含防水剂的再生混凝土力学性能试验研究★

薛 斌，康玉梅，魏梦琦，宋旨健，谷 今，朱富恩

(1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819； 2.中铁九局集团第四工程有限公司，辽宁 沈阳 110005)

随着房屋建筑行业的大规模发展，我国每年的混凝土需求量高达13亿m3，占世界混凝土总需求量的46%左右。同时，随着我国城市化进程的不断推进，建筑生产过程中产生了大量破碎废弃混凝土[1-3]。众所周知，在混凝土的原材料中，骨料约占75%，而骨料主要来源于人们对岩石开挖再加工，以及对河中砂、卵石和砾石的直接挖掘，不仅严重破坏了自然环境，同时也阻挠建筑业的可持续发展。因此，对废弃混凝土的再生利用研究显得尤为重要，不仅能够带来良好的经济效益，还可以实现建筑资源的高效利用[4-5]。

破碎废弃混凝土得到的再生骨料表面被大量旧混凝土水泥砂浆包裹，具有棱角多、吸水率大的特点，因此使用这种再生骨料所制备的再生混凝土力学性能较差[6]。针对这种情况，国内外大多采用物理强化或化学强化方法对再生骨料进行处理，实现再生混凝土性能的提升[7-8]，然而这类方法造价高昂，在我国不具有普适性。文献[9-12]表明掺入粉煤灰、矿渣等矿物质能够有效填补再生混凝土的内部细小孔洞，增强再生混凝土的内部密实性，提高其力学性能[13]。考虑到防水剂的掺入同样可通过活性物质催化结晶，充分填堵混凝土内部本身的毛细孔，提高混凝土的力学性能[14]。本文采用防水剂对再生混凝土进行改性试验，研究了不同掺量的防水剂与再生粗骨料对再生混凝土力学性能的影响，结合扫描电镜试验分析防水剂与再生粗骨料作用机理。

1 试验概况

1.1 原材料及配合比

水泥采用P.O42.5普通硅酸盐水泥；细骨料为细度模数2.56的天然河砂，最大粒径为4.75 mm；粗骨料选用粒径为5 mm～31.5 mm的天然碎石；再生粗骨料采用颚式破碎机破碎废弃混凝土，筛分后粒径为5 mm～31.5 mm，其物理指标如表1所示；防水剂为郑州赛诺建材公司生产的赛诺牌YYK防水剂。经过测试发现防水剂的添加对水泥凝结时间影响小于2%，对水泥安定性无影响，可以满足使用要求。

表1 再生粗骨料各个物理指标的测定值

根据《普通混凝土配合比设计规程》[15]，经过多次试配得到C25混凝土的配合比(质量比)为W∶C∶S∶G=200∶250∶780∶1 170。将防水剂设为水泥掺量的0%，0.4%，0.8%，1.5%，再生粗骨料对粗骨料进行等质量取代。试验设置不同掺量的防水剂，每种掺量为一组，每组各掺入0%，25%，50%，75%的再生粗骨料，共计16组，编号为FθRε，其中θ为防水剂掺量；ε为再生粗骨料掺量，普通混凝土(F0R0)为基准组，具体配合比见表2。

表2 再生混凝土配合比

1.2 试件制备及试验方法

按照配合比将骨料、砂和70%的水混合搅拌10 s～20 s后，加入所有的水泥搅拌30 s，再加入剩余的30%的水搅拌60 s将混凝土拌合物浇入长宽高为100 mm×100 mm×100 mm试件模具内并振捣密实，24 h后脱模将其放入标准养护室，室内温度为(20±2) ℃，相对湿度在95%以上。

按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》[16]测试混凝土的坍落度；按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》[17]测试混凝土的立方体抗压强度和劈裂抗拉强度；使用扫描电子显微镜(Ultra-plus SEM)观察试件破坏后的界面形貌，测试前在试件表面进行喷金处理，加速电压为15 kV。

2 试验结果与分析

2.1 坍落度

再生混凝土坍落度如图1所示，基准组F0R0坍落度为45 mm，随着再生粗骨料取代率的增加，再生混凝土坍落度逐渐降低，F0R25,F0R50,F0R75的坍落度与基准组F0R0相比分别降低了2.2%,15.6%,20%，原因在于再生骨料与天然骨料相比，表面粗糙多孔、吸水率更高，从而降低了坍落度。当再生粗骨料取代率为75%，F0R75坍落度为36 mm，此时再生混凝土有较好的黏聚性，掺入防水剂后，F0.4R75,F0.8R75,F1.5R75与F0R75相比分别提高了2.7%,33.3%,41.7%，由此可知，防水剂的加入使得混凝土流动性变好，坍落度增大。

2.2 抗压强度

立方体抗压强度试验采用长宽高为100 mm×100 mm×100 mm试件，混凝土28 d抗压强度如图2所示。如图2可知，相同防水剂掺量的情况下，随着再生粗骨料取代率的增大，再生混凝土28 d抗压强度呈现先增大后减小的趋势。再生粗骨料取代率在0%～50%范围内，再生混凝土的抗压强度逐渐增大。当再生粗骨料取代率为50%，防水剂掺量为0.8%时，抗压强度达到最大值，与基准组F0R0相比抗压强度提升32.6%；当再生粗骨料取代率在50%～75%范围内时，抗压强度则呈现减小的变化趋势，再生粗骨料取代率为75%时，其抗压强度为27 MPa，与F0.8R0相比降低8.1%。试验结果表明，掺入适量再生粗骨料会使抗压强度升高，而过量再生粗骨料的掺入反而会降低再生混凝土的强度，原因在于再生粗骨料作为再生混凝土的骨架支撑，其强度小于天然骨料，适量的再生骨料的加入可以提高混凝土的抗压强度，但过量的再生骨料的加入将使混凝土的抗压强度整体呈下降趋势。

