再生粗骨料特性及其对混凝土性能的影响研究

2019-09-25梁强强郑挥欣

商品混凝土 2019年9期

梁强强，郑挥欣

（浙江天石建材有限公司，浙江金华 322300）

0 前言

近年来，随着我国城镇化的快速推进和城镇旧城区的大量拆迁更新，造成了废弃混凝土、砖石等固体废弃物的大量排放，给城市环境带来了大量负荷，同时也占用大量人力物力等公共资源转运处置

[1]。大量学者[2-5]尝试对废弃混凝土进行再生资源化利用，通过破碎、冲洗、筛分等工艺获得与天然砂石相同粒径的再生骨料，部分或全部取代天然骨料进行中低强度混凝土的配制，国家也相应出台了 GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》，对再生粗骨料应用进行规范化指导。然而再生粗骨料由于附带部分砂浆、空隙率高于天然粗骨料，在应用过程中需要特殊区分，另外其特性受到循环利用次数和强度等级等因素影响，有关研究资料相对较少，需要更多数据支撑。

本文针对再生粗骨料特性进行分析，并对再生粗骨料在混凝土中的性能进行研究，以期为再生粗骨料的应用提供参考。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

（1）胶凝材料

水泥采用 P·O42.5R 普通硅酸盐水泥；粉煤灰为Ⅱ级灰，需水比为 98%；矿粉为 S95。水泥的主要性能指标见表 1。

（2）骨料

细骨料由天然砂和机制砂组成，天然砂细度模数为 1.5，含泥量 1.0%，机制砂为石灰质砂，细度模数为2.7，含粉 12%，MB 值 1.5。

表 1 水泥主要性能指标

天然碎石颗粒粒径为 5～25mm，连续级配，压碎指标 8.0，无泥块；再生粗骨料由 C30 混凝土试块经破碎，筛选而成，去除表面附带石粉，粒径为 5～25mm。

（3）外加剂

采用聚羧酸外加剂，含固 12%，减水率 21%。

1.2 试验方法

（1）将废弃混凝土经破碎，筛分，去除表面所含石粉，得到粒径为 5～25mm 的再生粗骨料，其吸水率、筛分试验及其他物理性能试验参照 GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》进行。

（2）混凝土工作性能参考 GB/T 50080—2016 《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》。混凝土抗压强度按照 GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》成型 100mm×100mm×100mm 混凝土试件，常温养护 24h 拆模，测试混凝土指定龄期的抗压强度。

（3）采用接触法测试混凝土的干燥变形性能。按照混凝土配比成型尺寸 100mm×100mm×515mm 的棱柱体试件，每组 3 块，并预埋测头，带模养护 1d 后脱模，室内养护，条件为 (20±2)℃、相对湿度为 60%，测试不同龄期的混凝土收缩率，计算公式如下：

式中：

εt——试验期为 t(d) 的混凝土收缩率，%；L0——时间长度的初始度数，mm；

Lt——试件在试验期 t(d) 时测得的长度，mm；Lb——试件的测量标距，mm。

2 试验结果及讨论

2.1 再生粗骨料特性

（1）颗粒分布

良好的骨料颗粒级配能够降低水泥用量、改善混凝土和易性、降低硬化后混凝土结构孔隙率。再生粗骨料由天然原石和人工石组成，破碎后要对再生粗骨料的级配进行分析，选择合适的再生粗骨料。

表 2 结果显示再生粗骨料大部分尺寸在5～25mm，其中 4.75～19mm 粒径范围占比超过 90%，基本符合连续骨料级配。

（2）吸水率

测试了再生粗骨料随时间吸水量变化，结果见表3、图 1。

表 3 再生粗骨料随时间吸水率变化 %

图 1 再生粗骨料随时间吸水率变化曲线

测试结果显示，随着时间推移，天然粗骨料吸水量较低，且在 100min 内吸水量基本稳定，而再生粗骨料吸水率较高，且吸水过程是持续性的，但主要在 60min内，这说明再生粗骨料对外界水分的吸收主要发生在早期，早期充足的水分对于再生骨料稳定较为必要。

