再生粗骨料含水狀態對混凝土性能的影響

段珍華， 江山山， 肖建莊， 侯少丹， 陳祥磊

(1.同濟大學 建筑工程系, 上海 200092;2.同濟大學 工程結構性能演化與控制教育部重點實驗室, 上海 200092)

目前，國內外研究人員已經針對再生混凝土開展了大量的研究[1-2]，主要集中在力學性能、變形性能和耐久性能等方面.考慮到再生粗骨料較高的孔隙率、吸水率和較低的表觀密度[3]，由其制備的再生混凝土在施工時必會面臨嚴峻挑戰.

對再生粗骨料進行預處理，可以有效改善再生混凝土的各項性能.許多研究人員建議對再生粗骨料進行預飽水處理以減少骨料和水泥漿之間的水分交換[4]，但飽和面干狀態的再生粗骨料存在水分從骨料內部轉移到水泥漿中的“滲出”風險，可能會改變再生粗骨料和水泥漿之間界面過渡區的水膠比，進而影響黏結強度[5].Ferreira等[6]調查了預吸水與附加水工藝下再生粗骨料對混凝土工作性能的影響，發現2種工藝都能改善再生混凝土的工作性能，且后者還有利于提高其強度.Brand等[7]發現在有效水膠比一致的情況下，相較于飽和面干狀態再生粗骨料，干燥狀態再生粗骨料制備的再生混凝土表現出較高的初始坍落度.而De Oliveira等[8]的試驗結果表明，干燥狀態和飽和面干狀態再生粗骨料制備的再生混凝土，在強度和抗凍融性方面均差于普通混凝土，且后者的抗彎強度下降尤為顯著.

工作性能作為新拌混凝土的重要性能之一，直接影響硬化后材料的抗壓強度以及耐久性.隨著高性能混凝土的迅速發展，工作性能常規經驗測試方法難以對其進行有效評估.當前流變性能被認為是表征混凝土工作性能的最理想方法[9].相較于傳統的經驗測試方法，流變性能測試能夠從機理方面更加科學、全面地表征新拌混凝土材料的工作性能.

本文研究了再生粗骨料含水狀態對混凝土常規工作性能、流變性能、力學性能和耐久性能的影響，并揭示了其作用機理.

1 試驗

1.1 試驗材料

水泥為42.5級普通硅酸鹽水泥，其化學組成(1)文中涉及的組成、水膠比等均為質量分數或質量比.列于表1.細骨料為Ⅱ區河砂，級配良好，細度模數為2.5，符合GB/T 14684—2011《建設用砂》的要求.再生粗骨料(RCA)來自上海某建筑固廢資源化工廠，粒徑分別為4.75～10mm和10～20mm，按質量比1∶2混合，混合后其級配符合JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》的要求，天然粗骨料(NCA)來源于碎石，NCA和RCA的物理性能按照GB/T 14685—2011《建筑用卵石、碎石》進行測試，結果見表2.減水劑采用聚羧酸高效減水劑，固含量為20%.混凝土配合比見表3.

表1 水泥化學組成

表2 骨料的物理性能

表3 混凝土配合比

1.2 配合比設計

筆者前期研究[10]發現，高品質RCA對混凝土性能的不利影響較小.為深入考察RCA對結構混凝土的性能影響，基準組設計強度為C45，水膠比取0.36，粗骨料使用天然碎石，作為對照組，標記為NC.在此基礎上，共設計了3組再生混凝土(RC)，其水膠比和膠凝材料用量與對照組一致，采用不同含水狀態的RCA全部取代NCA(以體積分數計)，所制備的混凝土分別標記為RC1、RC2和RC3，其中RCA的含水狀態分別設定在絕干(含水率為0%)、氣干(含水率約為飽和面干吸水率的50%)和飽和面干(飽和面干吸水率)狀態，附加水用量根據骨料的含水狀態進行相應調整.混凝土配合比詳見表3.為了探究新拌混凝土常規工作性能和流變性能隨時間的變化規律，通過調整減水劑用量將各組混凝土的初始坍落度均控制在(200±10)mm范圍內.

1.3 測試方法

參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》對新拌混凝土進行常規工作性能測試，包括坍落度和擴展度及其經時變化(0、15、30、45min).

使用ICAR流變儀對新拌混凝土進行流變性能測試以獲取流變參數(包括靜態屈服應力、動態屈服應力和塑性黏度)以及流變參數隨時間(0、15、30、45min)的變化規律.流變儀的葉片半徑為63.5mm，高度為127mm，流變筒的容量為20L，靜態屈服應力測試時，控制葉片的轉速為0.025r/s，持續時間為60s；動態屈服應力和塑性黏度測試時葉片的轉速由0.5r/s逐漸降低到0.05r/s，共采集7個點的扭矩和轉速.

參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》，分別澆筑3組100×100×100mm和150×150×300mm的試件，試件成型1d后脫模并進行標準養護，分別用于測試7、28d抗壓強度和28d軸心抗壓強度，測試中加載速率控制為0.3MPa/s；同時參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》，澆筑2組試件用于再生混凝土抗氯離子滲透性能測試，養護齡期為28d，其中一組采用電通量測試方法，另外一組采用快速氯離子遷移測試方法.

