再生粗骨料对自密实再生混凝土性能的影响

郑惠珍

（黎明职业大学土木建筑工程学院，福建 泉州362000）

0 引言

随着土木工程的快速发展，全球每年产生巨量的建筑垃圾，其中废弃混凝土就约占总建筑垃圾的30%～50%。据估计，我国目前每年产生的废弃混凝土可达1亿多t［1－2］。从环境保护和建筑业可持续发展的角度出发，有必要对这些废弃混凝土加以高效回收利用，于是再生混凝土［3－4］应运而生。

自密实混凝土［5－6］是一种具有低水胶比、高流动性，能不经振捣靠自重流平就可充满模型和包裹钢筋的特种混凝土，再生骨料有着良好的环保效益，将再生骨料用于自密实混凝土，不仅其绿色度提高，还使再生混凝土的性能得到提升，必将带来良好的经济效益和社会效益。目前国内外针对普通再生混凝土基本力学性能的研究较多［1－7］，但针对自密实再生混凝土基本力学性能的研究尚少见［8］。本文针对再生粗骨料和自密实混凝土各自的特点，研究不同再生粗骨料取代率对自密实再生混凝土工作性能以及抗压强度和弹性模量的影响，并与普通混凝土及普通自密实混凝土进行对比分析。

1 试验方案

1.1 试验原材料

水泥为福建省顺昌水泥厂生产的炼石牌42.5普通硅酸盐水泥（OPC），表观密度3 100kg／m3；粉煤灰为福建厦门嵩屿电厂生产的Ⅰ级粉煤灰，比表面积2 600m2／kg，表观密度2 200kg／m3；天然粗骨料为连续级配的碎石，最大粒径为13mm；水为普通自来水，高效减水剂是福建省建筑科学研究院生产的聚羧酸高效减水剂，高效减水剂掺量主要由自密实混凝土的工作性决定。

再生粗骨料采用PE－150×250颚式破碎机和锤式破碎机复合破碎生产，原始混凝土强度为C30，其粒形呈椭圆形的米粒状，粒形良好，试验测得其针片状含量为1.7%，5～10mm，10～16mm再生粗骨料的表观密度分别为2 455kg／m3、2 563kg／m3，30min吸水率分别为6%、1.62%，具体见图1～2。

1.2 自密实再生混凝土的配合比

现阶段关于自密实再生混凝土的研究还较少见，本文所选用的配合比设计方法主要参照的是普通自密实混凝土的配合比设计方法［1，9－10］，而有别于普通再生混凝土基于抗压强度的配合比设计方法，试验所用的再生粗骨料尚不考虑预湿处理，而主要考虑通过掺加高效减水剂和调整其他配合比参数来满足其工作性能。最终配合比详见表1。共计5组，其中RA－SCC1、RA－SCC2、RA－SCC3分别为再生粗骨料取代率为50%、70%、100%的自密实再生混凝土，SCC、NC分别为普通自密实混凝土和普通混凝土。

图1 5～10mm再生粗骨料

图2 10～16mm再生粗骨料

表1 自密实再生混凝土配合比初步设计

从表1可以看出RA－SCC1和SCC的工作性能基本相同，但其配合比有所不同，除再生粗骨料取代率这个变量外，主要是外加剂用量的不同。其中普通自密实混凝土高效减水剂掺量为0.9%，采用复合颚式破碎机生产的再生粗骨料取代50%的天然粗骨料配制自密实再生混凝土RA－SCC1时，高效减水剂的掺量为1.0%。当再生粗骨料取代率继续增加到70%时，RA－SCC2配合比中高效减水剂的掺量增加到了1.2%，当再生粗骨料全部取代天然粗骨料时，RA－SCC3配合比中不仅高效减水剂掺量增加到了1.3%，为了达到一定的工作性能，RA－SCC3配合比中的砂率调高到了0.5，水胶比微调到了0.32。

1.3 试件的浇筑和养护

本文自密实再生混凝土基本力学试验方法主要依据GB／T50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行，养护到相应时间后进行相关测定，测定内容有按标准分别养护至3d、7d、14d、28d、60d龄期时的立方体抗压强度，按标准养护至7d、28d、60d龄期时的弹性模量。

