不同類型再生細骨料對保溫混凝土力學性能的影響

黃開林，李書進，臧旭航

(1.常州工學院土木建筑工程學院，常州 213001;2.常州大學環境與安全工程學院，常州 213161)

0 引 言

中國農村城鎮化的過程中會拆除大量磚混結構的老舊建筑，再生粗骨料(recycled coarse aggregate，RCA)和再生細骨料(recycled fine aggregate， RFA)是磚混結構破碎后的主要產品[1-3]。其中，RFA不僅約占總產品的25%～50%，而且類型多樣[4]，因此回收利用RFA可以有效解決天然河砂資源緊缺的問題。隨著混凝土中RFA的研究不斷深入，RFA的實際工程價值開始得到研究人員的認可，Wang等[5]發現再生細骨料混凝土可以獲得優于普通混凝土的工作性能和抗壓強度。

玻化微珠再生保溫混凝土(recycled aggregate thermal insulation concrete， RATIC)是一種將建筑拆卸廢料和玻化微珠保溫骨料按一定比例配合而成的新型綠色混凝土，具有環保和保溫性能優良等特點[6]。當前，研究人員著重于研究再生粗骨料制備的RATIC，發現RCA對RATIC的力學性能產生消極影響[7-13]。然而，目前對于RFA在玻化微珠保溫混凝土(thermal insulation concrete， TIC)中的應用研究還很有限。李康等[14]發現用RFA取代部分天然河砂(natural fine aggregate， NFA)有助于提高RATIC的抗壓強度，取代率可達80%。趙敏等[15]發現RFA的預濕狀態對RATIC的強度發展有顯著影響，且RATIC中RFA的最優取代率約為40%。張會芝等[10,16]通過總功效系數法和力學性能試驗等方法發現RFA對RATIC的抗壓強度影響較小，且50%的取代率可以使RATIC獲得較好的力學性能和保溫性能。

不難發現，研究人員對于RATIC中RFA的最優取代率有很大分歧，這與試驗過程中選取RFA的來源和加工工藝有關[17-18]，不同地區生產的RFA類型和品質也不盡相同。就中國國情而言，老舊磚混結構破碎后主要有廢棄混凝土再生細骨料和廢棄黏土磚再生細骨料兩種RFA，而目前對不同類型RFA制備出的RATIC力學性能的研究尚無報道。為了研究不同類型RFA對 RATIC力學性能的影響，本研究選取了廢棄混凝土和廢棄黏土磚破碎后的RFA，探討了不同類型RFA的品質和化學成分對RATIC力學性能的影響，確定了不同類型RFA在RATIC中的最優取代率，為實際工程中RFA類型的選取提供建議。

1 實 驗

1.1 原材料

再生細骨料保溫混凝土的原材料組成包括：P·O 42.5水泥、粉煤灰(表觀密度為2 500 kg/m3)、三種細骨料(廢棄混凝土破碎后的RFA1、廢棄黏土磚破碎后的RFA2以及NFA，細度模數為2.4，顆粒級配如圖1所示)、天然粗骨料(粒徑為5～20 mm，表觀密度為2 680 kg/m3)、玻化微珠(容重為130 kg/m3，導熱系數為0.028 W/(m·K))、聚羧酸減水劑(JK-PCA，含固量為40%，質量分數)和自來水。

圖1 細骨料的粒徑分布Fig.1 Particle size distributions of fine aggregates

1.2 配合比和試驗方法

本文將RFA1和RFA2以25%、50%、75%和100%(體積分數)四種不同的取代率取代TIC中的NFA，配制出了RATIC1(廢棄混凝土再生保溫混凝土)和RATIC2(廢棄黏土磚再生保溫混凝土)。同時設計了對照組，記為TIC，具體的配合比如表1所示。為了擁有相似的有效水膠比[19]，不同配合比添加了不同的附加用水量。

