再生细骨料湿度状态及掺量对混凝土工作性及抗压强度的影响

陈远远，季韬，江其东，梁咏宁

(1.福州大学土木工程学院，福建福州350116;2.福建同利建材科技有限公司，福建福州350001)

0 引言

快速发展的建筑业导致建筑废料和垃圾大量产生，浪费大量的土地征用费和垃圾清运费，而且严重污染环境［1］.将废弃混凝土破碎加工成再生粗、细骨料后循环再利用，是解决废弃混凝土问题最有效的措施［2］.

有研究表明，用废弃混凝土再生细骨料配制出的混凝土拌合物的流动性比用其它细骨料配制出的混凝土拌合物的流动性差［3－4］.在严格控制试验用水量的情况下，对由试验室废弃混凝土试块经破碎、筛分后制成的再生细骨料预先加水浸泡，能够制备出工作性良好的再生混凝土［5］.再生细骨料取代量的增加会增加再生细骨料混凝土的用水量［6］.虽然这些研究均考虑了再生细骨料掺量变化对混凝土工作性的影响，但未考虑不同湿度状态的再生细骨料对混凝土工作性的影响.

由于再生骨料的高吸水性，有的研究考虑了再生粗骨料湿度状态对新拌和硬化混凝土性能的影响［7］;有的研究考虑了不同湿度(自然干燥、饱和面干、完全干燥)状态、不同掺量的再生粗骨料对混凝土的流动性、抗压强度的影响［8］.本文就不同湿度状态及不同掺量的再生细骨料对混凝土工作性及力学性能的影响展开系统研究.

1 试验方案

1.1 原材料

1.1.1 胶凝材料

水泥采用福建炼石牌42.5R普通硅酸盐水泥，表观密度3 050 kg·m－3，28 d抗压强度45.0 MPa;粉煤灰采用宁德Ⅱ级粉煤灰，表观密度2 120 kg·m－3.

1.1.2 细骨料

天然细骨料采用细度模数为2.13的闽江河砂，表观密度2 587 kg·m－3，饱和面干吸水率1.2%;再生细骨料由福建同利科技建材有限公司的闽候县绿色低碳环保新型建筑材料研发中心生产，其细度模数为2.76，表观密度2 292 kg·m－3，饱和面干吸水率7.2%.河砂及再生细骨料的颗粒级配见表1，河砂及再生细骨料的压碎指标值见表2.试验采用烘干(OD)、气干(AD)及饱和面干(SSD)三种湿度状态的再生细骨料.首先将再生细骨料放入烘箱中，温度设置为105℃，将再生细骨料烘至恒重，此时的再生细骨料为烘干状态，其含水率为0;在恒温恒湿的试验室条件下，取试验所需的烘干状态再生细骨料，加入适量水，用手拌匀平铺于一平面，将其风干24 h之后使再生细骨料成气干状态，其含水率为3.5%;取试验所需的烘干状态再生细骨料，将其浸泡在盛装混凝土配合比所需的总用水的容器中充分预湿，24 h后再生细骨料即可达饱和面干状态，其含水率为7.2%.

表1 河砂与再生细骨料的级配(分计筛余)Tab.1 Gradations of river sand and recycled fine aggregate(residue on the each sieves)

表2 河砂与再生细骨料压碎指标Tab.2 Crushing indexes of river sand and recycled fine aggregate

1.1.3 粗骨料

粗骨料采用闽侯苏洋采石场所产碎石，紧密堆积密度为1 537 kg·m－3，表观密度2 666 kg·m－3，饱和面干吸水率0.2%，颗粒级配见表3.

表3 碎石颗粒级配Tab.3 Gradation of gravel

1.1.4 外加剂等

外加剂为高效减水剂，采用福州建筑科学研究院生产的TW－4缓凝高效减水剂，减水率为15%～20%.再生细骨料混凝土拌合用水采用自来水.

1.2 试验配合比及变化参数

试验配合比设计中砂率统一为0.42.将石子与天然砂事先晒干，保证其含水率都为0.控制再生细骨料的湿度状态，即烘干、气干和饱和面干三种状态，变化再生细骨料取代天然河砂的比例，即再生细骨料掺量βRE:0%、25%、50%、75%和100%.由于再生细骨料吸水率大，其在混凝土中的吸水返水过程为一个动态平衡的过程，所以引入总水灰比、净水灰比及有效水灰比的概念.总水灰比是指总用水量与水泥用量的比值;净水灰比是指净用水量与水泥用量的比值;有效水灰比是在考虑再生细骨料从水泥浆中吸水或返水的情况下，混凝土中没有被骨料吸收的水与水泥的质量比.因此，有效水灰比不是定值，它随时间而变化.试验配合比设计中总水灰比统一设计为0.61.

