包浆再生粗骨料对自密实混凝土力学性能及抗冻性的影响

曹鑫铖，金宝宏,，侯玉飞

(1.宁夏大学 土木与水利工程学院，银川 750021；2.宁夏大学新华学院 工程与应用科学系，银川 750021)

混凝土的抗冻性始终是土木工程界持续关注和研究的重大问题，尤其在东北、西北地区，由于冻融破坏，混凝土结构经常出现不能继续承载的现象，缩短了建筑物的使用寿命，造成严重的经济损失。自密实再生混凝土具有绿色环保、节约自然资源、施工时不需要振捣等诸多优点，符合可持续发展战略，因此，对其抗冻性的研究显得尤为重要。但再生骨料自身存在强度低、表面粗糙、吸水率高等缺点，导致其抗冻性低于普通混凝土，采用水泥浆对再生骨料进行包浆处理，既可弥补骨料内部的微裂缝，也可改善骨料表面的粗糙程度，提高再生骨料的性能，改善混凝土的抗冻性。

学者们已对混凝土的抗冻性作了大量研究。再生混凝土的抗冻性能明显低于普通混凝土，且随着冻融循环次数增加，较普通混凝土，再生混凝土的破坏形态越来越明显[1-5]；在再生混凝土中掺入聚丙烯纤维、钢纤维等纤维材料[6-8]及粉煤灰、硅灰等矿物材料[9-10]能改善其孔隙结构，增强整体密实性，提高混凝土的抗冻性；Yang等[11]通过改进“EMV法”(等砂浆配比设计法)配置出的再生混凝土抗冻性也有较好改善；雷斌等[12]在再生混凝土中掺入氧化石墨烯，发现氧化石墨烯可以优化砂浆的微观结构，降低空隙率，进而改善混凝土抗冻性；王玲玲等[13]通过试验发现，掺量为15%的纳米CaCO3和1%的纳米SiO2对再生混凝土的抗冻性提高最为显著。目前的研究主要是通过外掺各种材料来达到改善再生混凝土的抗冻性，对于从骨料入手改善混凝土抗冻性的研究相对较少。笔者采用不同强度等级的水泥浆对再生粗骨料进行包浆处理，研究自密实包浆再生骨料混凝土的力学性能及抗冻性，并结合SEM电镜试验，从微观的角度分析了骨料包浆对混凝土抗冻性的改善机制。

1 试验

1.1 原材料

水泥：赛马牌32.5R、42.5R、52.5R普通硅酸盐水泥；粉煤灰：灵武发电厂生产的一级粉煤灰，45 μm筛余5.7%；粗骨料：镇北堡生产的5～20 mm人工碎石；细骨料：青铜峡人工水洗中砂；再生粗骨料：废弃路缘石混凝土，经回弹仪测定强度为C30，强度较高，机械破碎后筛选出5～20 mm。减水剂：北京慕湖公司生产的聚羧酸高效减水剂。

采用水胶比为0.5的水泥浆对再生粗骨料表面进行包浆处理，其中，粉煤灰掺量为胶凝材料的30%，骨料包浆后晾于阴凉处，待骨料达到不再相互粘结的状态时，放入标准养护室养护，28 d后取出晾干，用于混凝土搅拌，如图1所示。各种骨料的基本性能见表1。

图1 再生粗骨料

表1 粗骨料的基本性能

1.2 试验方案设计

设置两个试验，试验1用于测量混凝土力学性能的四因素四水平正交试验，试验2为研究骨料包浆对混凝土抗冻性影响的单因素试验。试验1选取粉煤灰掺量A、包浆水泥的强度B、再生粗骨料替代率C和减水剂掺量D等4个因素，每个因素选择4个水平，依据正交表L16(45)安排试验，因素水平见表2，其中，粉煤灰按照等质量替代水泥的方式掺入，减水剂按照胶凝材料的百分比掺入；试验2在试验1正交试验得出的最优组合基础上以包浆水泥强度为单因素进行冻融试验。

表2 正交因素、水平

根据试验的需求，分别制作尺寸为100 mm×100 mm×100 mm和100 mm×100 mm×400 mm两种试件，前者用于混凝土的抗压与劈裂抗拉试验，后者用于抗折和冻融试验，冻融试验采用《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[14]规定的快速冻融法，每冻融循环25次后，取出试件，测其横向基频和质量，待相对动弹性模量下降到60%或质量损失达到5%时，视为冻融试验结束。

1.3 配合比设计

试验混凝土强度等级为C30，其配合比按照《自密实混凝土技术应用工程》[15]进行设计，见表3、表4，表3为混凝土力学性能试验的配合比，表4为混凝土冻融试验的配合比，“NSCC”表示普通自密实混凝土，为基准组，“RSCC”表示自密实再生混凝土，其后数字为包浆水泥强度等级，无数字为未包浆。

