钢纤维补偿收缩再生混凝土制备及性能

黄 伟，葛进进，方张平，张阳阳

(1.淮南联合大学建筑与艺术学院，淮南 232038；2.安徽理工大学土木建筑学院，淮南 232001)

0 引 言

混凝土为土木领域应用最为广泛的材料，材料中砂石用量巨大，为了解决生态环境和骨料资源紧缺问题，学者提出了利用再生骨料取代部分或全部天然骨料来配制混凝土，称其为再生骨料混凝土[1](Recycled Aggregate Concrete，简写RAC)。由于再生骨料具有一定缺陷，导致相同配合比配制的混凝土强度比普通混凝土低，且工作性能差[2-3]，这些缺点制约了再生混凝土的发展与应用。如何提高再生混凝土强度，改善其工作性能和变形性能，是众多学者研究的主要内容。张丽等[4]对不同取代率和不同尺寸的再生混凝土进行强度试验，得出不同取代率和尺寸的再生混凝土抗压破坏机理基本相同。乔宏霞[5]、徐萌波[6]等采取改变配合比和选用不同等级的废弃混凝土制作再生骨料，得出再生骨料掺量应根据使用情况来选择，强度等级高的再生骨料可以配置力学性能好的再生混凝土；侯永利[7]、王新杰[8]、张向冈[9]等对再生混凝土力学性能和收缩性能展开研究，发现再生混凝土早期收缩较快；安学旭[10]、杨粉[11]等利用钢纤维配制再生混凝土并进行大量力学性能试验，得到掺入适量的钢纤维对再生混凝土强度具有增强作用；Poon[12]、Pereira[13]和Leemann[14]等利用SEM等测试技术对再生混凝土界面过渡区结构和水化产物进行研究，发现界面过渡区的弱化影响再生混凝土的使用寿命；相军等[15]利用膨胀剂配制补偿收缩混凝土，分析膨胀剂掺量对再生混凝土干缩变形影响，并配制钢管再生混凝土进行力学性能试验，得出膨胀剂可以提高再生混凝土强度，降低混凝土收缩变形；张剑波[16]、崔正龙[17]等将膨胀剂掺入到再生混凝土中，研究再生混凝土内部结构的孔隙特征和干缩变形性能，试验证明掺入适量膨胀剂可以降低混凝土内部孔隙率，减小再生混凝土的干燥收缩。

本文同时掺入膨胀剂和钢纤维配制钢纤维补偿收缩再生混凝土，分析不同再生粗骨料取代率(rRA)、不同钢纤维体积掺量(ρf)对混凝土力学性能的影响，利用微观试验分析界面过渡区以及膨胀剂水化产物对再生混凝土力学性能和变形性能的改善作用，为推广和使用再生混凝土提供试验参考。

1 实 验

1.1 原料及配合比

再生粗骨料来源于废弃混凝土试块，经人工破碎、冲洗干燥后筛分处理，级配粒径范围为5～31.5 mm，天然粗骨料采用级配5～20 mm的天然碎石，骨料外观如图1所示，根据《建筑用卵石、碎石》(GB/T 14685—2011)中的方法测试两种粗骨料粒径分布，两种粗骨料的筛分曲线如图2所示，物理性能指标如表1所示；细骨料采用天然河砂，细度模数2.1；水泥采用淮南八公山水泥厂生产的 P·O 42.5水泥；外加剂选择聚羧酸高效减水剂，掺量0.3%；掺合料为庐江矾矿膨胀剂厂生产的CAL纤维膨胀剂，掺量8%；钢纤维采用波纹状压痕型钢纤维，特征参数如表2所示；水为当地自来水；混凝土设计强度C30，配合比如表3所示。

表3 再生混凝土配合比设计Table 3 Mixture ratio of recycled concrete

表1 粗骨料物理性能指标Table 1 Physical properties of coarse aggregate

表2 钢纤维特征参数Table 2 Characteristic parameters of steel fiber

1.2 试块制作与试验方法

再生混凝土的抗压、抗折强度试验按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)进行，每种配合比均制作3个100 mm×100 mm×100 mm立方体试块和3个100 mm×100 mm×400 mm棱柱体试块，其中3个立方体试块用于测量混凝土抗压强度，3个棱柱体试块用于测试混凝土的抗折强度；另外结合SEM分析水泥基材料中膨胀剂水化反应产物和再生混凝土界面过渡区微观结构，同时测试再生混凝土的变形性能，选择R0、R1、R5、R10和R15共5组配合比制作15个棱柱体试件，采用DZBY-355型补偿式混凝土收缩膨胀仪分别测试再生混凝土1 d、3 d、7 d、14 d、21 d、28 d、42 d和56 d的自由变形率。