表1 不同替代率下RATIC的配合比Table 1 Mix proportions of RATIC under different substitution rates /kg

續表

NFA和RFA的表觀密度、吸水率、含水率、壓碎值、再生膠砂需水量比、再生膠砂強度比和細度模數依照《混凝土和砂漿用再生細骨料》(GB/T 25176—2010)測定。RATIC的孔隙率按照“可蒸發水含量法”測定[20]。RATIC的抗壓強度、劈裂抗拉強度和彈性模量依照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2019)測定。RATIC的養護均采用標準養護(溫度(20±2) ℃，相對濕度≥95%)方式。

2 結果與討論

2.1 細骨料的物理性能和化學成分測試

表2是細骨料的物理性能測試結果。由表2可知，兩種RFA有著相似的表觀密度和細度模數。RFA在拌和過程中的附加用水量用再生細骨料24 h的吸水量(Wa，見式(1))減去含水量(Wst，見式(2))得到[19]。試驗發現，兩種RFA也有相似的附加用水量。但是，RFA1的壓碎值相比RFA2增加了18.8%。RFA1的再生膠砂需水量相比RFA2增加了18.2%，再生膠砂強度比降低了37.5%。參照《混凝土和砂漿用再生細骨料》(GB/T 25176—2010)可以看出，RFA2的品質優于RFA1。由三種細骨料的吸水率和壓碎值可知，RFA1和RFA2的孔隙率均大于NFA，骨料強度均小于NFA。

表2 細骨料的物理性能指標Table 2 Physical properties of fine aggregates

Wa=mRFA×Ca

(1)

Wst=mRFA×Cmoist

(2)

式中：mRFA為RFA的質量；Ca為RFA的吸水率；Cmoist為RFA的含水率。

圖2是試驗選取細骨料的實物及XRD譜。由圖2(a)、(b)和(c)可以看出，NFA、RFA1和RFA2中粒徑大于2.5 mm的骨料以及粒徑小于0.15 mm的骨料均占有很大比重。這點在圖1中也得到驗證。由圖2(d)可以看出，NFA主要是由SiO2組成的。由圖2(e)可以看出，RFA1中除了SiO2，還有CaCO3和Ca(OH)2存在。即使在長時間水化后，RFA1表面依然會存在水泥水化的殘留物，而Ca(OH)2就是水泥水化的產物[21]。眾所周知，與C-S-H相比，Ca(OH)2的比表面積很小，對強度的貢獻有限。因此，RFA1的再生膠砂強度小于不含Ca(OH)2的RFA2。由圖2(f)可以看出，RFA2除了含有大量的SiO2，還存在少量的鈉長石、鈣長石和赤鐵礦，粒徑小于0.15 mm的RFA2可以被認為是一種火山灰材料[22]，火山灰材料能在消耗Ca(OH)2的同時，增加C-S-H和其他水化產物的數量，使得水泥漿體孔隙細化。

圖2 細骨料的實物及XRD譜Fig.2 Real products and XRD patterns of fine aggregates

2.2 再生細骨料類型對RATIC的孔隙率和抗壓強度的影響

圖3是RATIC抗壓強度fc不同齡期(3 d、7 d、14 d和28 d)的變化曲線。由圖3(a)可知，相比TIC，RATIC1的早期(3 d、7 d和14 d)抗壓強度發展緩慢，相同齡期下TIC的抗壓強度均是最高。但28 d齡期時，25%取代率的RATIC1其抗壓強度超過了TIC。這是由于混凝土強度發展的前期RFA1吸收了大量用于水泥水化的自由水，降低了水泥的水化速度，但隨著水泥水化過程不斷地進行，RFA1原本吸收的水分不斷釋放出來，推動了水泥水化的進行，促使RATIC1的抗壓強度繼續發展。因此，RATIC1表現出了早期抗壓強度發展較慢，后期抗壓強度發展較TIC快的趨勢。

