再生高强混凝土基本力学性能研究

2019-02-26林水泳毕贤顺罗才松叶建峰

福建建筑 2019年1期

林水泳毕贤顺罗才松，2 叶建峰

(1.福建工程学院土木工程学院福建福州 350118； 2.福建省土木工程新技术与信息化重点实验室福建福州 350116)

0 引言

再生骨料混凝土(Recycled Aggregate Concrete，RAC)简称再生混凝土(Recycled Concrete，RC)，是指废弃混凝土经过破碎、清洗、分级加工后形成的再生骨料，按一定比例或级配代替天然骨料加工制备而成的混凝土。再生骨料(Recycled Aggregate，RA)是经过破碎加工的废弃混凝土得到的小于粒径40mm的骨料。粒径为5mm～40mm的骨料为再生粗骨料(Recycled Coarse Aggregate，RCA)。粒径为0.5mm～5mm的骨料为再生细骨料(Recycled Fine Aggregate，RFA)[1-2]。

再生高强混凝土是在再生混凝土的基础上，大幅度地提高混凝土性能，并且通过添加适量的高活性超细矿物质与高效减水剂，经过严格的质量控制下形成的新型的高性能混凝土。高强混凝土在未来的应用范围将会越来越广泛，也将不可避免地成为再生粗骨料的重要来源。由于建筑业高速发展导致建筑骨料缺乏，把废弃混凝土化作可再生资源，实现资源化、环境效益化和最大效益化，高强高性能化应是再生混凝土的发展方向，本文旨在通过研究再生粗骨料对再生高强混凝土的影响，探讨制备再生高强混凝土的可能性。

1 试验

1.1 原材料

(1)水泥

本课题选用海螺牌P·O42.5等级普通硅酸盐水泥。

(2)细骨料

本课题采用的细骨料为天然河砂,级配良好，其表观密度和含泥量分别为2.6kg/m3和0.2%，细度模数为2.7。

(3)矿物掺合料

试验采用的镍铁渣为福建源鑫集团提供，比表面积为425.6m2/kg，密度为2.89g/cm3。硅灰采用上海山鹰环保科技有限公司生产的硅灰，SiO2的含量为85%～95%，平均粒径为 0.10～0.225μm。

(4)外加剂

减水剂采用福建省建科高效减水剂，减水率25%～35%。

(5)水

采用福州本地自来水。

(6)粗骨料

图1为再生粗骨料示意图，图2为天然粗骨料示意图。再生粗骨料为高强预应力管桩经颚式破碎机破碎、除杂、筛分、分级等处理后获得粒径为5mm～20mm的再生粗骨料。天然粗骨料为连续级配，采用一级级配混凝土要求，同样使用5mm～20mm的粗骨料。表1为骨料的基本性能。

图1 再生粗骨料

图2 天然粗骨料

表1 骨料基本性能

1.2 再生混凝土界面强化

混凝土界面过渡区作为混凝土中的薄弱点，破坏通常都是通过界面过渡区最先开始出现裂缝随后扩展贯通，从而导致再生混凝土的承载能力降低直至完全破坏。因此，从界面过渡区出发，进行界面强化，达到改性目的。以下为常用3种再生混凝土界面强化方法。

(1)改善搅拌工艺

采用先裹灰工艺法，先将再生粗骨料、部分水泥、镊铁渣、硅灰与部分水进行搅拌，达到再生粗骨料表面包裹水泥浆的目的，再加入细骨料、天然粗骨料和剩余水进行搅拌。

(2)掺入胶乳聚合物

在混凝土制备过程中，加入水中与拌合物一起进行搅拌[3]。

(3)矿物掺合料

由于混凝土内的孔隙大小不一，加入硅灰与镍铁渣起到微骨料的作用，填充内部的间隙，使混凝土内部结构更为致密。

该试验采用第一种和第三种方法。

1.3 试验方案

试验配合比如表2所示。每个强度等级的混凝土均以再生粗骨料取代率作为研究参数，取值为0%、30%、70%和100%。分别测定各编号再生高强混凝土的坍落度、混凝土抗压强度和弹性模量，试验结果如表3所示。

