基于弯拉强度设计的路面再生混凝土耐久性能试验研究

刘 灿 刘春晖

(广东交通职业技术学院土木工程学院1) 广州 510650) (广州大学土木工程学院2) 广州 510006)

0 引 言

随着时间的推移，混凝土结构耐久性损伤的积累与发展将导致混凝土结构耐久性下降，严重时会降低结构的安全性，甚至破坏[1]．区别于普通混凝土，再生混凝土由于再生粗、细骨料的加入，使其微观结构变得更为复杂，而且来源不同的再生原材料，性能差异巨大，导致其耐久性能更为复杂．

肖建庄等[2]认为当再生骨料本身弹性模量较低、干缩变形较大，会增大再生混凝土干燥收缩变形，与普通混凝土相比较，再生混凝土的收缩变形增加0～100%．王建刚等[3]对5种再生混凝土进行碳化、干湿与冻融耦合作用下的耐久性试验,测试其动弹性模量、氯离子迁移系数、碳化深度及微观孔隙特征参数,并引入孔隙迂曲度指标进行分析．彭勇军[4]针对不同因素对再生混凝土性能的影响问题，设计正交试验测试不同水胶比、再生粗细骨料掺和比例、粉煤灰掺和比例的再生混凝土的工作性能和力学性能.前期研究主要集中在再生混凝土或再生沥青混合料的基本物理力学性能及其在建筑工程、路基工程中的应用[5-6]，鲜有在路面工程中的应用研究．目前，在水泥混凝土路面修复过程中产生的大量废旧混凝土，如能有效扩充其应用范围，具有重要的现实意义．

文中以在广州—清远高速公路修复过程中产生的废弃混凝土路面板为原材料，进行二次破碎加工，基于弯拉强度，并考虑再生粗骨料替代率分别为0、20%、40%、60%、80%、100%的各种情况，进行了4.0，4.5，5.0和5.5 MPa四种强度等级的再生混凝土配合比设计，制备试块，参照相关试验要求，进行了干燥收缩性能、抗渗性能及抗碳化等耐久性能试验研究．

1 试验设计

本研究参照文献[7-8]进行耐久性试验和干燥收缩试验．基于路面弯拉强度分别为4.0，4.5，5.0和5.5MPa进行配比设计，并考虑再生粗集料取代率分别为0%，20%，40%，60%，80%，100%的各种情况[9-10]．共配制24组不同配合比共72块尺寸为150 mm×150 mm×515 mm棱柱体试块用于干燥收缩试验，24组共144块尺寸为175 mm×185 mm×150 mm的抗渗试验试块，15组共45块尺寸为100 mm×100 mm×100 mm抗碳化试块．

将再生混凝土试块放在自然条件下进行养护，在试块上下两端的中心用环氧树脂胶将铜轴粘贴，待凝结牢固后，用混凝土收缩仪测定其当天以及3，7，28，60和90 d在没有受到荷载作用时的尺寸，计算出棱柱体试块长度的减小相对值，以此反映再生骨料混凝土的收缩现象．抗渗性则选择透水性试验进行，试验水压从0.2 MPa开始，每隔8 h增加水压0.1 MPa，并随时观察试件端面情况，一直加至6个试件中有3个试件表面渗水，记录下此时的水压力，即可停止试验．混凝土碳化深度则选用1%～2%的酚酞酒精溶液进行．

2 再生混凝土的耐久性能试验结果

再生混凝土的干缩变形试验、抗渗试验及抗碳化性能试验结果分别见表1～3.限于篇幅，各组中仅列其中有代表性2～3个，下同．

表1 再生混凝土干缩变形试验值

2.1 再生混凝土干燥收缩试验结果分析

基于以上试验结果，进行了不同再生粗骨料掺量时，再生混凝土龄期与收缩值关系以及不同再生混凝土设计弯拉强度时，再生混凝土龄期与收缩值关系研究．限于篇幅，仅示意再生混凝土设

表3 再生混凝土28d碳化深度及抗压强度

计弯拉强度分别为4.0 MPa时，不同再生粗骨料掺量时的收缩-龄期关系曲线，见图1．图2为再生粗骨料掺量为40%时，不同设计弯拉强度的收缩-龄期关系曲线．

图1 再生混凝土收缩与龄期关系图(fc=4.0 MPa)

图2 再生混凝土收缩值与龄期关系(再生粗骨料掺量40%)

由图1可知：再生混凝土的干缩变形大于同等级强度普通混凝土．其基本趋势为：随着再生粗骨料掺量的增加，再生混凝土的干缩变形增大；而控制再生粗骨料掺量在40%以下时，干缩变形增量在25%以内．根据规范，可以满足水泥混凝土路面施工要求；其收缩率随着再生混凝土试验龄期的增加而不断增大．

