骨料粒徑與取代率影響下再生砂漿收縮性能研究*

杜 威，王文富，方敏杰，楊 闖，李春毅

(1.中建鐵路投資建設集團有限公司，江西 南昌 330038；2. 中國建筑第三工程局有限公司，江西 南昌 330038)

0 引言

隨著我國城市現代化不斷發(fā)展，大規(guī)模基礎設施不斷完善，每年因拆遷產生的建筑廢棄物多達17億噸，其中廢舊混凝土占比40%～50%.與此同時，建筑用骨料年消耗量超過130億噸[1]，河砂等自然資源消耗嚴重，已嚴重破壞生態(tài)環(huán)境，自然資源形勢十分嚴峻.將建筑垃圾作為一種可再生資源代替自然資源制備混凝土、砂漿等建筑材料是緩解資源困境的有效途徑之一[2].再生細骨料是由廢舊混凝土經破碎篩分等一系列處理而得到[3]，其化學組分較為復雜，所含SiO2占55.5%～85%、CaO占4.3%～18.1%[4-5]，吸水率可達0.6%～14.7%[6].將其替代天然骨料來配制再生砂漿，可在實現廢舊混凝土資源化應用的同時緩解自然資源短缺問題[7].但由于與普通砂漿相比，再生砂漿的硬化及工作性能均有所降低，因此在實際工程應用中存在較大限制[6-9].

近年來，隨著現代水泥基材料性能不斷升級[10]，因其收縮變形而引起的開裂問題已然成為全球結構工程領域持續(xù)關注的問題之一.砂漿的自生收縮變形主要是由砂漿本身內部水化作用而導致的宏觀上體積減??；而干燥收縮變形主要是指砂漿硬化后，在外界環(huán)境濕度低于體系內部濕度情況下其內部水分不斷得到蒸發(fā)釋放，導致的體積變形.國內外許多學者針對再生砂漿的力學性能等方面開展了一系列研究，相關試驗結果表明，再生細骨料具有吸水率高、表觀密度小等特點[11]，在砂漿的養(yǎng)護早期及硬化后，其抗壓強度及黏結強度均隨骨料取代率的增大而呈線性降低趨勢[12]，與天然砂漿相比，再生砂漿的抗壓強度可降低50%左右；骨料取代率是影響再生砂漿性能的主要因素[13]，由于體系毛細作用而引起的含氣量和吸水性均隨骨料取代率的增加而逐漸增大；余乃宗等[14]通過正交設計法研究了影響再生砂漿強度主要因素，結果表明影響再生砂漿強度的首要因素是粉煤灰與水泥總量，通過合理設計水泥與粉煤灰的用量比例，可以使再生細骨料砂漿滿足規(guī)范的設計要求；陶李堯等[15]通過試驗對再生細骨料砂漿流變及力學性能進行研究，分析結果表明制備再生細骨料砂漿時，粉煤灰的摻量不宜超過30%，當其摻量為20%左右時，摻入聚羧酸減水劑的再生砂漿28 d抗壓強度為18.1～20.5 MPa、2 h稠度損失率為14.89%～20.18%；Pereira等[16]通過試驗研究得出當采用再生細骨料制備水泥砂漿時，減水劑的作用會呈現降低趨勢，并認為這是由于所用減水劑內部聚合鏈與再生細骨料接觸表面積增大所引起的；Wang[17]通過試驗研究了再生細骨料砂漿的工作性能，分析結果表明在確保砂漿具有較高流動性和較好工作性能的前提下，在砂漿中摻入再生細骨料是可行的.部分學者對再生砂漿收縮性能進行了試驗初探，馬加存等[18]研究了混合再生細骨料摻量和預濕時長對砂漿干燥收縮的影響，發(fā)現再生砂漿的干燥收縮值隨細骨料摻量和預濕時長的增加而降低；王將華等[19]試驗發(fā)現，摻花崗巖石粉量為15%時再生砂漿的干燥收縮性能可達到最優(yōu).

