骨料粒径与取代率影响下再生砂浆收缩性能研究*

杜 威，王文富，方敏杰，杨 闯，李春毅

(1.中建铁路投资建设集团有限公司，江西 南昌 330038；2. 中国建筑第三工程局有限公司，江西 南昌 330038)

0 引言

随着我国城市现代化不断发展，大规模基础设施不断完善，每年因拆迁产生的建筑废弃物多达17亿吨，其中废旧混凝土占比40%～50%.与此同时，建筑用骨料年消耗量超过130亿吨[1]，河砂等自然资源消耗严重，已严重破坏生态环境，自然资源形势十分严峻.将建筑垃圾作为一种可再生资源代替自然资源制备混凝土、砂浆等建筑材料是缓解资源困境的有效途径之一[2].再生细骨料是由废旧混凝土经破碎筛分等一系列处理而得到[3]，其化学组分较为复杂，所含SiO2占55.5%～85%、CaO占4.3%～18.1%[4-5]，吸水率可达0.6%～14.7%[6].将其替代天然骨料来配制再生砂浆，可在实现废旧混凝土资源化应用的同时缓解自然资源短缺问题[7].但由于与普通砂浆相比，再生砂浆的硬化及工作性能均有所降低，因此在实际工程应用中存在较大限制[6-9].

近年来，随着现代水泥基材料性能不断升级[10]，因其收缩变形而引起的开裂问题已然成为全球结构工程领域持续关注的问题之一.砂浆的自生收缩变形主要是由砂浆本身内部水化作用而导致的宏观上体积减小；而干燥收缩变形主要是指砂浆硬化后，在外界环境湿度低于体系内部湿度情况下其内部水分不断得到蒸发释放，导致的体积变形.国内外许多学者针对再生砂浆的力学性能等方面开展了一系列研究，相关试验结果表明，再生细骨料具有吸水率高、表观密度小等特点[11]，在砂浆的养护早期及硬化后，其抗压强度及黏结强度均随骨料取代率的增大而呈线性降低趋势[12]，与天然砂浆相比，再生砂浆的抗压强度可降低50%左右；骨料取代率是影响再生砂浆性能的主要因素[13]，由于体系毛细作用而引起的含气量和吸水性均随骨料取代率的增加而逐渐增大；余乃宗等[14]通过正交设计法研究了影响再生砂浆强度主要因素，结果表明影响再生砂浆强度的首要因素是粉煤灰与水泥总量，通过合理设计水泥与粉煤灰的用量比例，可以使再生细骨料砂浆满足规范的设计要求；陶李尧等[15]通过试验对再生细骨料砂浆流变及力学性能进行研究，分析结果表明制备再生细骨料砂浆时，粉煤灰的掺量不宜超过30%，当其掺量为20%左右时，掺入聚羧酸减水剂的再生砂浆28 d抗压强度为18.1～20.5 MPa、2 h稠度损失率为14.89%～20.18%；Pereira等[16]通过试验研究得出当采用再生细骨料制备水泥砂浆时，减水剂的作用会呈现降低趋势，并认为这是由于所用减水剂内部聚合链与再生细骨料接触表面积增大所引起的；Wang[17]通过试验研究了再生细骨料砂浆的工作性能，分析结果表明在确保砂浆具有较高流动性和较好工作性能的前提下，在砂浆中掺入再生细骨料是可行的.部分学者对再生砂浆收缩性能进行了试验初探，马加存等[18]研究了混合再生细骨料掺量和预湿时长对砂浆干燥收缩的影响，发现再生砂浆的干燥收缩值随细骨料掺量和预湿时长的增加而降低；王将华等[19]试验发现，掺花岗岩石粉量为15%时再生砂浆的干燥收缩性能可达到最优.