再生细骨料混凝土的总用水量包括按照《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55方法计算的用水量(计算用水量)和满足砂、石达到饱和面干状态的附加水［9］.计算用水量为183 kg·m－3，这部分水量是在假设砂(天然砂和再生细骨料)、石都为饱和面干状态的情况下，所加入混凝土中的水量.因此，总用水量随着再生细骨料掺量的变化而变化.当再生细骨料掺量一定时，AD组、OD组、SSD组的总用水量一致.由于试验所用的再生细骨料有三种湿度状态，因此净用水量为总用水量扣去粗细骨料在掺入混凝土之前已经含有的水量.总用水量=计算用水量+(再生细骨料用量×再生细骨料饱和面干吸水率7.20%+天然砂用量×天然砂饱和面干吸水率1.24%+石子用量×石子饱和面干吸水率0.2%)=净用水量+(再生细骨料用量×再生细骨料含水率(3.5%、0%或7.2%)+天然砂用量×天然砂含水率0%+石子用量×石子含水率0%).以再生细骨料掺量及其湿度状态为变化参数，设计出的混凝土试验配合比见表4.

表4 混凝土试验配合比Tab.4 Test mix proportion of concrete

1.3 试验内容及方法

1.3.1 工作性能

按GB/T 50080－2002普通混凝土拌合物性能试验方法标准［10］进行新拌再生细骨料混凝土工作性试验，在搅拌好混凝土后先测量混凝土的初始坍落度，之后每隔15 min测量一次坍落度，直到混凝土的坍落度为0，以此来观测新拌混凝土坍落度的损失.

1.3.2 抗压强度

再生细骨料混凝土3、7和28 d标准立方体抗压强度试验，按GB/T 50081－2002普通混凝土力学性能试验方法标准［11］进行.

2 试验结果与讨论

2.1 初始坍落度

2.1.1 再生细骨料掺量

当再生细骨料掺量分别为25%、50%、75%和100%时，饱和面干组混凝土的初始坍落度最小，气干组次之，烘干组最大(图1).这是由于烘干组混凝土中的净用水量最大，气干组的次之，饱和面干组的最小(表4).

2.1.2 再生细骨料湿度状态

1)对饱和面干组混凝土，随着再生细骨料掺量的增大，初始坍落度变化不大.这是因为随着再生细骨料掺量的增大，混凝土中的净用水量减小(表4).达到饱和面干状态再生细骨料在混凝土搅拌过程中不会继续吸水，而且会释放部分水，所以混凝土中的有效用水量随着再生细骨料掺量的增大不会降低过多，这导致混凝土的初始坍落度变化不大(图1).

图1 新拌再生细骨料混凝土坍落度经时变化Fig.1 Slump change of fresh recycled fine aggregate concrete with time

2)对气干组混凝土，初始坍落度随着再生细骨料掺量的增大而增大.这是由于随着再生细骨料掺量的增大，混凝土中的净用水量增大(表4)，且气干再生细骨料吸水作用较弱，混凝土中的有效用水量降低不多，从而导致混凝土的初始坍落度也增大(图1).

3)对烘干组混凝土，初始坍落度随着再生细骨料掺量的增大而增大.这是由于烘干状态再生细骨料吸水率高，随着再生细骨料掺量的增大，混凝土中的净用水量大幅度增大(表4)，虽然烘干状态再生细骨料有较强的吸水能力，但混凝土中的有效用水量仍增大，所以再生细骨料混凝土的初始坍落度增大(图1).

2.2 坍落度损失

2.2.1 再生细骨料掺量

对于饱和面干组，虽然随着再生细骨料掺量的增大，混凝土中的净用水量减小(表4)，但达到饱和面干状态再生细骨料会释放出部分水，混凝土中保持一定的有效水量;对于气干组和烘干组，随着再生细骨料掺量的增大，混凝土中的净用水量增大(表4)，虽然再生细骨料有一定的吸水作用，能造成有效水灰比减小，但由于混凝土中原本净用水量较大，吸水后的有效用水量仍较大.因此，任一湿度状态下，随着再生细骨料掺量的增大，混凝土坍落度损失减小，坍落度完全损失到0所经历的时间延长.

2.2.2 再生细骨料湿度状态

预先吸水至饱和面干状态的再生细骨料，在混凝土拌合过程中基本不再吸水，反而可以释放出水，使饱和面干组混凝土中的有效用水量减小最慢，使坍落度损失最小;气干状态的再生细骨料在混凝土拌合过程中会继续少量吸水，使气干组混凝土中的有效用水量减小较快，使坍落度损失也较大;烘干状态的再生细骨料在混凝土拌合过程中会大量吸水，导致烘干组混凝土中的有效用水量减小最快，混凝土坍落度损失也最大.因此，当再生细骨料掺量一定时，饱和面干组混凝土的坍落度完全损失到0所经历的时间最长，气干组次之，烘干组最短(图1).

