鋼纖維補償收縮再生混凝土制備及性能

黃 偉，葛進進，方張平，張陽陽

(1.淮南聯合大學建筑與藝術學院，淮南 232038；2.安徽理工大學土木建筑學院，淮南 232001)

0 引 言

混凝土為土木領域應用最為廣泛的材料，材料中砂石用量巨大，為了解決生態環境和骨料資源緊缺問題，學者提出了利用再生骨料取代部分或全部天然骨料來配制混凝土，稱其為再生骨料混凝土[1](Recycled Aggregate Concrete，簡寫RAC)。由于再生骨料具有一定缺陷，導致相同配合比配制的混凝土強度比普通混凝土低，且工作性能差[2-3]，這些缺點制約了再生混凝土的發展與應用。如何提高再生混凝土強度，改善其工作性能和變形性能，是眾多學者研究的主要內容。張麗等[4]對不同取代率和不同尺寸的再生混凝土進行強度試驗，得出不同取代率和尺寸的再生混凝土抗壓破壞機理基本相同。喬宏霞[5]、徐萌波[6]等采取改變配合比和選用不同等級的廢棄混凝土制作再生骨料，得出再生骨料摻量應根據使用情況來選擇，強度等級高的再生骨料可以配置力學性能好的再生混凝土；侯永利[7]、王新杰[8]、張向岡[9]等對再生混凝土力學性能和收縮性能展開研究，發現再生混凝土早期收縮較快；安學旭[10]、楊粉[11]等利用鋼纖維配制再生混凝土并進行大量力學性能試驗，得到摻入適量的鋼纖維對再生混凝土強度具有增強作用；Poon[12]、Pereira[13]和Leemann[14]等利用SEM等測試技術對再生混凝土界面過渡區結構和水化產物進行研究，發現界面過渡區的弱化影響再生混凝土的使用壽命；相軍等[15]利用膨脹劑配制補償收縮混凝土，分析膨脹劑摻量對再生混凝土干縮變形影響，并配制鋼管再生混凝土進行力學性能試驗，得出膨脹劑可以提高再生混凝土強度，降低混凝土收縮變形；張劍波[16]、崔正龍[17]等將膨脹劑摻入到再生混凝土中，研究再生混凝土內部結構的孔隙特征和干縮變形性能，試驗證明摻入適量膨脹劑可以降低混凝土內部孔隙率，減小再生混凝土的干燥收縮。

本文同時摻入膨脹劑和鋼纖維配制鋼纖維補償收縮再生混凝土，分析不同再生粗骨料取代率(rRA)、不同鋼纖維體積摻量(ρf)對混凝土力學性能的影響，利用微觀試驗分析界面過渡區以及膨脹劑水化產物對再生混凝土力學性能和變形性能的改善作用，為推廣和使用再生混凝土提供試驗參考。

1 實 驗

1.1 原料及配合比

再生粗骨料來源于廢棄混凝土試塊，經人工破碎、沖洗干燥后篩分處理，級配粒徑范圍為5～31.5 mm，天然粗骨料采用級配5～20 mm的天然碎石，骨料外觀如圖1所示，根據《建筑用卵石、碎石》(GB/T 14685—2011)中的方法測試兩種粗骨料粒徑分布，兩種粗骨料的篩分曲線如圖2所示，物理性能指標如表1所示；細骨料采用天然河砂，細度模數2.1；水泥采用淮南八公山水泥廠生產的 P·O 42.5水泥；外加劑選擇聚羧酸高效減水劑，摻量0.3%；摻合料為廬江礬礦膨脹劑廠生產的CAL纖維膨脹劑，摻量8%；鋼纖維采用波紋狀壓痕型鋼纖維，特征參數如表2所示；水為當地自來水；混凝土設計強度C30，配合比如表3所示。

表3 再生混凝土配合比設計Table 3 Mixture ratio of recycled concrete

表1 粗骨料物理性能指標Table 1 Physical properties of coarse aggregate

表2 鋼纖維特征參數Table 2 Characteristic parameters of steel fiber

1.2 試塊制作與試驗方法

再生混凝土的抗壓、抗折強度試驗按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2002)進行，每種配合比均制作3個100 mm×100 mm×100 mm立方體試塊和3個100 mm×100 mm×400 mm棱柱體試塊，其中3個立方體試塊用于測量混凝土抗壓強度，3個棱柱體試塊用于測試混凝土的抗折強度；另外結合SEM分析水泥基材料中膨脹劑水化反應產物和再生混凝土界面過渡區微觀結構，同時測試再生混凝土的變形性能，選擇R0、R1、R5、R10和R15共5組配合比制作15個棱柱體試件，采用DZBY-355型補償式混凝土收縮膨脹儀分別測試再生混凝土1 d、3 d、7 d、14 d、21 d、28 d、42 d和56 d的自由變形率。