综上，目前针对再生砂浆基本力学性能方面的研究较为成熟，但关于再生细骨料对砂浆收缩性能的影响研究有限、缺乏足够试验数据.基于此，本文选用由废旧混凝土处理得到的再生细骨料配制砂浆，并测量其自生收缩与干燥收缩数据，分两个阶段研究再生细骨料砂浆的1 d内自生收缩和180 d内自生收缩以及干燥收缩变形，量化骨料粒径与取代率对再生砂浆收缩性能的影响，为今后再生细骨料在结构化应用方面的研究提供参考.

1 试验概况

1.1 材料基本性能

将废旧混凝土经过一系列处理得到的再生细骨料命名为RA，细骨料的级配曲线如图1所示.水泥选用P.II 52.5基准水泥，其物理特性如表1所示.将再生细骨料单粒粒径范围为0.60～1.18 mm、1.18～2.36 mm、2.36～4.75 mm的再生细骨料用于试验研究，各组研究对象基本性能如表2所示.选取粒径为1.18～2.36 mm的机制砂配制普通砂浆，与再生细骨料砂浆形成对照试验，其表观密度取2.67 g/cm3.砂浆含量的测试方法参考文献 [20].

表1 水泥的物理特性

表2 再生细骨料性能

图1 再生细骨料及天然细骨料级配曲线图Fig.1 Particle size distribution of recycled fine aggregate and natural fine aggregate

1.2 配合比

在不同水灰比(W/C)条件作用下，水泥砂浆的自生收缩变形和干燥收缩变形都有可能发生.但是当W/C>0.40时，其干燥收缩变形所占比重超过60%；当W/C<0.30时，干燥收缩占自生收缩的比重在50%以下；当W/C<0.17时，自生收缩占比接近100%[21].因此，本文将选用W/C为0.30的水泥砂浆用于自生收缩变形试验，选用W/C为0.50的水泥砂浆用于干燥收缩变形试验.同一水灰比下的砂浆不同配合比分别如表3和表4所示.

表3 水灰比为0.3的砂浆不同配合比

表4 水灰比为0.5的砂浆不同配合比

1.3 试验方法

1)1 d内的早期自生收缩

选用波纹管自收缩测定装置对砂浆体积变形进行连续监测，波纹管长340 mm，直径28.5 mm，自动收集数据的时间间隔设置为1 min，试验环境温度设置为(20±2)℃，相对湿度为(50±10)%.取加水时刻为零点开始测定砂浆自生收缩变形.

2) 1 d后的收缩变形

为揭示再生细骨料砂浆1 d后自生收缩变形与干燥收缩变形规律，浇筑25 mm×25 mm×285 mm的棱柱体试块并将其分为两组，使用万能投影测长仪对试件的长度变化进行测定，测定精度为1 μm.将试块终凝时刻设为试验零点，待终凝后拆模并测定试块初始长度L0.一组试块用塑料薄膜和锡纸进行双重密封，放置于(20±2) ℃的温度环境内养护，用于测定砂浆的自生收缩变形；另一组在水中养护7 d后取出擦干表面水分，随后放置于(20±2) ℃、相对湿度为(60±5)%的环境中进行持续养护，用于测定砂浆的干燥收缩变形.上述两组试块均养护至1 d、3 d、7 d、14 d、28 d、56 d、91 d、180 d，并分别测定试块长度Lt，试块收缩值按式(1)计算：

(1)

式中：ε为龄期对应的收缩值；L0为试块初始长度的数值，单位 mm，对于测定自生收缩变形的砂浆试块为密封养护拆模后的初始长度，测定干燥收缩变形的砂浆试块为养护7 d后的初始长度；Lt为各龄期对应的试块实测长度的数值，单位 mm；L为试块浇筑长度，取285 mm；Ld为收缩探头嵌入试块内的长度，一般取(20±2)mm.

2 试验结果分析

2.1 骨料粒径对再生砂浆收缩性能的影响

图2为W/C取0.3、S/C取1的条件下，不同再生细骨料粒径对砂浆早期自生收缩的影响，从中可以看出，24 h内随再生细骨料粒径的减小，砂浆自生收缩逐渐降低，24 h时RA-0.30-0.60-1、RA-0.30-1.18-1及RA-0.30-2.36-1的自生收缩分别为标准砂浆N-0.30-1.18-1的25.20%、46.29%、69.68%.饱和再生细骨料的掺入对砂浆的前期自生收缩具有缓解作用，分析其原因，虽然上述各组试块所用再生细骨料体积相同，但随着骨料粒径的减小，其吸水率逐渐增大，体系内所需的内养护水也就越多，内养护效果就更加明显.