表3 混凝土力学性能试验配合比

续表3

表4 混凝土冻融循环试验配合比

2 试验结果与分析

2.1 混凝土力学性能分析

自密实包浆再生骨料混凝土的工作性能及力学性能试验结果见表5。

表5 混凝土正交试验结果

2.1.1 坍落扩展度分析 根据《自密实混凝土技术应用工程》[15]的规定，当坍落扩展度为550～650 mm时，混凝土属于SF1等级；当坍落扩展度为650～750 mm时，属于SF2等级；当坍落扩展度为750～850 mm时，属于SF3等级。从图2坍落扩展度柱状图可以看出，各组混凝土的坍落扩展度均能达到性能等级SF1，大部分组扩展度的5%误差线均达到性能等级SF2，其中，第6组达到了SF3，出现了较为严重的泌水现象，这是因为第6组中再生粗骨料替代率最低，相较于替代率高的其他组，骨料的吸水率低，同时，天然骨料表面光滑，在一定程度上可以增强混凝土的流动性；其次，该组的减水剂掺量最大，在混凝土的搅拌过程中，水泥颗粒之间形成絮凝结构，减水剂能够分散这种结构，释放其中的水分，增大了坍落扩展度，过量的减水剂则导致了泌水现象的出现，这种情况不满足自密实混凝土的工作性能要求。

图2 坍落扩展度测定

2.1.2 正交试验分析 从表6及图3各因素对抗压强度的影响可看出，随着粉煤灰掺量的增加，抗压强度呈现出持续下降的趋势，当掺量由25%增长为40%时，混凝土的抗压强度分别降低了2%、2.5%和7%；经过水泥包浆后，抗压强度有了不同程度的提高，其中，42.5R水泥的包浆效果最优，强度提高了11%；随着再生粗骨料替代率和减水剂掺量的增加，抗压强度均出现先增加后减少的趋势，在替代率为20%时，强度达到最大，为44.1 MPa，减水剂掺量为0.9%时达到最大，为43.9 MPa。故考虑上述因素对抗压强度的影响，最优组合为粉煤灰掺量25%、包浆水泥强度42.5R、再生粗骨料替代率20%和减水剂掺量0.9%。同理，劈拉强度的最优组合为粉煤灰掺量25%、包浆水泥强度42.5R、再生粗骨料替代率20%和减水剂掺量0.7%，抗折强度的最优组合为粉煤灰掺量25%、包浆水泥强度42.5R、再生粗骨料替代率30%和减水剂掺量0.9%。

图3 各因素对指标的影响

表6 极差分析表

综上可知，粉煤灰掺量A、包浆水泥强度B两个因素对于3个指标来说，都分别以A1、B3为最优；再生粗骨料替代率C因素，抗压强度和劈裂抗拉强度均是C2好，从k值可以看出C因素取C2、C3,抗折强度相差不大，故选取C2；减水剂掺量D因素，抗压强度和抗折强度均是D2好，对于3个指标来说，D因素均为处于末尾的次要因素，故选取D2。故最佳方案为A1B3C2D2，即粉煤灰掺量为25%，包浆水泥强度42.5R，再生粗骨料替代率20%和减水剂掺量0.9%。

2.1.3 力学性能指标换算关系分析 从表7和图4劈裂抗拉强度与抗压强度的关系可看出，式(1)、式(2)、式(4)计算的C60以下混凝土劈裂抗拉强度明显高于本文研究的自密实再生混凝土的强度，式(3)计算的C30以上混凝土的劈裂抗拉强度明显低于本文的自密实再生混凝土的强度。同理，抗折强度与抗压强度的关系也是如此，故普通混凝土、再生混凝土劈裂抗拉和抗折强度的计算式已经不再适用于自密实包浆再生骨料混凝土。新提出的式(5)、式(9)的计算结果与试验数据较吻合，可以作为自密实包浆再生骨料混凝土劈裂抗拉和抗折强度的计算式。

表7 力学性能指标换算关系

图4 混凝土劈裂抗拉强度、抗折强度与抗压强度的关系

2.2 混凝土抗冻性能分析

2.2.1 性能指标分析 从图5混凝土质量损失曲线图可看出，在50次冻融循环之前，普通混凝土的质量损失率逐渐增大，而再生混凝土组均出现负增长趋势。这是因为与天然骨料相比，再生粗骨料自身存在较多微裂缝及孔洞，在冻融前期，随着冻融次数的增多，这种微裂缝进一步扩展，大量吸收外界水分，造成了试件质量的增加；50次循环之后，各组试件质量损失率均逐渐增长，普通混凝土的增长趋势明显缓于再生混凝土，在150次冻融循环后，未包浆的RSCC组质量损失率达到最大，为3.71%，普通混凝土NSCC组为3.43%，经过包浆的32.5R、42.5R、52.5R三组分别为3.24%、2.97%、3.09%。这是因为再生混凝土的冻融损伤在初期就高于普通混凝土，随着冻融循环次数的增多，损伤不断累积，导致新旧界面过渡区破坏严重，试件外表剥落更为显著。经过包浆处理后，水泥浆优化了再生粗骨料的物理性能，强化了界面过渡区，提高了混凝土抗冻性，降低了质量损失率。

