再生粗骨料配制普通混凝土的研究

张冠军

废弃混凝土在普通混凝土中的再生利用是一项亟待深入研究的课题。在废弃混凝土块中往往含有大量砂石骨料，若能将它们充分回收，并经破碎、清洗、分级等精细加工，作为骨料用于生产普通混凝土，不仅可降低生产成本、节省天然砂石骨料资源、缓解骨料供需矛盾，而且可保护骨料产地的生态环境，解决城市拆迁过程中废弃混凝土的堆放占地和环境污染等问题，实现普通混凝土的循环再利用。废弃混凝土的循环再利用，是发展绿色混凝土的主要措施之一，具有十分显著的社会效益、环境效益和经济效益。

再生粗骨料混凝土是指以再生粗骨料部分或全部取代天然粗骨料的混凝土，若全部采用再生粗骨料取代天然粗骨料，会对混凝土性能产生较大影响。一般对于粗骨料，多采用不同的取代率，细骨料则全部采用普通砂来配制混凝土。本文分别采用比例为0%、20%、40%、60%、80%、100%的再生粗骨料取代天然石灰石骨料，观察分析不同再生粗骨料取代率对C40混凝土工作性能、力学性能及耐久性能的影响。

1 试验用原材料

1.1 水泥

选用P·O42.5水泥，其物理性能见表1。

表1 P·O42.5水泥物理性能

1.2 粉煤灰

选用电厂Ⅰ级粉煤灰，比表面积为320kg/m2，45μm筛筛余为12.5%，粉煤灰技术指标见表2。

表2 粉煤灰技术指标，%

1.3 矿渣粉

选用S95级矿渣粉，其物理性能指标见表3。

表3 矿渣粉物理性能指标

1.4 细骨料

机制砂，物理性能见表4，累计筛余见表5。

表4 机制砂物理性能

表5 细骨料累计筛余，%

1.5 粗骨料

（1）普通石灰石：5～25mm连续碎石。

（2）再生粗骨料：5～25mm连续再生粗骨料，二级再生粗骨料，物理性能见表6。

表6 再生粗骨料物理性能

1.6 外加剂

采用高效萘系减水剂。

1.7 拌合水

采用自来水拌合。

2 试验方案

试验设计根据C40普通混凝土生产配比，分别用0%、20%、40%、60%、80%、100%的再生粗骨料取代天然石灰石骨料，C40再生粗骨料混凝土砂率为45%，外加剂掺量为2.7%，通过调整用水量，控制出搅拌机初始坍落度＞200mm，具体试验配比见表7，试验结果见表8。

表7 再生粗骨料混凝土试验配合比

表8 再生粗骨料混凝土试验结果

2.1 不同比例再生粗骨料对混凝土需水量的影响

试验通过调整用水量，控制混凝土出搅拌机的初始坍落度＞200mm，研究利用不同比例再生粗骨料取代普通石灰石后，再生混凝土需水量的变化。不同比例再生粗骨料取代石灰石后，混凝土需水量变化结果如图1所示。

由图1可以看出，C40混凝土需水量随再生粗骨料取代比例的增加而逐渐增加。当再生粗骨料取代比例增加至40%时，相对空白C40混凝土试样（不含再生粗骨料）需水量增加了3%；当用再生粗骨料完全取代石灰石骨料时，相对空白试样需水量则增加了9%。再生粗骨料表面粗糙、颗粒棱角多、组分中含有硬化水泥砂浆，且破碎过程中内部有大量裂纹，导致再生骨料空隙率大、吸水率高，用水量较天然骨料混凝土高。同时，在试验中发现，随着胶凝材料用量的增加，需水量增幅有所减小。

图1 再生粗骨料取代比例对混凝土需水量影响曲线

2.2 不同比例再生粗骨料对混凝土强度的影响

利用不同比例再生粗骨料取代石灰石骨料，配制的C40混凝土强度变化曲线如图2所示。

由图2可以看出，C40混凝土7d、28d、56d强度均随再生粗骨料取代比例增加而逐渐降低。用40%再生粗骨料取代天然石灰石骨料，C40混凝土7d、28d抗压强度相对空白试样强度分别降低了6%、2%，但是56d抗压强度反而略高于空白试样。用再生粗骨料完全取代天然骨料时，7d、28d、56d抗压强度相对空白试样分别降低31%、19%、24%。

图2 C40混凝土各龄期强度随再生粗骨料取代比例增加的变化曲线

由表8可以发现，当再生粗骨料取代天然石灰石骨料比例达到60%时，C40混凝土强度虽有所下降，但仍能达到应用标准要求。考虑到再生粗骨料取代石灰石骨料对混凝土强度的影响，再生粗骨料取代比例应以≯40%为宜，最高≯60%。

