再生粗骨料对混凝土力学性能的影响及改善措施

刘思哲 宋浩田 何锐 杨哲 武生权

(长安大学材料科学与工程学院,陕西西安 710061)

再生粗骨料对混凝土力学性能的影响及改善措施

刘思哲 宋浩田 何锐 杨哲 武生权

(长安大学材料科学与工程学院,陕西西安 710061)

再生混凝土因性能稳定性低于普通混凝土而一直无法得到广泛运用。为解决再生混凝土性能变异明显等问题,提高其力学强度,实现再生混凝土的质量控制,通过添加工业废渣或细纤维的方式,并根据坍落度、抗压强度和抗弯拉强度等指标,对再生混凝土的物理力学性能进行评价,同时探讨再生混凝土的性能改善措施。结果表明:在再生粗骨料替代率较高的情况下,通过添加一定量的粉煤灰和细纤维可以有效提高再生混凝土的工作性以及密实度;同时在再生骨料替换率不超过20%时,采用双掺法可使再生混凝土的抗压强度和抗弯拉强度与普通混凝土相当。

再生骨料 界面过渡区 微观裂缝 力学性能

1 引言

表1 水泥的相关技术参数Tab.1 Technological data of concrete

表2 粉煤灰的相关技术参数Tab.2 Technological data of fly ash

表3 粗骨料相关参数Tab. 3 Related data of coarse aggregate

表4 细骨料相关参数Tab.4 Related data of fine aggregate

表5 再生骨料相关参数Tab.5 Related data of recycled aggregate

表6 细纤维相关系数Tab.6 Related data of fine fiber

早在20世纪50年代,西方的一些国家就开始对废旧混凝土进行处理利用,直到20世纪70年代,在美国率先形成了对再生骨料的系统研究。早期的研究主要集中在如何处理废旧混凝土,以及简单地评估其粒径、力学特征以及耐久性等方面[1]。由于美国、英国、前苏联等国对废旧混凝土碾磨制作的再生混凝土的研究显示出矛盾的结果,即一部分学者如Soshiroda T．认为混凝土中添加再生骨料将使得混凝土丧失高达40%的力学强度[2],而另一部分学者如Rasheeduzzafar和Khan则认为添加再生骨料对水泥混凝土的各项性能不会产生巨大影响,具有良好的工业利用潜能[3]。进入21世纪,研究人员在工业废渣和建筑废料等的再生应用研究上取得了一系列具有实用价值的成果,但是无论是利用工业废渣替换部分水泥,还是使用建筑废料替代骨料,相关的研究只是从如何提高再生混凝土密实度的角度对混凝土质量进行提高,并未对再生骨料与新拌水泥砂浆之间的粘结这一问题进行系统的研究。随着微观测试技术的发展,越来越多的研究人员认为再生骨料与新拌砂浆的界面过渡区（ITZ）将是控制再生混凝土质量的关键因素。

表7 水泥混凝土配合比数据（kg/m3）Tab. 7 Related data of proportioning ratio(kg/m3)

表8 测试环境参数Tab. 8 Data of testing atmosphere

表9 坍落度测试结果Tab. 9 Results of slum test

图1 粉煤灰微观形貌Fig. 1 Microstructure of fly ash

图2 再生混凝土坍落度Fig. 2 Slum of recycled concrete

图3 水化初期块状混合物Fig. 3 Image of mixture during early hydration

图4 两种水泥水化方式[6]Fig. 4 Two different way of hydration

表10 抗压强度试验结果Tab. 10 Results of compressive strength test

鉴于此,本文利用天然骨料制作的原生混凝土（Conventional Concrete）与再生骨料混凝土作为对照,通过添加粉煤灰（Fly Ash）、细纤维（Fine Fiber）等方式,提高ITZ区域密实度并减缓该区域微观裂缝的发展,以此达到提高再生混凝土密实度,阻滞因ITZ结构产生微裂缝扩展的目的;并通过抗压强度与抗弯拉强度测试反映性能改善效果,对其改善机理进行分析,在此基础上提出改善再生混凝土质量的制备参数。

2 试验方法与原材料

2.1 原材料

研究中所采用的水泥与粉煤灰的技术参数分别如表1和表2所示。粉煤灰的微观形貌如图1所示。

研究中所有试件使用的天然骨料为玄武岩,细骨料为洁净河砂,粒径在4．75mm以下。此外,本试验中所用到的再生骨料来自于原废旧桥梁构件,其设计强度为C50。天然骨料以及再生骨料的相关性质参数如表3～表5所示。

采用的细纤维为国产聚乙烯醇纤维,因其具有较高的强度和弹性模量,所以对阻滞裂缝的扩展、提高混凝土的韧性具有良好的效果。其具体指标如表6所示。

表11 抗弯拉强度试验数据Tab. 11 Results of flexural strength test

图5 立方抗压强度随替换率的变化规律Fig. 5 The change of compressive strength with changing displacements ratio

