不同类型再生细骨料对保温混凝土力学性能的影响

黄开林，李书进，臧旭航

(1.常州工学院土木建筑工程学院，常州 213001;2.常州大学环境与安全工程学院，常州 213161)

0 引 言

中国农村城镇化的过程中会拆除大量砖混结构的老旧建筑，再生粗骨料(recycled coarse aggregate，RCA)和再生细骨料(recycled fine aggregate， RFA)是砖混结构破碎后的主要产品[1-3]。其中，RFA不仅约占总产品的25%～50%，而且类型多样[4]，因此回收利用RFA可以有效解决天然河砂资源紧缺的问题。随着混凝土中RFA的研究不断深入，RFA的实际工程价值开始得到研究人员的认可，Wang等[5]发现再生细骨料混凝土可以获得优于普通混凝土的工作性能和抗压强度。

玻化微珠再生保温混凝土(recycled aggregate thermal insulation concrete， RATIC)是一种将建筑拆卸废料和玻化微珠保温骨料按一定比例配合而成的新型绿色混凝土，具有环保和保温性能优良等特点[6]。当前，研究人员着重于研究再生粗骨料制备的RATIC，发现RCA对RATIC的力学性能产生消极影响[7-13]。然而，目前对于RFA在玻化微珠保温混凝土(thermal insulation concrete， TIC)中的应用研究还很有限。李康等[14]发现用RFA取代部分天然河砂(natural fine aggregate， NFA)有助于提高RATIC的抗压强度，取代率可达80%。赵敏等[15]发现RFA的预湿状态对RATIC的强度发展有显著影响，且RATIC中RFA的最优取代率约为40%。张会芝等[10,16]通过总功效系数法和力学性能试验等方法发现RFA对RATIC的抗压强度影响较小，且50%的取代率可以使RATIC获得较好的力学性能和保温性能。

不难发现，研究人员对于RATIC中RFA的最优取代率有很大分歧，这与试验过程中选取RFA的来源和加工工艺有关[17-18]，不同地区生产的RFA类型和品质也不尽相同。就中国国情而言，老旧砖混结构破碎后主要有废弃混凝土再生细骨料和废弃黏土砖再生细骨料两种RFA，而目前对不同类型RFA制备出的RATIC力学性能的研究尚无报道。为了研究不同类型RFA对 RATIC力学性能的影响，本研究选取了废弃混凝土和废弃黏土砖破碎后的RFA，探讨了不同类型RFA的品质和化学成分对RATIC力学性能的影响，确定了不同类型RFA在RATIC中的最优取代率，为实际工程中RFA类型的选取提供建议。

1 实 验

1.1 原材料

再生细骨料保温混凝土的原材料组成包括：P·O 42.5水泥、粉煤灰(表观密度为2 500 kg/m3)、三种细骨料(废弃混凝土破碎后的RFA1、废弃黏土砖破碎后的RFA2以及NFA，细度模数为2.4，颗粒级配如图1所示)、天然粗骨料(粒径为5～20 mm，表观密度为2 680 kg/m3)、玻化微珠(容重为130 kg/m3，导热系数为0.028 W/(m·K))、聚羧酸减水剂(JK-PCA，含固量为40%，质量分数)和自来水。

图1 细骨料的粒径分布Fig.1 Particle size distributions of fine aggregates

1.2 配合比和试验方法

本文将RFA1和RFA2以25%、50%、75%和100%(体积分数)四种不同的取代率取代TIC中的NFA，配制出了RATIC1(废弃混凝土再生保温混凝土)和RATIC2(废弃黏土砖再生保温混凝土)。同时设计了对照组，记为TIC，具体的配合比如表1所示。为了拥有相似的有效水胶比[19]，不同配合比添加了不同的附加用水量。

表1 不同替代率下RATIC的配合比Table 1 Mix proportions of RATIC under different substitution rates /kg

续表

NFA和RFA的表观密度、吸水率、含水率、压碎值、再生胶砂需水量比、再生胶砂强度比和细度模数依照《混凝土和砂浆用再生细骨料》(GB/T 25176—2010)测定。RATIC的孔隙率按照“可蒸发水含量法”测定[20]。RATIC的抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量依照《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)测定。RATIC的养护均采用标准养护(温度(20±2) ℃，相对湿度≥95%)方式。

2 结果与讨论

2.1 细骨料的物理性能和化学成分测试

表2是细骨料的物理性能测试结果。由表2可知，两种RFA有着相似的表观密度和细度模数。RFA在拌和过程中的附加用水量用再生细骨料24 h的吸水量(Wa，见式(1))减去含水量(Wst，见式(2))得到[19]。试验发现，两种RFA也有相似的附加用水量。但是，RFA1的压碎值相比RFA2增加了18.8%。RFA1的再生胶砂需水量相比RFA2增加了18.2%，再生胶砂强度比降低了37.5%。参照《混凝土和砂浆用再生细骨料》(GB/T 25176—2010)可以看出，RFA2的品质优于RFA1。由三种细骨料的吸水率和压碎值可知，RFA1和RFA2的孔隙率均大于NFA，骨料强度均小于NFA。

