基于力學性能的吸附砂漿界限含量分析

王 震， 王新杰， 朱平華， 劉少峰

(常州大學 土木工程系, 江蘇 常州 213164)

再生粗骨料(RCA)與天然粗骨料(NCA)的根本區別是其表面存在大量的吸附砂漿.由于吸附砂漿本身具有孔隙率高、吸水率大等缺點，因此會對再生混凝土(RAC)的力學性能和耐久性產生較強的負面影響[1].

肖建莊等[2]指出，RAC與普通混凝土(NAC)的強度發展規律大致相同，但總體上RAC的抗壓強度略低于NAC，降幅在30%左右.Thomas等[3]和崔正龍等[4]則在試驗中觀察到了RAC的抗壓強度略大于NAC的現象，這種情形的出現建立在骨料表面砂漿含量較少的基礎上.郭樟根等[5]觀察到RAC的劈裂抗拉破壞形態與NAC相似，且受拉破壞面相同；隨著骨料表面舊砂漿含量的增加，RAC的強度降低.Pacheco等[6]認為，由于再生骨料表面砂漿的存在改善了界面過渡區(ITZ)，RAC的劈裂抗拉強度大于NAC.Duan等[7]認為，再生骨料周圍的砂漿使其表面粗糙，摩擦系數增大，與水泥砂漿結合后增大了界面之間的摩擦力，改善了連接性能，補償了骨料自身缺陷所帶來的強度降低的影響，提高了RAC的強度.

對于RAC的彈性模量，杜江濤[8]發現其在很大程度上取決于所用骨料的強度.Thomas等[9]通過研究發現，RAC的彈性模量會隨著RCA取代率的增大而減少，100%RCA的再生混凝土彈性模量降幅最大(31%～39%).杜文[10]認為，砂漿內部的微裂縫降低了RAC的彈性模量，砂漿含量的增加增大了RAC內部微裂縫出現的概率.但Arundeb等[11]發現，即使是同一強度等級的RAC，其彈性模量也大不相同，甚至是低強度的RAC也有很大的彈性模量.

目前，有關吸附砂漿對混凝土力學性能方面的研究大多集中于定性方面，而以吸附砂漿含量為量化分析指標，探究其與RAC性能間演化規律的研究卻鮮有報道，使得RAC的應用具有一定的不確定性.若吸附砂漿含量過大，則RAC難以達到預設性能.在中國舊城改造步伐加快的背景下，將有大量再生資源產生以供應用.若能以量化方法表征RAC在不同力學性能下骨料吸附砂漿含量的最高值，將有效減少城市建設對自然資源的依賴，推進再生資源的合理應用.因此，本文以吸附砂漿含量為指標，探究RCA取代率為100%的再生混凝土力學性能演化規律并分析其作用機制，之后通過數學方法界定RAC在不同力學性能下的吸附砂漿含量門檻值.研究成果對減少骨料資源的二次浪費和促進再生粗骨料的工程應用具有一定價值.

1 試驗

1.1 試驗材料

天然粗骨料為石灰石碎石，粒徑為4.75～20mm，級配良好；再生粗骨料由某廢舊道路混凝土破碎而來，粒徑為4.75～20mm；天然砂為常州河砂(中砂)，細度模數2.4；水泥采用P·O 52.5普通硅酸鹽水泥，礦物摻和料為硅灰；減水劑使用聚羧酸高性能減水劑，減水率(質量分數，本文涉及的減水率、含量等均為質量分數)為20%；拌和水為潔凈自來水.

1.2 試驗方法

再生混凝土力學性能依據GB 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》測定，再生粗骨料表觀密度、吸水率和壓碎值按GB/T 14685—2011《建設用卵石、碎石》測定.

RCA吸附砂漿含量主要通過剝除骨料表面砂漿進行測定，剝除方法主要有微波加熱法、酸浸侵蝕法、超聲波清洗法、機械研磨法等[12].本試驗RCA吸附砂漿的去除采用微波加熱法，此方法操作簡易，結果精確度高，原理是骨料與砂漿的熱衰減系數和膨脹系數不同.