图6 抗弯拉试验设备示意图Fig. 6 Equipment of flexural strength test

图7 抗弯拉强度随替换率的变化规律Fig. 7 The change of flexural strength with changing displacements ratio

图8 替代率为20%的FA组试件Fig. 8 Specimen with 20% RA in FA group

2.2 试验方法

本试验共使用3组混凝土配比,除此以外还包含一组对照组（CC组）,CC组中,试件不添加再生骨料,同时也不采用任何改善混凝土性能的措施。

除对照组（CC组）以外,其他3种配合比因处理方法的不同而分为不添加粉煤灰与纤维的再生混凝土组（RC组）、添加粉煤灰组（FA组）以及添加粉煤灰与纤维组（FF组）。FA组中,粉煤灰不用于替代水泥等胶凝材料;而在FF组中,粉煤灰的掺加量不变,同时按照0．8kg/m3的用量对水泥混凝土的拌合物添加细纤维。在FF、FA与RC组中,由再生骨料掺量的不同将每组的试件分为10%、20%、30%、40%和50%等5种类型。同时在制备拌合物的过程中使用不同粒径等量替换的方法对天然粗骨料进行替换。考虑到再生骨料具有较大的吸水率,本试验在上述配合比设计下添加聚羧酸系高性能减水剂（HRWRA）,以此来提高拌合物的工作性。详细配合比如表7所示（在每组配比中,改变再生骨料替换量时其它材料用量不变）。

试件均采用大小为100mm×100mm×400mm与100mm×100mm×100mm金属模件制备成型,成型24h后拆模,放入标准养护室养护至28d龄期,然后进行抗弯拉与抗压强度试验。此外,本试验针对新拌拌合物的工作性进行了坍落度测试。

3 试验结果及讨论

3.1 新拌混凝土工作性能

作为评判新拌混凝土和易性的一项指标,良好的坍落度对于工程运用具有重要意义。因此,通过不同配方下,拌合物不同坍落度的比较,可以反映出再生骨料对混凝土和易性的影响[4]。本试验在所有试件拌合完毕时均对坍落度进行了测试,考虑到测试的外环境以及拌合方法对坍落度的测试具有明显的影响,测试环境参数和坍落度测试结果如表8和表9所示。

由表9坍落度测试结果可以看出,随着再生骨料的替换比例增大,坍落度下降明显。坍落度最高值出现在FA组,这一结果主要来自于粉煤灰的微观形态效应。在微观状态下,粉煤灰呈现圆球状（如图1）,可以对新拌混凝土起到润滑作用,使得拌合物中各种颗粒间的流动性增加。而对于FF组来说,在再生骨料替代率不超过40%时,其拌合物坍落度均比FA组拌合小。考虑到其它组分保持一致,FF组拌合物中加入的细纤维对坍落度降低起主要作用。在拌合过程中,细纤维极易包裹拌合物中的骨料并发生缠绕,以此阻碍各组分之间的相互移动,使坍落度降低。此外,在骨料替代率达到40%后,FF组与FA组的坍落度相差不大,并且数值随着替换率的提高趋于平稳（如图2所示）。这种现象来源于再生骨料在较高替换率下,已经成为影响坍落度的主要因素。再生骨料表面形成的C-S-H不定型胶体使得再生骨料被覆盖,在这种情况下拌合物种形成块状混合物（如图3所示）,一方面阻止再生骨料继续吸水进一步降低坍落度,另一方面这种块状物因为接触面积减少从而减少砂浆的润滑作用,因此坍落度趋于平衡。

根据图2可以看出,当替换率从20%到达30%时,坍落度的下降程度最大,该结果与Patrick和Stephan所得到的试验数据的变化趋势吻合[5]。在上述两人的研究中,当替换率从20%变为50%时,坍落度下降了94%。考虑到拌合时是先加入一部分水,则当再生骨料替换率达到20%至30%时,由于再生骨料的高吸水率,吸附在再生骨料表面进行水化反应的水泥颗粒比例明显增多,此时包裹细骨料的水化产物越来越少,砂浆的流动润滑作用减弱,因此坍落度损失最明显。水化过程原理图如图4所示。

图9 替代率为40%的FA组试件Fig. 9 Specimen with 40% RA in FA group

图10 替代率为30%的FF组试件Fig. 10 Specimen with 30%RA in FF group

图11 再生混凝土电镜扫描微观裂缝结构[10]Fig. 11 Microstructure of recycled concrete

3.2 硬化混凝土力学性能

3.2.1 抗压强度

抗压强度是水泥混凝土最重要的力学性能,本试验混凝土立方体抗压强度的测试结果如表10所示。

由表10可知,当再生骨料替换率小于等于10%时,其对于混凝土抗压强度的影响不大;当替换率逐步增长时,抗压强度逐渐减小,RC组减小的速度最快（如图5所示）。当替换率达到50%时,FF组的抗压强度能够达到CC组的80．4%,FA组的抗压强度为CC组的70．2%,而RC组仅为CC组的59．6%。同时可以看到,当替换率大于等于30%时,各组的抗压强度变化逐渐趋于稳定,这与坍落度测试结果趋于一致。可见,粉煤灰以及细纤维对混凝土抗压强度的综合增益效果随着再生骨料替代率的提高逐渐明显[7]。

