再生骨料掺量对混凝土性能的影响*

2019-04-25杨利民闫美珠卢亚荣斯方海

商品混凝土 2019年4期

杨利民，闫美珠，卢亚荣，斯方海

（陕西省建筑科学研究院有限公司，陕西西安 710082）

0 前言

将废弃混凝土破碎、分级并按一定比例相互配合后可得到“再生骨料”（Recycled Aggregate），将其部分或全部骨料替代天然骨料配制的混凝土即“再生混凝土”（Recycled Aggregate Concrete）。再生骨料混凝土的应用减小了对天然砂石骨料的开采，不仅节约自然资源，而且保护生态环境[1-3]。

虽然目前针对再生混凝土的性能研究比较多，但是研究的结果通常各不相同，有些结果甚至截然相反。同时，目前国内外研究大多数集中在再生骨料混凝土的基本性能，而对再生骨料混凝土耐久性方面的研究相对比较少。针对上述问题，本文采用不同掺量的饱和面干再生骨料配制混凝土，系统研究再生骨料掺量对混凝土工作性和力学性能、抗水渗透性能、抗碳化性能、抗氯离子渗透性能，收缩性能的影响。

1 试验设计

1.1 原材料

（1）胶凝材料

采用盾石牌 P·O42.5 普通硅酸盐水泥，其物理性能见表1。

采用Ⅱ级粉煤灰和 S95 级磨细矿渣，其物理性能指标见表2。

表1 水泥的性能指标

表2 掺合料性能指标

（2）骨料细骨料为泾河中砂，细度模数 2.6，含泥量 1.1%。天然粗骨料为泾河碎石，粒径 5～20 mm 连续级配，含泥量0.8%。

再生骨料主要来源为废弃混凝土，由陕西龙凤石业有限责任公司加工提供，粒径 5～20mm，连续级配，含泥量 3.08%，压碎指标 13.2%。

（3）外加剂

采用液体聚羧酸系高效减水剂，固含量 11.5%，掺量为胶凝材料用量的 1.7%。

1.2.40 混凝土配合比设计

在前期试验基础上，选择合适的配合比设计，采用0、15%、30%、45% 四种掺量的骨料配制混凝土，分别标记为 C1、C2、C3 和 C4 组，如表3 所示。

表3 混凝土配合比.g/m3

1.3 测试方法

（1）采用饱和面干法对再生骨料进行表面改性。改性方法如下操作：采用普通清水对骨料进行浸泡，先将再生骨料装入容器中浸泡 1h 左右，再将浸泡的骨料放入带有微小孔（孔径小于 5mm）的容器中用流水冲刷直到容器底部流出的水较为清澈为止。在 23℃、湿度 56% 的环境中，将清洗干净的再生骨料在带孔容器中晾干 2h 左右即为饱和面干再生骨料。要注意在饱和面干处理过程中，需把握好骨料的饱和面干状态，若表面未晾干，多余水分会使混凝土实际水灰比增大，进而影响新拌混凝土和易性及硬化混凝土强度和耐久性

（2）采用改性后的骨料，选用四种掺量（0、15%、30%、45%）设计 C40 泵送混凝土。分别测试混凝土工作性、强度和耐久性。

按照国家标准 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》的试验方法测试混凝土的出机坍落度、倒提时间、1 小时坍落度损失。

按照国家标准 GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》的试验方法测试硬化混凝土3d、7d、28d、60d 强度。混凝土抗压强度测试试验样块采用 100mm×100mm×100mm 模具成型并通过机械振捣 10s，标养至规定龄期进行抗压强度测试；

按照国家标准 GB/T 50082—2002《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》的试验方法测试混凝土耐久性：成型 185mm×175mm×150mm 试块6 块养护至规定龄期后进行抗渗试验（抗水渗透）；成型 Φ100mm×50mm 试块 6 块养护至规定龄期后进行抗氯离子渗透试验（电通量法）；成型 100mm×100mm×300mm 试块 3 块养护至规定龄期后进行碳化深度试验；成型100mm×100mm×400mm 试块 3 块养护至规定龄期后进行抗冻试验（快冻法）；成型100mm×100mm×515mm 试块 3 块养护至规定龄期后进行收缩试验（接触法）。

2 试验结果分析

2.1 工作性

测量出机坍落度、坍落度筒倒提时间和 1h 坍落度、1h 坍落度筒倒提时间，得出试验结果如表4 和图1所示。

表4 混凝土工作性能结果

图1 工作性

从图1 可以看出，混凝土出机坍落度在 235～240mm 之间波动；1h 坍落度在 205～225mm 范围内波动，1h 坍落度经时损失均小于 20mm；出机倒提时间在 9.6～20.3s 内波动，1h 倒提时间在 11.5～28.6s 内波动。

