掺有成孔碎渣的再生骨料混凝土的抗压及抗氯盐侵蚀性能

吴波 丁金鹏

（华南理工大学 亚热带建筑科学国家重点实验室，广东 广州 510640）

对于公路桥梁冲孔灌注桩施工中产生的成孔碎渣，传统处理方法主要有集中堆放自然沉淀风干、远运至弃土场或外海排放等，这些方法存在处理周期长、成本昂贵、占用大量土地资源、碳排放量大等问题。

为缓解上述问题，采用成孔碎渣部分替代混凝土中的细骨料，并就近应用于公路桥梁的混凝土构件不失为一种有效对策。鉴于《公路工程技术标准》（JTG B01—2014）、《公路工程混凝土结构耐久性设计规范》（JTG/T 3310—2019）等都对公路工程所采用的混凝土的强度和耐久性等提出了明确要求，同时考虑到沿海地区混凝土结构受氯盐侵蚀影响较大，本文对掺有成孔碎渣的再生骨料混凝土的抗压及抗氯盐侵蚀性能进行了研究。

从材料及其生产方式来看，与成孔碎渣最相似的是机制砂，它们都是由岩石破碎产生的，二者的主要区别在于成孔碎渣是冲击桩锤锤击强风化或中风化花岗岩形成的碎屑，而《建设用砂》（GB/T 14684—2011）中规定的机制砂是以未风化的岩石为原料破碎而成。由于目前采用成孔碎渣替代天然砂用以制备混凝土的研究少有文献报道，下面对机制砂的研究现状做简要介绍，以供本文研究参考。

柯晓军等［1］研究了石粉含量对机制砂混凝土工作性能的影响，发现机制砂中石粉含量介于5%～20%范围内时，混凝土坍落度随石粉含量的增加而降低，流动性逐渐变差；范德科等［2］研究了石粉对机制砂混凝土工作性能和抗压强度的影响，发现石粉含量大于15%时，机制砂中石粉含量的增加会降低混凝土的工作性能和抗压强度；杨海峰等［3］研究了石粉含量对机制砂再生混凝土力学性能的影响，发现当机制砂中石粉含量大于10%时，强度随石粉含量的增加而降低；谢开仲等［4］研究了机制砂级配对混凝土抗压性能的影响，发现当机制砂的级配曲线位于Ⅱ区砂中值和上限之间时，机制砂混凝土的抗压强度最优；宁勇伟等［5］也研究了机制砂颗粒特性对混凝土性能的影响，发现当机制砂颗粒级配处于Ⅱ区中值时，混凝土力学性能最佳；宋少民等［6］研究了机制砂岩性对混凝土强度的影响，发现不同岩性机制砂对混凝土强度影响不显著；熊先达［7］研究了不同级配的机制砂对混凝土抗氯盐侵蚀性能的影响，发现级配偏粗、粒径偏大的机制砂会对混凝土的抗氯盐侵蚀性能造成一定劣化，相较于常规混凝土劣化幅度为13%～16%，总体在可接受范围内；罗健勇等［8］也研究了机制砂颗粒级配对混凝土抗氯离子渗透性能的影响，发现分计筛余百分率为“中间多，两头少”的机制砂的抗氯离子渗透性能较低，且中间颗粒分布越集中抗氯离子渗透性能劣化越严重；Feng等［9］研究了不同质量机制砂对再生混凝土抗氯离子性能的影响，发现随着机制砂取代率的增加，机制砂再生混凝土的抗氯离子性能逐渐降低。由于成孔碎渣在桩孔中破碎后是由泥浆将其带出，致使其表面裹满泥浆，需先用0.075 mm 筛网对其进行湿筛分处理，这使得处理后的成孔碎渣中石粉含量较低，加之成孔碎渣的颗粒级配相比于河砂普遍偏大，且成孔碎渣主要由强风化或中风化花岗岩破碎得到而不是源自未风化的岩石，这些差异必然会对掺有成孔碎渣的再生骨料混凝土的抗压及抗氯盐侵蚀性能产生影响，对此尚有待研究。

本文以成孔碎渣取代率和再生粗骨料取代率为主要参数，开展了掺有成孔碎渣的再生骨料混凝土的抗压试验和抗氯盐侵蚀试验，以及成孔碎渣、河砂和砂浆的压汞测试，揭示该类混凝土抗压和抗氯盐侵蚀性能的变化规律及其内在机理，拟为该类混凝土在公路桥梁工程中的应用奠定初步基础。