3.2.2 抗弯拉强度

本研究所采用抗弯拉强度测试装置如图6所示,抗弯拉强度测试结果如表11和图7所示。

从表11和图7可以看出,各组试件的弯拉强度都随着再生骨料替代率的提高而逐步下降,但RC组的下降速度最快,FF组下降速度最慢。当替换率为10%时,FA组的弯拉强度和CC组基本一致,而FF组甚至高于CC组;当替换率为50%时,RC组弯拉强度为CC组的52．6%,FA组为CC组的82．5%,FF组为CC组的83．3%。说明经过合理的配比设计,即使再生骨料替换率达到50%时,再生骨料混凝土的弯拉强度仍能维持在较高水平。

在对破坏试件断面的研究中发现,随着骨料替换率的增加,破坏截面逐渐变得粗糙,骨料与水泥浆之间的结合逐渐减弱,可以明显看到骨料留下的凹槽,如图8和图9所示。所以随着再生骨料替代率的提高,再生骨料混凝土的抗弯拉强度逐步下降。

相比较FA组的粗糙断面,FF组的断面则较为平整,找不到肉眼可以识别的孔隙,且断面上没有明显的因骨料与砂浆脱粘而造成的凹面（如图10所示）。断面上的粗集料大部分被拉断,表明了FF组的混凝土密实度比FA组试件高,其弯拉强度更高。国外研究人员对再生混凝土微观结构扫描电镜结果的分析（如图11中所示）发现,在微观结构上,ITZ中分布着一定数量的初始微观裂缝[8]。通过添加粉煤灰以后,一方面其本身可填充因再生骨料形态缺陷和高吸水率而形成的孔隙,另一方面也可与骨料中的活性物质发生二次水化,有效地提高了密实度。此外,由于聚乙烯醇纤维具有良好的分散性、水中分散性好,因此可以较均匀地分布于微观裂缝周围,使裂缝的扩展受到限制,这也是FF组中能够出现抗弯拉强度较大值的原因。其次,从材料表界面的角度分析,聚乙烯醇纤维具有大量的亲水基原子团—OH,具有一定的表面活性特征[9]。因此分子链上亲水基团与水具有较强结合力,使分子链在水分子的运动下充分展开,均匀伸展于水泥颗粒的水化产物中,从而延缓裂缝的发展。

4 结语

（1）随着再生骨料替换率的增加,坍落度下降明显,坍落度最高值出现在FA组;当再生骨料替换率在20%～30%时,由于再生骨料的高吸水率,吸附在再生骨料表面进行水化反应的水泥颗粒比例明显增多,此时包裹细骨料的水化产物越来越少,砂浆的流动润滑作用减弱,因此坍落度损失最明显。

（2）采用双掺法同时掺入粉煤灰和细纤维可使再生混凝土的力学强度保持在较高水平,并且其综合增益效果随着再生骨料替代率的提高逐渐明显;当替换率达到50%时,FF组的抗压强度和抗弯拉强度分别能够达到CC组的80．4%和83．3%。

（3）随着骨料替换率的增加,破坏截面逐渐变得粗糙,骨料与水泥浆之间的结合逐渐减弱,可以明显看到骨料与基体脱粘后留下的凹槽;同时掺入粉煤灰和细纤维后,试件断面较为平整,断面上没有明显的因骨料与基体脱粘而造成的凹面,主要是由于粉煤灰的活性效应和纤维的桥联增韧综合作用所导致。

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Recycled Concrete have not been utilized widely so far because of its low qualities in most of standard experiments. To improve the poor stability of qualities of recycled concrete and control the quality of the concrete as much as possible, this experiment evaluated the mechanical performances and slump of the recycled concrete equipped with fly ash and fine fabric. Meanwhile, the experiment discussing the process which can control the quality of concrete proposed some advisable suggestion for construction using recycled concrete. The experimental results indicates that recycled concrete’s workability and density can be improved effectively when concrete mixed with quantitative fly ash and fine fibers. Meanwhile, when the replacement ration is less than 20%, the incorporation of fly ash and fine fiber can make the compressive and flexural strength of recycled concrete be at the same level of conventional concrete.

recycled aggregate interfacial transition zone microcosmic crack mechanical property

高等学校博士学科点专项科研基金博导类资助课题（20130205110013）,长安大学中央高校基本科研业务费专项资金资助(2014G1311081,2013G2312021)。

刘思哲(1993—),男,湖南邵阳人,本科,长安大学材料科学与工程学院,主要从事先进水泥基复合材料方面的研究。