再生混凝土吸水率与强度的相关性研究

2019-03-20红红

长江科学院院报 2019年3期

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(1.新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052；2.重庆水利电力职业技术学院，重庆 402160)

1 研究背景

目前，常用建筑材料吸水率的高低来检测混凝土的吸水性能，从而评估混凝土的强度。王立成等[1]、周静海等[2]、李佳彬等[3]通过损伤混凝土毛细试验研究，发现在破损混凝土中毛细累积吸水曲线具有双线性变化现象，而且一开始的吸水率要高于后期，但没有研究再生混凝土的吸水率。刘宝举等[4]、孙家国等[5]在相关试验后，得出试验样品的吸水率与养护时间存在反比关系的结论，但未研究再生混凝土吸水率和养护时间的关系。陈亮亮等[6]研究发现：再生混凝土的劈拉强度与取代率大小有关，当取代率不断增大时，强度会先增大后减小，但没有详细地定量分析研究取代率和强度的关系。崔正龙等[7]以不同种类的粗骨料作为试验对象，试验后发现：随着养护时间加长，不同级别的混凝土在吸水率和强度这2方面性能上呈现增长的趋势，但未研究养护龄期对再生混凝土吸水率和强度的影响；张保中[8]、阎培渝等[9]、吴中伟等[10]对混凝土吸水率与混凝土抗压强度关系进行了初步探讨，但未研究再生混凝土抗压强度与吸水率的关系。关于再生混凝土的吸水率与强度之间的相关性研究较少，为此，本文以5～20 mm的再生粗骨料为混凝土骨料，测试不同水胶比、不同再生骨料取代率条件下，各混凝土试件的吸水率以及强度，并重点研究了再生粗骨料取代率、养护龄期、水胶比对再生混凝土的吸水率及强度的影响规律。试验结果为检测混凝土的强度提供了新的思路和方法，对于再生混凝土研究具有重要的参考价值。

2 试验设计

2.1 试验原材料

(1)水泥：新疆天山水泥厂生产的P.O 42.5R水泥。

(2)细骨料：水洗砂，各项指标符合《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》(JGJ 52—2006)中的标准，颗粒级配符合Ⅰ区范围，细度模数为3.5。

(3)天然粗骨料：天然粗骨料的相关技术参照值按《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》(JGJ 52—2006)来执行，直径10～20 mm。

(4)再生粗骨料：来源于新疆乌鲁木齐市的建筑废弃混凝土，经过破碎处理后，制成粒径直径为5～20 mm的骨料。

(5)减水剂：采用羧酸减水剂。

(6)水：pH值为7左右的实验室自来水。

2.2 配合比设计及制作

混凝土试件采用100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件，设计强度等级为C30。试验将养护龄期、水胶比、再生粗骨料取代率作为试验变量。试验操作标准参照《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55—2011)，用减水剂调节坍落度，数值保持在70～90 mm内。再生骨料混凝土配合比参见表1。

表1再生骨料混凝土配合比
Table1Mixproportionsofrecycledaggregateconcrete

混凝土各组分含量/(kg·m-3) 水泥天然砂天然粗骨料再生粗骨料水减水剂坍落度/mm450.0753.91 041.100.001354.579.0450.0753.9936.99104.111354.590.0450.0753.9832.88208.221354.575.0450.0753.9728.77312.331354.590.0450.0753.9624.66416.441354.586.0450.0753.9520.55520.551354.590.0450.0753.9416.44624.661354.590.0450.0753.9312.33728.771354.578.0450.0753.9208.22832.881354.574.5450.0753.9104.11936.991354.584.0450.0753.90.001 041.101354.588.0337.5801.21 106.400.001352.777.0337.5801.2995.76110.641352.780.0337.5801.2885.12221.281352.776.0337.5801.2774.48331.921352.778.5337.5801.2663.84442.561352.774.0337.5801.2553.20553.201352.776.0337.5801.2442.56663.841352.783.0337.5801.2331.92774.481352.783.0337.5801.2221.28885.121352.775.0337.5801.2110.64995.761352.781.0337.5801.20.001 106.401352.780.0270.0829.51 145.500.001351.283.0270.0829.51 030.95114.551351.281.0270.0829.5916.40229.101351.283.0270.0829.5801.85343.651351.279.0270.0829.5687.30458.201351.285.0270.0829.5572.75572.751351.285.0270.0829.5458.20687.301351.287.0270.0829.5343.65801.851351.286.0270.0829.5229.10916.401351.284.0270.0829.5114.551 030.951351.279.0270.0829.50.001 145.501351.280.0