图5 混凝土性能指标与冻融循环次数的关系

从图5强度损失率曲线图可以看出，在25次冻融循环后，未包浆的RSCC组抗压强度损失率最大，为6.9%，包浆的3组与普通混凝土的强度损失相差不大，随着冻融循环次数的增加，各组的强度损失出现明显差别，100次循环后，RSCC组强度损失率最大，为27.8%，NACC组最小，为16.7%，经过包浆的32.5R、42.5R、52.5R三组分别为23.1%、19.5%、22.3%。经比较，虽然包浆后的再生混凝土强度损失率不及普通混凝土，但相较于未包浆的，已经有了明显的改善，其中，42.5R的水泥包浆效果最好。这是因为水泥浆填充了再生粗骨料内部的细小裂缝，提高了其整体密实性，同时，在骨料表面形成一种保护层，增强了其坚固性，进而改善了冻融后的混凝土抗压强度。

从图5相对动弹性模量曲线图可以看出，随着冻融循环次数的增加，各组试件的相对动弹性模量均逐渐降低，在整个冻融过程中，未包浆的RSCC组下降趋势一直最快，150次冻融循环后，其相对动弹性模量仅为53.3%。在50次冻融循环前，普通混凝土与包浆的32.5R、42.5R、52.5R三组相差不大，50次循环之后，随着次数的增加，差别逐渐显著，在150次循环后差别达到最大，相对动弹性模量分别为66.7%、61.3%、63.2%、58.9%。经过包浆的32.5R、42.5R、52.5R三组与未包浆的RSCC组相比，150次后，相对动弹性模量分别增加了8%、9.9%、5.6%，其中，42.5R水泥的效果最好。这是因为再生粗骨料内部具有众多的微小裂缝，表面残留大量的水泥砂浆，在配置成混凝土时，一般存在多种界面过渡区，与普通混凝土相比，这些过渡区相对脆弱，更易受到破坏。在冻融循环过程中，骨料自身的微裂缝加上界面过渡区受到破坏产生的微裂缝为水分的迁移提供了大量通道，使得混凝土内部形成静水压力及渗透压力，当压力超出一定范围时，再生混凝土产生破坏。随着冻融次数的增加，再生混凝土内部的裂缝逐渐增多、加宽，相互贯通，导致混凝土的破坏逐渐加剧[2]。再生骨料经过包浆后，水泥水化反应加上粉煤灰与Ca(OH)2等高碱性物质发生二次水化反应能够生成大量的水化硅酸钙和铝酸钙等物质，弥补了内部的微裂缝，改善了表面粗糙程度，使得混凝土的不同类型界面过渡区有了不同程度的增强，提高了混凝土的抵抗冻胀能力。

2.2.2 基于抗压强度和相对动弹性模量的冻融损伤模型分析 混凝土的抗压强度随着冻融循环次数的增加不断下降，为了详细地研究不同种类骨料配置的混凝土强度与冻融循环次数的关系，以抗压强度为损伤变量，冻融前的混凝土抗压强度为基准值，对各组混凝土的试验数据进行拟合，建立抗压强度的非线性关系式

fcu,N=fcu,0-aN2-bN

(10)

式中：fcu,N为冻融循环N次后的抗压强度；fcu,0为冻融循环前的抗压强度；N为冻融循环次数；a、b为拟合系数。

基于抗压强度建立的损伤模型式(10)，得到各组的拟合系数a、b，见表8，相应的抗压强度与冻融循环次数拟合曲线如图6(a)所示。从表8可以得出，相关系数R2均在0.99以上，拟合精度较高，说明抗压强度与冻融循环次数之间具有较好的相关性，基于抗压强度建立的混凝土冻融损伤模型合理。

表8 抗压强度损伤模型系数和R2

根据Lemaitre应变等价原理[22]，用无损材料的应变等价代替受损材料的应变，定义自密实包浆再生骨料混凝土的冻融损伤变量D为

D(N)=1-EN/E0=1-Er

(11)

式中：EN为冻融循环N次后的动弹性模量；E0为冻融循环前的动弹性模量；Er为相对动弹性模量。

根据式(11)计算各组混凝土不同冻融循环次数的损伤值，将试验数据进行拟合，建立混凝土冻融损伤模型的关系式

D(N)=ln(c+dN)