2 试验结果及分析

2.1 自密实再生混凝土的工作性能

自密实混凝土关键的特征之一就是混凝土拌合物必须具有良好的工作性能，对于新拌混凝土而言，必须具备良好的填充性、间隙通过性和抗离析性。根据CCES02—2004《自密实混凝土设计与施工指南》中的规定，自密实混凝土的工作性能指标应达到坍落度240～270mm，扩展度大于550mm。由表2可知，本文所配制的自密实再生混凝土具有良好的流动性，满足要求。

表2 新拌自密实再生混凝土工作性能

从图3中可以看出随着再生粗骨料取代率的增加，自密实再生混凝土的流动性变差，原因在于再生粗骨料相比天然粗骨料吸水率大，在拌合过程中吸水了部分拌合水。另外从拌制现场观测可以观测出其保水性和黏聚性较用天然粗骨料配制出的自密实混凝土好，这主要是由于再生粗骨料表面粗糙，附着有一定量的水泥砂浆，会增加拌合物在拌合过程中的摩阻力。从图4和图5可以看出再生粗骨料取代率为100%时，通过微调配合比，可以得到坍落度和扩展度良好的自密实再生混凝土，其坍落度和扩展度均满足《自密实混凝土设计与施工指南》规定的指标。

图3 不同再生粗骨料取代率下自密实再生混凝土的流动性

图4 RA－SCC3坍落度试验图

图5 RA－SCC3扩展度试验图

2.2 再生粗骨料取代率对自密实再生混凝土抗压强度的影响

混凝土的立方体抗压强度是混凝土各种力学性能指标中最重要而基本的一项，因此目前关于再生混凝土的立方体抗压强度研究得较多，虽结论有所差异，但大部分的研究结果都认为再生混凝土的抗压强度相比普通混凝土有一定程度的降低，降低的百分比各异，但基本在20%的范围内。本文试验结果见表3所示。

表3 自密实再生混凝土不同龄期立方体抗压强度值／MPa

根据《建筑工程施工试验与检测》中关于混凝土强度的非统计评定方法可知，表3中数据表明用原生混凝土强度为C30左右的再生粗骨料可配制C45强度等级的自密实再生混凝土。由此可以看出通过选用低水胶比，掺入矿物掺合料和高效减水剂并优化配合比的途径，可以成功实现用原生强度为C30左右的再生粗骨料进行C45强度等级自密实再生混凝土的配制。原因在于：（1）再生粗骨料表面粗糙附着有水泥砂浆，虽相比天然粗骨料弹性模量有所下降，但却易与水泥石形成较大的物理黏结强度，同时由于与新水泥石有相近的弹性模量，受力时将在界面处产生较小的应力差。另外由于本试验配合比设计时并未考虑附加用水量，而鉴于再生粗骨料吸水率高的特点，有效水胶比下降，对其强度有利。（2）合理的高效减水剂掺量能大大提高水泥拌合物的流动性和混凝土的坍落度，从而显著改善混凝土的工作性能，同时合理的粉煤灰掺量也可以改善混凝土拌合物的流动性、黏聚性及抗离析性能，两者双掺不仅可以各自起到作用，还能产生叠加效应，从而很好地改善因再生粗骨料的掺入导致的新拌混凝土较差的工作性能。

图6为再生粗骨料取代率对自密实再生混凝土立方体抗压强度的影响曲线图，从图中可以看出随着再生粗骨料取代率的增加，自密实再生混凝土的立方体抗压强度明显降低。其中RA－SCC1，RASCC2，RA－SCC3的28d立方体抗压强度较普通自密实混凝土降低程度分别为1.9%，6.2%，13.1%，养护到60d时相比普通自密实混凝土分别降低了2.6%，6.8%，11%。说明随着养护龄期的增长，自密实再生混凝土立方体抗压强度相比普通自密实混凝土的降低幅度有所减小，从图中还可以看出自密实再生粗骨料取代率为50%时，自密实再生混凝土的立方体抗压强度降低最少。造成自密实再生混凝土的立方体抗压强度低于普通自密实混凝土，主要原因在于所使用的再生粗骨料自身的特点，即再生粗骨料表面包裹水泥砂浆，导致承受压力荷载时，水泥砂浆层因强度较粗骨料低而最先破碎导致混凝土丧失承载力，在自密实再生混凝土的抗压强度试验过程中发现试件破坏时主要是通过界面过渡区，即和普通混凝土类似，但由于再生粗骨料在机械制备过程中在老界面处可能产生的微裂纹或初始损伤及高孔隙率，易使混凝土内部产生应力集中，从而使自密实再生混凝土的强度降低。