从结果可以看出，当饱和面干再生骨料掺量小于45% 时，再生骨料对混凝土工作性的影响非常小，拌合物满足混凝土工作性要求。

众所周知，再生粗骨料表面附着大量泥和石粉，泥和石粉主要是水泥石在碾磨过程中相互摩擦产生，它的活性很小，而且泥和石粉会吸收外加剂和大量的水分，因此骨料改性的首要问题是解决再生骨料高吸水率的问题。本文采用饱和面干法改性骨料，大大降低骨料含泥量和石粉含量，也就是降低了骨料在拌合过程的需水量，因此，拌合物表现出较好的流动性。

2.2 抗压强度

混凝土 3d、7d、28d 和 60d 抗压强度结果如表5 和图2 所示。

表5 混凝土抗压强度结果 MP a

图2 混凝土抗压强度

从图2 可以看出，混凝土 28d 抗压强度均达到 C40设计要求，再生骨料掺量为 15% 时混凝土 60d 抗压强度最大，可见当饱和面干再生骨料掺量在 45% 以下时，再生骨料掺量对混凝土强度的影响不大。

众所周知，天然骨料混凝土强度高于再生骨料混凝土的原因主要是：首先相比于再生骨料，天然骨料本身的强度高；其次，天然骨料含泥量低，骨料和水泥石的界面过渡区强度高。再生骨料的界面分为：骨料和新水泥石之间的界面；以及骨料表面旧砂浆和新水泥石之间的界面[4-5]。而张利娟[6]认为再生骨料对混凝土具有正负两方面的效应，再生骨料存在一个最佳替代率。石宵爽等[7]通过研究发现，再生骨料吸收的水分会随水泥水化作用缓慢地释放出来，促进了再生混凝土强度的发展，即有一个自养护过程。且再生骨料表面状态的改善、矿物外加剂的掺入及搅拌方式的改进有助于界面过渡区结构均匀性、密实性及强度的提高，最终增强再生混凝土物理力学性能[8]。本文选择饱和面干法对骨料表面改性，再生骨料含泥量很低，可以很大程度降低骨料对拌合用水和外加剂的吸收，可有效强化再生骨料混凝土内部界面强度，有益于混凝土强度的增长。这就是 C2 组60d 强度高于 C1 组的原因。

但饱和面干骨料掺量不宜过大，若掺量过大，则在混凝土成型之后，饱和面干骨料内部的水分处于不停地蒸发状态，直到和外界湿度形成平衡状态，在此过程中会造成界面过渡区局部水灰比较高，进而造成界面过渡区水泥石强度较低，对混凝土抗压强度有降低的不良影响。

2.3 抗水渗透

采用逐级加压法进行抗水渗透试验，并按照渗水高度试验方法测量每组混凝土的渗水高度。根据试验结果做出柱状图，如表6 和图3 所示。

表6 混凝土抗水渗透结果

图3 抗水渗透等级和渗透高度

从结果来看，C1 和 C2 组最大水压力为 1.0MPa，C3 和 C4 组最大水压力为0.9MPa。4 组混凝土均达到P8 抗渗等级。其中 C1 组的渗水高度大于 C2 组的渗水高度；C3 组的渗水高度大于 C4 组的渗水高度。

影响混凝土抗渗性能的因素有水泥用量和品种、水灰比、骨料粒径、外加剂、养护条件等。其中水灰比是影响混凝土抗水渗透性能的最重要的因素。水灰比越大，则混凝土内部孔隙率越大，有害孔和多害孔越多，表现为混凝土抗水渗透性能越差。即混凝土的抗渗性能会随着混凝土水胶比的增加而降低[9-11]。而一般情况下，再生骨料和天然骨料的抗渗性均比较高，水泥砂浆的抗渗性是影响混凝土抗渗性能的主要因素。

该试验 C1～C4 组混凝土水灰比相同，均为0.37，砂率相同，唯一不同的是骨料，不同的骨料会有不同的界面，界面区的水泥砂浆的抗渗同样非常重要。当饱和面干再生骨料掺量为 45% 以下时，四组配合比的抗渗性均可以达到 P8 要求，说明骨料的加入对混凝土抗渗影响较小，即再生骨料界面区水泥砂浆的抗渗与天然骨料的界面区差别不大。也即是说当饱和面干再生骨料掺量不大于 45% 时，再生骨料掺量对混凝土抗渗性影响较小。

2.4 碳化深度

将试块养护至 7d 开始测量碳化深度，分别测量7d、14d、28d 和 56d 碳化深度。根据试验结果做出曲线图，如表7 和图4 所示。

表7 混凝土碳化深度 mm

图4 碳化深度

从图4 可以看出：四组混凝土碳化深度变化规律相似，均从 28d 起开始出现明显的碳化。56d 龄期下，C4 组的碳化深度最高，为0.7mm，C1 和 C3 组碳化程度相同，均为0.3mm。四组碳化程度均属于 T-IV 级。

