再生粗骨料掺量和冻融循环对再生混凝土孔结构和抗压强度的试验研究

陈海玉，徐福卫

(湖北文理学院 土木工程与建筑学院，湖北 襄阳 441053)

自1824年波特兰水泥问世至今，混凝土由于具有众多的优越性而成为建筑行业使用最广泛和用量最大的建筑材料之一. 2015年1月在北京公布的《我国建筑垃圾资源化产业发展报告(2014年度)》[1]显示，2014年我国废弃混凝土就超过了15亿吨，随着城镇化进行和基本建设步伐的加快，预计到2020年废弃混凝土将会更多，建筑垃圾围城的现象日趋严重. 混凝土公路建设需要大量的砂石、骨料作为原料，将废弃混凝土破碎、筛分，选取品质好的粗骨料或细骨料掺入天然骨料中生产路面再生混凝土，达到废弃混凝土的资源化利用是解决建筑垃圾围城的有效措施.

与普通混凝土相比，再生混凝土由于掺加了再生骨料，再生骨料的性能不如天然骨料，内部存在着不少缺陷，如吸水率大、表面附着的砂浆存在微裂纹等，所以其吸水率和孔隙率都较大，抗压强度也较同强度普通混凝土要低，抗冻耐久性差，这些缺陷严重制约其推广和应用. 我国秦岭淮河以北广大地区属于典型的季节性冰冻区，占国土面积的53.5%[2]，冰冻损害是影响这些区域混凝土路面耐久性的重要原因之一，因此加强再生混凝土抗冻耐久性的研究十分必要.

试验配置了再生骨料掺量为0、20%、30%和50%的再生混凝土，通过对比冻融试验，分析冻融循环对再生混凝土孔结构的影响，以及孔结构的变化对再生混凝土强度的影响.

1 材料及方法

1.1 试验材料

水泥选用华新堡垒牌P.C42.5R普通硅酸盐水泥，细骨料采用标准砂，细度模数2.58，天然粗骨料为5～25mm的卵石，再生粗骨料为2.5～25mm的碎石，再生粗骨料的级配有关标准[3-4]的规定，如图1所示.

图1 再生粗骨料级配

1.2 配合比设计

采用对比试验，配置再生骨料掺量为0、20%、30%和50%的再生混凝土，分别为为NCA、RC20、RC30和RC50. 根据文献[5]相关规定，经过多次试做试验，最终确定再生混凝土配合比(如表1所示)，实验中粗、细骨料都是天然含水率.

表1 再生混凝土配合比

1.3 实验方法和步骤

实验测定再生骨料掺量为0、20%、30%、50%再生混凝土的各项基本性能，并采用苏州纽迈分析仪器股份有限公司生产的纽迈-MesoMR型核磁共振波谱仪扫描测定混凝土内部孔结构，具体步骤如下：

1.3.1 普通混凝土实验(再生骨料掺量为0的再生混凝土)用河南鸿福机械设备有限公司生产的轮碾立式-TJ2000型混凝土搅拌机进行拌和混凝土15min. 按规范测定混凝土的塌落度，在标准养护室养护28d后测定孔隙率、孔径分布和抗压强度.

1.3.2 再生混凝土实验将从滨江路改造中收集来的废弃混凝土用南昌市力源矿冶设备有限公司生产的力源牌HPEF-125×100环保型鄂式破碎机破碎，再用2.5～25mm不同孔径的筛筛分(筛分后的再生粗骨料级配情况如图1所示)，保留5～25mm大颗粒，用水冲洗、晾干，作为再生粗骨料使用. 按照20%、30%和50%比例用再生骨料替代天然骨料掺入进行混凝土配置、拌和、制备后养护28d，测定再生混凝土的孔隙率、孔径分布和抗压强度.

1.3.3 混凝土冻融实验采用《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的快冻法，使用中国建筑科学研究院研制的CABR-HDK型混凝土快速冻融试验机进行冻融实验. 实验开始前，将养护28d的混凝土试块放入水中浸泡4d至恒重，冻融循环温度为-20～5℃，每50次冻融循环测定一次孔隙率、孔径分布和抗压强度.

2 实验结果及分析

实验测定了养护28d冻融实验前和冻融循环50次、100次、200次后试件的孔隙率、孔径分布和抗压强度.

2.1 孔隙率的变化对再生混凝土抗压强度的影响

采用纽迈-MesoMR型核磁共振波谱仪扫描测定试块的孔隙率和孔径分布(如图2所示). 可以看出，再生粗骨料由于骨料表面包裹了一层老砂浆，破碎时老砂浆内部存在一定的损伤，孔隙率相对较大. 因此，再生混凝土的孔隙率随再生粗骨料掺量的增加也随之增加(如图2(a)所示). 冻融条件下，随着冻融次数的增加，混凝土的孔隙率也不断增加(如图2(b)所示).

(a)再生骨料掺量 (b)冻融次数

从图3和图4可以很清晰地看出，随着冻融次数的增加，孔隙率不断增大，抗压强度也不断降低. 不管是养护28d的冻融前还是冻融以后，混凝土的抗压强度随再生粗骨料掺量的增加而逐步降低. 普通混凝土(NCA)和再生混凝土(RC20、RC30、RC50)的抗压强度随冻融次数的增加而降低，但掺入了再生粗骨料的再生混凝土较没有掺入的普通混凝土抗冻性要差，抗压强度随冻融次数降低更快，特别是冻融100次以后，到200次时，混凝土试件的强度降低非常明显，几乎全部失去了承载能力.