綜上，目前針對再生砂漿基本力學性能方面的研究較為成熟，但關于再生細骨料對砂漿收縮性能的影響研究有限、缺乏足夠試驗數據.基于此，本文選用由廢舊混凝土處理得到的再生細骨料配制砂漿，并測量其自生收縮與干燥收縮數據，分兩個階段研究再生細骨料砂漿的1 d內自生收縮和180 d內自生收縮以及干燥收縮變形，量化骨料粒徑與取代率對再生砂漿收縮性能的影響，為今后再生細骨料在結構化應用方面的研究提供參考.

1 試驗概況

1.1 材料基本性能

將廢舊混凝土經過一系列處理得到的再生細骨料命名為RA，細骨料的級配曲線如圖1所示.水泥選用P.II 52.5基準水泥，其物理特性如表1所示.將再生細骨料單粒粒徑范圍為0.60～1.18 mm、1.18～2.36 mm、2.36～4.75 mm的再生細骨料用于試驗研究，各組研究對象基本性能如表2所示.選取粒徑為1.18～2.36 mm的機制砂配制普通砂漿，與再生細骨料砂漿形成對照試驗，其表觀密度取2.67 g/cm3.砂漿含量的測試方法參考文獻 [20].

表1 水泥的物理特性

表2 再生細骨料性能

圖1 再生細骨料及天然細骨料級配曲線圖Fig.1 Particle size distribution of recycled fine aggregate and natural fine aggregate

1.2 配合比

在不同水灰比(W/C)條件作用下，水泥砂漿的自生收縮變形和干燥收縮變形都有可能發(fā)生.但是當W/C>0.40時，其干燥收縮變形所占比重超過60%；當W/C<0.30時，干燥收縮占自生收縮的比重在50%以下；當W/C<0.17時，自生收縮占比接近100%[21].因此，本文將選用W/C為0.30的水泥砂漿用于自生收縮變形試驗，選用W/C為0.50的水泥砂漿用于干燥收縮變形試驗.同一水灰比下的砂漿不同配合比分別如表3和表4所示.

表3 水灰比為0.3的砂漿不同配合比

表4 水灰比為0.5的砂漿不同配合比

1.3 試驗方法

1)1 d內的早期自生收縮

選用波紋管自收縮測定裝置對砂漿體積變形進行連續(xù)監(jiān)測，波紋管長340 mm，直徑28.5 mm，自動收集數據的時間間隔設置為1 min，試驗環(huán)境溫度設置為(20±2)℃，相對濕度為(50±10)%.取加水時刻為零點開始測定砂漿自生收縮變形.

2) 1 d后的收縮變形

為揭示再生細骨料砂漿1 d后自生收縮變形與干燥收縮變形規(guī)律，澆筑25 mm×25 mm×285 mm的棱柱體試塊并將其分為兩組，使用萬能投影測長儀對試件的長度變化進行測定，測定精度為1 μm.將試塊終凝時刻設為試驗零點，待終凝后拆模并測定試塊初始長度L0.一組試塊用塑料薄膜和錫紙進行雙重密封，放置于(20±2) ℃的溫度環(huán)境內養(yǎng)護，用于測定砂漿的自生收縮變形；另一組在水中養(yǎng)護7 d后取出擦干表面水分，隨后放置于(20±2) ℃、相對濕度為(60±5)%的環(huán)境中進行持續(xù)養(yǎng)護，用于測定砂漿的干燥收縮變形.上述兩組試塊均養(yǎng)護至1 d、3 d、7 d、14 d、28 d、56 d、91 d、180 d，并分別測定試塊長度Lt，試塊收縮值按式(1)計算：

(1)

式中：ε為齡期對應的收縮值；L0為試塊初始長度的數值，單位 mm，對于測定自生收縮變形的砂漿試塊為密封養(yǎng)護拆模后的初始長度，測定干燥收縮變形的砂漿試塊為養(yǎng)護7 d后的初始長度；Lt為各齡期對應的試塊實測長度的數值，單位 mm；L為試塊澆筑長度，取285 mm；Ld為收縮探頭嵌入試塊內的長度，一般取(20±2)mm.

