再生粗骨料粒徑對再生混凝土早期開裂影響研究

安新正，郭 恒，李莎莎，張結太

(河北工程大學 土木工程學院，河北 邯鄲 056038)

再生粗骨料作為綠色混凝土材料目前在機場跑道工程、農田水利工程、住宅工程等都有實際應用，在土木工程中有著較為廣泛的應用前景。微裂紋、微孔隙是再生混凝土工程澆筑成型早期較為常見的損傷病害[1-4]，是誘發(fā)混凝土工程耐久性能退化的重要因素[5-7]。由再生粗骨料作為粗骨料配制而成的混凝土，其早期的開裂損傷與其后期的耐久性能密切相關[8]，因此，研究與提高再生混凝土材料的早期抗裂性能是當前業(yè)內研究者的重大課題。影響再生混凝土材料早期開裂損傷的因素比較多，一些研究是針對礦物摻和料與再生混凝土材料早期收縮變形性能的相關性[9-10]；另一些研究則是針對不同水灰比下再生混凝土材料抗裂性能[3-4]，這些研究為再生混凝土材料的抗裂優(yōu)化設計提供了一些有益的參考。然而，目前國內外的研究中針對再生粗骨料粒徑對再生混凝土材料早期抗裂性能影響的相關研究報道較少。用再生粗骨料全部替換天然碎石粗骨料生產的再生混凝土中，再生粗骨料約占總用料的60%，所以研究再生粗骨料的顆粒粒徑對再生混凝土早期抗裂性能的影響尤為重要。

本文以三種級別再生粗骨料粒徑配制的再生混凝土和摻粉煤灰再生混凝土的早期平板約束試件為研究對象，針對再生粗骨料粒徑對再生混凝土早期抗裂性能影響進行相關試驗研究，進而分析再生粗骨料粒徑對再生混凝土早期開裂性能的影響。

1 試驗設計

1.1 試驗材料

(1)再生粗骨料：利用邯鄲市區(qū)建筑拆遷所產生的廢棄混凝土(C30)經分選、破碎等加工工藝而制成的再生粗骨料，連續(xù)顆粒級配，粗骨料粒徑分為5～15 mm、15～25 mm、25～31.5 mm三種級別[11]，基本性能參數(shù)詳見表1所示。

(2)水泥：新峰水泥廠生產的42.5R普通硅酸鹽水泥，基本性能指標見表2所示。

(3)細骨料：天然河砂，含泥量1.3 %，吸水率1.63%，細度模數(shù)2.6, 表觀密度為2 510 kg/m3，堆積密度為1 506 kg/m3。

(4)減水劑：蘇博特公司產JM-PCA混凝土超塑化劑。

(5)粉煤灰：邯鄲電廠生產的I級粉煤灰(詳見表2)。

(6)拌和水：飲用自來水。

1.2 再生混凝土配合比

為了研究再生粗骨料粒徑對再生混凝土材料早期抗裂性能的影響規(guī)律，針對再生混凝土(RC)和粉煤灰再生混凝土(FRC)分別設計了5～15 mm、15～25 mm、25～31.5 mm三種級別再生粗骨料粒徑混凝土配合比(見表3)。其中，RC-15表示再生粗骨料粒徑為5～15 mm的再生混凝土，F(xiàn)RC-15表示再生粗骨料粒徑為5～15 mm的粉煤灰再生混凝土，其它依此類推。

表1 再生粗骨料基本性能參數(shù)

表2 水泥、粉煤灰基本性能參數(shù)

表3 再生混凝土配合比

1.3 試驗設備與方法

采用平板約束試件進行再生混凝土早期(24 h)開裂損傷的試驗研究。依據(jù)CCES01-2004《混凝土結構耐久性設計與施工指南》要求制作的平板約束試件鋼制試模如圖1所示。鋼制試模邊框內設有兩排共14個Φ10 mm×100 mm的雙排螺紋螺栓伸向錨具內側以對再生混凝土的收縮變形進行約束。按預定的配合比配制再生混凝土，每組試件制作3個。平板約束試件澆筑后立即用塑料薄膜進行覆蓋密封，并保持試件所處的環(huán)境溫度為(30±1) ℃，相對濕度為(60±1.2)%[12]。

試驗方法：(1)待再生混凝土在平板約束試模中澆筑成型2 h后將塑料薄膜覆蓋層去除，然后用鼓風機吹平板開裂試件混凝土表面，并保持試件中心區(qū)域上方2～3 cm處的風速為4 m/s；(2)在觀測平板約束試件初始裂縫時段內，每隔5 min觀測一次，并記錄試件的初裂時間；(3)分別在平板約束試件被施加風荷載3、6、9、12、18和24 h時，記錄相對應時段各平板約束試件的裂縫數(shù)量，同時利用裂縫顯微觀測儀、平板尺分別對平板約束試件表面每條裂縫的寬度、長度進行檢測并記錄[13]。

平板約束試件表面每根裂縫的平均開裂面積可依據(jù)各類再生混凝土平板開裂試件的裂縫長度、裂縫寬度的實測值按式(1)進行統(tǒng)計計算[14]：

(1)