图3 冻融循环再生混凝土抗压强度随孔隙率的变化

图4 冻融循环对再生混凝土抗压强度的影响

2.2 孔径的变化对再生混凝土抗压强度的影响

根据断裂力学理论[7]，Griffith断裂临界应力的计算公式为

(1)

式中，σt为混凝土的断裂临界应力，C为临界裂缝半长，E为混凝土弹性模量，γ为混凝土表面能.

由于混凝土中孔隙的存在，孔隙率P对混凝土基体的弹性模量E0一定会产生影响，实际混凝土的弹性模量为E(p)=E0(1-P). 考虑混凝土孔隙率和孔径的变化对断裂表面能的影响，γ(p)=γ0(1-P)，Griffith公式可以改写成

(2)

(3)

1973年吴中伟院士[5]将混凝土中的孔隙根据孔径的大小分为无害孔(0～200Å)、少害孔(200～500Å)、有害孔(500～2000Å)和多害孔(>2000Å)等四个级别，以孔的级别来区分孔隙对混凝土强度的影响.

图5为冻融循环对普通混凝土孔径分布和抗压强度影响的实验结果. 冻融循环对普通混凝土(NCA)孔径的影响比较明显，随着冻融次数的增加，孔径的直径不断增大(如图5(a))，大孔的比例也逐渐增加(如图5(b))，图5(a)中孔径分布规律符合2分布，等效后的孔径也不断增加(如图5(c))，抗压强度也不断降低(如图5(d)).

图5 冻融循环对普通混凝土NCA孔径分布与抗压强度的影响

对图5(c)的数据进行回归分析，可以得到冻融次数与孔径变化的拟合曲线方程：

d=2.6194n-17.34

(4)

图6为冻融循环对再生骨料掺量为20%的再生混凝土(RC20)孔径分布和抗压强度影响的实验结果. 对实验结果进行分析，冻融循环再生通混凝土(RC20)孔径的影响比较明显，随着冻融次数的增加，孔径的直径不断增大(如图6(a))，大孔的比例增加更快(如图6(b))，图6(a)中孔径分布规律符合2分布，等效后的孔径也不断增加(如图6(c))，抗压强度降低更为明显(如图6(d)).

图6 冻融循环对再生混凝土RC20孔径分布的变化

对图6(c)的数据进行回归分析，可以得到冻融次数与孔径变化的拟合曲线方程：

d=3.7n-123.335

(5)

图7为冻融循环对再生骨料掺量为30%的再生混凝土(RC30)孔径分布和抗压强度影响的实验结果. 对实验结果进行分析，与RC20的再生混凝土相似，冻融循环再生通混凝土(RC30)孔径的影响规律相差不大，随着冻融次数的增加，孔径的直径不断增大(如图7(a))，大孔的比例增加更快(如图7(b))，图7(a)中的孔径分布规律符合2分布，等效后的孔径也不断增加(如图7(c))，抗压强度降低更为明显(如图7(d)).

图7 冻融循环对再生混凝土RC30孔径分布的变化

对图7(c)的数据进行回归分析，可以得到冻融次数与孔径变化的拟合曲线方程：

d=4.18n-123.57

(6)

图8为冻融循环对再生骨料掺量为30%的再生混凝土(RC30)孔径分布和抗压强度影响的实验结果. 对实验结果进行分析，与RC20、RC30的再生混凝土相比，冻融循环再生通混凝土(RC50)孔径的影响更为明显，随着冻融次数的增加，孔径的直径增大的幅度更大(如图8(a))，大孔的比例增加较RC20、RC30的更快(如图8(b))，图8(a)中孔径分布规律也符合2分布，等效后的孔径同样增加更明显(如图8(c))，抗压强度降低幅度更快(如图8(d)).

图8 冻融循环对再生混凝土RC50孔径分布的变化

对图8(c)的数据进行回归分析，可以得到冻融次数与孔径变化的拟合曲线方程：

d=5.04n-102.88

(7)

从图5—图8可以看出，不论是普通混凝土还是再生混凝土，在冻融条件下，混凝土在水不断冻结和融化的循环过程中，小孔不断被破坏、连通，孔径在不断变大，混凝土的孔径分布符合2分布(如图5—图8的图(a)所示)，孔径分布的均值随冻融次数的增加不断后移，大孔的比例在不断增加；图5—图8的图(b)中孔径的分布比例显示，无害孔和少害孔的比例都在不断减少，有害孔和多害孔的比例在不断增加；图5—图8的图(c)中等效孔径的直径都在不断增加，图5—图8的图(d)中抗压强度随着等效孔径不断增大而不断降低. 相比普通混凝土，再生混凝土各项指标的变化更为明显，再生骨料掺量增加，冻融循环的影响就更为显著，特别是冻融200次后，试件里的空隙基本上只剩下有害孔和多害孔了.

3 结果与讨论

综上所述，再生粗骨料的掺入和冻融循环对再生混凝土的孔隙率、孔径分布和抗压强度都有较大影响，1)随再生粗骨料掺入量的增加，再生混凝土的抗压强度逐渐降低，孔隙率逐渐增大，等效孔径也越来越大，抗压强度也越来越低；2)随冻融次数的增加，再生混凝土的抗压强度逐步降低，再生粗骨料掺量越大，强度降低的幅度越大；混凝土的孔隙率随之逐步增大，无害孔和少害孔的比例逐渐减少，有害孔和多害孔的比例逐步增加，等效孔径增大速度更快，抗压强度降低也更明显.

从试验结果来看，再生粗骨料的掺入和冻融循环对再生混凝土的力学性能都有影响，冻融循环影响更为明显. 若对再生粗骨料不进行强化处理，建议再生混凝土不作为受力结构的混凝土使用，也不建议在冻害比较明显的环境中使用，研究结果可为再生混凝土的研究和推广使用提供参考.