再生细骨料对混凝土力学性能及抗冻性能研究

余乃宗，刘卫东，欧阳瑞，王　宇，方乙涵

(1.上海理工大学 环境与建筑学院， 上海 200093； 2.上海浦东路桥建设股份有限公司， 上海 200120)



再生细骨料对混凝土力学性能及抗冻性能研究

余乃宗1,2，刘卫东1，欧阳瑞1，王宇1，方乙涵1

(1.上海理工大学 环境与建筑学院， 上海 200093； 2.上海浦东路桥建设股份有限公司， 上海 200120)

再生细骨料是废弃混凝土再加工的产物。为了促进再生细骨料的工程应用，采用不同再生细骨料取代率，对混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度和评定抗冻性能的动弹性模量及质量损失率进行研究。结果表明，再生细骨料取代率越大，混凝土抗压强度下降趋势越明显；经28 d养护后，龄期对再生混凝土抗压强度影响不显著；掺加了再生细骨料的混凝土，其劈裂抗拉强度普遍高于对照组，劈裂抗拉强度随着再生细骨料取代率的增加呈现出先增大后减小的趋势，取代率达到20%后，劈裂抗拉强度趋于稳定；通过构建抗压强度及劈裂抗拉强度间关系，提出了再生细骨料作用下混凝土劈裂抗拉强度与抗压强度的经验回归公式；同时，随着冻融次数的增加，再生细骨料取代率越大，混凝土的动弹性模量下降率及质量损失率也随之增大，冻融次数达到75次，部分试块出现冻坏现象，较高再生细骨料取代率的混凝土表现出较差的抗冻性能。

再生细骨料；再生混凝土；冻融循环；质量损失

作为建筑材料的混凝土，伴随着世界建筑业的高速发展，混凝土保有量呈现持续增长的趋势。与此同时，由于建筑物使用年限期满、基础设施改造以及地震、风灾等灾害影响，废弃混凝土的数量也大量增加。原先粗放式的露天堆放或填埋，在大量占用土地资源的同时，粉尘、灰沙飞扬以及碱性废渣令土壤“失活”等问题严重破坏了生态环境[1-2]。严峻的资源、环境问题，已经让人类不得不积极面对废弃混凝土资源化。目前国内学者、研究机构对再生粗骨料不仅仅停留在学术研究，实际工程已有越来越多再生混凝土使用的案例[3]。相较于再生粗骨料而言，再生细骨料的粒径尺寸范围为0.075 mm～4.75 mm，国内研究人员在试验研究阶段虽有所涉及[4-8]，但实际工程应用案例还较为匮乏。混凝土性能与再生细骨料取代率、混凝土的服役环境等多种因素有关，在复杂的环境下，多种损伤的积累会使混凝土结构的耐久性降低，结构性能会发生不可逆转的劣化。对处于寒冷地区的混凝土结构来说，冻融循环作用是不利混凝土耐久性的因素之一[9]。本文通过调整不同的再生细骨料取代率，针对混凝土的力学性能及抗冻性能进行研究。

1　试验概况

1.1试验原材料

本次试验所用水泥为P·O 42.5级；细骨料为天然细骨料河砂和再生细骨料；粗骨料采用天然碎石，最大粒径为31.5 mm；试验拌和用水为城市自来水。

试验开始前，根据《建设用砂》[10](GB/T 14684-2011)中试验方法、试验用料数量及结果计算方式，对天然细骨料河砂和再生细骨料相关物理性能进行检测，测试项目包括表观密度、堆积密度、空隙率、吸水率及细度模数。具体测试结果见表1。

表1　天然细骨料河砂与再生细骨料物理性能

1.2方案及配合比

试验采用C30混凝土，配置强度为38.2 MPa，砂率为36%。再生细骨料取代率不宜大于30%[8]，所以本试验再生细骨料替代天然砂的比例为：0%、5%、10%、15%、20%、25%，其中将0%取代率组设为对照组。参照规范[11-12]选用100 mm×100 mm×100 mm尺寸三联试模进行试验，试块制作经过材料称量、搅拌机搅拌、装模及振捣等过程；每一配合比分别制作7组21个试块，以3块一组，养护到规定龄期后，分别测定试块28 d、60 d及90 d抗压强度、28 d劈裂抗拉强度，经过25次、50次及75次冻融循环后测定试块抗压强度。试验混凝土配合比如表2所示。