相同再生粗骨料掺量情况下，掺入防水剂，混凝土28 d抗压强度基本呈现先下降后上升再下降的趋势。当防水剂掺量为0.4%时，不同掺量再生粗骨料的混凝土28 d抗压强度为23.35 MPa,27.83 MPa,29.84 MPa,22 MPa；而防水剂掺量增加到0.8%时，再生混凝土的抗压强度为29.36 MPa,31.61 MPa,33.03 MPa,27 MPa，与防水剂掺量0.4%时相比分别提升25.7%,13.6%,10.7%,22.7%，且当防水剂掺量继续增大到1.5%时，再生混凝土的抗压强度为23.44 MPa，比F0.8R0降低25.3%，说明防水剂掺量因素对再生混凝土抗压强度的影响与再生粗骨料掺量因素的影响相似，掺入适量防水剂会使抗压强度升高，过量掺入防水剂则无法继续提升再生混凝土抗压强度，反而会导致再生混凝土吸水率过低，配合比失衡，水化反应不充分，进而使再生混凝土抗压强度变低。当再生粗骨料掺量为50%，防水剂掺量为0.8%时，再生混凝土的抗压强度最大，试验效果最佳。

2.3 劈裂抗拉强度

劈裂抗拉试验采用尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件，试验结果如图3所示，随着再生粗骨料掺量的增大，再生混凝土的劈裂抗拉强度呈现先增大后减小的趋势。掺入防水剂后，混凝土劈裂抗拉强度基本呈现先下降后上升再下降的趋势，防水剂的掺量为0.8%，不同再生粗骨料掺量混凝土的劈裂抗拉强度为3.12 MPa,3.36 MPa,3.62 MPa,2.84 MPa。再生粗骨料掺量在0%～50%范围内逐渐增大时，与F0.8R0相比，F0.8R50的劈裂抗拉强度提升了16%，再生粗骨料掺量超过50%时，劈裂抗拉强度逐步减小；再生粗骨料掺量为75%时，与F0.8R50相比，F0.8R75的劈裂抗拉强度降低了27.5%，说明适量的再生骨料的加入可以提高混凝土的劈裂抗拉强度，但少量或过量的再生粗骨料的加入将使混凝土的劈裂抗拉强度整体呈下降趋势。防水剂掺量因素对再生混凝土劈裂抗拉强度的影响与再生粗骨料掺量因素的影响相似。当再生粗骨料掺量为50%，防水剂掺量为0.8%时，再生混凝土的抗压强度及劈裂抗拉强度均达到最大值。

2.4 防水剂与再生粗骨料作用机理分析

对防水剂掺量为0.8%，不同再生粗骨料掺量的混凝土进行SEM观测，结果如图4～图7所示，可以明显发现仅掺入防水剂混凝土试样的骨料与水泥石界面疏松多孔，存在未完全水化的水泥颗粒及微裂缝，随着再生粗骨料掺量的增加，微裂缝逐渐减少，但再生粗骨料掺量过多时仍存在多条裂缝。再生粗骨料掺量为25%时，界面处主要的水化产物为C-S-H凝胶晶体与层片状的Ca(OH)2晶体，粗骨料与水泥浆体的结合处较为紧密，四周存在较大孔隙；当再生粗骨料掺量为50%时，界面处已经富集大量的针刺状钙矾石晶体，且伴有少量层片状的Ca(OH)2晶体，此时能够观测到的大孔隙较少，说明针刺状钙矾石晶体、层片状的Ca(OH)2晶体及高度絮凝化C-S-H凝胶晶体的共同作用下填充了大孔隙，改善了孔结构，使整个水泥石结构更为致密；当再生粗骨料掺量为75%时，界面处周围能明显观测到堆积层片状的Ca(OH)2晶体，且伴随着多条微裂缝的存在，说明再生粗骨料的过量掺入后，加入防水剂也无法有效改善再生混凝土的界面过渡区形貌。对比再生粗骨料掺量为0%,50%与75%的电镜切片，发现能够观测到的微裂缝较少的原因是在水化反应已经足够充分的条件下，防水剂的掺入能够明显改善再生混凝土界面过渡区形貌，促进针刺状钙矾石晶体与层片状的Ca(OH)2晶体填充孔结构，使界面过渡区更为致密，实现对再生混凝土性能的提升，而过量再生粗骨料的掺入后，掺入防水剂也无法对再生混凝土实现改性。

3 结论

1)随再生粗骨料掺量的增加再生混凝土立方体抗压强度呈现先增大后减小的趋势，各组在F0R50,F0.4R50，F0.8R50，F1.5R50时，抗压强度最大，分别为32.14 MPa,29.84 MPa,33.03 MPa,30.89 MPa，较基准组F0R0的24.91 MPa提升29%,19.8%,32.6%,24%，防水剂掺量为0.8%，再生粗骨料掺量50%为最优掺量。2)随防水剂掺量的增加再生混凝土劈裂抗拉强度呈现先增大后减小的趋势，各组在F0R50,F0.4R50,F0.8R50,F1.5R50时，抗拉强度最大，分别为3.32 MPa,3.14 MPa,3.62 MPa,3.39 MPa，较基准组F0R0的2.66 MPa提升24.8%,18%,36.1%,27.4%，其最优掺量与再生混凝土抗压强度相同。3)仅掺入防水剂时，混凝土内部存在未完全水化的水泥颗粒，随着再生粗骨料掺量的逐渐增加，水化反应逐渐深化，掺入的防水剂能够促进结晶体的生成，针刺状钙矾石晶体、片状的Ca(OH)2晶体与C-S-H凝胶的共同作用对裂缝起到填充作用，进而有效改善界面过渡区。