1.3 配合比及試件設計

本試驗采用全計算法進行配合比設計，此方法是由陳建奎等[13]針對混凝土強度提升所提出的創新設計方法.該方法能充分發揮混凝土中各材料的性能，提高混凝土性能，使用范圍廣泛.由于RCA表面存在吸附砂漿，攪拌再生混凝土時所需水量增加，因此，應按照Thomas等[3]和鄧壽昌等[14]提出的建議，在攪拌過程中通過添加附加用水來保證有效水灰比的恒定.混凝土配合比見表1.

表1 再生混凝土配合比

混凝土目標強度等級為C40，攪拌工藝采用Tam等[15]提出的兩階段攪拌工藝；試件尺寸分別為100mm×100mm×100mm和100mm×100mm×400mm.混凝土成型后，拆模取出試件，然后將試件放入標準養護室內進行養護，28d后取出，待測.

2 試驗結果及分析

2.1 再生粗骨料物理性能

再生粗骨料的物理性能試驗結果見表2.由表2可知：與NCA相比，RCA的表觀密度降幅為10.3%～16.2%，堆積密度降幅為6.7%～14.1%；吸水率增加了約2～4倍，壓碎值增加了34.6%～57.1%.這主要是因為再生粗骨料表面存在著基體混凝土的老砂漿，而老砂漿具有較低的密度和較高的孔隙率；此外，骨料破碎時不可避免地對自身產生破壞，形成內部微裂縫，增加骨料孔隙率，加之骨料自身呈扁平狀，容器內骨料堆積并不均勻，出現大量空隙，這些都會降低RCA的表觀密度和堆積密度，提高RCA的吸水率和壓碎值.Kisku等[16]認為，吸附砂漿的存在使RAC內部創建了一個更輕的系統，增加了RAC的吸收能力，減少了其相對密度.Yongjae等[17]首次采用背散射電子成像對再生粗骨料吸附砂漿的孔隙率進行了評價，發現吸附砂漿的孔隙率是骨料相對密度、吸水率、黏結強度發展的主要控制因素.

表2 再生粗骨料的物理性能

圖1為RCA吸水率隨時間的變化圖.由圖1可知，RCA吸水率隨著時間發展逐漸增大，最終趨于定值.在前期，RCA吸水很快，其吸水率在2.5h內就達到了飽和吸水率的65%；之后骨料吸水逐漸放緩，最終在28h時達到吸水飽和.這是由于吸附砂漿的存在以及骨料內部微裂縫的發展導致RCA吸水飽和時間變長、吸水率增大，因此，本次試驗RCA吸水飽和時間以30h為準.由圖1還可知，RCA5因吸附砂漿最少，所以吸水率最低.

圖1 不同品質再生粗骨料吸水率隨時間變化關系

2.2 吸附砂漿含量與RCA表觀密度、吸水率和壓碎值的關系

為使再生粗骨料吸附砂漿含量與其表觀密度、吸水率和壓碎值的擬合關系更加準確，除本試驗數據外，又引用了文獻[4、7-8、18-21]的再生骨料特性數據.由于來源數據的單一性，在數據擬合時將所有文獻數據作為同一系列的點.由下述可知，擬合公式的相關性良好.

圖2為根據本試驗數據、文獻數據所作的吸附砂漿含量與RCA表觀密度、吸水率和壓碎值的關系圖.由圖2可知，RCA吸水率和壓碎值高于吸附砂漿含量為0%的NCA，且隨著吸附砂漿含量的增加呈增大趨勢，其表觀密度則相反.這是由于吸附砂漿具有多孔性、疏松性等缺點，隨著吸附砂漿含量的增大，砂漿占骨料比例增大，砂漿作用開始凸顯[22]；另外，隨著砂漿體積的增大，其內部出現微裂縫和孔隙的概率隨之增加，這都導致了RCA表觀密度降低、吸水率增加.除此之外，吸附砂漿的強度較低，在加載時易被壓碎成粉末，RCA的壓碎值因而增加.