2.3 试验方法

2.3.1 吸水率测试方法

本试验采用质量吸水率法。将3块试验样品试件作为一组，放置在电热鼓风干燥箱，温度保持在(60±5) ℃，时间为24 h，再放入(80±5) ℃下24 h,然后放入(105±5) ℃下烘至恒重m0。试件冷却至室温后，将试块浸泡在水中3 d(水面至少超过试块2 cm)后用湿布抹去表面水分，称重，记为mg。由式(1)计算吸水率。

α=(mg-m0)/m0×100% 。

(1)

式中：α为再生混凝土吸水率(%)，精确到0.1；mg为试件浸泡后的饱水质量(g)；m0为浸泡前的干燥质量(g)。

2.3.2 抗压强度测试方法

本课题抗压强度的测试方法，都按《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)来执行。

2.3.3 劈拉强度测试方法

试验水胶比分别为0.3，0.4，0.5，配合比见表1。再生粗骨料的掺量分别采用10%，20%，30%，40%，50%，60%，70%，80%，90%，100%来取代粗骨料，制备再生混凝土,0%为对照组普通混凝土。按全系列进行再生混凝土试验，配制后，装入100 mm×100 mm×100 mm 的立方体试验模中，24 h后拆模，养护温度为20 ℃、湿度≥95%。养护至7 d和28 d后按照《水工混凝土试验规程》(SL 352—2006)进行再生混凝土劈拉强度试验。

3 试验结果与分析

3.1 再生粗骨料取代率与混凝土吸水率的关系

7 d和28 d龄期下不同粗骨料取代率混凝土的吸水率变化如图1所示。

图1 再生混凝土不同再生粗骨料取代率与吸水率的关系Fig.1 Relationship between replacement rate of recycled coarse aggregate and water absorption rate of recycled concrete

从图1(a)中可得出：当龄期固定为7 d时，再生粗骨料取代率慢慢增大，当快靠近20%时，水胶比分别为0.4和0.5的吸水率变化线之间有一交点，即说明二者吸水率大小近似相等。再生粗骨料取代率保持在≤50%时，相对于再生骨料取代率在60%～100%而言，混凝土的吸水率都较小。同时，观察到再生骨料取代率在60%～100%的范围内变化时，吸水率明显增加。此外，还观察到，当水胶比固定不变时，吸水率与再生骨料取代率之间存在正相关，即前者随后者增加而变大。

从图1(b)中可以看出：在龄期为28 d的情况下，当再生粗骨料取代率的变化区间在0%～50%内时，水胶比大小分别为0.3和0.4情况下，再生混凝土吸水率变化不明显。当再生粗骨料取代率在20%附近时，水胶比为0.4和0.5的2种试验混凝土的吸水率有交点，即说明二者吸水率近似相等。同时也可以看出，再生混凝土的吸水率随着再生粗骨料取代率变大而增大。同时，当再生粗骨料取代率的范围≤50%时，再生混凝土吸水率变化不大，并随着水胶比的变大而增加，但吸水率随龄期的延长变小。在试验设计的再生粗骨料变化区间内，水胶比为0.3和0.4的再生混凝土吸水率变化程度小，而水胶比为0.5的吸水率变化较明显。同时，当再生骨料取代率超过40%，逐渐升高时，混凝土试件的吸水能力明显变强。