由圖3(b)可知，在相同齡期下，RATIC2的抗壓強度始終高于TIC，且表現出和TIC相同的強度發展規律，這可能是因為與RFA1不同，RFA2吸水后會降低其周圍的有效水膠比,提高RATIC2早期抗壓強度。隨著RATIC2齡期的增長，早期吸收的水分會從RFA2中釋放出來，促使RATIC2中水泥漿體繼續水化，保證了RATIC2后期抗壓強度的發展。另外，在標準養護條件下，RATIC2的相對濕度始終保持在較高水平(大于95%)，RATIC2中的水泥均可充分水化[23]。

圖3 RATIC抗壓強度隨齡期變化曲線Fig.3 Curves of RATIC compressive strength changing with age

圖4為不同取代率下RATIC的28 d抗壓強度和孔隙率。由圖4(a)可知，相同取代率下，RATIC2的抗壓強度均高于RATIC1，且RATIC隨著RFA取代率的增加，抗壓強度呈先增大后減小的變化趨勢。不同的是，25%的RFA1取代NFA時，RATIC1的抗壓強度達到最大；而75%的RFA2取代NFA時，RATIC2的抗壓強度達到最大。造成RATIC1強度變化的原因可能是RFA1中存在廢棄混凝土中未水化的水泥，在RATIC1水化過程中這些未水化的水泥繼續水化，為界面過渡區提供額外的粘結強度，從而提高了RATIC1的抗壓強度[5]。但是，隨著RFA1取代率的不斷增加，RFA1較低的強度導致 RATIC1的抗壓強度不斷降低。雖然RATIC2與RATIC1抗壓強度變化趨勢相同，但是與RATIC1不同的是，RATIC2中的RFA2中含有火山灰材料，其中的活性物質與水泥水化產物的接觸可以使二次水化反應程度增強；另外，火山灰材料比表面積較高的特性對水泥填充效果更好，使得RATIC2的水泥漿體更加密實，具有更高的強度。圖4(b)中RATIC的孔隙率也可以證明相同取代率下，RATIC2相比RATIC1具有更好的密實度。

圖4 不同類型RFA的取代率對RATIC抗壓強度和孔隙率的影響Fig.4 Effects of replacement ratio of different types of RFA on compressive strength and porosity of RATIC

2.3 再生細骨料類型對RATIC劈裂抗拉強度的影響

目前對于RFA制備的RATIC抗拉強度方面的研究還鮮有報道。劈裂抗拉強度ftsp是間接表征混凝土抗拉強度的有效指標，本試驗研究了兩種RATIC的劈裂抗拉強度。

圖5是TIC與RATIC的劈裂破壞形態，可以看出，RATIC1與TIC相比RATIC2存在明顯的裂縫寬度，且試件表面的孔隙也明顯多于RATIC2。這些證明了RFA2中存在可以提高RATIC密實度的火山灰材料。另外，火山灰材料的加入改善了RATIC2的強度，使得RATIC2在劈裂破壞過程中剝落的水泥石相比TIC和RATIC1減少了。

圖5 劈裂抗壓破壞形態圖Fig.5 Split compressive failure patterns

圖6是不同取代率下RATIC的28 d劈裂抗拉強度。由圖6可以看出，RATIC的劈裂抗拉強度表現出和抗壓強度相似的強度變化規律。不同的是，50%的RFA1取代NFA時，RATIC1的劈裂抗拉強度達到最大，相比抗壓強度，RFA1的最優取代率增加了25%；而對于RATIC2的劈裂抗拉強度，依舊是75%的RFA2取代NFA時達到最大。

圖6 不同類型RFA的取代率對RATIC劈裂抗拉強度的影響Fig.6 Effects of replacement ratio of different types of RFA on splitting tensile strength of RATIC

