再生骨料替代方式對混凝土力學特性的影響

王樹新，熊惠，謝興華

（1.中交第一航務工程局有限公司，天津300461；2.長沙理工大學，湖南長沙410076）

0 引言

近年來，水泥混凝土的需求量持續增加，全世界混凝土年消耗總量超100億t，且由于人類的開采活動，混凝土天然原材料大幅萎縮[1-7]。此外，大量的建筑和基礎設施已達到使用壽命極限，建筑垃圾和拆遷廢物的數量不斷增加，據統計，歐盟每年產生約4.5億t建筑垃圾，其中僅有28%被回收利用，從而造成環境污染和人類健康危害[8-10]。此外，再生骨料（RA）能夠減少運輸和建筑成本，降低能源消耗，已有研究表明使用再生骨料替換天然骨料（NA）可節省高達約60%的費用[11-12]。因此，從生態環境和經濟角度出發，將建筑垃圾和拆遷廢物回收率最大化顯得尤為重要。

本文提出一種新型骨料替代方式，對再生混凝土（RAC）中的天然骨料利用再生骨料進行新型方式的替代，盡可能地提高再生骨料摻量，從而達到改善再生混凝土力學特性的目的。本文研究了再生混凝土的無側限抗壓強度、劈裂強度、回彈模量和泊松比等力學特性，并與傳統替代方式下制備的再生混凝土力學性能進行對比分析。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

1）水泥

選用江西九江強度等級32.5的水泥，參照JTG/T F30—2014《公路水泥混凝土路面施工技術細則》對其各方面性能指標進行檢測，細度檢測值（80滋m篩篩析法）為2.1，安定性（雷氏夾法）為3 mm，初凝時間為275 min，終凝時間為408 min，3 d抗壓強度、抗折強度分別為24.9 MPa、4.7 MPa，28 d抗壓強度、抗折強度分別為42.5 MPa、7.4 MPa，該水泥所檢測指標均符合規范要求。

2）骨料

天然骨料選用石灰石材料，來自湖南婁底某碎石場，根據JTG E42—2005《公路工程集料試驗規程》要求進行骨料各性能指標測試，針片狀含量為13.5%，壓碎值為18.9%，吸水率為4%，測試指標均符合規范要求。

再生骨料由湖南漣源某廠提供，通過機械破碎清洗篩分后達到再生骨料的應用技術規范JGJ/T 240—2011《再生骨料應用技術規程》要求。

3）級配

礦料級配是決定水泥混凝土的一項基本因素，是造成其力學性質差異的重要因素。根據JTG/T F20—2015《公路路面基層施工技術細則》要求，礦料級配曲線圖如圖1。

圖1 級配曲線圖Fig.1 Grading curve

1.2 新型骨料替代方式

骨料占水泥混凝土體積的60%~70%，對混凝土的力學性能起著至關重要的作用。粗骨料是水泥混凝土承受荷載作用的主要框架，粗骨料之間的空隙則被細骨料和水泥砂漿填充。考慮到粗骨料在混凝土中的重要地位，提出一種用于再生混凝土的新型骨料替代方式。傳統替代方式的再生混凝土是基于所有粗細天然骨料以及所有粒徑進行的整體置換，而在這種新型替代方式中是僅用再生骨料置換原有骨料中逸4.75 mm的天然骨料，選用3種再生骨料的取代比例分別為25%、50%和75%，以此分別制備8種不同類型的水泥混凝土試件，分別標記如下：NAC（100%NA）、RAC（100%RA）、A型（新型組合方式，級配曲線中粒徑逸4.75 mm的骨料由25%NA和75%RA組成）、B型（新型組合方式，級配曲線中粒徑逸4.75 mm的骨料由50%NA和50%RA組成）、C型（新型組合方式，級配曲線中粒徑逸4.75 mm的骨料由75%NA和25%RA組成）、D型（傳統方式，級配曲線中所有骨料由25%NA和75%RA組成）、E型（傳統方式，級配曲線中所有骨料由50%NA和50%RA組成）、F型（傳統方式，級配曲線中所有骨料由75%NA和25%RA組成）。