2.3 不同比例再生粗骨料对混凝土工作性能的影响

再生粗骨料表面粗糙，且附有硬化水泥砂浆等高吸水率材料，因此用再生粗骨料配制的混凝土坍落度均会有不同程度的损失。用不同比例的再生粗骨料取代石灰石骨料，配制的C40混凝土坍落度损失如图3所示。

图3 掺加不同比例再生骨料的C40混凝土坍落度损失对比

由图3可以看出，随着再生粗骨料取代比例的增加，C40混凝土40min坍落度损失逐渐增大。在初始坍落度达到210mm的前提下，掺加40%再生粗骨料的C40混凝土40min坍落度降低至180mm，而用再生粗骨料完全取代石灰石骨料的C40混凝土40min坍落度为80mm，坍落度大幅降低。

由表3可以发现，在再生粗骨料取代比例达到60%时，坍落度为170mm，仍可满足施工标准，但混凝土粘度太大。考虑到掺加再生粗骨料后C40混凝土的坍落度的变化情况，再生粗骨料取代比例应以≯40%为宜，最大取代比例≯60%。

2.4 不同比例再生粗骨料对混凝土收缩性能的影响

混凝土干燥收缩是指混凝土停止正常标准养护后，在不饱和的空气中失去内部毛细孔和凝胶孔的吸附水而发生的不可逆收缩。混凝土的干燥收缩，本质上是水化相的收缩，骨料及未水化胶凝材料则起到约束收缩的作用。因此，在一定龄期下，水化相的数量及其微观孔隙结构决定了混凝土收缩率的大小。

由于再生粗骨料有较高的吸水特征，再生混凝土收缩变形相对更为显著，再生粗骨料混凝土收缩率随再生粗骨料掺加量的变化而有所不同。本节试验在控制再生骨料混凝土出搅拌机初始坍落度＞210mm的前提下，调整需水量，分析不同取代比例的再生粗骨料对C40混凝土的不同龄期收缩率的影响。

分别用0%、20%、40%、60%、80%、100%的再生粗骨料取代石灰石骨料，配制C40混凝土，其各龄期收缩率分别如图4所示。

由图4可以看出，随着再生粗骨料取代天然石灰石骨料比例的增加，混凝土早期（7d、14d、28d）收缩率先降低后增加，但是后期（45d、56d、90d）收缩率均随之大幅度增加。当用再生粗骨料取代40%天然石灰石骨料时，C40混凝土相对空白试样28d收缩率减少了7%，但90d收缩率增加了22%。当用再生粗骨料完全取代天然石灰石骨料时，C40混凝土相对空白试样28d收缩率增加了13%，90d收缩率增加了34%。

图4 C40混凝土各龄期收缩率随不同比例再生粗骨料变化曲线

综合比较不同比例再生粗骨料对C40混凝土不同龄期收缩率的影响可知，由于再生粗骨料吸水量较大，在拌制混凝土时需加入更多的拌合水，导致掺加再生粗骨料的混凝土的早期收缩变化较小，后期收缩增长较快。再生粗骨料的弹性模量低于天然碎石骨料，也会使掺加再生粗骨料的混凝土的收缩率高于普通混凝土。

2.5 不同比例再生粗骨料对混凝土抗渗性能的影响

混凝土的抗渗性是指其抵抗水、油等液体或气体在压力作用下的渗透性能。混凝土的抗渗性主要是由混凝土内部结构和孔隙连通性决定的。混凝土内部结构的孔隙率越低、毛细孔直径越小，则抗渗性越好；毛细孔连通性越差，抗渗性越好。混凝土的抗渗性能还与水胶比、掺合料、外加剂、骨料级配、养护措施等有关。

利用不同比例再生粗骨料取代天然石灰石骨料，因需水量增加，一定程度上会增加硬化体孔隙率，导致混凝土抗渗性能下降。本节试验在保证混凝土工作性能的前提下，通过调整需水量配制C40混凝土，并分析不同比例的再生粗骨料对混凝土抗渗性能的影响。

分别用0%、20%、40%、60%、80%、100%的再生粗骨料取代石灰石骨料，配制的C40混凝土的渗透高度曲线如图5所示。

图5 混凝土渗透高度随再生粗骨料取代比例变化曲线

由图5可以看出，C40混凝土渗透高度均随再生粗骨料取代比例的增加而增加。未掺加再生粗骨料的C40混凝土渗透高度为8mm；当取代比例增加至40%时，渗透高度增加至11mm；当取代比例增加至100%时，渗透高度则增加至17mm。由图5还可以看出，当再生粗骨料取代比例＜40%时，混凝土渗透高度增加幅度较小，但是当取代比例增加至60%时，混凝土渗透高度增加幅度较为显著。

由不同比例的再生粗骨料对C40混凝土的抗渗性能的影响分析可以得出，掺加再生粗骨料会降低混凝土的致密度，增加孔隙率，使混凝土抗渗性能有所降低，其取代比例应以≯40%为宜。