图2 骨料粒径对再生砂浆1d内自生收缩的影响Fig.2 Effect of aggregate particle size on autogenous shrinkage of recycled mortar within 1 day

图3为1 d后再生细骨料不同粒径对砂浆自生收缩变形的影响.可以看出，在28 d之前再生细骨料砂浆的自生收缩值小于普通砂浆，但自28 d开始再生细骨料砂浆的自生收缩大于普通砂浆.180 d时与普通砂浆相比，再生细骨料粒径为0.60、1.18、2.36的砂浆自生收缩分别增大了10.70%、2.39%、7.95%.分析其原因，在早期砂浆出现自干燥时再生细骨料内的水分得到释放，从而对砂浆的自生收缩现象起到了缓解作用；28 d以后，由于再生细骨料的弹性模量与天然细骨料相比较低，所以再生细骨料对砂浆收缩变形的抑制作用逐渐减弱，此外再生细骨料砂浆的内部水分逐渐释放同样也会导致砂浆的自生收缩变形.

图3 骨料粒径对再生砂浆180 d 内自生收缩的影响Fig.3 Effect of aggregate particle size on autogenous shrinkage of recycled mortar within 180 days

图4为W/C取0.5、S/C取1的条件下，再生细骨料不同粒径对砂浆干燥收缩变形的影响.可以看出，砂浆的干燥收缩变形随再生细骨料粒径的减小而不断增大.具体而言，在180 d时，再生细骨料砂浆RA-0.50-2.36-1、RA-0.50-1.18-1、RA-0.50-0.60-1与普通砂浆N-0.50-1.18-1相比，干燥收缩值分别增加了12.65%、40.88%和50.30%；RA-0.50-1.18-1、RA-0.50-0.60-1与RA-0.50-2.36-1相比，干燥收缩值分别增加了25.08%和33.45%.分析其原因，虽然再生细骨料粒径越小，内部所含水分越多，但其表面积较大，使得其内部水分散失速率较高，加快了砂浆的整体收缩变形，从而使得试块干燥收缩幅度增大.同时，较大粒径的再生细骨料弹性模量相对较高，对砂浆的干燥收缩可以起到很好的约束作用，从而降低了砂浆干燥收缩变形.

图4 骨料粒径对再生砂浆干燥收缩的影响Fig.4 Influence of aggregate particle size on drying shrinkage of recycled mortar

2.2 骨料取代率对再生砂浆收缩性能的影响

砂浆自生收缩变形同时会因再生细骨料取代率不同而产生不同影响.图5和图6分别为不同再生细骨料取代率对砂浆早期自生收缩和180 d自生收缩的影响，其中S/C分别取1、2、3，W/C取0.3.由图5可以得出，砂浆早期自生收缩现象随再生细骨料取代率的增大，在一定程度上可以得到有效缓解.而且当S/C为3时，砂浆早期的自生收缩现象基本得到有效控制，同时还出现了轻微的膨胀现象.分析其原因，相对于水泥浆体，较多的再生细骨料拥有更高的弹性模量，对水泥浆体的自生收缩现象具有很好的约束作用；同时由于再生细骨料取代率逐渐增大，水泥浆体的用量随之减少，从而使得水泥浆体对再生砂浆整体自生收缩的影响逐渐减弱.因此，砂浆早期的自生收缩变形随再生细骨料取代率的逐渐增大可以得到有效控制.