1.3 試件制備

根據JTG E51—2009《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》，試件成型方式采用無振動壓實儀器成型。稱取集料并放入烘箱中烘干，制備試件前先冷卻防止加入的水蒸發。開啟攪拌機調至常規攪拌狀態，依次加入礦料、水泥、水后攪拌，最終得到水泥混凝土試件。制作尺寸高度為150 mm、直徑為150 mm的圓柱體試件，用于無側限抗壓強度試驗、劈裂強度試驗與靜態回彈模量試驗。

1.4 試驗設計

1.4.1 無側限抗壓強度試驗

采用萬能試驗機進行無側限抗壓強度試驗，萬能試驗機符合規范要求，測量精度為依1%，將養護7 d和28 d的圓柱形試件分別進行抗壓試驗，加載速率保持在1 mm/min，記錄破壞時的荷載，每組試驗開展3個平行試件。

1.4.2 劈裂強度試驗

采用萬能試驗機進行劈裂強度試驗，萬能試驗機符合規范要求，測量精度為依1%，在萬能試驗機上放置壓條，將養護28 d的圓柱形試件橫置在壓條上，在試件的頂面也放置壓條，上下壓條與試件的接觸線必須位于試件直徑的兩端，并與升降臺垂直。進行劈裂試驗時加載速率保持在1 mm/min，記錄破壞時的荷載，每組試驗開展3個平行試件。

1.4.3 靜態回彈模量及泊松比測試

靜態回彈模量與泊松比測試是利用試件發生的橫向與軸向應變進行表征的，通過對養護28 d的水泥混凝土試件開展試驗，將2個應變片粘貼在圓柱體試件中間垂直方向的相反位置上來測量每個圓柱體試件的軸向和橫向應變，每組試驗開展3個平行試件。

2 試驗結果與分析

2.1 無側限抗壓強度

為了分析在不同替代方式下的不同再生骨料摻量對再生混凝土抗壓強度的影響，對養護7 d與28 d的水泥混凝土試件進行無側限抗壓強度試驗，結果如表1所示。

表1 不同替代方式下的不同再生骨料摻量的再生混凝土無側限抗壓強度值Table 1 Unconfined compressive strength values of recycled concrete with different recycled aggregate content under different alternatives

從表1中可以看出，在傳統替代方式與新型替代方式下的7 d無側限抗壓強度和28 d無側限抗壓強度隨著再生骨料摻量的變化趨勢相同，即無側限抗壓強度隨著再生骨料摻量的降低而逐漸增加，這與現有的研究結果較為一致。由表1可以發現，新型替代方式與傳統替代方式相比，7 d無側限抗壓強度增長約5.7%~15.5%，其中再生骨料摻量達到50%時無側限抗壓強度增長幅度最大，為15.5%；當新型替代方式下再生骨料摻量達到50%時，再生混凝土的無側限抗壓強度為35.8 MPa，高于傳統替代方式下再生骨料摻量為25%時的35.0 MPa。其原因可能是再生骨料在表面紋理上更為粗糙，為水泥砂漿與再生骨料的早期粘結和互鎖提供了更為有利的條件。由試驗數據可以看出，新型替代方式與傳統替代方式相比，28 d無側限抗壓強度增長約10.4%~21.8%，其中再生骨料摻量達到50%時無側限抗壓強度增長幅度最大，為21.8%；當新型替代方式下再生骨料摻量達到50%時，再生混凝土的無側限抗壓強度為53.6 MPa，高于傳統替代方式下再生骨料摻量為25%時的50.2 MPa。對于兩種不同替代方式下的所有試件而言，其無側限抗壓強度隨齡期的增長趨勢是相同的，遵循常規混凝土的強度增長原理。值得注意的是，在每種再生骨料摻量水平下，使用新型替代方式的試件強度均高于傳統替代方式，這說明新型替代方式能夠更有效地提高無側限抗壓強度。

2.2 劈裂強度

為了研究在不同替代方式下采用不同的再生骨料摻量對再生混凝土劈裂強度的影響，對養護28 d的水泥混凝土試件進行劈裂強度試驗，試驗結果如表2所示。

表2 不同替代方式下的不同再生骨料摻量的再生混凝土劈裂強度值Table 2 Splitting strength value of recycled concrete with different recycled aggregate content under different alternative methods