2 結果與討論

2.1 力學性能

圖3為再生混凝土抗壓強度分布曲線，隨再生粗骨料取代率的增加，素混凝土和鋼纖維混凝土的抗壓強度變化規律基本一致，呈現先減小后增加再減小的變化趨勢。再生粗骨料取代率為50%時，混凝土抗壓強度曲線出現凸起現象，表明相同水灰比時，因摻入再生骨料導致混凝土的實際水灰比減小，以及人工破碎造成再生骨料的多棱角，增強了骨料與新砂漿之間的咬合力，導致混凝土強度產生的增強效應大于因骨料自身缺陷帶來的降低效應，從而提高了再生混凝土的抗壓強度；鋼纖維體積摻量為0.6%和1.2%時，再生混凝土抗壓強度僅比素混凝土分別提高了6.65%和7.31%，表明鋼纖維的摻入對再生混凝土抗壓強度變化規律影響不大，抗壓強度的增幅不明顯；當鋼纖維體積摻量為1.2%，再生粗骨料取代率大于等于75%時，再生混凝土抗壓強度反而低于鋼纖維體積摻量為0.6%的混凝土，表明再生粗骨料取代率對混凝土抗壓強度的影響大于鋼纖維體積摻量，一方面因過多的再生粗骨料引起混凝土內部缺陷的增加，另一方面鋼纖維摻入過多后，混凝土攪拌凝固過程中容易發生積聚現象，影響其和易性，從而引起再生混凝土抗壓強度的降低。

圖4為再生混凝土抗折強度分布曲線，從圖中可以看出，再生混凝土抗折強度與抗壓強度變化規律基本一致。不摻鋼纖維時，再生粗骨料取代率為25%、50%、75%和100%時，混凝土抗折強度降幅分別為8.9%、4.4%、12.9%和18.7%；鋼纖維體積摻量為0.6%和1.2%，再生粗骨料取代率為0%時，與素混凝土相比分別提高了8.7%和11.5%，再生粗骨料取代率為50%時，鋼纖維體積摻量為0.6%和1.2%的再生混凝土抗折強度分別達到4.46 MPa和4.70 MPa，比素混凝土分別提高了9.1%和14.9%，再生粗骨料取代率為100%時，鋼纖維摻量為0.6%和1.2%的再生混凝土抗折強度同時顯著下降，分別降低至3.83 MPa和3.95 MPa。試驗證明摻入鋼纖維可以提高混凝土抗折強度，但再生粗骨料摻入過多后，因混凝土基體強度下降，造成鋼纖維沒有充分發揮其增強增韌的作用。綜上分析，鋼纖維體積摻量為0.6%，粗骨料取代率為50%，配制的鋼纖維補償收縮再生混凝土具有良好的力學性能。

圖4 不同再生粗骨料取代率時再生混凝土抗折強度Fig.4 Flexural strength of recycled concrete with different replacement rate of recycled coarse aggregate

2.2 試件破壞特征

圖5為鋼纖維再生混凝土抗壓破壞圖，可以看出再生混凝土與普通混凝土破壞形態基本相似。隨再生粗骨料取代率增大，混凝土試塊在荷載作用下外表面開始產生微裂縫，裂縫主要沿著新、舊砂漿以及舊砂漿與天然骨料的界面過渡區開展，并逐漸形成宏觀的主裂縫，導致試件出現崩裂脫落，破壞嚴重。而鋼纖維的摻入對混凝土試件的破壞裂縫有一定的抑制作用，鋼纖維體積摻量為0.6%時，混凝土試件表面出現較多的豎向裂縫，在鋼纖維的約束下，試件基本保持完整，僅有少部分砂漿剝落；鋼纖維體積摻量為1.2%時，混凝土試件外觀出現少許細而短的微裂縫，試件表現出更高的完整性，表明適量的鋼纖維可以有效控制試件的變形。

圖5 典型鋼纖維再生混凝土抗壓破壞Fig.5 Compressive failure of steel fiber recycled concrete

圖6為典型鋼纖維再生混凝土抗折破壞圖，從圖中可以看出不摻鋼纖維時，混凝土試件直接斷裂；鋼纖維體積摻量為0.6%時，混凝土抗折試件下部出現裂縫，裂縫延伸至試件中軸線以上，試件變形較大且保持不斷；鋼纖維體積摻量為1.2%時，混凝土抗折試件出現短細的微裂縫，試件保持完整，變形微小。充分顯示出鋼纖維對抗折試件裂縫擴展的控制效果。