表2　试验混凝土配合比表

2　试验现象与结果分析

在混凝土养护完成后，分别对不同龄期试块的抗压强度(28 d、60 d及90 d)、劈裂抗拉强度(28 d)、初始质量、初始动弹性模量以及每经过25次冻融循环后试块的动弹性模量和质量进行测定。其中并不以试块的相对动弹性模量下降量及其质量损失率作为停止抗冻试验的标准，当出现试块溃散不能成型时方停止试验。

2.1试验现象

相同条件下养护28 d后，再生细骨料配制的混凝土试块，外观与对照组并无差异。试块劈裂破坏时伴有“砰”的声响，试块瞬间断裂、塑性变形小，破坏过程表现为明显的脆性破坏；裂缝主要沿着粗骨料表面与砂浆的界面延伸发展，而粗骨料本身拉断破坏很少。经过25次冻融循环，不同取代率的混凝土表面均出现微小孔隙及微小孔洞，少数试块棱角有磨损现象；50次冻融循环结束后，试块表面出现少量混凝土脱落现象，并随着再生细骨料取代率的增大，脱落现象越明显；75次冻融循环后，混凝土试块出现不同程度的掉渣现象，其中取代率为20%和25%的再生细骨料混凝土试块经过冻融后变为松散砂石堆积物，试块不具备成型条件，判定试块已冻坏。冻融循环前后部分再生细骨料混凝土外观变化情况如图1所示。

2.2力学性能分析

2.2.1劈裂抗拉强度

根据混凝土28 d劈裂抗拉强度测试结果，绘制不同再生细骨料取代率对混凝土劈裂抗拉强度影响的关系图见图2。

图1　冻融循环前后混凝土外观变化情况

图2不同再生细骨料取代率对混凝土劈裂抗拉强度影响

由图2所示，掺加了再生细骨料的混凝土，劈裂抗拉强度普遍高于对照组，混凝土劈裂抗拉强度随着再生细骨料取代率的增加呈现出先增大后减小的趋势。因为再生细骨料与新拌水泥浆体界面主要依靠机械力衔接，在再生细骨料生产过程中，其表层会含有一定量旧混凝土的水泥浆体，粗糙表面的旧水泥浆体通过咬合作用与新浆体间产生粘结，提高了密实度，即增强了再生细骨料混凝土的劈裂抗拉强度，使再生细骨料取代率为15%时达到最佳状态，劈裂抗拉强度为对照组的176%。但是旧水泥浆体存在较多的细微裂纹，表现出较高吸水能力，使再生细骨料与新水泥浆体接触界面出现水分缺失，降低了水泥水化速度，进而减少水化产物，最终影响界面强度形成。这就出现当再生细骨料的取代率超过15%后，混凝土的劈裂抗拉强度下降，并趋于稳定的结果。

2.2.2抗压强度

分别对不同龄期混凝土抗压强度及经过25次、50次及75次冻融循环后混凝土抗压强度进行测定，试验结果见图3，表3。

图3　不同龄期及不同再生细骨料取代率下混凝土抗压强度关系

根据图3的结果显示，各个龄期混凝土随着再生细骨料取代率的增大，抗压强度呈现下降趋势。由表1可知，再生细骨料的表观密度与堆积密度分别为天然细骨料的92.0%和73.7%，在一定程度上会使连接粗骨料的砂浆密度减小，进而降低其密实度，使试块抗压强度下降。当取代率在0%～15%之间时，混凝土的强度下降不显著，说明再生细骨料中含有一定数量未完全水化的水泥，可以通过继续水化增大混凝土的强度，进而部分抵消因再生细骨料坚固性差所造成的劣势；15%再生细骨料取代率的抗压强度较5%～10%取代率时出现增加，说明新旧水泥浆此时展现出较好的粘结性能。但当取代率超过15%时，试块的抗压强度出现较大幅度下降，20%取代率的混凝土抗压强度仅为对照组的61.6%，说明再生细骨料自身的缺陷产生的副作用已经远远超过其所能带来的有利作用；同时，随着养护龄期的延长，不同取代率的混凝土强度虽然得到了一定的发展，但增长幅度有限，说明较长的养护龄期对再生细骨料混凝土后期抗压强度性能提升作用较小。