式中：at為再生混凝土澆筑入模t時刻時平板約束試件表面每根裂縫的平均開裂面積(mm2)；Li為平板約束試件表面第i條裂縫的實測長度值(mm)；Wi為平板約束試件表面第i條裂縫的實測寬度值(mm)；n為t時刻平板約束試件表面裂縫總條數(shù)。

再生混凝土的早期開裂損傷程度按式(2)進行統(tǒng)計計算[14]：

(2)

式中：ct為再生混凝土澆筑入模t時刻時平板約束試件表面單位面積的裂縫總面積(mm2/m2)；A為平板約束試件測試面的總表面積(0.36 m2)。

2 試驗結果與分析

2.1 早期開裂結果與分析

用于研究再生粗骨料粒徑對再生混凝土早期抗裂性能影響的平板約束試件共有18個，其中，再生混凝土試件9個。三種再生粗骨料粒徑下再生混凝土與粉煤灰再生混凝土平板約束試件的早期開裂試驗結果見表4。在表4中，n代表每組中三個平板約束試件的平均總裂縫條數(shù)，Wmax代表該組試件裂縫的最大寬度。

表4 各類再生混凝土平板約束試件早期開裂試驗結果

由表4可知，三種再生粗骨料粒徑下，再生混凝土的初裂時間基本上是隨再生粗骨料粒徑的增大而增加，早期開裂的裂縫數(shù)量及最大裂縫寬度均表現(xiàn)為在相同早期時段內隨著再生粗骨料粒徑的增大而減小。對粉煤灰再生混凝土來說，三種再生粗骨料粒徑下粉煤灰的摻入使得再生混凝土的初裂時間都有一定程度的推遲，同時早期各時段內的最大裂縫寬度和裂縫數(shù)量比不摻粉煤灰的再生混凝土的都小。由此可見粉煤灰的摻入對抑制再生混凝土的早期開裂是有利的。

2.2不同再生粗骨料粒徑再生混凝土的早期抗裂性能

圖2與圖3分別給出了再生混凝土與粉煤灰再生混凝土澆筑24 h后，不同再生粗骨料粒徑再生混凝土平板約束試件的開裂損傷柱狀圖。

由圖2和圖3可以發(fā)現(xiàn)：對于再生混凝土，粗骨料粒徑級別為25～31.5 mm時平板約束試件(RC-31.5)的早期開裂損傷最小。對于粉煤灰再生混凝土，粗骨料粒徑級別為15～25 mm時平板約束試件(FRC-25)的早期開裂損傷最小。這說明粉煤灰的摻入使得再生粗骨料粒徑對混凝土早期開裂損傷的影響規(guī)律發(fā)生了變化。可以說對于粉煤灰摻入量為15%，再生粗骨料粒徑級別為15～25 mm的粉煤灰再生混凝土，其早期抗裂性能最好。

圖4與圖5分別描述了再生混凝土與粉煤灰再生混凝土平板約束試件在澆筑3、6、9、12、18和24 h時，試件的早期開裂損傷隨成型時間的演化過程。

由圖4與圖5可以看出，在平板約束試件澆筑成型后的18 h內，三種再生粗骨料粒徑的再生混凝土和粉煤灰再生混凝土的早期開裂損傷均有較快的發(fā)展，且在澆筑成型18 h之后早期開裂損傷逐漸趨于平緩。

2.3 機理分析

觀察三種級別再生粗骨料粒徑再生混凝土在澆筑成型后24 h內其表面的變化過程，可以發(fā)現(xiàn)在過渡區(qū)都有明顯的微裂紋產生，實測三種級別再生粗骨料粒徑再生混凝土的早期開裂損傷值表明RC-15的早期開裂損傷值明顯大于RC-31.5的開裂損傷值。這主要是因為混凝土中的水泥膠體和再生粗骨料的模量存在一定的差異。隨著再生粗骨料粒徑的增大，裂縫變的更加曲折，阻礙再生混凝土裂縫的擴展作用得到增強，從而促使再生混凝土過渡區(qū)骨料與水泥膠體界面的微裂縫也隨之減小。15%粉煤灰摻入量的粉煤灰再生混凝土的抗裂性能優(yōu)于相同再生粗骨料粒徑下的再生混凝土，這主要是由于：(1)摻入粉煤灰后再生混凝土的早期強度增長變緩、彈性模量減小；(2)粉煤灰的微集料效應改善了再生混凝土的微孔結構，以及粉煤灰減小了再生粗骨料與水潤濕性[15]，從而降低了水分的擴散與蒸發(fā)速度。

3 結論

再生粗骨料粒徑對再生混凝土的早期抗裂性能有明顯影響，主要表現(xiàn)為：對于再生混凝土，在選擇的三種粒徑范疇內，25～31.5 mm粒徑級配下其早期抗裂性能相對其他兩種粒徑的效果要好；而對于粉煤灰含量為15%的粉煤灰再生混凝土，粒徑為15～25 mm時早期抗裂性能最佳，這表明粉煤灰含量與再生骨料粒徑之間存在一個優(yōu)化值，使再生混凝土的早期抗裂性能達到最佳。這表明在摻入粉煤灰與再生骨料粒徑之間進行合理調節(jié)是提高再生混凝土材料早期抗裂能力的一個十分有效途徑。

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