表2 细骨料的物理性能指标Table 2 Physical properties of fine aggregates

Wa=mRFA×Ca

(1)

Wst=mRFA×Cmoist

(2)

式中：mRFA为RFA的质量；Ca为RFA的吸水率；Cmoist为RFA的含水率。

图2是试验选取细骨料的实物及XRD谱。由图2(a)、(b)和(c)可以看出，NFA、RFA1和RFA2中粒径大于2.5 mm的骨料以及粒径小于0.15 mm的骨料均占有很大比重。这点在图1中也得到验证。由图2(d)可以看出，NFA主要是由SiO2组成的。由图2(e)可以看出，RFA1中除了SiO2，还有CaCO3和Ca(OH)2存在。即使在长时间水化后，RFA1表面依然会存在水泥水化的残留物，而Ca(OH)2就是水泥水化的产物[21]。众所周知，与C-S-H相比，Ca(OH)2的比表面积很小，对强度的贡献有限。因此，RFA1的再生胶砂强度小于不含Ca(OH)2的RFA2。由图2(f)可以看出，RFA2除了含有大量的SiO2，还存在少量的钠长石、钙长石和赤铁矿，粒径小于0.15 mm的RFA2可以被认为是一种火山灰材料[22]，火山灰材料能在消耗Ca(OH)2的同时，增加C-S-H和其他水化产物的数量，使得水泥浆体孔隙细化。

图2 细骨料的实物及XRD谱Fig.2 Real products and XRD patterns of fine aggregates

2.2 再生细骨料类型对RATIC的孔隙率和抗压强度的影响

图3是RATIC抗压强度fc不同龄期(3 d、7 d、14 d和28 d)的变化曲线。由图3(a)可知，相比TIC，RATIC1的早期(3 d、7 d和14 d)抗压强度发展缓慢，相同龄期下TIC的抗压强度均是最高。但28 d龄期时，25%取代率的RATIC1其抗压强度超过了TIC。这是由于混凝土强度发展的前期RFA1吸收了大量用于水泥水化的自由水，降低了水泥的水化速度，但随着水泥水化过程不断地进行，RFA1原本吸收的水分不断释放出来，推动了水泥水化的进行，促使RATIC1的抗压强度继续发展。因此，RATIC1表现出了早期抗压强度发展较慢，后期抗压强度发展较TIC快的趋势。

由图3(b)可知，在相同龄期下，RATIC2的抗压强度始终高于TIC，且表现出和TIC相同的强度发展规律，这可能是因为与RFA1不同，RFA2吸水后会降低其周围的有效水胶比,提高RATIC2早期抗压强度。随着RATIC2龄期的增长，早期吸收的水分会从RFA2中释放出来，促使RATIC2中水泥浆体继续水化，保证了RATIC2后期抗压强度的发展。另外，在标准养护条件下，RATIC2的相对湿度始终保持在较高水平(大于95%)，RATIC2中的水泥均可充分水化[23]。

图3 RATIC抗压强度随龄期变化曲线Fig.3 Curves of RATIC compressive strength changing with age

图4为不同取代率下RATIC的28 d抗压强度和孔隙率。由图4(a)可知，相同取代率下，RATIC2的抗压强度均高于RATIC1，且RATIC随着RFA取代率的增加，抗压强度呈先增大后减小的变化趋势。不同的是，25%的RFA1取代NFA时，RATIC1的抗压强度达到最大；而75%的RFA2取代NFA时，RATIC2的抗压强度达到最大。造成RATIC1强度变化的原因可能是RFA1中存在废弃混凝土中未水化的水泥，在RATIC1水化过程中这些未水化的水泥继续水化，为界面过渡区提供额外的粘结强度，从而提高了RATIC1的抗压强度[5]。但是，随着RFA1取代率的不断增加，RFA1较低的强度导致 RATIC1的抗压强度不断降低。虽然RATIC2与RATIC1抗压强度变化趋势相同，但是与RATIC1不同的是，RATIC2中的RFA2中含有火山灰材料，其中的活性物质与水泥水化产物的接触可以使二次水化反应程度增强；另外，火山灰材料比表面积较高的特性对水泥填充效果更好，使得RATIC2的水泥浆体更加密实，具有更高的强度。图4(b)中RATIC的孔隙率也可以证明相同取代率下，RATIC2相比RATIC1具有更好的密实度。

图4 不同类型RFA的取代率对RATIC抗压强度和孔隙率的影响Fig.4 Effects of replacement ratio of different types of RFA on compressive strength and porosity of RATIC