由图2可知：当再生粗骨料掺量为40%时，四种设计弯拉强度的再生混凝土各龄期收缩值差别不大；而当再生粗骨料掺量为100%时，四种设计弯拉强度的再生混凝土各龄期收缩值随再生混凝土强度增大而增大．

2.2 再生混凝土抗渗试验结果分析

由表2可知：

表2 再生混凝土抗渗试验结果

1) 再生混凝土与普通混凝土抗渗规律相同，其抗渗性能随着水灰比的增大而减小．

2) 在各水灰比下，再生混凝土的抗渗标号都要比相应的基体混凝土低1～2号．与天然混凝土相比，控制再生粗骨料掺量在40%以下时，再生混凝土的抗渗性能略差或基本相同；再生粗骨料掺量60%及以上时，再生混凝土抗渗等级降低较多，降幅在2～6号．

3) 随着再生混凝土中再生粗骨料掺量的增大，其抗渗性能呈降低趋势．

但在实际工程中，一般要求混凝土的抗渗等级不低于S6．再生混凝土在运用于环境类别为III、IV、V类等抗渗要求较高的工程、水工工程、地下结构或地下水位较高的基础工程时需谨慎考虑，有必要在“前试验后论证”的基础上进行施工．在一般路面工程中可以满足相关要求．

2.3 再生混凝土抗碳化性能试验结果分析

不同水灰比对碳化深度的影响见图3．

图3 水灰比对碳化深度的影响

由图3可知：随着水灰比的增大，再生混凝土的碳化深度增大，且在W/C大于0.5以后，碳化深度的增速显著加快．水灰比越大，混凝土的密实度越差，CO2扩散速度越快，碳化深度也就越大．

水灰比不变，改变水泥用量，研究水泥用量对28 d碳化深度的影响，结果见图4．

图4 水泥用量对碳化深度的影响

由图4可知：随着水泥用量的变化，再生混凝土的抗压强度与碳化深度变化规律不同．当水泥用量较小时(小于400 kg/m3)，随水泥用量的增加，再生混凝土的抗压强度增大，碳化深度减小；水泥用量大于400 kg/m3时，随水泥用量的增大，再生混凝土抗压强度减小，碳化深度增大．当水灰比不变时，混凝土密实度随水泥用量增加而变得越来越好，而且内部的二氧化碳扩散速度则减慢，碳化深度随之减小．

再生粗骨料掺量对碳化深度的影响见图5．

图5 再生混凝土掺量对碳化深度的影响

由图5可知：随着再生混凝土中再生粗骨料的掺量的增加，其碳化深度呈增大趋势．当再生粗骨料的掺量在20%～40%时，其增幅为15%．

比较C系列各组与A3的碳化深度可知，再生混凝土中掺加矿物掺和料反而使碳化深度增加．再生混凝土内部孔隙因矿物掺和料的掺入而减小，新水泥浆体与再生集料之间的界面得到改善；但与此同时再生混凝土的碳化速率会因其内部碱含量降低而加剧．本试验结果表明，当控制再生混凝土中矿物掺和料10%(取代水泥质量)时，其对再生混凝土内部密实的改善作用小于再生混凝土中碱含量减少的负面效应，会降低再生混凝土的抗碳化能力．

3 结 论

1) 随着再生粗骨料掺量的增加，再生混凝土的干缩变形增大；而控制再生粗骨料掺量在40%以下时，其增幅在25%以内，可以满足水泥混凝土路面施工要求；收缩率随着再生混凝土试验龄期的增加而不断增大．

2) 当再生粗骨料掺量为40%时，各设计弯拉强度的再生混凝土不同龄期收缩变形值差别不大；而粗骨料掺量为100%的全再生混凝土，其收缩变形值随着其强度的增大而呈增大趋势．

与普通混凝土相同，再生混凝土的抗渗性能随着水灰比的增大而减小．在各水灰比下，再生混凝土的抗渗标号比相应的基体混凝土低1～2号．在一般路面工程中可以满足相关要求．

随着水灰比的增大，再生混凝土的碳化深度增大，W/C大于0.5以后，碳化深度的增速显著加快；水泥用量小于400 kg/m3，随用量的增加，再生混凝土的抗压强度增大，碳化深度减小；水泥用量大于400kg/m3时，随用量的增大，再生混凝土抗压强度减小，碳化深度增大；当控制再生混凝土中矿物掺和料10%(取代水泥质量)时，其对再生混凝土内部密实的改善作用小于再生混凝土中碱含量减少的负面效应，会降低再生混凝土的抗碳化能力．