2 結果與分析

2.1 再生粗骨料吸水時變規律

利用靜水天平可以獲取絕干狀態下的RCA吸水時變曲線，如圖1所示.由圖1可見：絕干狀態下的RCA遇水后，吸水速率極快，15s后其含水率就已達到了其飽和面干吸水率的46.7%；但其吸水速率隨時間的推移迅速下降，5min時其含水率僅增加了約17.1%.這表明RCA的含水率越低，其吸水速率就越快，且隨含水率增加而迅速下降，當RCA的含水率達到其飽和面干吸水率的70%左右時，其吸水速率趨于平緩.由此可見，絕干狀態下的RCA在加入到拌和物中時，其吸水速率非常快.

圖1 絕干狀態下的RCA吸水時變曲線

2.2 常規工作性能

新拌混凝土坍落度經時變化和減水劑用量(wSP)如圖2所示.由圖2可知，NC組減水劑的用量最多，RC組減水劑的用量相對較少.這是由于RC1和RC2組中附加水的存在導致其拌和物中游離態的水要明顯多于NC組，從而降低了對減水劑的需求，尤其是RC1組，其減水劑的用量最少.RC3組采用的RCA預先在水中浸泡了24h，達到飽和面干狀態，表面潤滑且附著的灰塵顆粒基本上被清洗掉，骨料間摩擦力同樣得到降低，對減水劑的需求也相應減少.由此可知，再生粗骨料的初始含水狀態對新拌混凝土的減水劑用量有較大的影響.

圖2 新拌混凝土坍落度經時變化和減水劑用量

圖3展示了新拌混凝土擴展度隨時間的變化.由圖2、3可知：NC組的坍落度和擴展度經時損失均明顯小于再生混凝土組.靜置45min后再攪拌，NC組的坍落度和擴展度分別為190、385mm，損失很小，能夠保持較好的流動性.但再生混凝土組拌和物的坍落度經時損失較嚴重，其中RC3組45min后的坍落度損失最大，達69%，這是由于再生混凝土拌和物中的自由水和減水劑隨時間推移不斷被再生粗骨料上附著的老砂漿吸收，使得拌和物中自由水和有效減水劑濃度降低，導致其工作性能迅速損失.其中，由于RC1組中RCA的初始含水率為0%，其吸水速率較快，從而導致該組的工作性能損失高于RC2組.對于RC3組，因為飽和面干狀態下的RCA與拌和物之間可能存在水分傳輸的現象，導致有效減水劑濃度降低，進而加速了工作性能損失.通過不同RC組的坍落度經時損失對比可以發現，RC2組坍落度的損失情況較RC1和RC3組要好，說明相較于絕干與飽和面干狀態，氣干狀態下的RCA對新拌混凝土坍落度的保持可能會產生更加有利的影響.

2.3 流變性能

圖4為新拌混凝土靜態屈服應力隨時間的變化.由圖4可知：NC組靜態屈服應力隨時間勻速增長，RC3組靜態屈服應力值增長最慢.就靜態屈服應力而言，RC3組的流變性能要比NC組好，其原因有兩點：首先，RC3組RCA在水中浸泡了24h 后，其表面的灰塵被除去并且表面得到潤滑，從而減小了骨料間的摩擦力，使得其靜態屈服應力減小；其次，飽和面干狀態下的RCA在拌和物中可能存在水分從骨料內部滲出的現象，此時RCA表面附著老砂漿的水膠比較大，相當于再生粗骨料表面得到潤滑，減小了靜態屈服應力.RC1組的靜態屈服應力值比NC組小，特別是在攪拌后的30min 內，RC1組靜態屈服應力的增長低于NC組，這是因為附加水的存在增大了拌和物中游離態水的含量，但隨著這些附加水被再生粗骨料所吸收，其靜態屈服應力值會迅速增大，如RC1和RC2組靜態屈服應力值在45min時比30min時分別增大了81%、70%.雖然RC2組拌和物中游離態的水也比NC組多，但是RCA表面較粗糙，其摩擦力要比天然粗骨料大，這會顯著影響新拌混凝土的流變性能，從而使得RC2組的靜態屈服應力值比NC組大.

圖4 新拌混凝土靜態屈服應力隨時間的變化

圖5顯示了新拌混凝土動態屈服應力隨時間的變化.由圖5可知：NC組動態屈服應力值最小且增長緩慢，說明其流變性能損失較少；在3組再生混凝土中，RC2組的動態屈服應力增長最慢，RC1組的動態屈服應力增長最快，結合坍落度測試結果(見圖2)，較快的吸水速率導致RC1組動態屈服應力增長最快，老砂漿對減水劑的吸附導致RC3組動態屈服應力增長高于RC2組.這說明RCA的加入會增大新拌混凝土的動態屈服應力，其含水狀態對拌和物動態屈服應力的增長影響較大.相對于氣干狀態，絕干與飽和面干狀態下的RCA對新拌混凝土動態屈服應力產生的影響更為顯著.值得注意的是，RC1組和RC3組在15min內動態屈服應力的增長并不顯著，然而在15min之后，特別是30～45min內，RC1組動態屈服應力的增長最明顯，這與RCA的吸水時變規律相反.