圖2 RCA特征值隨吸附砂漿含量變化關系

2.3 吸附砂漿含量對RAC抗壓強度的影響

NAC與RAC的典型受壓破壞形態見圖3.由圖3可見，2種破壞形態存在差異.加載前期，2類試件上下面側邊都出現裂縫，然后向中部斜向發展；隨著荷載的增大，試件邊緣處開始破碎并逐漸剝落，最終失效.RAC試件強度失效后仍能保持一定的完整性，這主要是因為其內部RCA粗糙的外表增加了各組分之間的摩擦力[23]，使其不會破碎，并且仍然可以承受壓力.這與NAC破壞形態存在差異.

圖3 NAC和RAC試件的典型受壓破壞形態

吸附砂漿含量與RAC抗壓強度的關系見圖4，其結果已乘以相應的折減系數.由圖4可知，RAC抗壓強度普遍低于NAC.隨著吸附砂漿含量的增大，RAC抗壓強度呈逐漸減小的趨勢.其中，當吸附砂漿含量為55%時，RAC抗壓強度下降最大，降幅約57%；當吸附砂漿含量在27%左右時，RAC與NAC的抗壓強度差異不大，可視為相等.

圖4 吸附砂漿含量與RAC抗壓強度的關系

相較NAC而言，RAC抗壓強度較低，這是因為吸附砂漿的存在導致RAC表觀密度降低，從而使其抗壓強度下降[24].如Lotfi等[25]指出的那樣，吸附砂漿的存在影響了骨料與新砂漿的界面反應，使骨料內部的界面過渡區(ITZ)遭到削弱.隨著吸附砂漿含量的增加，RCA低密度、大孔隙率、低強度等特性被放大，對混凝土的劣化作用逐漸變強，直至其強度失效.此外，RAC抗壓強度變化曲線比較可靠，與RCA特性變化曲線不同.主要原因是再生混凝土的抗壓強度由骨料、砂漿及新舊界面狀況決定.其中，再生粗骨料因素突出，其自身狀況(如殘余砂漿、吸水率等)對RAC的影響至關重要.以抗壓強度為自變量，吸附砂漿含量為因變量，分別對本文試驗數據、文獻數據和所有數據進行擬合，得到擬合公式(1)～(3).

y1=-0.039x12+1.336x1+57.6，x1∈[0%,45%],R2=0.977

(1)

y2=-0.014x22+0.287x2+58.4，x2∈[5%，62%],R2=0.884

(2)

y3=-0.017x32+0.475x3+57.5，x3∈[0%，62%],R2=0.886

(3)

本次試驗制備的RAC目標抗壓強度為40MPa，將因變量y=40分別代入式(1)～(3)，解得x1=-11%(舍去)或45%；x2=-27%(舍去)或47%；x3=-21%(舍去)或47%.綜上所述，當吸附砂漿含量為0%～45%時，RAC的抗壓強度大于40MPa；當吸附砂漿含量大于45%時，根據擬合公式，RAC抗壓強度無法達到目標強度.基于C40再生混凝土的目標強度，建議的吸附砂漿界限含量為45%.

2.4 吸附砂漿含量對RAC劈裂抗拉強度的影響

NAC與RAC試件的典型劈裂抗拉破壞形態見圖5.由圖5可見，2種破壞形態相似.加載前期，2類試件正面都先出現1條細微的裂縫；隨著荷載的增加，裂縫逐漸發展擴大；最后，隨著“砰”的一聲，裂縫貫穿截面，試件被破壞.由于吸附砂漿的摩擦阻力，RAC裂縫寬度小于NAC.

圖5 NAC和RAC試件的典型劈裂抗拉破環形態圖

吸附砂漿含量與RAC劈裂抗拉強度的關系見圖6，其結果已乘以相應的折減系數.由圖6可知:RAC劈裂抗拉強度小于NAC；隨著吸附砂漿含量的增大，RAC劈裂抗拉強度呈逐漸減小的趨勢，吸附砂漿含量為45%時降幅最大，約為60%.與抗壓強度相比，同區間內RAC劈裂抗拉強度的降幅較大.