2.3 再生细骨料类型对RATIC劈裂抗拉强度的影响

目前对于RFA制备的RATIC抗拉强度方面的研究还鲜有报道。劈裂抗拉强度ftsp是间接表征混凝土抗拉强度的有效指标，本试验研究了两种RATIC的劈裂抗拉强度。

图5是TIC与RATIC的劈裂破坏形态，可以看出，RATIC1与TIC相比RATIC2存在明显的裂缝宽度，且试件表面的孔隙也明显多于RATIC2。这些证明了RFA2中存在可以提高RATIC密实度的火山灰材料。另外，火山灰材料的加入改善了RATIC2的强度，使得RATIC2在劈裂破坏过程中剥落的水泥石相比TIC和RATIC1减少了。

图5 劈裂抗压破坏形态图Fig.5 Split compressive failure patterns

图6是不同取代率下RATIC的28 d劈裂抗拉强度。由图6可以看出，RATIC的劈裂抗拉强度表现出和抗压强度相似的强度变化规律。不同的是，50%的RFA1取代NFA时，RATIC1的劈裂抗拉强度达到最大，相比抗压强度，RFA1的最优取代率增加了25%；而对于RATIC2的劈裂抗拉强度，依旧是75%的RFA2取代NFA时达到最大。

图6 不同类型RFA的取代率对RATIC劈裂抗拉强度的影响Fig.6 Effects of replacement ratio of different types of RFA on splitting tensile strength of RATIC

除了2.2节中未水化水泥提供的额外强度，RFA1最优取代率增加的原因可能是，RFA1中存在大量的CaCO3，CaCO3与Ca(OH)2的化学作用可以有效降低Ca(OH)2在RATIC1界面过渡区的富集程度，使得RATIC1的劈裂抗拉强度获得了进一步提升[24]。对于RATIC2，火山灰材料引发的化学反应能够降低RATIC2界面过渡区中Ca(OH)2晶体的大小和富集程度，因此，RATIC2的劈裂抗拉强度均大于TIC。但是，RFA1和RFA2较低的强度依旧对高取代率的RATIC产生消极影响。因此，RATIC的劈裂抗拉强度表现出和抗压强度相同的变化趋势。

2.4 再生细骨料类型对RATIC弹性模量的影响

图7是不同取代率下RATIC的28 d弹性模量Ec，RATIC的弹性模量表现出和抗压强度、劈裂抗拉强度一样的变化趋势。与劈裂抗拉强度相同的是，50%和75%分别是RFA1和RFA2在RATIC中的最优取代率。不同的是，100%取代率的RATIC1相比75%取代率的RATIC1，劈裂抗拉强度降低了16.5%，弹性模量降低了33.2%；而100%取代率的RATIC2相比75%取代率的RATIC2，劈裂抗拉强度降低了12.0%，弹性模量降低了15.9%。RATIC2弹性模量的降幅与劈裂抗拉强度的降幅相近，而RATIC1弹性模量的降幅相比抗拉强度的降幅明显增大。

图7 不同类型RFA取代率对RATIC弹性模量的影响Fig.7 Effects of replacement ratio of different types of RFA on elastic modulus of RATIC

骨料孔隙率是影响RATIC1弹性模量降幅增大的重要因素，相比NFA，RFA1低密度高孔隙的特性对高取代率下RATIC1的弹性模量产生消极影响，RFA1较高的孔隙率在图4(b)中也有所体现。再者，RFA1较低的弹性模量也是影响RATIC1弹性模量的重要因素。与RATIC1不同的是，RFA2中的火山灰材料可以填充RATIC2骨料之间的孔隙，弥补了RFA2弹性模量低的缺点，因此RATIC2的弹性模量表现出与劈裂抗拉强度相近的降幅。但是RFA1和RFA2较低的弹性模量依旧对RATIC的弹性模量产生影响，在较高取代率下，RATIC的弹性模量降低。

3 结 论

通过对不同类型再生细骨料制备的再生保温混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量进行试验得到以下结论：

(1)试验选取的废弃黏土砖再生细骨料的品质优于废弃混凝土再生细骨料，废弃混凝土再生细骨料取代率为25%时，再生保温混凝土的抗压强度达到最大； 废弃混凝土再生细骨料取代率为50%时，再生保温混凝土的劈裂抗拉强度和弹性模量达到最大。由于在结构设计中混凝土主要受压，因此，25%可以认为是废弃混凝土再生细骨料的最优取代率。废弃黏土砖再生细骨料取代率为75%时，再生保温混凝土的力学性能达到最大。因此，75%是废弃黏土砖再生细骨料的最优取代率。

(2)压碎值和再生胶砂强度比是区分不同类型再生细骨料品质的重要物理性能指标。对于不同类型的再生细骨料，品质高的再生细骨料可以制备出力学性能良好的再生保温混凝土。

(3)再生细骨料复杂的化学成分是影响再生保温混凝土力学性能的重要因素，废弃混凝土再生细骨料中残余的氢氧化钙降低了再生保温混凝土的力学性能，但其钙基骨料和残余的未水化水泥又提高了再生保温混凝土的力学性能；废弃黏土砖再生细骨料中的火山灰材料可以有效改善再生保温混凝土的力学性能。因此，就再生细骨料的化学成分而言，废弃黏土砖再生细骨料具有更高的回收利用价值。