚乙烯（PE）、聚乙烯醇（PVA）纖維的摻入使RAC 沖擊磨耗性能分別提升了31.19%和16.92%；再生橡膠顆粒摻入后，RAC 的沖擊磨耗性能降幅相較于抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度略低.

（3）RAC 的沖擊磨耗性能與力學(xué)性能指標(biāo)均具有較好的相關(guān)性，其中與抗折強(qiáng)度相關(guān)性最高；提出了基于RCA 取代率的RAC 沖擊磨耗時(shí)變模型，可有效預(yù)測(cè)RAC 沖擊磨耗性能隨RCA 取代率和磨耗次數(shù)的演化規(guī)律.