圖6 典型鋼纖維再生混凝土抗折破壞Fig.6 Bending failure of steel fiber recycled concrete

2.3 界面過渡區微觀分析

人工破碎再生粗骨料呈現“老砂漿-界面-天然石子”三相材料，再生粗骨料與新拌水泥漿會形成新的界面過渡區，為了分析再生混凝土界面過渡區微觀結構，圖7列出三種典型再生混凝土過渡區微觀結構照片。從圖7(a)可知，普通混凝土新拌水泥漿與天然石子之間界面(ITZ1)輪廓清晰，接觸面粘結充分，相同水灰比時混凝土內部相對密實，沒有明顯微裂縫，混凝土呈現較好的力學性能，其抗壓、抗折強度分別為32.4 MPa和4.28 MPa；從圖7(c)可知，全部由再生粗骨料配制的混凝土，其界面過渡區存在ITZ1、ITZ2(老砂漿與天然粗骨料界面過渡區)和ITZ3(再生骨料上老砂漿與新拌砂漿之間的粘結面)三種情況，ITZ1和ITZ3周邊水化產物分布不均勻，內部孔隙較多，從ITZ2微觀形貌可以看出再生粗骨料內部有明顯損傷和裂紋，影響混凝土力學性能，其抗壓、抗折強度分別降至26.4 MPa和3.48 MPa。結合再生混凝土界面過渡區微觀結構和宏觀力學性能分析可知，相同水灰比時，再生粗骨料取代率越高，將會吸附更多自由水，從而影響水泥和膨脹劑水化反應速度、界面過渡區水化產物的密實度和骨料之間的黏結力，導致混凝土的力學性能劣化增速。當再生粗骨料取代率為50%(見圖7(b))，混凝土內部界面過渡區水化產物較為豐富，結構較為密實，水化產物的堆積和粘結作用使得再生混凝土獲得較好的抗壓和抗折強度。

圖7 再生混凝土界面過渡區微觀結構Fig.7 Microstructure of interfacial transition zone of recycled concrete

2.4 變形性能

補償收縮再生混凝土變形性能采用棱柱體試塊，試塊制作12 h后拆模，首先進行試件初始長度L0測量，然后將試塊放入溫度恒定的水中養護，14 d后放到養護箱養護至試驗齡期，取出測定試件的長度，利用εt=(Lt-L0)/L0計算再生混凝土自由膨脹率和收縮率，式中：εt為試件在齡期t時的收縮率或膨脹率；Lt為試件在齡期t時的長度。

圖8為再生混凝土自由膨脹和收縮率曲線，從圖中R0和R1曲線可以看出，試件在自由狀態下，膨脹劑的加入對混凝土的自由膨脹率有一定的增益作用，沒有摻入膨脹劑時，混凝土先略有微膨脹后急劇收縮，而摻入一定量膨脹劑后，混凝土在14 d左右時，自由膨脹率達到最大，隨后逐漸降低。圖9為混凝土中水泥漿體SEM照片，從圖9(a)發現普通水泥漿中Ca(OH)2和C-S-H膠凝晶體較少，鈣礬石(AFt)結晶物少，內部孔洞大，且數量多；從圖9(b)可以看出，因摻入膨脹劑，水泥漿中水化產物形貌豐富，針狀和塊狀的AFt晶體大而多，呈現絮狀結構，內部較為密實。從圖8中R1和R5曲線對比發現，再生混凝土中添加膨脹劑后產生的自由膨脹率明顯小于普通混凝土，表明膨脹劑水化后產生的C-S-H膠凝和針狀的AFt有助于填充再生粗骨料自身內部缺陷，弱化混凝土自身的微膨脹；另外，相同水膠比時，由于再生粗骨料附著老砂漿會增加混凝土內部孔隙含量，造成孔隙水蒸發量增大，C-S-H凝膠體需要提供自身水分彌補孔隙水蒸發損失量，導致再生混凝土干縮增大。從圖8中R10和R15曲線可以得出，隨著鋼纖維摻量的增大，補償收縮混凝土的自由膨脹率降低，表明鋼纖維的摻入對混凝土微膨脹有一定的約束和抑制作用。

圖8 再生混凝土自由膨脹和收縮率曲線Fig.8 Free expansion and shrinkage percentage of recycled concrete

圖9 水泥漿體SEM照片Fig.9 SEM images of cement slurry

3 結 論

(1)隨著再生粗骨料取代率的增加，再生混凝土抗壓和抗折強度呈現先減小后增大再減小的變化規律；摻入鋼纖維可以提高補償收縮再生混凝土抗壓、抗折強度；與素混凝土相比，再生粗骨料取代率為50%，鋼纖維體積摻量為0.6%和1.2%時，補償收縮再生混凝土抗壓強度分別提高6.65%和7.31%，抗折強度分別提高9.1%和14.9%，表明鋼纖維對提高混凝土的抗折強度影響效果更為明顯。

(2)由再生混凝土破壞特征可知，摻入鋼纖維可以很好控制混凝土的裂縫發展，尤其是控制抗折試件的彎拉裂縫，保持試件整體性；當再生粗骨料取代率超過50%后，因骨料內部缺陷造成混凝土基體強度下降，不能充分發揮鋼纖維增強增韌的效果，建議鋼纖維再生混凝土中再生粗骨料取代率不宜超過50%。

(3)通過SEM照片可以觀察再生混凝土界面過渡區的微觀形貌以及膨脹劑水化產物，得出骨料界面過渡區是影響混凝土強度劣化和破壞特征的關鍵，同時發現摻入膨脹劑可以降低混凝土自收縮變形，減小內部孔隙率，提高混凝土密實度，加入鋼纖維可以調節和限制混凝土內部膨脹產生的變形，兩種材料同時摻入可以獲得較好的力學性能和變形性能。