混凝土碳化速度取决于混凝土的密实度及其Ca(OH)2含量，混凝土的密实度越大，碱储备量越多，其抗碳化能力越强。水泥用量越大，水灰比越小，颗粒级配良好，则混凝土抗碳化能力越强[12-13]。而对于再生骨料混凝土来说，由于再生骨料孔隙率大于天然骨料，再生混凝土骨料界面区相对薄弱，这样 CO2在再生骨料混凝土内部的扩散通道多于普通混凝土，CO2能快速进入混凝土内部，不利于混凝土的抗碳化性能；同时再生骨料表面含有旧水泥浆体，浆体中包含了较多的水化产物 Ca(OH)2，CO2在进入混凝土内部的过程中会与再生骨料浆体中的 Ca(OH)2发生反应，降低其传输速率，提高其抗碳化能力，有利于混凝土的抗碳化性能。再生混凝土的抗碳化能力是以上二者综合效应得到的[14]。

该试验 C1～C4 组配合比 56d 碳化深度不相同，但均属于 T-IV 级。说明当再生骨料掺量小于 45% 时，再生骨料的负效应与正效应相当，表现出碳化深度较小。也即是说当饱和面干再生骨料掺量不大于 45% 时，再生骨料掺量对混凝土抗碳化性能并未产生严重的影响。

2.5 抗氯离子渗透性能

将试块养护至 28d 后，测量每组试块的电通量。根据试验结果做出柱状图，如表8 和图5 所示。

由图5 可以看出：四组混凝土 28d 电通量C4>C1>C2>C3，四组电通量均小于 1000C，均可以达到 Q-IV 级。可以看出电通量与再生骨料掺量没有明显的线性关系，这说明当掺量小于 45% 时，再生骨料的掺入对混凝土电通量的影响不大。

表8 抗氯离子渗透试验结果

图5 电通量

众所周知，混凝土电通量法的实质是测试混凝土的电阻（电导）。影响混凝土电导率的因素较多，主要是混凝土中的孔结构和孔隙率，其具体表现为水灰比与矿物掺合料。水灰比的影响最为直接，当水灰比降低时，混凝土的电阻率提高。然而，当水灰比下降到一定程度时，矿物掺合料会对电阻率产生显著的影响，其主要原因是粉煤灰、矿渣等掺合料会在水化过程中发生二次水化反应，并填充在水泥水化产物之间，起到了“颗粒细化”和“孔径细化”的作用，并可以有效改善再生骨料混凝土界面过渡区的性能，提高再生骨料混凝士的密实性[15-16]。

在再生骨料混凝土中，水泥石的孔结构、孔隙率以及内部的微裂纹，骨料与水泥石界面的微裂纹，再生骨料的微裂纹，均是影响再生骨料混凝土渗透性的主要因素[17]。而当再生骨料掺量小于 45% 时，再生骨料的缺陷对混凝土整体的孔结构的影响较小，因此表现出再生骨料掺量对混凝土电通量无明显影响。

2.6 收缩变形

从试块拆模开始测量混凝土收缩变形，根据试验数据做出曲线图，如表9 和图6 所示。

从图表可以看出：28d 龄期之前，四组混凝土收缩基本相同，均为 230μm 左右，收缩变形在 28d 内发展较快；28d 到 90d 龄期时，四组混凝土的收缩相互之间有了区别；当 90d 龄期时，C1 组混凝土收缩率为350μm 左右，C2 组混凝土收缩率为 370μm 左右，C3组 430μm 左右，C4 组混凝土收缩率为 400μm 左右，此后收缩随混凝土与外界湿度逐渐平衡而趋于平缓。各组混凝土收缩率均在 300～400μm 之间，可以看出当再生骨料掺量小于 45% 时，再生骨料掺量与混凝土收缩无明显线性关系，并且再生混凝土干燥收缩和普通混凝土发展规律相似，这与其他学者研究结果相似[18-20]。

表9 混凝土收缩率(×10-6mm)

图6 干燥收缩率与龄期的关系

混凝土的干缩主要由水泥砂浆失水后产生毛细管张力的变化所引起，骨料在混凝土中形成骨架，对收缩有一定的抑制作用。影响混凝土干缩的主要有水泥品种、水泥用量、骨料性能（骨料弹性模量高，级配好，收缩就小）、养护条件等。本文采用饱和面干骨料，骨料含泥量较低，在掺量小于 45% 时，虽然界面区相对天然骨料较弱，并未直接影响水泥砂浆的孔隙结构，因此收缩变形与普通混凝土相差不大。