2 结果与讨论

2.1 力学性能

图3为再生混凝土抗压强度分布曲线，随再生粗骨料取代率的增加，素混凝土和钢纤维混凝土的抗压强度变化规律基本一致，呈现先减小后增加再减小的变化趋势。再生粗骨料取代率为50%时，混凝土抗压强度曲线出现凸起现象，表明相同水灰比时，因掺入再生骨料导致混凝土的实际水灰比减小，以及人工破碎造成再生骨料的多棱角，增强了骨料与新砂浆之间的咬合力，导致混凝土强度产生的增强效应大于因骨料自身缺陷带来的降低效应，从而提高了再生混凝土的抗压强度；钢纤维体积掺量为0.6%和1.2%时，再生混凝土抗压强度仅比素混凝土分别提高了6.65%和7.31%，表明钢纤维的掺入对再生混凝土抗压强度变化规律影响不大，抗压强度的增幅不明显；当钢纤维体积掺量为1.2%，再生粗骨料取代率大于等于75%时，再生混凝土抗压强度反而低于钢纤维体积掺量为0.6%的混凝土，表明再生粗骨料取代率对混凝土抗压强度的影响大于钢纤维体积掺量，一方面因过多的再生粗骨料引起混凝土内部缺陷的增加，另一方面钢纤维掺入过多后，混凝土搅拌凝固过程中容易发生积聚现象，影响其和易性，从而引起再生混凝土抗压强度的降低。

图4为再生混凝土抗折强度分布曲线，从图中可以看出，再生混凝土抗折强度与抗压强度变化规律基本一致。不掺钢纤维时，再生粗骨料取代率为25%、50%、75%和100%时，混凝土抗折强度降幅分别为8.9%、4.4%、12.9%和18.7%；钢纤维体积掺量为0.6%和1.2%，再生粗骨料取代率为0%时，与素混凝土相比分别提高了8.7%和11.5%，再生粗骨料取代率为50%时，钢纤维体积掺量为0.6%和1.2%的再生混凝土抗折强度分别达到4.46 MPa和4.70 MPa，比素混凝土分别提高了9.1%和14.9%，再生粗骨料取代率为100%时，钢纤维掺量为0.6%和1.2%的再生混凝土抗折强度同时显著下降，分别降低至3.83 MPa和3.95 MPa。试验证明掺入钢纤维可以提高混凝土抗折强度，但再生粗骨料掺入过多后，因混凝土基体强度下降，造成钢纤维没有充分发挥其增强增韧的作用。综上分析，钢纤维体积掺量为0.6%，粗骨料取代率为50%，配制的钢纤维补偿收缩再生混凝土具有良好的力学性能。

图4 不同再生粗骨料取代率时再生混凝土抗折强度Fig.4 Flexural strength of recycled concrete with different replacement rate of recycled coarse aggregate

2.2 试件破坏特征

图5为钢纤维再生混凝土抗压破坏图，可以看出再生混凝土与普通混凝土破坏形态基本相似。随再生粗骨料取代率增大，混凝土试块在荷载作用下外表面开始产生微裂缝，裂缝主要沿着新、旧砂浆以及旧砂浆与天然骨料的界面过渡区开展，并逐渐形成宏观的主裂缝，导致试件出现崩裂脱落，破坏严重。而钢纤维的掺入对混凝土试件的破坏裂缝有一定的抑制作用，钢纤维体积掺量为0.6%时，混凝土试件表面出现较多的竖向裂缝，在钢纤维的约束下，试件基本保持完整，仅有少部分砂浆剥落；钢纤维体积掺量为1.2%时，混凝土试件外观出现少许细而短的微裂缝，试件表现出更高的完整性，表明适量的钢纤维可以有效控制试件的变形。

图5 典型钢纤维再生混凝土抗压破坏Fig.5 Compressive failure of steel fiber recycled concrete

图6为典型钢纤维再生混凝土抗折破坏图，从图中可以看出不掺钢纤维时，混凝土试件直接断裂；钢纤维体积掺量为0.6%时，混凝土抗折试件下部出现裂缝，裂缝延伸至试件中轴线以上，试件变形较大且保持不断；钢纤维体积掺量为1.2%时，混凝土抗折试件出现短细的微裂缝，试件保持完整，变形微小。充分显示出钢纤维对抗折试件裂缝扩展的控制效果。