圖6 吸附砂漿含量與RAC劈裂抗拉強度的關系

由試件劈裂抗拉破壞特征可知，試件破壞時主要是骨料與砂漿分離，即ITZ破壞，骨料本身并未發生破壞.Pacheco等[6]認為，混凝土劈裂抗拉強度主要取決于ITZ的質量.Kho等[26]和Monalisa等[27]發現，吸附砂漿的存在使得混凝土內部存在2種ITZ.RAC劈裂破壞時，主要是新界面(骨料-新砂漿)和舊界面(骨料-吸附砂漿)的破壞，而舊界面由于承受外力作用，內部存在微裂縫和疏松孔洞，界面黏結強度變弱，斷裂能減小，所以舊界面在再生混凝土劈裂抗拉破壞過程中起控制作用.當吸附砂漿含量增加時，會進一步降低RAC劈裂抗拉強度.分別對試驗數據和所有數據進行擬合(因文獻數據較少，故圖6(a)不對文獻數據進行擬合)，擬合公式如下：

y4=-0.007x42+0.222x4+5.838，x4∈[0%，45%],R2=0.935

(4)

y5=-0.003x52+0.065x5+5.662，x5∈[0%，45%],R2=0.780

(5)

由此可見，針對所有數據進行擬合得到的擬合公式相關系數出現下降.將C40混凝土的抗拉強度標準值按照過鎮海[28]建議的轉換關系換算成劈裂抗拉強度為2.37MPa.吸附砂漿含量的區間為[0%，45%]，將因變量y=2.37代入式(4)、(5)，解得x4=-12%(舍去)或43%；x5=-24%(舍去)或46%.因此，當吸附砂漿含量為0%～43%時，RAC劈裂抗拉強度符合要求；當吸附砂漿含量大于43%時，RAC劈裂抗拉強度預計無法達到要求.基于C40再生混凝土的目標劈裂抗拉強度，建議的吸附砂漿界限含量為43%.

2.5 吸附砂漿含量對RAC彈性模量的影響

吸附砂漿含量與RAC彈性模量的關系見圖7.由圖7(a)可見，RAC彈性模量要普遍小于NAC.隨著吸附砂漿含量的增加，RAC彈性模量逐漸減小，吸附砂漿含量為44%時降幅最大，約為39.5%.這與Thomas[9]研究中所得出的RCA取代率為100%的再生混凝土彈性模量降幅最大為39.0%的結論一致.由圖7(b)可見，吸附砂漿含量為35%左右時，RAC彈性模量出現了負降幅.

圖7 吸附砂漿含量與RAC彈性模量的關系

相對于強度而言，RAC彈性模量的試驗數據波動更大.骨料本身的低彈性模量使得混凝土整體彈性模量降低[29-30]；骨料內部及ITZ周圍的微裂縫會導致骨料-砂漿這一復合體系剛度降低[9]；吸附砂漿的多孔結構會使混凝土受壓時變形增大；應變速率的不同也會影響混凝土彈性模量的變化.

若針對文獻數據和所有數據進行擬合，則得到的擬合公式相關系數都低于0.4.考慮到試驗批次的不同和試驗數據間的相關性，基于RAC彈性模量的吸附砂漿界限含量來源于本次試驗數據.由于混凝土強度和彈性模量具有一定的對應性[28]，故對試驗結果先進行二次函數擬合.由最終得到的擬合曲線(見圖7)可以發現，采用Boltzmann擬合公式的相關系數最高，公式如下：

(6)

雖然Boltzmann擬合公式相關系數較高，但曲線水平段的變化還需通過細化吸附砂漿含量的分布得到進一步確定；而曲線下降段與強度曲線變化相似，因而由下降段確定的吸附砂漿界限含量是合理的.整體來看，該段曲線大致符合吸附砂漿含量增加、彈性模量下降的趨勢.本次試驗RAC彈性模量以大于試驗結果中NAC的彈性模量為準，即大于31.4GPa，與按強度確定的吸附砂漿界限含量相比，此處確定的吸附砂漿界限含量較保守.吸附砂漿含量的區間為[0%，44%]，將因變量y6=31.4代入公式(6)，解得x6=0.39.因此，當吸附砂漿含量為0%～39%時，強度等級C40的RAC彈性模量符合要求；當吸附砂漿含量大于39%時，強度等級C40的RAC彈性模量無法達到要求.基于C40再生混凝土的彈性模量，建議的吸附砂漿界限含量為39%.