1 试验概况

1.1 试件设计

设计了4组共96个试件，分别研究成孔碎渣取代率和再生粗骨料取代率对掺有成孔碎渣的再生骨料混凝土的抗压及抗氯盐侵蚀性能的影响，其中抗压试件48 个，抗氯盐侵蚀试件48 个，具体参数见表1。抗压试件均为Φ150、高300 mm 圆柱体，抗氯盐侵蚀试件均为Φ100、高50 mm 圆柱体，试验参数包括成孔碎渣取代率（0、50%、70%、100%）和再生粗骨料取代率（0、50%、70%、100%）。表1中，“HS”表示成孔碎渣，“β”为成孔碎渣取代率（即混凝土中成孔碎渣与全部细骨料的质量之比），“RCA”表示再生粗骨料，“γ”为再生粗骨料取代率（即混凝土中再生粗骨料与全部粗骨料的质量之比），HS50-RCA50表示成孔碎渣取代率为50%、再生骨料取代率为50%的试件，以此类推。

表1 抗压试件和抗氯盐侵蚀试件的主要参数Table 1 Main parameters of compression test specimens and chloride corrosion resistance test specimens

1.2 试验材料及配合比

用于配制混凝土的材料包括水泥、天然粗骨料、再生粗骨料、河砂、成孔碎渣、水和减水剂。成孔碎渣取自广州增城沙庄至花都北兴公路二期工程冲孔灌注桩产出的成孔碎渣，经湿筛、晒干（见图1）后用以部分取代河砂。再生粗骨料购自广东基础新世纪环保资源科技有限公司，由废弃梁经破碎和筛分处理后制备而得。细骨料河砂和成孔碎渣的级配曲线如图2 所示，天然粗骨料（NCA）和再生粗骨料（RCA）的粒径主要介于5～25 mm 之间，具体级配曲线如图3 所示。上述级配曲线均为3 组测试结果取平均值后绘制得到。不同粗、细骨料的物理特性见表2。

图1 成孔碎渣的来源及湿筛后的成孔碎渣Fig.1 Source of hole slag and hole slag after wet screening

图2 成孔碎渣和河砂的级配曲线Fig.2 Grading curves of hole slag and river sand

图3 天然粗骨料和再生粗骨料的级配曲线Fig.3 Grading curves of natural and recycled coarse aggregates

表2 粗、细骨料的物理特性Table 2 Physical properties of coarse and fine aggregates

根据成孔碎渣和再生粗骨料取代率的不同，抗压试验和抗氯盐侵蚀试验需配置16种混凝土。参照《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55—2011），考虑到再生粗骨料吸水率较大的特点，采用添加附加水的方式进行配合比设计，附加水用量按下式确定［10］：

式中，下标RCA 表示再生粗骨料，α、φ和m分别为再生粗骨料的吸水率、含水率和质量。

通过试配混凝土的坍落度来调整减水剂用量，最终确定的配合比见表3。

表3 混凝土配合比及固废含量Table 3 Mix proportions of concrete and solid waste content in concrete

1.3 加载及测量装置

1.3.1 抗压试验

抗压试验采用MATEST-4 000 kN 电压伺服压力机进行加载。在圆柱体试件侧表面相对布置2个竖向位移计（LVDT），用以测量试件中部2/5高度范围内的轴向变形，位移计量程为5 mm，精度为1×10-3mm。为测量试件的横向变形，在试件侧表面半高处按120°间隔粘贴3 个长度100 mm 的横向应变片（S.G.）。试验前，试件上、下两端面采用高强石膏找平。根据ASTMC39/C39M［11］，试验采用位移加载方式，加载速率为10-5/s。每个试件先重复加载3 次至预估峰值荷载的40%以获取其弹性模量，随后第4次加载至试件破坏。

1.3.2 抗氯盐侵蚀试验

按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082—2009），抗氯盐侵蚀试验采用RCM 法测定试件的氯离子迁移系数。RCM-NTB型氯离子扩散系数测定仪如图4所示。正式测定前，将试件在饱和面干状态下置于NEL-VJH型混凝土智能真空饱水机中进行（18±2）h真空处理。随后，将试件装入橡胶套底部，在橡胶套外侧安装两个不锈钢环箍，然后将装有试件的橡胶套放入试验槽中，并安装好阳极板。试验测试电压为（30±0.2）V，阳极注入0.3 mol/L的NaOH溶液，阴极注入质量分数为10%的NaCl 溶液。试验结束后，取出试件并将试件表面清洗干净，利用压力机将试件沿轴向劈成两半，同时在试件断裂面上喷洒0.1 mol/L的AgNO3溶液，待断裂面显色后，沿径向将断裂面分成10等份，通过测定氯离子在断裂面上的平均入侵深度，计算得到试件的氯离子迁移系数。

图4 抗氯盐侵蚀试验装置Fig.4 Device for chloride corrosion resistance test

2 试验结果与分析

2.1 抗压性能

表4所示为试件的实测抗压性能，其中fc、Ec和εp分别为试件的抗压强度、弹性模量和峰值应变。试件的弹性模量按（σ2-σ1）/（ε2-0.000 05）计算［12］，其中σ2为0.4倍峰值荷载对应的应力值，σ1为50个微应变对应的应力值，ε2为σ2对应的应变。