综合试验数据分析显示：试验组和对照组的混凝土的吸水率与水胶比和骨料取代率之间存在正相关，同时与龄期间存在负相关。当养护龄期由7 d变为28 d时，其吸水性能有较小的减弱。这种情况说明龄期在一定程度上能影响水泥浆内部的孔隙率。进一步分析得到：随着时间的延长，混凝土内部的化学反应更充分，水化产物更多，填充效果更好，使得吸水孔越来越少。同时也证明了，当水胶比较小时，再生混凝土的吸水能力较弱，填充效果较好，随着水胶比的增大，吸水效率有进一步的提升。

3.2 再生粗骨料取代率与再生混凝土强度的关系

3.2.1 再生粗骨料取代率与再生混凝土抗压强度的关系

7 d和28 d龄期下再生粗骨料取代率与再生混凝土抗压强度的关系如图2所示。

图2 再生粗骨料取代率与再生混凝土抗压强度的关系Fig.2 Relationship between replacement ratio of recycled coarse aggregate and compressive strength of recycled concrete

从图2(a)中可以看出：当再生骨料取代率取值范围在20%～40%时，制成的再生混凝土的抗压强度性能好且强度高于一般的混凝土；取代率在50%～100%区间内，再生混凝土抗压强度随着再生粗骨料取代率的升高而减小；此外，不论再生粗骨料取代率选取哪个数值，再生混凝土抗压强度大小都随着水胶比的增大而变小。

从图2(b)中可以看出：再生粗骨料取代率变化范围在≤50%时，水胶比为0.4和0.5时，试验组的抗压强度大小与对照组的普通混凝土基本一致。也可以看出，当水胶比为0.3且取代率为50%左右再生混凝土抗压强度最佳。

3.2.2 再生粗骨料取代率与再生混凝土劈拉强度的关系

7 d和28 d龄期时再生粗骨料取代率与再生混凝土劈拉强度的关系如图3所示。

图3 再生粗骨料取代率与再生混凝土劈拉强度的关系Fig.3 Relationship between replacement ratio of recycled coarse aggregate and splitting tensile strength of recycled concrete

从图3(a)中可以看出：再生粗骨料取代率20%时再生混凝土的劈拉强度均较高且大部分均高于普通混凝土强度；再生粗骨料取代率为60%～70%时，再生混凝土劈拉强度较低；再生粗骨料取代率30%时，再生混凝土劈拉强度达到了最大值；再生粗骨料取代率50%时，再生混凝土劈拉强度与普通混凝土强度相差不大;普通混凝土与再生混凝土的劈拉强度均随水胶比的增大呈减小的趋势。当再生粗骨料取代率在50%～100%时，再生混凝土的劈拉强度较低。

从图3(b)中可以看出：再生粗骨料取代率20%时再生混凝土的劈拉强度均最高且均高于普通混凝土强度；再生粗骨料取代率为60%～70%时，再生混凝土劈拉强度较低；再生粗骨料取代率≤50%时,再生混凝土劈拉强度的总体趋势是随着取代率的增加先增加后降低，直到再生粗骨料取代率为50%时再生混凝土强度与普通混凝土强度相差不大。再生粗骨料取代率为50%～100%的再生混凝土强度较低。

综上分析表明：当取代率≤50%时，再生混凝土的抗压和抗劈拉性能较好，得益于骨料和水化水泥间产生的较强物理黏合力。再生粗骨料取代率为20%时再生混凝土劈拉强度较好。此外，由于骨料与水泥间、粗骨料与基体之间都存在着一个过渡区，内部的微缝使混凝土结构变得更加复杂，所以决定因素由基体和过渡区二者来决定。其一，废弃混凝土制成的再生粗骨料表面粘附一些旧的水泥基，粘附的水泥基实际增加了凝固后再生混凝土的胶体含量，而随着胶体含量的增加，试件的抗压强度也会变大；其二，再生粗骨料自身具备棱角较多、表面比较粗糙且易粘结、界面强度高的特点；其三，再生粗骨料内部存在裂缝，当它受到外力后，加速了混凝土内部的破坏。这3种因素在混凝土受力过程中产生耦合作用，并相互作用。同时，不利因素和有利因素的大小关系将决定再生混凝土强度的高低。值得一提的是，水胶比为0.3、取代率为50%时，骨料与水泥之间的物理作用力最强，粘结性最好。