2.6 基于力學性能的吸附砂漿界限含量

由上述結果可知，根據抗壓強度、劈裂抗拉強度和彈性模量確定的吸附砂漿界限含量分別為45%、43%和39%.Marta等[18]對實驗室記錄和文獻綜述數據進行整理分析后，根據西班牙規范中的磨損值限值，確定了來自抗壓強度為25MPa母體混凝土的再生骨料吸附砂漿含量應小于44%.Duan等[7]發現，隨著再生混凝土目標強度的增大，同等材料、配合比和試驗步驟的NAC和RAC的強度差值逐漸增大.Pacheco等[6]發現，當再生混凝土被設計成比母體混凝土強度更高時，RCA的不利影響被放大.本次試驗所設計的RAC目標強度為C40，強度等級較一般混凝土高，因此根據力學性能所得吸附砂漿界限含量都應低于Marta等的推薦含量.本試驗基于力學性能確定的最終吸附砂漿界限含量為39%.

2.7 吸附砂漿含量對RAC力學性能影響的微觀機理分析

混凝土破壞時的破裂面都經過內部的界面過渡區.為了進一步研究吸附砂漿對RAC力學性能的影響，本文從微觀角度觀察NAC和RAC的界面結構狀況，以探究吸附砂漿對其力學性能的影響.NAC和RAC界面結構的SEM圖如圖8所示.

分析圖8(a)、(b)可知:NAC界面雖然存在較為明顯的層狀氫氧化鈣，使其強度略微降低，但界面分界線比較明顯，兩端結合非常緊密，在加載時不易被破壞；RAC中舊界面層狀結構不顯著，并且由于界面存在微小孔隙，大量水化硅酸鈣填充其間，導致界面分界線不明顯，但界面周圍狀態較為疏松，存在大量孔隙，加載時會在界面周圍產生新的裂紋并加速新舊裂縫的發展；RAC中新界面由于骨料粗糙外表和成型時的二次水養，骨料、新砂漿間的嵌固與黏結強度增加，與NAC中的ITZ相比，其質量略微增強[6-7].隨著吸附砂漿含量的增加，RAC界面周圍的缺陷區域增加，對界面的削弱作用會逐漸超過水化物填充和骨料嵌固的增強作用，從而使其界面過渡區強度整體降低.

由圖8(c)可以看出，RAC中新砂漿與NAC中砂漿的微觀圖相似，這說明附加用水的加入能減少RCA吸水的影響，保證水泥水化過程正常進行，不會對吸附砂漿界限含量的確定造成影響.由圖8(d)可以看出，RCA周圍存在著較多的裂縫，并有向中間發展的趨勢.這對RAC的力學性能造成了負面影響.

圖8 NAC和RAC界面結構的SEM圖

3 結論

(1)RCA取代率為100%的再生混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度隨著吸附砂漿含量的增大而逐漸降低，最大降幅分別約57%(吸附砂漿含量0%～62%)和60%(吸附砂漿含量0%～45%)；吸附砂漿含量對再生混凝土劈裂抗拉強度的影響比抗壓強度大；吸附砂漿含量與RAC抗壓強度、劈裂抗拉強度的擬合曲線均符合二次函數關系，基于C40混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度建議的吸附砂漿界限含量分別為45%和43%.

(2)RAC彈性模量與吸附砂漿含量的擬合曲線符合Boltzmann公式，與強度擬合公式存在著差異；由RAC彈性模量試驗數據確定的吸附砂漿界限含量為39%.綜合考慮基于RAC抗壓強度、劈裂抗拉強度確定的吸附砂漿界限含量，應將彈性模量作為使用再生混凝土時的主要控制因素.

(3)吸附砂漿表面孔隙會使水化硅酸鈣填充其間，一定程度上增強了ITZ的強度.隨著吸附砂漿含量的增加，界面周圍缺陷區域擴大，RAC的強度逐漸下降.最終，基于C40混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度和彈性模量，建議的吸附砂漿界限含量為39%.