再生粗骨料對混凝土力學性能的影響及改善措施

劉思哲 宋浩田 何銳 楊哲 武生權

(長安大學材料科學與工程學院,陜西西安 710061)

再生粗骨料對混凝土力學性能的影響及改善措施

劉思哲 宋浩田 何銳 楊哲 武生權

(長安大學材料科學與工程學院,陜西西安 710061)

再生混凝土因性能穩定性低于普通混凝土而一直無法得到廣泛運用。為解決再生混凝土性能變異明顯等問題,提高其力學強度,實現再生混凝土的質量控制,通過添加工業廢渣或細纖維的方式,并根據坍落度、抗壓強度和抗彎拉強度等指標,對再生混凝土的物理力學性能進行評價,同時探討再生混凝土的性能改善措施。結果表明:在再生粗骨料替代率較高的情況下,通過添加一定量的粉煤灰和細纖維可以有效提高再生混凝土的工作性以及密實度;同時在再生骨料替換率不超過20%時,采用雙摻法可使再生混凝土的抗壓強度和抗彎拉強度與普通混凝土相當。

再生骨料 界面過渡區 微觀裂縫 力學性能

1 引言

表1 水泥的相關技術參數Tab.1 Technological data of concrete

表2 粉煤灰的相關技術參數Tab.2 Technological data of fly ash

表3 粗骨料相關參數Tab. 3 Related data of coarse aggregate

表4 細骨料相關參數Tab.4 Related data of fine aggregate

表5 再生骨料相關參數Tab.5 Related data of recycled aggregate

表6 細纖維相關系數Tab.6 Related data of fine fiber

早在20世紀50年代,西方的一些國家就開始對廢舊混凝土進行處理利用,直到20世紀70年代,在美國率先形成了對再生骨料的系統研究。早期的研究主要集中在如何處理廢舊混凝土,以及簡單地評估其粒徑、力學特征以及耐久性等方面[1]。由于美國、英國、前蘇聯等國對廢舊混凝土碾磨制作的再生混凝土的研究顯示出矛盾的結果,即一部分學者如Soshiroda T．認為混凝土中添加再生骨料將使得混凝土喪失高達40%的力學強度[2],而另一部分學者如Rasheeduzzafar和Khan則認為添加再生骨料對水泥混凝土的各項性能不會產生巨大影響,具有良好的工業利用潛能[3]。進入21世紀,研究人員在工業廢渣和建筑廢料等的再生應用研究上取得了一系列具有實用價值的成果,但是無論是利用工業廢渣替換部分水泥,還是使用建筑廢料替代骨料,相關的研究只是從如何提高再生混凝土密實度的角度對混凝土質量進行提高,并未對再生骨料與新拌水泥砂漿之間的粘結這一問題進行系統的研究。隨著微觀測試技術的發展,越來越多的研究人員認為再生骨料與新拌砂漿的界面過渡區（ITZ）將是控制再生混凝土質量的關鍵因素。

表7 水泥混凝土配合比數據（kg/m3）Tab. 7 Related data of proportioning ratio(kg/m3)

表8 測試環境參數Tab. 8 Data of testing atmosphere

表9 坍落度測試結果Tab. 9 Results of slum test

圖1 粉煤灰微觀形貌Fig. 1 Microstructure of fly ash

圖2 再生混凝土坍落度Fig. 2 Slum of recycled concrete

圖3 水化初期塊狀混合物Fig. 3 Image of mixture during early hydration

圖4 兩種水泥水化方式[6]Fig. 4 Two different way of hydration

表10 抗壓強度試驗結果Tab. 10 Results of compressive strength test

鑒于此,本文利用天然骨料制作的原生混凝土（Conventional Concrete）與再生骨料混凝土作為對照,通過添加粉煤灰（Fly Ash）、細纖維（Fine Fiber）等方式,提高ITZ區域密實度并減緩該區域微觀裂縫的發展,以此達到提高再生混凝土密實度,阻滯因ITZ結構產生微裂縫擴展的目的;并通過抗壓強度與抗彎拉強度測試反映性能改善效果,對其改善機理進行分析,在此基礎上提出改善再生混凝土質量的制備參數。

2 試驗方法與原材料

2.1 原材料

研究中所采用的水泥與粉煤灰的技術參數分別如表1和表2所示。粉煤灰的微觀形貌如圖1所示。

研究中所有試件使用的天然骨料為玄武巖,細骨料為潔凈河砂,粒徑在4．75mm以下。此外,本試驗中所用到的再生骨料來自于原廢舊橋梁構件,其設計強度為C50。天然骨料以及再生骨料的相關性質參數如表3～表5所示。

采用的細纖維為國產聚乙烯醇纖維,因其具有較高的強度和彈性模量,所以對阻滯裂縫的擴展、提高混凝土的韌性具有良好的效果。其具體指標如表6所示。

表11 抗彎拉強度試驗數據Tab. 11 Results of flexural strength test

圖5 立方抗壓強度隨替換率的變化規律Fig. 5 The change of compressive strength with changing displacements ratio