2.3 抗压强度

当改变再生细骨料的湿度状态及掺量时，再生细骨料混凝土的3、7和28 d立方体抗压强度变化趋势如图2所示.再生细骨料的掺量从0%增加到25%、50%、75%和100%时，混凝土的3、7和28 d立方体抗压强度降低的百分率见表5.

图2 再生细骨料混凝土抗压强度变化趋势Fig.2 Compressive strength change of recycled fine aggregate concrete

表5 再生细骨料混凝土抗压强度随再生细骨料掺量增加而减少的百分率Tab.5 Compressive strength decrease ratio of recycled fine aggregate concrete with the increase of recycled fine aggregate content

2.3.1 再生细骨料掺量

由图2和表5知，当再生细骨料分别为气干、烘干和饱和面干状态时，混凝土3、7及28 d抗压强度随着再生细骨料掺量的增大而减小.由表4可知，对于饱和面干状态，随着再生细骨料掺量的增大，净水灰比减小，再生细骨料基本不再吸水，使得有效水灰比与净水灰比趋于一致;对于气干状态，随着再生细骨料掺量的增大，净水灰比减小，再生细骨料从水泥浆中吸收水量增加，从而导致有效水灰比减小，这有利于混凝土抗压强度的提高;对于烘干状态，随着再生细骨料掺量的增大，净水灰比不变，再生细骨料从水泥浆中吸收水量大大增加，从而导致有效水灰比减小较多，这有利于混凝土抗压强度的提高.另一方面，从表2中的再生细骨料与河砂的压碎指标值可以看出，经过废弃混凝土的破碎过程，内部积累了大量损伤的再生细骨料的强度比河砂低，这导致随着再生细骨料取代率的增大，混凝土抗压强度减小，且减小的幅度超过因有效水灰比减小而导致混凝土抗压强度提高的幅度，最终导致混凝土3、7及28 d抗压强度随再生细骨料掺量的增大而减小.

2.3.2 再生细骨料湿度状态

由图2和表5知，当再生细骨料掺量分别为25%、50%、75%和100%时，混凝土3、7及28 d抗压强度呈现出饱和面干组最大，气干组次之，烘干组最小的趋势，且混凝土3、7及28 d抗压强度呈现出饱和面干组降低幅度最小，气干组次之，烘干组最大的趋势.由表4可知，在再生细骨料掺量一定的情况下，由于饱和面干组混凝土中的净用水量最少，净水灰比最小，饱和面干再生细骨料在混凝土中基本不再吸水，有效水灰比与净水灰比趋于一致;气干组和烘干组混凝土中的净用水量较饱和面干组的大，虽然气干状态及烘干状态再生细骨料仍可再吸水，造成有效用水量下降，使有效水灰比减小，但再生细骨料在混凝土中的吸水不可能至饱和面干，这使气干组及烘干组的有效水灰比降低后，其值仍然大于饱和面干组，所以饱和面干组混凝土的3、7及28 d抗压强度均最大.

气干组混凝土净用水量比烘干组的小，气干状态再生细骨料在混凝土中还具有吸水能力，造成有效用水量下降，使有效水灰比减小.烘干状态再生细骨料虽然也具有吸水能力，也能造成有效水灰比减小，但由于烘干组混凝土原本净用水量就较大，使得烘干状态再生细骨料吸水后，混凝土的有效水灰比仍然大于气干组，所以气干组混凝土的3、7及28d抗压强度大于烘干组.

3 结论

1)当再生细骨料掺量一定时，烘干组混凝土初始坍落度最大，但坍落度损失也最大;气干组初始坍落度小于烘干组，坍落度损失也小于烘干组;饱和面干组初始坍落度最小，坍落度损失也最小.

2)当再生细骨料湿度保持为任一状态时，混凝土的初始坍落度随着再生细骨料掺量的增大而增大，混凝土的坍落度损失值随着再生细骨料掺量的增大而减小.

3)当再生细骨料掺量一定时，随着再生细骨料的湿度从烘干到气干再到饱和面干的变化，混凝土3、7及28 d抗压强度增大.

4)当再生细骨料为任一湿度状态，混凝土3、7及28 d抗压强度随再生细骨料掺量的增大而减小.

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［9］中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ 55－2011普通混凝土配合比设计规程［S］.北京:中国建筑工业出版社，2011.

［10］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T 50080－2002普通混凝土拌合物性能试验方法标准［S］.北京:中国建筑工业出版社，2003.

［11］中华人民共和国建设部，国家质量监督检验检疫总局.GB/T 50081－2002普通混凝土力学性能试验方法标准［S］.北京:中国建筑工业出版社，2003.