2.6 不同比例再生粗骨料对混凝土抗冻性能的影响

混凝土是由硬化的水泥浆体和骨料组成的含毛细孔的复合材料，为了满足浇筑混凝土的和易性要求，其拌合水量多于水泥水化所需的水量。多余的水滞留在混凝土中，形成占有一定体积的连通毛细孔。在混凝土处于负温时，其内部孔隙中的水分将发生从液相到固相的转变，体积增大，液相固相循环变化，破坏混凝土结构。

混凝土的抗冻性能是混凝土耐久性能的重要衡量指标，建筑物冻融破坏是致其老化破坏的重要原因，严重影响建筑物的使用寿命和使用安全。为使受冻融损坏的工程继续安全使用，需耗费巨额费用进行维修。影响混凝土抗冻性的主要因素有水胶比、外加剂、矿物掺合料、骨料类型等，再生粗骨料作为骨料应用于混凝土中，研究不同比例再生粗骨料对混凝土抗冻性能的影响非常必要。

分别用0%、20%、40%、60%、80%、100%的再生粗骨料取代石灰石骨料，配制C40混凝土，分别进行50次和100次冻融循环试验，测试其质量损失和强度损失，试验结果如表9所示。

由表9可以看出，随着掺加再生粗骨料比例的增加，C40混凝土经50次、100次冻融循环后，质量损失和强度损失均逐渐增大，但是质量损失较小，均＜2%。当C40空白试样经50次、100次冻融循环后，强度损失分别为7.1%和15.6%；当再生粗骨料取代比例增加至40%时，50次、100次冻融循环后的C40试样强度损失分别为7.1%和15.6%；当再生粗骨料完全取代天然石灰石骨料时，50次、100次冻融循环后的C40试样强度损失分别为8.9%和21.7%。

表9 掺加不同比例再生粗骨料混凝土冻融试验结果

由不同比例再生粗骨料取代天然石灰石骨料，对C40混凝土抗冻性能影响的试验可知，掺加再生粗骨料混凝土因需水量较大、内部孔隙较多、毛细孔内自由水较多，在负温条件下，膨胀压力和渗透压较高，会使混凝土的抗冻性能有所降低。

2.7 再生骨料混凝土微观结构分析

以C40混凝土为例，分析再生骨料混凝土和天然骨料混凝土水化后的微观结构。配制的再生骨料混凝土和天然骨料混凝土采用标准养护28d后取出，在自然环境中静置1d，切割成50mm×50mm×5mm的长方体切片。样品应包括骨料与水泥石的界面，用无水酒精将切片浸泡3d，终止其水化，70℃下干燥至恒重。

由图6可以看出，天然骨料与水泥石间存在裂纹，水泥石内还存在孔隙或孔洞；球状粉煤灰填充在水泥水化产物之间，界面过渡区含有较少量针片状Ca（OH）2晶体，富集且定向排列；硬化体结构整体较为致密，水化产物被致密C-S-H凝胶覆盖，孔隙率较低。

图6 天然骨料C40混凝土微观结构

由图7可以看出，再生骨料与水泥石间存在裂纹，裂缝较大，裂纹往往沿骨料边缘向水泥石基体发展。水泥石内存在孔隙或孔洞，球状粉煤灰填充在水泥水化产物之间，未参加反应的粉煤灰的量增多。界面过渡区也含有较少量针片状Ca（OH）2晶体，富集且定向排列。

图7 再生骨料C40混凝土微观结构

综上分析可知，再生骨料混凝土存在天然骨料、新水泥石、旧水泥石、天然骨料与旧砂石界面、新旧水泥石界面等多相，这些界面相对水泥浆体和骨料本身都是相对薄弱的环节。

3 结语

综合再生粗骨料混凝土强度、工作性能、收缩性能、抗渗性能及抗冻性能的分析可知，混凝土需水量随着再生粗骨料取代比例的增加而逐渐增加；混凝土各龄期强度随着再生粗骨料取代比例的增加逐渐降低，但是在取代比例＜40%时，强度降低幅度较小；再生粗骨料混凝土早期收缩率较低，但是后期收缩率增加较快；渗透高度则随取代比例增加而逐渐增加，在取代比例＜40%时，渗透高度增幅较小。混凝土抗冻等级均＞F100。

再生骨料与水泥石基体之间存在明显的裂缝，界面过渡区含有较少量针片状Ca（OH）2，富集且定向排列。骨料与水泥石间存在裂纹，裂缝较大，裂纹往往沿骨料边缘向水泥石基体发展。水泥石内还存在一些孔隙或孔洞，球状粉煤灰填充在水泥水化产物之间，未参加反应的粉煤灰的量增多。这些均是造成混凝土需水量增加的重要原因。

综上可知，再生粗骨料取代比例应以≯40%为宜，最大取代比例≯60%。