圖6 抗彎拉試驗設備示意圖Fig. 6 Equipment of flexural strength test

圖7 抗彎拉強度隨替換率的變化規律Fig. 7 The change of flexural strength with changing displacements ratio

圖8 替代率為20%的FA組試件Fig. 8 Specimen with 20% RA in FA group

2.2 試驗方法

本試驗共使用3組混凝土配比,除此以外還包含一組對照組（CC組）,CC組中,試件不添加再生骨料,同時也不采用任何改善混凝土性能的措施。

除對照組（CC組）以外,其他3種配合比因處理方法的不同而分為不添加粉煤灰與纖維的再生混凝土組（RC組）、添加粉煤灰組（FA組）以及添加粉煤灰與纖維組（FF組）。FA組中,粉煤灰不用于替代水泥等膠凝材料;而在FF組中,粉煤灰的摻加量不變,同時按照0．8kg/m3的用量對水泥混凝土的拌合物添加細纖維。在FF、FA與RC組中,由再生骨料摻量的不同將每組的試件分為10%、20%、30%、40%和50%等5種類型。同時在制備拌合物的過程中使用不同粒徑等量替換的方法對天然粗骨料進行替換。考慮到再生骨料具有較大的吸水率,本試驗在上述配合比設計下添加聚羧酸系高性能減水劑（HRWRA）,以此來提高拌合物的工作性。詳細配合比如表7所示（在每組配比中,改變再生骨料替換量時其它材料用量不變）。

試件均采用大小為100mm×100mm×400mm與100mm×100mm×100mm金屬模件制備成型,成型24h后拆模,放入標準養護室養護至28d齡期,然后進行抗彎拉與抗壓強度試驗。此外,本試驗針對新拌拌合物的工作性進行了坍落度測試。

3 試驗結果及討論

3.1 新拌混凝土工作性能

作為評判新拌混凝土和易性的一項指標,良好的坍落度對于工程運用具有重要意義。因此,通過不同配方下,拌合物不同坍落度的比較,可以反映出再生骨料對混凝土和易性的影響[4]。本試驗在所有試件拌合完畢時均對坍落度進行了測試,考慮到測試的外環境以及拌合方法對坍落度的測試具有明顯的影響,測試環境參數和坍落度測試結果如表8和表9所示。

由表9坍落度測試結果可以看出,隨著再生骨料的替換比例增大,坍落度下降明顯。坍落度最高值出現在FA組,這一結果主要來自于粉煤灰的微觀形態效應。在微觀狀態下,粉煤灰呈現圓球狀（如圖1）,可以對新拌混凝土起到潤滑作用,使得拌合物中各種顆粒間的流動性增加。而對于FF組來說,在再生骨料替代率不超過40%時,其拌合物坍落度均比FA組拌合小。考慮到其它組分保持一致,FF組拌合物中加入的細纖維對坍落度降低起主要作用。在拌合過程中,細纖維極易包裹拌合物中的骨料并發生纏繞,以此阻礙各組分之間的相互移動,使坍落度降低。此外,在骨料替代率達到40%后,FF組與FA組的坍落度相差不大,并且數值隨著替換率的提高趨于平穩（如圖2所示）。這種現象來源于再生骨料在較高替換率下,已經成為影響坍落度的主要因素。再生骨料表面形成的C-S-H不定型膠體使得再生骨料被覆蓋,在這種情況下拌合物種形成塊狀混合物（如圖3所示）,一方面阻止再生骨料繼續吸水進一步降低坍落度,另一方面這種塊狀物因為接觸面積減少從而減少砂漿的潤滑作用,因此坍落度趨于平衡。

根據圖2可以看出,當替換率從20%到達30%時,坍落度的下降程度最大,該結果與Patrick和Stephan所得到的試驗數據的變化趨勢吻合[5]。在上述兩人的研究中,當替換率從20%變為50%時,坍落度下降了94%。考慮到拌合時是先加入一部分水,則當再生骨料替換率達到20%至30%時,由于再生骨料的高吸水率,吸附在再生骨料表面進行水化反應的水泥顆粒比例明顯增多,此時包裹細骨料的水化產物越來越少,砂漿的流動潤滑作用減弱,因此坍落度損失最明顯。水化過程原理圖如圖4所示。

圖9 替代率為40%的FA組試件Fig. 9 Specimen with 40% RA in FA group

圖10 替代率為30%的FF組試件Fig. 10 Specimen with 30%RA in FF group

圖11 再生混凝土電鏡掃描微觀裂縫結構[10]Fig. 11 Microstructure of recycled concrete

3.2 硬化混凝土力學性能

3.2.1 抗壓強度

抗壓強度是水泥混凝土最重要的力學性能,本試驗混凝土立方體抗壓強度的測試結果如表10所示。

由表10可知,當再生骨料替換率小于等于10%時,其對于混凝土抗壓強度的影響不大;當替換率逐步增長時,抗壓強度逐漸減小,RC組減小的速度最快（如圖5所示）。當替換率達到50%時,FF組的抗壓強度能夠達到CC組的80．4%,FA組的抗壓強度為CC組的70．2%,而RC組僅為CC組的59．6%。同時可以看到,當替換率大于等于30%時,各組的抗壓強度變化逐漸趨于穩定,這與坍落度測試結果趨于一致。可見,粉煤灰以及細纖維對混凝土抗壓強度的綜合增益效果隨著再生骨料替代率的提高逐漸明顯[7]。