以往不同研究者所得出的研究结论是相比普通混凝土，再生混凝土的立方体抗压强度可降低20%左右，本试验与普通混凝土相比，50%、70%、100%再生粗骨料取代率的自密实再生混凝土28d立方体抗压强度分别降低5.2%、9.4%、14.6%，60d时分别降低6.8%、10.8%、14.7%，即自密实再生混凝土的立方体抗压强度相比普通混凝土降低幅度在15%的范围内，且随着龄期的增长该幅度稍有增加，但相差不大。相比普通混凝土，自密实再生混凝土的立方体抗压强度降低幅度低于普通再生混凝土，原因在于相比普通混凝土，自密实混凝土对粗骨料粒形、粒径及级配要求较高，本试验所选的天然粗骨料和再生粗骨料为连续级配，最大粒径为16mm，针片状含量最多为2.0%，满足CCES 02—2004《自密实混凝土设计与施工指南》标准中规定自密实混凝土所用粗骨料宜采用连续级配，最大粒径宜小于20mm，针片状颗粒含量宜小于10%的规定。即本试验所用的天然粗骨料和再生粗骨料是经过严格选用的，连续级配和较小的针片状含量可保证混凝土拌合物具有良好的工作性能，不易产生离析；较小的颗粒粒径，可减小颗粒内部缺陷，并且由于比表面积大可增强与水泥浆的黏结，且合适的颗粒粒径在拌合过程中不会下沉太多，从而保证混凝土内部颗粒分布的均匀。

图6 自密实再生混凝土立方体抗压强度曲线图

2.3 再生粗骨料取代率对自密实再生混凝土弹性模量的影响

再生粗骨料的表观密度等基本性能相比天然粗骨料有所降低，这必将导致用其拌制的自密实再生混凝土的弹性模量的降低。本文测定的自密实再生混凝土的弹性模量见表4所示。

表4 自密实再生混凝土不同龄期的弹性模量

各配合比弹性模量随龄期发展的曲线如图7所示，从图7中可以看出自密实再生混凝土的弹性模量明显低于普通自密实混凝土。再生粗骨料取代率为50%，70%，100%时，其28d弹性模量相比普通自密实混凝土分别降低了16.4%，22.2%，26.8%，养护到60d时其弹性模量相对普通自密实混凝土分别降低了15%、19%、24%，可见随着再生粗骨料取代率的增加其弹性模量降低，且随着龄期的增加其下降幅度缓慢缩小。与立方体抗压强度相比，自密实再生混凝土的弹性模量相比普通自密实混凝土降低更多。原因在于再生粗骨料的孔隙率高、表面附着有水泥砂浆且骨料内部可能存在的先天微裂纹，将降低再生粗骨料的弹性模量，从而降低了自密实再生混凝土的弹性模量。

图7 弹性模量曲线图

以往研究表明再生混凝土的弹性模量比普通混凝土低20%～30%［11－12］，本文再生粗骨料取代率为50%，70%，100%时，其28d弹性模量相比普通混凝土分别降低了4.8%，11.5%，16.7%，养护到60d时其弹性模量相比普通混凝土分别降低了2.1%、6.7%、13.4%，表明本试验自密实再生混凝土的弹性模量比普通混凝土低约15%左右，且随着龄期的增长该幅度稍有降低。相比普通混凝土，自密实再生混凝土的弹性模量降低幅度低于普通再生混凝土，原因在于相比普通再生混凝土，自密实混凝土对粗骨料粒形、粒径及级配要求较高。

3 结语

（1）随着再生粗骨料取代率的增加，自密实再生混凝土的流动性变差，而黏聚性和保水性较好。在达到相同工作性能的情况下，50%、70%、100%再生粗骨料取代率的自密实再生混凝土分别比普通自密实混凝土的外加剂掺量增多0.1%、0.3%和0.4%。

（2）随着再生粗骨料取代率的增加，自密实再生混凝土的抗压强度和弹性模量明显降低，且随着龄期的增长，降低幅度有所减小。相比普通自密实混凝土，50%、70%、100%再生粗骨料取代率的自密实再生混凝土，其28d立方体抗压强度分别降低了1.9%，6.2%，13.1%，其28d弹性模量分别降低了16.4%，22.2%，26.8%。相比普通混凝土，自密实再生混凝土的立方体抗压强度和弹性模量降低幅度分别在15%和20%左右。

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