表4 抗压试验实测结果Table 4 Measured results of compression test

2.1.1 抗压强度

由表4可知，掺有成孔碎渣的再生骨料混凝土的抗压强度可达44.8～53.6 MPa。该抗压强度随成孔碎渣取代率和再生粗骨料取代率的变化情况见图5，由图中可以看出：

图5 抗压强度随成孔碎渣取代率和再生粗骨料取代率的变化情况Fig.5 Variations of compressive strength with replacement ratios of hole slag and recycled coarse aggregates

（1）当再生粗骨料取代率不变时，掺有成孔碎渣的再生骨料混凝土的抗压强度随成孔碎渣取代率的增加总体上逐渐降低，成孔碎渣取代率100%所对应的降幅为5.2%～11.5%。这主要是因为：①成孔碎渣的压碎指标较河砂更大（见表2），其抗压性能更差，从而导致混凝土抗压强度有所降低［13］；②成孔碎渣的细度模数相较于河砂偏大（见表2），导致随着成孔碎渣掺量的增加，砂浆内部孔隙率增大，进而使得混凝土强度有所降低。下文将利用MIP试验对第②点予以验证。

（2）当成孔碎渣取代率一定时，掺有成孔碎渣的再生骨料混凝土的抗压强度随再生粗骨料取代率的增加总体上逐渐降低，再生粗骨料取代率100%所对应的降幅为6.3%～11.8%。这是由再生粗骨料表面附着的残余砂浆及其破碎过程中可能产生的内部微裂纹以及新-旧砂浆界面相对偏弱等因素共同作用所致［14］。

2.1.2 弹性模量

图6展示了掺有成孔碎渣的再生骨料混凝土的弹性模量随成孔碎渣取代率和再生粗骨料取代率的变化情况。从表4和图6中可以看出：

图6 弹性模量随成孔碎渣取代率和再生粗骨料取代率的变化情况Fig.6 Variations of elastic modulus with replacement ratios of hole slag and recycled coarse aggregates

（1）当再生粗骨料取代率一定时，掺有成孔碎渣的再生骨料混凝土的弹性模量并未随成孔碎渣取代率的增加呈现出单调变化的趋势，且成孔碎渣取代率100%所对应的最大降幅也不超过10%，整体影响有限。

（2）当成孔碎渣取代率一定时，掺有成孔碎渣的再生骨料混凝土的弹性模量随再生粗骨料取代率的增加逐渐降低，再生粗骨料取代率100%所对应的降幅为24.2%～30.0%。这是因为与天然粗骨料相比，再生粗骨料含有部分老砂浆，客观上导致混凝土内部弹性模量较大的天然石子的含量减少，进而使得混凝土弹性模量降低。

2.1.3 峰值应变

图7展示了掺有成孔碎渣的再生骨料混凝土的峰值应变随成孔碎渣取代率和再生粗骨料取代率的变化情况。从图7和表4中可以看出：

图7 峰值应变随成孔碎渣取代率和再生粗骨料取代率的变化情况Fig.7 Variations of peak strain with replacement ratios of hole slag and recycled coarse aggregates

（1）当再生粗骨料取代率一定时，成孔碎渣取代率的变化总体上并未对掺有成孔碎渣的再生骨料混凝土的峰值应变产生明显影响，特别是当再生粗骨料取代率为0时，该类影响极小。

（2）当成孔碎渣取代率一定时，掺有成孔碎渣的再生骨料混凝土的峰值应变随再生粗骨料取代率的增加总体上逐渐增大，再生粗骨料取代率100%所对应的增加幅度为12.5%～27.2%。这可能是由于再生粗骨料的弹性模量相较天然粗骨料偏低，前者自身变形相对较大，进而导致混凝土的峰值应变随再生粗骨料取代率的增加而增大［15］。

2.2 抗氯盐侵蚀性能

根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082—2009），混凝土的氯离子迁移系数DRCM按下式计算：

式中，U为试验所用电压的绝对值（V），θ为阳极溶液的初始温度和结束温度的平均值（℃），L为试件厚度（mm），Xd为氯离子渗透深度的平均值（mm），t为试验持续时间（h）。

图8展示了掺有成孔碎渣的再生骨料混凝土的氯离子迁移系数随成孔碎渣取代率和再生粗骨料取代率的变化情况。由图中可以看出：

图8 氯离子迁移系数随成孔碎渣取代率和再生粗骨料取代率的变化情况Fig.8 Variations of chloride ion migration coefficient with replacement ratios of hole slag and recycled coarse aggregates