3.2.2 抗彎拉強度

本研究所采用抗彎拉強度測試裝置如圖6所示,抗彎拉強度測試結果如表11和圖7所示。

從表11和圖7可以看出,各組試件的彎拉強度都隨著再生骨料替代率的提高而逐步下降,但RC組的下降速度最快,FF組下降速度最慢。當替換率為10%時,FA組的彎拉強度和CC組基本一致,而FF組甚至高于CC組;當替換率為50%時,RC組彎拉強度為CC組的52．6%,FA組為CC組的82．5%,FF組為CC組的83．3%。說明經過合理的配比設計,即使再生骨料替換率達到50%時,再生骨料混凝土的彎拉強度仍能維持在較高水平。

在對破壞試件斷面的研究中發現,隨著骨料替換率的增加,破壞截面逐漸變得粗糙,骨料與水泥漿之間的結合逐漸減弱,可以明顯看到骨料留下的凹槽,如圖8和圖9所示。所以隨著再生骨料替代率的提高,再生骨料混凝土的抗彎拉強度逐步下降。

相比較FA組的粗糙斷面,FF組的斷面則較為平整,找不到肉眼可以識別的孔隙,且斷面上沒有明顯的因骨料與砂漿脫粘而造成的凹面（如圖10所示）。斷面上的粗集料大部分被拉斷,表明了FF組的混凝土密實度比FA組試件高,其彎拉強度更高。國外研究人員對再生混凝土微觀結構掃描電鏡結果的分析（如圖11中所示）發現,在微觀結構上,ITZ中分布著一定數量的初始微觀裂縫[8]。通過添加粉煤灰以后,一方面其本身可填充因再生骨料形態缺陷和高吸水率而形成的孔隙,另一方面也可與骨料中的活性物質發生二次水化,有效地提高了密實度。此外,由于聚乙烯醇纖維具有良好的分散性、水中分散性好,因此可以較均勻地分布于微觀裂縫周圍,使裂縫的擴展受到限制,這也是FF組中能夠出現抗彎拉強度較大值的原因。其次,從材料表界面的角度分析,聚乙烯醇纖維具有大量的親水基原子團—OH,具有一定的表面活性特征[9]。因此分子鏈上親水基團與水具有較強結合力,使分子鏈在水分子的運動下充分展開,均勻伸展于水泥顆粒的水化產物中,從而延緩裂縫的發展。

4 結語

（1）隨著再生骨料替換率的增加,坍落度下降明顯,坍落度最高值出現在FA組;當再生骨料替換率在20%～30%時,由于再生骨料的高吸水率,吸附在再生骨料表面進行水化反應的水泥顆粒比例明顯增多,此時包裹細骨料的水化產物越來越少,砂漿的流動潤滑作用減弱,因此坍落度損失最明顯。

（2）采用雙摻法同時摻入粉煤灰和細纖維可使再生混凝土的力學強度保持在較高水平,并且其綜合增益效果隨著再生骨料替代率的提高逐漸明顯;當替換率達到50%時,FF組的抗壓強度和抗彎拉強度分別能夠達到CC組的80．4%和83．3%。

（3）隨著骨料替換率的增加,破壞截面逐漸變得粗糙,骨料與水泥漿之間的結合逐漸減弱,可以明顯看到骨料與基體脫粘后留下的凹槽;同時摻入粉煤灰和細纖維后,試件斷面較為平整,斷面上沒有明顯的因骨料與基體脫粘而造成的凹面,主要是由于粉煤灰的活性效應和纖維的橋聯增韌綜合作用所導致。

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[10]杜婷.高性能再生混凝土微觀結構及性能試驗研究[D].武漢:華中科技大學,2006.

Recycled Concrete have not been utilized widely so far because of its low qualities in most of standard experiments. To improve the poor stability of qualities of recycled concrete and control the quality of the concrete as much as possible, this experiment evaluated the mechanical performances and slump of the recycled concrete equipped with fly ash and fine fabric. Meanwhile, the experiment discussing the process which can control the quality of concrete proposed some advisable suggestion for construction using recycled concrete. The experimental results indicates that recycled concrete’s workability and density can be improved effectively when concrete mixed with quantitative fly ash and fine fibers. Meanwhile, when the replacement ration is less than 20%, the incorporation of fly ash and fine fiber can make the compressive and flexural strength of recycled concrete be at the same level of conventional concrete.

recycled aggregate interfacial transition zone microcosmic crack mechanical property

高等學校博士學科點專項科研基金博導類資助課題（20130205110013）,長安大學中央高校基本科研業務費專項資金資助(2014G1311081,2013G2312021)。

劉思哲(1993—),男,湖南邵陽人,本科,長安大學材料科學與工程學院,主要從事先進水泥基復合材料方面的研究。