(12)

式中：N为冻融试验次数；c、d为拟合系数。

基于损伤值建立的模型式(12)，得到各组的拟合系数c、d，见表9，绘制损伤值与冻融循环次数的拟合曲线如图6(b)所示，从表9可以得出，相关系数R2均在0.94以上，拟合精度较高，说明损伤值与冻融循环次数之间具有较好的相关性，基于相对动弹性模量建立的混凝土冻融损伤模型是合理的，同时，从拟合曲线图6中可以看出，未包浆RSCC组的损伤值一直处于最大，包浆的3组相较之下损伤值均有所减少，混凝土的抗冻性有了不同程度的改善，其中42.5R水泥的包浆效果最好。

图6 混凝土冻融损伤拟合曲线

表9 相对动弹性模量损伤模型系数和R2

2.3 微观分析

图7为冻融循环前混凝土微观形貌，其中图7(a)为普通混凝土试件，可以看出，28 d时该组水化反应比较充分，大量的水化产物C-S-H(水化硅酸钙)凝胶将骨料紧密地粘结在一起，界面过渡区未发现明显微裂缝，整体密实度高，孔洞较少，这也是该组冻融循环前抗压强度最高的微观原因；图7(b)为未包浆的再生骨料混凝土试件，可以清楚看见大量水化产物C-S-H凝胶，未水化的球形粉煤灰颗粒等物质，但与图7(a)相比，整体密实度低，存在较多孔洞，骨料与浆体的界面过渡区存在明显的裂缝，这是因为再生骨料表面存在较多的旧水泥砂浆，在配置混凝土时与新水泥砂浆的粘结力较差，容易出现微裂缝，造成界面过渡区薄弱，降低再生混凝土的强度；图7(c)为再生骨料采用42.5R水泥浆包裹的混凝土，可以看出，骨料自身存在着裂缝，但裂缝里存在大量的水化产物。这是因为再生骨料自身强度较低，在机械破碎时容易造成损伤，产生一定的裂缝，经过水泥浆包裹后，水泥水化反应产生的C-S-H凝胶等物质弥补了骨料内部的微裂缝，同时改善了骨料表面的粗糙程度，加强了骨料与浆体的界面过渡区，提高了混凝土的强度。

图7 0次冻融循环的混凝土微观形貌

图8为100次冻融循环后混凝土的微观形貌，图8(d)、(e)、(f)分别为图8(a)、(b)、(c)3幅图在电镜5 000倍下的微观图片。与图7中未冻融试件相比，100次冻融循环后，由于各组试件中的毛细水反复冻结融化，受到膨胀压应力和渗透压应力的气孔出现膨胀破裂，导致水化产物由密实变疏松，且出现不同程度的裂缝，如图8所示。从电镜5 000倍下的图片可以看出，普通混凝土的裂缝最大宽度为1 μm，骨料经过包浆的再生混凝土最大裂缝为1.67 μm，未包浆的再生混凝土裂缝最大宽度则达到了5 μm，远大于其他两组，且裂缝不断延伸，逐渐出现相互贯通的趋势，宏观上表现为抗压强度的下降。再生混凝土抗冻性差的一个关键因素是骨料与浆体的界面过渡区较普通混凝土相对薄弱，在冻融循环过程中极易受到破坏，再生骨料经过水泥浆的包裹处理后，能够在一定程度上强化薄弱的界面过渡区，延缓冻融循环后裂缝的产生，进而达到提高混凝土抗冻性的效果。

图8 100次冻融循环的混凝土微观形貌

3 结论

采用的再生粗骨料取自废弃的路缘石混凝土，该混凝土强度高于其他楼板之类的混凝土，其破碎后的再生粗骨料性能相对更优，经过试验研究后得到以下结论：

1)通过正交试验得出，自密实包浆再生骨料混凝土的最佳配比方案为：粉煤灰掺量25%，包浆水泥强度42.5R，再生粗骨料替代率20%和减水剂掺量0.9%，且普通混凝土和再生混凝土的力学性能之间的关系式不适用于该混凝土，提出的劈裂抗拉强度、抗折强度与抗压强度的新关系式与试验数据较吻合。

2)从质量损失、抗压强度及相对动弹性模量3个方面均可看出采用包浆骨料的自密实再生混凝土相较于骨料未包浆的混凝土抗冻性能有了明显地提高，其中，42.5R的水泥包裹效果最佳。

3)基于抗压强度和相对动弹性模量建立的混凝土冻融损伤模型，相关系数均在0.9以上，拟合精度较高，能够直观地反映出自密实包浆再生骨料混凝土的冻融损伤规律。

4)从微观分析得出，再生粗骨料经过包浆改善混凝土的性能主要通过优化再生粗骨料物理性能及强化混凝土的界面过渡区实现。