图5 骨料取代率对再生砂浆1d内自生收缩的影响Fig.5 Effect of aggregate replacement rate on autogenous shrinkage of regenerated mortar within 1 day

图6 骨料取代率对再生砂浆180d内自生收缩的影响Fig.6 Effect of aggregate replacement rate on autogenous shrinkage of regenerated mortar within 180 days

从图6中可以看出，在采用相同骨料的前提下，随骨料用量增加，砂浆的自生收缩变形均有所降低.与天然细骨料相比，采用再生细骨料对砂浆自生收缩的缓解作用更为明显.针对再生细骨料砂浆而言，与S/C为1的砂浆相比，S/C为2和3时砂浆的28 d自生收缩值分别降低了9.95%和33.40%.分析其原因，随再生细骨料取代率的增加，在增加砂浆整体弹性模量的同时也为砂浆提供了一定量的水分用于内养护，从而促使砂浆的自生收缩变形发展速率降低.

此外，在7 d之前，再生细骨料砂浆的自生收缩值要小于普通砂浆的自生收缩值；在7 d以后，只有S/C为3的再生细骨料砂浆自生收缩值小于普通砂浆.分析其原因，在7 d之前，即水化早期，再生细骨料在饱和条件下可以对砂浆起到内养护作用，从而在一定程度上减小再生砂浆的自生收缩变形；但在水化作用后期，当再生细骨料内的水分不足以为砂浆进行内养护时，骨料弹性模量便起到了主导作用，而且只有当S/C取3时，饱和状态的再生细骨料的内养护作用可以与骨料弹性模量降低产生的消极作用相互抵消，从而使得只有S/C取3时的再生细骨料砂浆自生收缩变形小于普通砂浆.

图7为W/C取0.50，粒径取1.18的条件下，再生细骨料的取代率不同对砂浆干燥收缩变形的影响.可以得出，在采用相同骨料的前提下，随着骨料用量的增加，砂浆的干燥收缩变形逐渐降低。但与再生细骨料相比，天然骨料用量对砂浆干燥收缩变形的影响更为明显.具体而言，当S/C增加至2和3时，对于普通砂浆而言，180 d的干燥收缩值分别减少了41.90%和55.83%；但对于再生细骨料砂浆而言，180 d的干燥收缩则分别减少了19.48%和38.72%.分析其原因，由于再生细骨料表面附着的残余砂浆致使其骨料本身的弹性模量略有降低，从而使得再生细骨料对砂浆干燥收缩的缓解效果有所减弱.此外，由图7还可以得出，在骨料体积用量相等，即S/C相同的条件下，当S/C分别取1、2、3时，再生细骨料砂浆的180 d干燥收缩值较普通砂浆分别增加40.88%、95.35%和96.28%.由此可以看出，随着再生细骨料的取代率越多，其对砂浆干燥收缩的影响也就越大.

图7 骨料取代率对再生砂浆干燥收缩的影响Fig.7 Effect of aggregate replacement ratio on drying shrinkage of recycled mortar

3 结论

1)再生细骨料的掺入对砂浆早期自生收缩变形具有抑制作用.随再生细骨料粒径的逐渐减小，砂浆1 d内自生收缩值逐渐降低，再生细骨料砂浆的自生收缩值在24 h时为普通砂浆的25.20%～69.68%，在180 d时与普通砂浆相比增大了7.95%～10.70%.

2) 再生细骨料取代率的增加，可以在很大程度上缓解砂浆的自生收缩，并且与天然细骨料相比，采用再生细骨料对砂浆自生收缩的缓解作用更为明显.当S/C取3时，砂浆的1 d自生收缩现象基本得到有效控制，而且还会出现轻微的膨胀现象；当S/C为2和3时，与S/C为1相比，再生细骨料砂浆28 d自生收缩分别降低了9.95%和33.40%.

3)随着再生细骨料粒径的减小，砂浆的干燥收缩变化逐渐增大，与普通砂浆相比，再生细骨料砂浆180 d的干燥收缩值增加了12.65%～50.30%；在采用相同骨料的前提下，随着骨料用量的增加，砂浆的干燥收缩逐渐减小，对于再生细骨料砂浆而言，当S/C增加至2和3时，其180 d的干燥收缩分别减少了19.48%和38.72%.