（1）当再生粗骨料取代率一定时，掺有成孔碎渣的再生骨料混凝土的氯离子迁移系数随成孔碎渣取代率的增加逐渐增大，成孔碎渣取代率100%所对应的增幅为4.6%～11.6%。这表明掺入成孔碎渣后混凝土的抗氯盐侵蚀性能有一定程度的降低，但总体上降幅较为有限。

（2）当成孔碎渣取代率一定时，掺有成孔碎渣的再生骨料混凝土的氯离子迁移系数随再生粗骨料取代率的增加总体上相对较明显地增大，再生粗骨料取代率100%所对应的增幅为24.6%～28.8%。这一方面是因为再生粗骨料表面附着有一定量的旧砂浆，导致混凝土内部的实际砂浆占比有所增大，整体孔隙率增加，进而使得抗氯盐侵蚀性能降低；另一方面则是因为掺入再生粗骨料后，在混凝土内部额外引入了若干疏松多孔的旧砂浆-石子界面过渡区，这也使混凝土的抗氯盐侵蚀性能有所降低［16-17］。

为了解释掺入成孔碎渣后混凝土抗氯盐侵蚀性能有所劣化的现象，分别对河砂、成孔碎渣和砂浆试样（砂浆试样分别取自成孔碎渣取代率为0、50%、70%、100%且再生粗骨料取代率为0的抗氯盐侵蚀混凝土试件）开展了压汞测试，其中HS50表示成孔碎渣取代率为50%的砂浆试件，以此类推。压汞测试采用AutoPore Ⅳ 9500全自动压汞仪，其压力范围为0～228 MPa，孔隙尺寸测定范围为2.5 nm～500 μm。砂浆试样的孔隙尺寸分布（按直径计算，下同）随成孔碎渣取代率的变化情况如图9 所示，河砂和成孔碎渣的孔隙尺寸分布见图10（图中HS和NS分别表示成孔碎渣和河砂）。

图9 孔隙尺寸分布随成孔碎渣取代率的变化情况Fig.9 Variation of hole size distribution with replacement ratio of hole slag

图10 河砂和成孔碎渣的孔隙尺寸分布Fig.10 Hole size distribution of river sand and hole slag

由图9可以看出，随着成孔碎渣取代率的增加，混凝土内部砂浆的孔隙率总体呈现出先快后慢逐渐增大的趋势。这一方面是因为成孔碎渣的细度模数相较于河砂偏大（见表2），粒径偏粗，导致水泥浆体的孔隙率有所增大［18］；另一方面则是由于成孔碎渣的孔隙率本就略大于河砂（见图10）所致。上述两方面因素共同作用，使得混凝土内部孔隙率随着成孔碎渣取代率的增加而增大，进而导致混凝土的抗氯盐侵蚀性能相较常规混凝土有所降低。图9和图10所示结果也从微观角度印证了2.1.1节所述的混凝土抗压强度随成孔碎渣取代率增加总体上逐渐降低的现象。

基于本文研究结果，以掺有成孔碎渣的再生骨料混凝土的抗压强度和抗氯盐侵蚀性能相较常规混凝土的劣化幅度均不超过15%为原则，建议实际工程中同时采用成孔碎渣和再生粗骨料时，二者的最大取代率都以50%为限。

3 结论

通过本文的研究，主要得到如下结论：

（1）随着成孔碎渣取代率和再生粗骨料取代率的增加，掺有成孔碎渣的再生骨料混凝土的抗压强度总体上逐渐降低，成孔碎渣取代率100%所对应的降幅为5.2%～11.5%，再生粗骨料取代率100%所对应的降幅为6.3%～11.8%。

（2）虽然随着再生粗骨料取代率的增加，掺有成孔碎渣的再生骨料混凝土的弹性模量和峰值应变分别总体上逐渐降低和增大（再生粗骨料取代率100%所对应的降幅和增幅分别为24.2%～30.0%和12.5%～27.2%），但成孔碎渣取代率对该弹性模量和峰值应变的影响却相对有限。

（3）掺有成孔碎渣的再生骨料混凝土的氯离子迁移系数随再生粗骨料取代率的增加总体上逐渐增大（再生粗骨料取代率100% 所对应的增幅为24.6%～28.8%），但该迁移系数随成孔碎渣取代率增加而逐渐增大的幅度却相对较为有限。

（4）随着成孔碎渣取代率的增加，掺有成孔碎渣的再生骨料混凝土的孔隙率总体呈现出先快后慢逐渐增大的趋势；成孔碎渣的孔隙率略大于河砂。

（5）以掺有成孔碎渣的再生骨料混凝土的抗压强度和抗氯盐侵蚀性能相较常规混凝土的劣化幅度均不超过15%为原则，建议实际工程中同时采用成孔碎渣和再生粗骨料时，二者的最大取代率都以50%为限。