图6 典型钢纤维再生混凝土抗折破坏Fig.6 Bending failure of steel fiber recycled concrete

2.3 界面过渡区微观分析

人工破碎再生粗骨料呈现“老砂浆-界面-天然石子”三相材料，再生粗骨料与新拌水泥浆会形成新的界面过渡区，为了分析再生混凝土界面过渡区微观结构，图7列出三种典型再生混凝土过渡区微观结构照片。从图7(a)可知，普通混凝土新拌水泥浆与天然石子之间界面(ITZ1)轮廓清晰，接触面粘结充分，相同水灰比时混凝土内部相对密实，没有明显微裂缝，混凝土呈现较好的力学性能，其抗压、抗折强度分别为32.4 MPa和4.28 MPa；从图7(c)可知，全部由再生粗骨料配制的混凝土，其界面过渡区存在ITZ1、ITZ2(老砂浆与天然粗骨料界面过渡区)和ITZ3(再生骨料上老砂浆与新拌砂浆之间的粘结面)三种情况，ITZ1和ITZ3周边水化产物分布不均匀，内部孔隙较多，从ITZ2微观形貌可以看出再生粗骨料内部有明显损伤和裂纹，影响混凝土力学性能，其抗压、抗折强度分别降至26.4 MPa和3.48 MPa。结合再生混凝土界面过渡区微观结构和宏观力学性能分析可知，相同水灰比时，再生粗骨料取代率越高，将会吸附更多自由水，从而影响水泥和膨胀剂水化反应速度、界面过渡区水化产物的密实度和骨料之间的黏结力，导致混凝土的力学性能劣化增速。当再生粗骨料取代率为50%(见图7(b))，混凝土内部界面过渡区水化产物较为丰富，结构较为密实，水化产物的堆积和粘结作用使得再生混凝土获得较好的抗压和抗折强度。

图7 再生混凝土界面过渡区微观结构Fig.7 Microstructure of interfacial transition zone of recycled concrete

2.4 变形性能

补偿收缩再生混凝土变形性能采用棱柱体试块，试块制作12 h后拆模，首先进行试件初始长度L0测量，然后将试块放入温度恒定的水中养护，14 d后放到养护箱养护至试验龄期，取出测定试件的长度，利用εt=(Lt-L0)/L0计算再生混凝土自由膨胀率和收缩率，式中：εt为试件在龄期t时的收缩率或膨胀率；Lt为试件在龄期t时的长度。

图8为再生混凝土自由膨胀和收缩率曲线，从图中R0和R1曲线可以看出，试件在自由状态下，膨胀剂的加入对混凝土的自由膨胀率有一定的增益作用，没有掺入膨胀剂时，混凝土先略有微膨胀后急剧收缩，而掺入一定量膨胀剂后，混凝土在14 d左右时，自由膨胀率达到最大，随后逐渐降低。图9为混凝土中水泥浆体SEM照片，从图9(a)发现普通水泥浆中Ca(OH)2和C-S-H胶凝晶体较少，钙矾石(AFt)结晶物少，内部孔洞大，且数量多；从图9(b)可以看出，因掺入膨胀剂，水泥浆中水化产物形貌丰富，针状和块状的AFt晶体大而多，呈现絮状结构，内部较为密实。从图8中R1和R5曲线对比发现，再生混凝土中添加膨胀剂后产生的自由膨胀率明显小于普通混凝土，表明膨胀剂水化后产生的C-S-H胶凝和针状的AFt有助于填充再生粗骨料自身内部缺陷，弱化混凝土自身的微膨胀；另外，相同水胶比时，由于再生粗骨料附着老砂浆会增加混凝土内部孔隙含量，造成孔隙水蒸发量增大，C-S-H凝胶体需要提供自身水分弥补孔隙水蒸发损失量，导致再生混凝土干缩增大。从图8中R10和R15曲线可以得出，随着钢纤维掺量的增大，补偿收缩混凝土的自由膨胀率降低，表明钢纤维的掺入对混凝土微膨胀有一定的约束和抑制作用。

图8 再生混凝土自由膨胀和收缩率曲线Fig.8 Free expansion and shrinkage percentage of recycled concrete

图9 水泥浆体SEM照片Fig.9 SEM images of cement slurry

3 结 论

(1)随着再生粗骨料取代率的增加，再生混凝土抗压和抗折强度呈现先减小后增大再减小的变化规律；掺入钢纤维可以提高补偿收缩再生混凝土抗压、抗折强度；与素混凝土相比，再生粗骨料取代率为50%，钢纤维体积掺量为0.6%和1.2%时，补偿收缩再生混凝土抗压强度分别提高6.65%和7.31%，抗折强度分别提高9.1%和14.9%，表明钢纤维对提高混凝土的抗折强度影响效果更为明显。

(2)由再生混凝土破坏特征可知，掺入钢纤维可以很好控制混凝土的裂缝发展，尤其是控制抗折试件的弯拉裂缝，保持试件整体性；当再生粗骨料取代率超过50%后，因骨料内部缺陷造成混凝土基体强度下降，不能充分发挥钢纤维增强增韧的效果，建议钢纤维再生混凝土中再生粗骨料取代率不宜超过50%。

(3)通过SEM照片可以观察再生混凝土界面过渡区的微观形貌以及膨胀剂水化产物，得出骨料界面过渡区是影响混凝土强度劣化和破坏特征的关键，同时发现掺入膨胀剂可以降低混凝土自收缩变形，减小内部孔隙率，提高混凝土密实度，加入钢纤维可以调节和限制混凝土内部膨胀产生的变形，两种材料同时掺入可以获得较好的力学性能和变形性能。