3.3 再生混凝土吸水率与再生混凝土强度的关系

3.3.1 再生混凝土吸水率与再生混凝土抗压强度的关系

7 d和28 d龄期时再生混凝土吸水率与再生混凝土抗压强度的关系如图4所示。

图4 再生混凝土吸水率与再生混凝土抗压强度关系Fig.4 Relationship between water absorption rate and compressive strength of recycled concrete

从图4(a)可看出：龄期7 d再生混凝土吸水率变化范围是2.5%～7.5%，对应的再生混凝土抗压强度范围是20～45 MPa。通过对试验数据分析，得出吸水率和抗压强度这二者间存在对数关系，并且抗压强度随吸水率增大而减小。

图4(b)中可以看出：龄期28 d吸水率区间是1.0%～4.5%，相对于龄期7 d再生混凝土的吸水率减少了3.0%左右。再生混凝土抗压强度取值范围在20～50 MPa之间，并且抗压强度集中在30～50 MPa范围内；通过试验数据发现，吸水率和抗压强度这二者之间的对数关系仍然存在，即再生混凝土吸水率增加，其抗压强度反而降低。

3.3.2 再生混凝土吸水率与再生混凝土劈拉强度的关系

7 d和28 d龄期下再生混凝土吸水率与再生混凝土劈拉强度的关系如图5所示。

图5 再生混凝土吸水率与再生混凝土劈拉强度的关系Fig.5 Relationship between water absorption rate and splitting tensile strength of recycled concrete

从图5(a)中可以看出：7 d龄期的再生混凝土吸水率接近3%～4%时劈拉强度最高；水胶比0.3和0.4的再生混凝土吸水率5%～6%时劈拉强度均最低；水胶比0.5的再生混凝土吸水率6%～7%时劈拉强度最低；再生混凝土劈拉强度与普通混凝土劈拉强度总体趋势是随着吸水率的增大而降低，并且其强度与吸水率之间呈幂指数关系。此外，再生混凝土和普通混凝土的劈拉强度总体趋势是随着水胶比的增大而降低。

从图5(b)中可以看出：28 d龄期的再生混凝土吸水率接近1%～2%时劈拉强度最高；水胶比0.3和0.4的再生混凝土吸水率2%～3%时劈拉强度均最低；水胶比0.5的再生混凝土吸水率3%～4%时劈拉强度最低；再生混凝土劈拉强度与普通混凝土劈拉强度随着吸水率的增大而降低，并且其强度与吸水率之间也是呈幂函数的规律。再生混凝土和普通混凝土的劈拉强度总体趋势是随着水胶比的增大而降低。

上述试验证明：再生混凝土的吸水率能有效地反映其抗压强度和劈拉强度。当吸水率高时，其强度小。对试验数据做进一步处理，发现混凝土的吸水率能从一定程度上反映出亲水性的强弱以及内部的孔隙特点。就一般情况而言，孔隙间隔越大，则吸水性能越好，封闭的孔隙水分无法进入，而且孔隙具有粗口开大情况时，反而不利于水分的吸取。内部布满细小开口孔隙的材料反而吸水性最佳。因此，吸水率的大小也从侧面表现出混凝土内部的密实程度。再生混凝土的亲水性能越好，其吸水率也越高，那么它的劈拉强度反而更低。

综上分析表明：再生混凝土的吸水率随着龄期的增长而变小。再生混凝土和普通混凝土的劈拉强度总体趋势是随着吸水率的降低而增大。近一步分析表明：在水化初期，水化产物较少时，其劈拉强度低。此外，在水化初期，水分供应比较充足，自由水较多，随着烘箱把再生混凝土烘干，会留下很多孔，所以吸水率较高。随着水化时间延长，水化产物越来越多，填充效应明显，再生混凝土和普通混凝土更加密实，所以其吸水率较低、强度较高。