根据抗压强度试验结果，绘制混凝土相对抗压强度与冻融循环次数的关系曲线见图4。

图4再生细骨料混凝土相对抗压强度与冻融循环次数的关系曲线

图4所示，经过25次的冻融循环，不同取代率的混凝土强度均出现下降现象，下降速率随着取代率的增加而增大，这是由于生产再生细骨料的过程经历了破碎、分解，存在损伤积累，造成裂纹及孔隙数量增多[13]，加上试验前物理性能测试得出再生细骨料的表观密度、堆积密度均小于天然砂，在一定程度上降低了混凝土的密实度，同时再生细骨料的吸水率较大，在冻融循环过程中所形成的静水压力也越大，对混凝土的破坏也越严重[14]；50次的冻融循环后，取代率为0%～10%的混凝土抗压强度下降速率大于25次冻融循环时的下降速率，同时取代率为15%～25%的混凝土抗压强度下降速率大致与25次冻融循环时的一致；75次的冻融循环后，混凝土的抗压强度持续下降，并出现试块冻坏情况。

2.2.3抗压及劈裂抗拉强度关系分析

结合混凝土试块28 d的劈裂抗拉强度与抗压强度，计算拉压比，具体计算结果如表4所示。

表4　混凝土拉压比计算结果

混凝土的拉压比越大，说明混凝土脆性越小，拥有更佳的韧性和变形能力；相反则说明韧性越小，抵抗变形的能力越差[15]。试验结果表明，再生细骨料取代下的混凝土拉压比处于0.08～0.12之间，普遍高于对照组的0.056，总体随着再生细骨料取代率的增加而微小增大，说明再生细骨料使混凝土适应变形的能力增强。同时，拉压比的增大是伴随着劈裂抗拉强度和抗压强度同时增减的过程，其中以15%与25%的取代率为例，抗压强度降低的幅值为44.1%大于劈裂抗拉强度的37.2%。

通过试验数据的统计回归，可以得到再生细骨料取代下，混凝土劈裂抗拉强度与抗压强度的关系(见图5)为

fts=0.08fcu+0.67

(1)

或

(2)

由于试验结果仅基于C30混凝土，并且再生细骨料的取代率区间为0%～25%，统计数据较少，在实际工程应用中，已有的再生细骨料配制混凝土取得的抗压强度并不一定完全适用于劈裂抗拉强度的推算，但上述回归公式可作为理论参考依据。

图5再生细骨料取代下混凝土劈裂抗拉强度与抗压强度的关系

2.3动弹性模量及质量损失

分别对混凝土的初始质量、初始动弹性模量以及经过25次、50次及75次冻融循环后混凝土的动弹性模量与质量损失进行测定。

用混凝土超声测量仪测量动弹性模量，混凝土的动弹性模量越大，则表明了混凝土内部的孔洞和缝隙较少，因而超声波绕过的路程较少，所需要传播的时间较少，反映了混凝土内部较密实；反之，波速较低，即传播的路径较远，表明了混凝土内部孔洞和裂缝较多，混凝土不密实。

如图6、图7所示，不同再生细骨料取代率混凝土的动弹性模量均随冻融循环次数的增加而降低。再生细骨料空隙率及吸水率大于天然细骨料，取代率升高，混凝土在成型养护后空隙中存留游离状态的水越多，毛细孔壁受到膨胀压力和渗透压力等多重叠加作用力越大，造成微细裂缝的扩展，动弹性模量下降。初始动弹性模量及50次冻融后动弹性模量均随再生细骨料取代率呈现先增大后减小的趋势，其中10%的再生细骨料取代率时为拐点也是最大值点；经过50次冻融循环后，裂缝宽度的持续扩大使试块劣化速率加快，再生细骨料混凝土的动弹性模量发生较大幅度的下降，其中25%取代率的再生细骨料混凝土的动弹性模量仅为初始弹性模量的55.12%。当冻融次数达到75次后，取代率为20%～25%的再生细骨料混凝土试块已经冻坏，0%～20%取代率的再生细骨料混凝土动弹性模量继续降低，均已低于初始动弹性模量的60%。