圖5 新拌混凝土動態屈服應力隨時間的變化

新拌混凝土塑性黏度隨時間的變化如圖6所示.由圖6可知，RC1和RC3組塑性黏度均小于NC組，且增長緩慢.說明盡管NC組和RC組具有相似的初始坍落度，其塑性黏度仍存在較大的差異.這是因為塑性黏度主要受漿體中水泥分子間引力影響，由于RC1和RC2組附加水的存在以及RC3組骨料表面滲出水的存在，導致初始狀態時RC組中水泥分子間的距離較大，引力較小，進而使得其塑性黏度低于NC組.隨著時間的推移，水泥顆粒產生絮凝進而開始水化，使得水泥分子間引力更大，因而新拌混凝土塑性黏度隨著時間的增長而增大.值得注意的是，RC2組在15～45min內的塑性黏度顯著增長，并且高于NC組，根據前述分析，RC2組拌和物的減水劑用量在3組再生混凝土中最高，因此RC2組水泥顆粒更為分散，水泥在早期的水化更充分，水化產物之間的相互作用增大了塑性黏度.

圖6 新拌混凝土塑性黏度隨時間的變化

2.4 抗壓強度

混凝土各齡期抗壓強度如圖7所示.由圖7可見：由于RCA較低的表觀密度和老砂漿的存在，導致再生混凝土的抗壓強度均低于普通混凝土；RC1和RC3組混凝土各齡期的抗壓強度均小于RC2組，反映了絕干與飽和面干狀態下的RCA對再生混凝土抗壓強度的不利影響要大于氣干狀態下的RCA.RC1組中的附加水用量顯著高于RC2組，混凝土硬化時，RC1組的有效水膠比較高，從而導致其抗壓強度低于RC2組；對于RC3組，如前所述，吸水飽和的RCA會存在老砂漿中的水分滲出現象，引起界面過渡區砂漿的水膠比增大，從而導致混凝土強度較低.RC2組更高的早期強度也驗證了前述分析中其早期水化更充分的結論.由圖7還可知：RC2組混凝土28d抗壓強度較7d時增長了12.0MPa，與NC組混凝土抗壓強度的增長幅度(11.3MPa)大致相同；RC1組混凝土7d抗壓強度最低，但其增長速率最快，遠超過其他各組，說明在7d時，RC1組混凝土中仍存在大量附加水未被RCA吸收，使得其有效水膠比較高，但在其強度增長過程中，這些附加水不斷被再生粗骨料吸收，從而增大了有效水膠比，最終使得RC1組混凝土的抗壓強度增長較快；而RC3組混凝土抗壓強度的增長速率最慢，因為在其強度增長過程中，一部分水從RCA的孔隙中滲出，從而增大了界面過渡區砂漿的水膠比，影響了其強度的增長.

圖7 各齡期混凝土抗壓強度

2.5 電通量與氯離子擴散系數

圖8給出了混凝土28d電通量與氯離子擴散系數D.由圖8可知，RC組的電通量和氯離子擴散系數均高出NC組很多，這說明了RCA會對混凝土抗氯離子滲透性能產生不利影響.其原因有兩點：其一，由于附著老砂漿的存在，RCA具有比天然粗骨料更高的孔隙率；其二，在養護過程中，RC1和RC2組混凝土中的附加水會被未飽和的再生粗骨料吸收，而RC3組混凝土中一部分水會從已飽和的RCA中滲出，這種水分的傳輸過程會在混凝土結構中形成更多的孔隙，從而使其抗氯離子滲透性能下降.此外，RC3組的電通量和氯離子擴散系數遠高于其他各組，這是因為水膠比較高的新老砂漿界面過渡區結構不夠密實，會形成離子的傳輸通道.這也表明飽和面干狀態下的RCA會對混凝土抗氯離子滲透性能產生非常不利的影響.

圖8 混凝土28d電通量與氯離子擴散系數

3 結論

(1)再生粗骨料的含水率越低，其吸水速率就越快，且吸水速率隨著含水狀態的增加而迅速下降，再生粗骨料的吸水時變規律與混凝土的工作性能時變規律具有緊密聯系.

(2)再生粗骨料的含水狀態對新拌混凝土的流變性能及其經時損失具有很大的影響，氣干狀態下的再生粗骨料對新拌混凝土工作性能的不利影響比絕干和飽和面干狀態下的再生粗骨料要小.

(3)用絕干與飽和面干狀態下的再生粗骨料制備再生混凝土時，其抗壓強度低于用氣干狀態下再生粗骨料制備的再生混凝土.當用絕干狀態下的再生粗骨料制備再生混凝土時，其早期抗壓強度偏低，但其抗壓強度增長較快；當用飽和面干狀態下的再生粗骨料制備再生混凝土時，其抗壓強度增長緩慢.

(4)與天然粗骨料混凝土相比，3種含水狀態下的再生粗骨料均會對再生混凝土抗氯離子滲透性能產生不利影響，尤其是飽和面干狀態下的再生粗骨料.