除了2.2節中未水化水泥提供的額外強度，RFA1最優取代率增加的原因可能是，RFA1中存在大量的CaCO3，CaCO3與Ca(OH)2的化學作用可以有效降低Ca(OH)2在RATIC1界面過渡區的富集程度，使得RATIC1的劈裂抗拉強度獲得了進一步提升[24]。對于RATIC2，火山灰材料引發的化學反應能夠降低RATIC2界面過渡區中Ca(OH)2晶體的大小和富集程度，因此，RATIC2的劈裂抗拉強度均大于TIC。但是，RFA1和RFA2較低的強度依舊對高取代率的RATIC產生消極影響。因此，RATIC的劈裂抗拉強度表現出和抗壓強度相同的變化趨勢。

2.4 再生細骨料類型對RATIC彈性模量的影響

圖7是不同取代率下RATIC的28 d彈性模量Ec，RATIC的彈性模量表現出和抗壓強度、劈裂抗拉強度一樣的變化趨勢。與劈裂抗拉強度相同的是，50%和75%分別是RFA1和RFA2在RATIC中的最優取代率。不同的是，100%取代率的RATIC1相比75%取代率的RATIC1，劈裂抗拉強度降低了16.5%，彈性模量降低了33.2%；而100%取代率的RATIC2相比75%取代率的RATIC2，劈裂抗拉強度降低了12.0%，彈性模量降低了15.9%。RATIC2彈性模量的降幅與劈裂抗拉強度的降幅相近，而RATIC1彈性模量的降幅相比抗拉強度的降幅明顯增大。

圖7 不同類型RFA取代率對RATIC彈性模量的影響Fig.7 Effects of replacement ratio of different types of RFA on elastic modulus of RATIC

骨料孔隙率是影響RATIC1彈性模量降幅增大的重要因素，相比NFA，RFA1低密度高孔隙的特性對高取代率下RATIC1的彈性模量產生消極影響，RFA1較高的孔隙率在圖4(b)中也有所體現。再者，RFA1較低的彈性模量也是影響RATIC1彈性模量的重要因素。與RATIC1不同的是，RFA2中的火山灰材料可以填充RATIC2骨料之間的孔隙，彌補了RFA2彈性模量低的缺點，因此RATIC2的彈性模量表現出與劈裂抗拉強度相近的降幅。但是RFA1和RFA2較低的彈性模量依舊對RATIC的彈性模量產生影響，在較高取代率下，RATIC的彈性模量降低。

3 結 論

通過對不同類型再生細骨料制備的再生保溫混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉強度和彈性模量進行試驗得到以下結論：

(1)試驗選取的廢棄黏土磚再生細骨料的品質優于廢棄混凝土再生細骨料，廢棄混凝土再生細骨料取代率為25%時，再生保溫混凝土的抗壓強度達到最大； 廢棄混凝土再生細骨料取代率為50%時，再生保溫混凝土的劈裂抗拉強度和彈性模量達到最大。由于在結構設計中混凝土主要受壓，因此，25%可以認為是廢棄混凝土再生細骨料的最優取代率。廢棄黏土磚再生細骨料取代率為75%時，再生保溫混凝土的力學性能達到最大。因此，75%是廢棄黏土磚再生細骨料的最優取代率。

(2)壓碎值和再生膠砂強度比是區分不同類型再生細骨料品質的重要物理性能指標。對于不同類型的再生細骨料，品質高的再生細骨料可以制備出力學性能良好的再生保溫混凝土。

(3)再生細骨料復雜的化學成分是影響再生保溫混凝土力學性能的重要因素，廢棄混凝土再生細骨料中殘余的氫氧化鈣降低了再生保溫混凝土的力學性能，但其鈣基骨料和殘余的未水化水泥又提高了再生保溫混凝土的力學性能；廢棄黏土磚再生細骨料中的火山灰材料可以有效改善再生保溫混凝土的力學性能。因此，就再生細骨料的化學成分而言，廢棄黏土磚再生細骨料具有更高的回收利用價值。