图6　混凝土动弹性模量与取代率的关系曲线

图7混凝土相对动弹性模量与冻融循环条件的关系曲线

由图8所示，当冻融循环次数达到25次，再生细骨料取代率为0%～20%时，混凝土的质量损失率较小，且不同取代率之间相差不大，趋于一致；当取代率达到25%时，25次冻融循环后试块的质量损失率达到了1.024%，相较于取代率为0%～20%时最大值的0.258%，提高了296.9%。混凝土表面及内部微细裂缝的扩展使骨料间粘结力部分散失，再生细骨料取代率越大，试块多孔多裂纹的现象即越严重，抵抗冻融作用保持原有形态的能力就越差。当冻融次数达到50次后，不同取代率混凝土的质量损失率增长显著，其中20%～25%取代率的混凝土质量损失率趋于5%的上限值。当冻融次数达到75次后，取代率为20%～25%的混凝土试块已经冻坏，试块抵抗外部作用的能力已丧失，0%～20%取代率的混凝土质量损失率持续增大，但低于5%的上限值。

图8混凝土质量损失率与冻融次数间的影响曲线

3　结　论

(1) 再生细骨料的掺加，降低了混凝土的抗压强度，降幅总体呈现出随取代率的增加而变大；龄期的延长，对不同取代率下试块的抗压强度影响不显著；混凝土的劈裂抗拉强度，因再生细骨料的掺加得到了提高，呈现出先增大后减小的趋势，取代率达到20%以后趋于稳定；再生细骨料混凝土的拉压比处于0.08～0.15之间，表现出了良好的韧性和抵抗变形的能力。

(2) 根据28 d试验数据回归，再生细骨料取代天然砂配制C30混凝土，劈裂抗拉强度fts与抗压强度fcu的函数关系可参考式(1)、式(2)。

(3) 冻融循环作用下，不同再生细骨料取代率的混凝土抗压强度均产生下降。同时，冻融循环次数对抗压强度下降速率也存在一定影响。随再生细骨料取代率增加，不同冻融循环次数下的动弹性模量均呈现先增大后减小的趋势，10%取代率时为动弹性模量的最大值点。此外，20%～25%取代率的混凝土率先出现冻坏现象。

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Experimental Study on Mechanical Properties and Frost Resistance of Recycled Fine Aggregate Concrete

YU Naizong1,2, LIU Weidong1, OUYANG Rui1, WANG Yu1, FANG Yihan1

(1.SchoolofEnvironmentandArchitecture,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China; 2.ShanghaiPudongRoad&BridgeConstructionCo.,Ltd.,Shanghai200120,China)

Recycled fine aggregate is the reprocessed product of waste concrete. In order to promote the engineering application of recycled fine aggregate, the compressive strength, splitting tensile strength, dynamic elastic modulus and weight loss of a regenerated concrete with different recycled fine aggregate replacement rate were studied in this research. The results show that recycled fine aggregate reduces the compressive strength of concrete. The downward trend of the compressive strength is more obvious with higher recycled fine aggregate replacement rate. The change of compressive strength is not significant after 28 days. The splitting tensile strength of recycled concrete is higher than natural concrete. The substitution rate of the recycled fine aggregate makes the splitting tensile strength show the trend of increasing first and then decreasing. When the substitution rate rises to 20 percent, splitting tensile strength tends to be stable. The relationship between splitting tensile strength and compressive strength of recycled fine aggregate concrete is obtained with statistical regression. With the increasing of freeze-thaw circle numbers, the decrease rate of dynamic elastic modulus and weight loss increase gradually. Finally, some specimens were damaged after 75 times freeze-thaw circles. Higher recycled fine aggregate replacement ratio of concrete shows poor performance of frost resistance.

recycled fine aggregate; recycled concrete; freeze-thaw cycles; weight loss

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.04.024

2016-04-27

2016-05-20

上海市教育发展基金联盟计划(LM201537)

余乃宗(1990—)，男，福建龙岩人，硕士研究生，研究方向为无机非金属建筑材料。E-mail：yunaizongusst@163.com

TU528.04

A

1672—1144(2016)04—0117—06