2 試驗結果分析

2.1 骨料粒徑對再生砂漿收縮性能的影響

圖2為W/C取0.3、S/C取1的條件下，不同再生細骨料粒徑對砂漿早期自生收縮的影響，從中可以看出，24 h內隨再生細骨料粒徑的減小，砂漿自生收縮逐漸降低，24 h時RA-0.30-0.60-1、RA-0.30-1.18-1及RA-0.30-2.36-1的自生收縮分別為標準砂漿N-0.30-1.18-1的25.20%、46.29%、69.68%.飽和再生細骨料的摻入對砂漿的前期自生收縮具有緩解作用，分析其原因，雖然上述各組試塊所用再生細骨料體積相同，但隨著骨料粒徑的減小，其吸水率逐漸增大，體系內所需的內養(yǎng)護水也就越多，內養(yǎng)護效果就更加明顯.

圖2 骨料粒徑對再生砂漿1d內自生收縮的影響Fig.2 Effect of aggregate particle size on autogenous shrinkage of recycled mortar within 1 day

圖3為1 d后再生細骨料不同粒徑對砂漿自生收縮變形的影響.可以看出，在28 d之前再生細骨料砂漿的自生收縮值小于普通砂漿，但自28 d開始再生細骨料砂漿的自生收縮大于普通砂漿.180 d時與普通砂漿相比，再生細骨料粒徑為0.60、1.18、2.36的砂漿自生收縮分別增大了10.70%、2.39%、7.95%.分析其原因，在早期砂漿出現自干燥時再生細骨料內的水分得到釋放，從而對砂漿的自生收縮現象起到了緩解作用；28 d以后，由于再生細骨料的彈性模量與天然細骨料相比較低，所以再生細骨料對砂漿收縮變形的抑制作用逐漸減弱，此外再生細骨料砂漿的內部水分逐漸釋放同樣也會導致砂漿的自生收縮變形.

圖3 骨料粒徑對再生砂漿180 d 內自生收縮的影響Fig.3 Effect of aggregate particle size on autogenous shrinkage of recycled mortar within 180 days

圖4為W/C取0.5、S/C取1的條件下，再生細骨料不同粒徑對砂漿干燥收縮變形的影響.可以看出，砂漿的干燥收縮變形隨再生細骨料粒徑的減小而不斷增大.具體而言，在180 d時，再生細骨料砂漿RA-0.50-2.36-1、RA-0.50-1.18-1、RA-0.50-0.60-1與普通砂漿N-0.50-1.18-1相比，干燥收縮值分別增加了12.65%、40.88%和50.30%；RA-0.50-1.18-1、RA-0.50-0.60-1與RA-0.50-2.36-1相比，干燥收縮值分別增加了25.08%和33.45%.分析其原因，雖然再生細骨料粒徑越小，內部所含水分越多，但其表面積較大，使得其內部水分散失速率較高，加快了砂漿的整體收縮變形，從而使得試塊干燥收縮幅度增大.同時，較大粒徑的再生細骨料彈性模量相對較高，對砂漿的干燥收縮可以起到很好的約束作用，從而降低了砂漿干燥收縮變形.

圖4 骨料粒徑對再生砂漿干燥收縮的影響Fig.4 Influence of aggregate particle size on drying shrinkage of recycled mortar

2.2 骨料取代率對再生砂漿收縮性能的影響

砂漿自生收縮變形同時會因再生細骨料取代率不同而產生不同影響.圖5和圖6分別為不同再生細骨料取代率對砂漿早期自生收縮和180 d自生收縮的影響，其中S/C分別取1、2、3，W/C取0.3.由圖5可以得出，砂漿早期自生收縮現象隨再生細骨料取代率的增大，在一定程度上可以得到有效緩解.而且當S/C為3時，砂漿早期的自生收縮現象基本得到有效控制，同時還出現了輕微的膨脹現象.分析其原因，相對于水泥漿體，較多的再生細骨料擁有更高的彈性模量，對水泥漿體的自生收縮現象具有很好的約束作用；同時由于再生細骨料取代率逐漸增大，水泥漿體的用量隨之減少，從而使得水泥漿體對再生砂漿整體自生收縮的影響逐漸減弱.因此，砂漿早期的自生收縮變形隨再生細骨料取代率的逐漸增大可以得到有效控制.