混凝土在水化和服役的过程中，不可避免的产生气孔和微裂纹，在进行再生粗骨料的生产中，这些孔隙和微裂纹为水分迁移提供了大量通道，使得再生粗骨料吸水速率和吸水率都高于天然粗骨料[6]。

（3）其他物理性能（见表 4）

表 4 再生粗骨料和天然粗骨料物理性质对比

表 4 结果表明，再生粗骨料空隙率较高，且压碎值较高，承受荷载的能力较弱，这将对拌合后的混凝土性能造成影响。

表 2 粗骨料在不同筛孔尺寸下的分级和累计筛余

2.2 再生粗骨料取代率对混凝土性能的影响

再生粗骨料和天然粗骨料在吸水率、空隙率、压碎值等关键指标方面存在明显差异，在应用中需要考虑再生粗骨料掺比问题，选择合适的再生粗骨料取代比例对于混凝土性能的发挥极其重要。

以 C30 为例，C30 配合比及原材料用量见表 5。采用表 5 配合比，选择不同的再粗生骨料取代比例，研究再生粗骨料对混凝土工作性能和力学性能的影响，试验结果见表 6。

表 5 C30 混凝土配合 kg/m3

表 6 再生骨料取代比例对混凝土性能性能的影响

从表 6 可以看出，再生粗骨料取代比例从 0% 增加至 100%，混凝土初始坍落度和扩展度也随之下降，混凝土 7d、28d 和 60d 抗压强度也出现不同程度的下降。这是因为再生粗骨料在破碎过程中会产生部分棱角[7]，表面凹凸不平，对浆体流动产生的阻力较大[8]，混凝土工作性能下降。当再生粗骨料掺比 40% 以下时，混凝土初始坍落度和扩展度损失、抗压强度损失相对可控，有利于再生粗骨料的资源化利用。

2.3 再生粗骨料预湿对混凝土性能的影响

干燥的再生粗骨料会吸收水分，使得混凝土流动性下降，为了降低再生粗骨料吸水率高对混凝土工作性能带来的负面影响，采用骨料预湿技术，使得再生粗骨料处于饱和面干状态，进行下一步试验，结果见表 7。

表 7 结果显示，在再生粗骨料取代 20%、40% 时，预湿有助于再生粗骨料混凝土流动性改善，1h 坍落度和扩展度保持能力也优于未预湿再生粗骨料混凝土，这可能因为再生粗骨料预湿大幅降低了其内部孔隙和毛细通道对外部水分的吸收，使得水分能够足够带动浆体和骨料的流动，粗骨料吸收的水分在静置的过程中又可以反哺混凝土内部，使得混凝土经时坍落度损失降低。

但同时也可以看出，再生粗骨料预湿后混凝土抗压强度降低，且再生粗骨料比例越高，强度下降越明显。混凝土强度取决于水泥浆体与骨料的粘接力[9]，干燥的再生粗骨料通过与周围水泥浆进行水分交换，使得界面过渡区有效水胶比降低，混凝土整体强度提高。

表 7 再生粗骨料预湿对混凝土性能的影响

2.4 再生粗骨料对混凝土体积稳定性的影响

混凝土在水化和养护过程中易产生收缩，进而产生微裂纹，若继续发展会影响混凝土结构的服役寿命[10]。再生粗骨料自身的特点使得其内部与外界交换水分的通道较多，对混凝土体积稳定性造成一定影响，对此，研究了不同比例的再生粗骨料混凝土在室内养护（温度(20±2)℃，相对湿度 50%）下混凝土的收缩，结果见表 8、图 2。

表 8 再生粗骨料比例对混凝土收缩的影响(×10-6)

图 2 再生粗骨料混凝土干燥收缩情况

表 8、图 2 结果表明，再生粗骨料掺入能够加大混凝土各龄期收缩，且再生粗骨料越多，收缩越大。全天然粗骨料混凝土主要发生在 18d 以内，之后收缩幅度缩小，当再生粗骨料掺量超过 20%，混凝土收缩增加，这是因为再生粗骨料内部气孔较多，在养护水分不足的情况下，混凝土内部水分更容易通过内部孔隙蒸发，进而加大自身收缩。