從表2試驗數據可以看出，在兩種替代方式下，再生混凝土的劈裂強度均隨著再生骨料摻量的增加而呈現下降的趨勢，這是由于再生骨料與天然骨料相比其多孔結構更為豐富，與水結合程度更高，導致劈裂強度有所降低。由表2數據還可發現，相比于傳統替代方式，在不同的再生骨料摻量水平下新型替代方式的再生混凝土試件劈裂強度提高了約2%~7%；當新型替代方式下再生骨料摻量達到50%時，再生混凝土的劈裂強度為5.43 MPa，高于傳統替代方式下再生骨料摻量為25%時的5.4 MPa。在兩種替代方式下無側限抗壓強度的增長幅度明顯高于劈裂強度，這可能是由于劈裂強度主要取決于骨料表面與基體之間的粘結強度，受再生骨料含量的影響較小。

2.3 回彈模量與泊松比

為研究不同替代方式下再生混凝土的回彈模量與泊松比隨不同再生骨料摻量的變化規律，對養護28 d的水泥混凝土開展回彈模量與泊松比測試，試驗結果如表3所示。

表3 不同替代方式下的不同再生骨料摻量的回彈模量與泊松比值Table 3 The modulus of resilience and Poisson's ratio of different recycled aggregate content under different alternative methods

表3中的試驗數據表示了在兩種替代方式下不同再生骨料摻量的再生混凝土的回彈模量與泊松比試驗結果，通過試驗數據分析能夠發現回彈模量受再生混凝土中再生骨料摻量的影響很大。隨著再生混凝土中再生骨料摻量的減少，兩種替代方式的回彈模量均顯著增加。當再生骨料的摻量從75%到50%和從50%到25%時，采用新型替代方式和傳統替代方式分別將回彈模量提高約12.5%~14.3%和9.3%~18.3%。尤其是，與再生混凝土的其他力學性能相比，新型替代方式對回彈模量的提升最為顯著。新型替代方式與傳統替代方式相比，回彈模量增長約18.9%~23.0%，其中再生骨料摻量達到50%時回彈模量的增長幅度最大，為23.0%；當新型替代方式下再生骨料摻量達到50%時，再生混凝土的回彈模量值為24.6 GPa，高于傳統替代方式下再生骨料摻量為25%時的22.5 GPa。因此，該結果能夠解釋大粒徑骨料對混凝土的回彈模量影響的重要性，也充分說明了粒度分布是研究回彈模量的重要一環。

從表3中的泊松比試驗結果可以看出，泊松比受再生骨料摻量的影響較小，而泊松比的值在混凝土路面結構中起著重要作用，在同一再生骨料摻量水平下，新型替代方式的泊松比相比傳統替代方式下的泊松比降低約8.3%~17.4%，本研究中摻量為100%的再生混凝土泊松比為0.29，略高于已有的部分研究結果，這可能是本研究中的再生骨料中含有磚、瓦、陶瓷等雜質導致的。

3 結語

本文通過提出一種新型骨料替代方式來改善再生混凝土的力學性能，為評價該方法的有效性，本文對新型替代方式與傳統方式下不同摻量的再生骨料制備的再生混凝土開展力學性能試驗，由試驗結果可得：

1）再生混凝土中再生骨料的摻量對其無側限抗壓強度影響顯著，新型替代方式與傳統替代方式制備的再生混凝土均隨再生骨料摻量的增加而降低。但是在同一再生骨料摻量水平下，相比于傳統替代方式而言，新型替代方式能夠顯著提高再生混凝土無側限抗壓強度。

2）再生混凝土的劈裂強度受再生骨料摻量影響較小，但是在同一再生骨料摻量水平下，相比于傳統替代方式而言，新型替代方式下的劈裂強度提高了約7%。

3）再生混凝土在同一再生骨料摻量水平下，與傳統替代方式相比，新型替代方式能夠顯著提升約23%的回彈模量。但是兩種方式下的回彈模量值均隨再生骨料摻量的增加而降低。

4）相比于傳統替代方式而言，采用新型骨料替代方式制備再生混凝土中再生骨料的摻量能夠達到50%，本文僅開展了室內試驗，對于實際生產過程中的適用性還需開展進一步研究。