试验在福建工程学院北校区结构馆进行，所有配合比均使用60L搅拌机搅拌，采用150mm×150mm×150mm的模具制作13组试件进行抗压试验与劈裂试验；采用150mm×150mm×550mm的模具制作3组试件进行抗折试验；采用150mm×150mm×300mm的模具制作10组试件，进行弹性模量试验，所有试验每组3个试块。

表2 试验配合比

表3 试验结果

2 试验结果与分析

2.1 再生粗骨料对再生高强混凝土坍落度影响

图3为再生粗骨料取代率对再生高强混凝土坍落度的影响示意图。图3中可看出，随着再生粗骨料取代率的增加，各个强度等级的混凝土坍落度均呈现下降趋势。

图3 再生粗骨料取代率对坍落度影响

再生粗骨料对于再生高强混凝土拌合物的流动性具有很大的影响性。各强度等级的再生高强混凝土在再生粗骨料含量增大的同时，坍落度大部分均下降10mm～15mm。这是由于再生粗骨料经过颚式破碎机作用后，骨料中产生大量的孔隙与微裂缝。再生粗骨料内部结构稀松多孔，吸水率相对比天然粗骨料较大，骨料表面粗糙，棱角较多，制备的过程中混凝土拌合物内部之间的摩擦阻力将会增大。因此，在相同的配合比下，再生粗骨料的取代率增大，再生粗骨料吸附的水就越多从而降低流动性，混凝土拌合物的坍落度会逐渐减少。在不同强度等级下，再生粗骨料取代率对于混凝土拌合物坍落度的影响均呈现削减作用，与文献[4-5]结论相同。

2.2 再生粗骨料对再生高强混凝土强度的影响

图4为再生粗骨料取代率对混凝土抗压强度的影响示意图，对于强度等级为C80的混凝土而言，再生粗骨料取代率为0%时，再生高强混凝土强度为84.41MPa；再生粗骨料取代率为30%时，再生高强混凝土强度为78.68MPa，强度下降5.73MPa；当再生粗骨料取代率为70%时，再生高强混凝土强度为73.04MPa，强度较取代率为30%时下降了5.64MPa；再生粗骨料取代率为100%时，再生高强混凝土强度为63.07MPa。从再生粗骨料含量为0%到100%，混凝土强度下降了25.28%；对于强度等级为C60的混凝土,强度也随着取代率的增大呈下降趋势，下降趋势比C80小。同一强度等级的混凝土，再生粗骨料取代率的变化对再生高强混凝土的抗压强度存在影响，随着再生粗骨料的增加，再生高强混凝土强度下降，且强度等级越高，影响越明显。

图4 再生粗骨料取代率对抗压强度的影响

混凝土是由三相复合而成的材料。由于再生混凝土的界面结构复杂，而骨料对于混凝土的强度的影响主要在于界面过渡区。相较于普通混凝土而言，再生高强混凝土的水泥砂浆与骨料之间的弹性模量相差太大。在温度变化和荷载作用下，二者的变化不同，界面处产生微裂缝，这些界面过渡区将成为混凝土强度的薄弱点。再生粗骨料表面的粗糙度相比天然骨料大，加上在破碎过程中部分石子会因为受力而沿着纹理开裂。这样，既增加新的粗糙表面又增加棱角效应，但可能导致再生粗骨料强度降低。

骨料强度远大于水泥砂浆强度时，混凝土强度主要是由水泥砂浆和界面强度所决定。再生高强混凝土中，水泥砂浆包裹住再生粗骨料的同时也发挥着过渡作用，使得再生粗骨料与新的水泥砂浆之间的弹性模量差距缩小，界面过渡区的结合得到加强，但还不足以弥补缺失的强度。随着再生高强混凝土强度等级的增加，再生粗骨料含量越多，再生高强混凝土的强度下降幅度越大。试验结果与文献[6]结论相同。