圖5 骨料取代率對再生砂漿1d內自生收縮的影響Fig.5 Effect of aggregate replacement rate on autogenous shrinkage of regenerated mortar within 1 day

圖6 骨料取代率對再生砂漿180d內自生收縮的影響Fig.6 Effect of aggregate replacement rate on autogenous shrinkage of regenerated mortar within 180 days

從圖6中可以看出，在采用相同骨料的前提下，隨骨料用量增加，砂漿的自生收縮變形均有所降低.與天然細骨料相比，采用再生細骨料對砂漿自生收縮的緩解作用更為明顯.針對再生細骨料砂漿而言，與S/C為1的砂漿相比，S/C為2和3時砂漿的28 d自生收縮值分別降低了9.95%和33.40%.分析其原因，隨再生細骨料取代率的增加，在增加砂漿整體彈性模量的同時也為砂漿提供了一定量的水分用于內養(yǎng)護，從而促使砂漿的自生收縮變形發(fā)展速率降低.

此外，在7 d之前，再生細骨料砂漿的自生收縮值要小于普通砂漿的自生收縮值；在7 d以后，只有S/C為3的再生細骨料砂漿自生收縮值小于普通砂漿.分析其原因，在7 d之前，即水化早期，再生細骨料在飽和條件下可以對砂漿起到內養(yǎng)護作用，從而在一定程度上減小再生砂漿的自生收縮變形；但在水化作用后期，當再生細骨料內的水分不足以為砂漿進行內養(yǎng)護時，骨料彈性模量便起到了主導作用，而且只有當S/C取3時，飽和狀態(tài)的再生細骨料的內養(yǎng)護作用可以與骨料彈性模量降低產生的消極作用相互抵消，從而使得只有S/C取3時的再生細骨料砂漿自生收縮變形小于普通砂漿.

圖7為W/C取0.50，粒徑取1.18的條件下，再生細骨料的取代率不同對砂漿干燥收縮變形的影響.可以得出，在采用相同骨料的前提下，隨著骨料用量的增加，砂漿的干燥收縮變形逐漸降低。但與再生細骨料相比，天然骨料用量對砂漿干燥收縮變形的影響更為明顯.具體而言，當S/C增加至2和3時，對于普通砂漿而言，180 d的干燥收縮值分別減少了41.90%和55.83%；但對于再生細骨料砂漿而言，180 d的干燥收縮則分別減少了19.48%和38.72%.分析其原因，由于再生細骨料表面附著的殘余砂漿致使其骨料本身的彈性模量略有降低，從而使得再生細骨料對砂漿干燥收縮的緩解效果有所減弱.此外，由圖7還可以得出，在骨料體積用量相等，即S/C相同的條件下，當S/C分別取1、2、3時，再生細骨料砂漿的180 d干燥收縮值較普通砂漿分別增加40.88%、95.35%和96.28%.由此可以看出，隨著再生細骨料的取代率越多，其對砂漿干燥收縮的影響也就越大.

圖7 骨料取代率對再生砂漿干燥收縮的影響Fig.7 Effect of aggregate replacement ratio on drying shrinkage of recycled mortar

3 結論

1)再生細骨料的摻入對砂漿早期自生收縮變形具有抑制作用.隨再生細骨料粒徑的逐漸減小，砂漿1 d內自生收縮值逐漸降低，再生細骨料砂漿的自生收縮值在24 h時為普通砂漿的25.20%～69.68%，在180 d時與普通砂漿相比增大了7.95%～10.70%.

2) 再生細骨料取代率的增加，可以在很大程度上緩解砂漿的自生收縮，并且與天然細骨料相比，采用再生細骨料對砂漿自生收縮的緩解作用更為明顯.當S/C取3時，砂漿的1 d自生收縮現象基本得到有效控制，而且還會出現輕微的膨脹現象；當S/C為2和3時，與S/C為1相比，再生細骨料砂漿28 d自生收縮分別降低了9.95%和33.40%.

3)隨著再生細骨料粒徑的減小，砂漿的干燥收縮變化逐漸增大，與普通砂漿相比，再生細骨料砂漿180 d的干燥收縮值增加了12.65%～50.30%；在采用相同骨料的前提下，隨著骨料用量的增加，砂漿的干燥收縮逐漸減小，對于再生細骨料砂漿而言，當S/C增加至2和3時，其180 d的干燥收縮分別減少了19.48%和38.72%.