2.3 再生粗骨料对再生高强混凝土弹性模量的影响

图5为再生粗骨料取代率对再生高强混凝土弹性模量的影响示意图。总体上，随着再生粗骨料取代率的增加，再生高强混凝土的弹性模量下降。

由于再生粗骨料的存在，在再生高强混凝土中天然粗骨料与旧水泥石之间界面，再生粗骨料中岩石部分与新水泥石之间界面，再生粗骨料中旧砂浆与新水泥石之间界面中，存在的孔隙与微裂缝数量相对于高强混凝土多，而孔隙率是影响混凝土弹性模量的因素之一，水泥石包裹再生粗骨料的同时发挥过渡作用，使得新水泥石与再生粗骨料之间的弹性模量差距缩小，但仍存在强度差异。整体上，同一强度等级的再生高强混凝土弹性模量，随再生粗骨料取代率的增加而下降。

图5 再生粗骨料取代率对弹性模量的影响

2.4 玄武岩纤维对再生高强混凝土抗压强度影响

图6为玄武岩纤维对再生高强混凝土抗压强度的影响。再生高强混凝土在加入3kg/m3玄武岩纤维后，强度几乎没有改变，加入5kg/m3玄武岩纤维以后，强度下降了6.52MPa。这是由于玄武岩纤维的加入，使得再生高强混凝土内部存在更多的微裂缝，这些裂缝导致再生高强混凝土中出现更多的薄弱界面，降低了再生高强混凝土的抗压强度[7]。

图6 玄武岩纤维对抗压强度的影响

2.5 玄武岩纤维对再生高强混凝土劈裂强度影响

图7为玄武岩纤维对混凝土劈裂强度的影响示意图。当玄武岩纤维为0kg/m3时，混凝土劈裂强度达到14.07MPa；当玄武岩纤维掺量达到3kg/m3时，劈裂强度上升了2.82MPa，是因为加入的玄武岩纤维与无机胶凝材料相结合形成三维纤维网状结构，使得混凝土结构更加密实。有大量的水化产物附着而且能有效地组织微裂缝的扩展，从而降低裂缝长度、宽度以及开裂面积，吸收并消耗能量，在一定程度上提高了混凝土的抗裂性能。再增加2kg/m3的玄武岩纤维后，劈裂强度反而下降了1.68MPa，可能是因为加入过多纤维，多余的纤维与水泥浆液形成的界面过渡区与网状结构产生的效应相互抵消，甚至产生负作用，所以多加入的纤维没能起到分担荷载、吸收并消耗能量的作用。虽然分多次加入搅拌机中进行搅拌，但是难免会出现结团现象造成初始缺陷的产生，不能充分发挥纤维的作用，使得强度随玄武岩纤维的增加而降低[8]。

图7 玄武岩纤维对劈裂强度的影响

2.6 玄武岩纤维对再生高强混凝土抗折强度影响

图8 玄武岩纤维对抗折强度的影响

图8为玄武岩纤维对混凝土抗折强度的影响。添加3kg/m3玄武岩纤维时，混凝土抗折强度提高0.47MPa，当玄武岩纤维含量达到5kg/m3时，抗折强度下降至4.77MPa。主要是由于玄武岩纤维的加入，抗折试件在开裂过程中，玄武岩纤维在裂缝开展位置起到承受外拉力的作用，增大纤维与混凝土之间摩擦与拉拔作用，增加抗折强度；纤维含量的增加，会导致结团现象，使得混凝土抗折强度受到负影响，致使强度下降。文献[9]表明：在一定范围内，混凝土的抗折强度会随着玄武岩纤维的增加而增大，但超过了这个最佳掺量后，过多的纤维会使得混凝土结构遭到破坏，导致抗折强度下降。