RCA 強度對再生混凝土力學及變形的影響

崔 鵬

（1.甘肅路橋建設集團有限公司；2.公路建設與養護技術、材料及裝備交通運輸行業研發中心，甘肅 蘭州 730030）

隨著經濟發展，我國建筑垃圾及拆卸廢棄物數量逐年增加，其中很大一部分廢棄物來自廢棄混凝土結構[1-2]，至2020 年，我國建筑垃圾預計產生30億t，如此巨大的建筑垃圾將對自然生態環境造成嚴重危害，而建筑垃圾的回收利用是解決生態問題的主要途徑[3]。此外，隨著我國公路建設的快速發展，道路工程中混凝土的大量使用，對天然集料的需求與我國環境保護的矛盾日益突出[4]。而將建筑垃圾替代部分天然骨料，制備再生混凝土，不僅可以回收建筑垃圾、節約資源，而且可以減少對天然集料的開采、保護環境[5]。

由于RCA 骨料自身強度低、吸水率高等缺陷，使得再生骨料混凝土的各項性能較天然混凝土低，這往往導致混凝土的物理、力學和耐久性性能下降[6-7]。因此，RCA 母體混凝土強度在再生混凝土性能起到至關重要的作用，以往的研究針對再生混凝土的力學性能、收縮及微觀機理等方面進行了大量研究[8-10]，但多數的研究只局限于再生混凝土的短期性能，針對其長期力學性能等方面鮮有研究[11-12]。且對RCA 母體混凝土強度對再生混凝土力學及變形的影響研究也較少。因此，針對RCA 母體混凝土強度對再生混凝土力學及變形進行了系統性研究，通過不同強度RCA 對再生混凝土抗壓強度、彎拉強度、彈性模量、收縮及徐變等方面的研究分析，以期對再生骨料的應用上提供指導和借鑒。

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料

水泥采用普通硅酸鹽水泥，比表面積為324m2/kg，比重為3.150g/cm3，其主要化學成分見表1。天然集料采用玄武巖破碎集料，其最大公稱粒徑為19mm，表觀密度為2.62g/cm3，吸水率為2.0%；細集料材料公稱粒徑為2mm 的天然砂，表觀密度為2.70g/cm3，吸水率為0.4%，細度模數為2.3。

表1 普通硅酸鹽水泥化學成分

為了獲取不同強度的再生骨料，制備C20 和C50 兩種強度的混凝土并養生90d，然后采用集料破碎方式制備再生混凝土骨料，記為RCA-20 和RCA-50，其比重分別為2.16 g/cm3和2.36 g/cm3，吸水率分別為6.8%和5.5%。為了與天然集料進行對比研究，采用逐級篩分的方式，確保RCA 級配與天然集料一致。

1.2 再生水泥混凝土制備

采用兩種RCA 等質量替代天然集料，RCA 摻量為50%，不同再生水泥混凝土配合比設計方案其結果見表2。

表2 再生混凝土配合比設計方案

從表2 中可以看出，通過對再生混凝土坍落度和密度進行測試，基準混凝土的坍落度為130mm，而再生混凝土的坍落度都為115mm，表明RCA 可降低再生混凝土的流動性；此外，不管是現澆密度還是硬化密度，基準混凝土都高于兩種再生混凝土，這主要是由于再生骨料顆粒棱角多、表面粗糙，且組分中含有硬化的水泥砂漿導致表觀密度低，這些使得再生混凝土流動性降低、密度也低于普通混凝土[13-15]。

所有混凝土試件成型后在標準條件下進行養護以備待測，制備完成后對不同水泥混凝土的抗壓強度、抗折強度、彈性模量以及變形進行測試，其主要測試方法參照規范進行。

2 試驗結果及分析

2.1 再生水泥混凝土強度分析

圖1 所示為再生混凝土抗壓強度和抗折強度測試結果。

圖1 再生混凝土抗壓強度和抗折強度測試結果

圖1（a）所示為再生混凝土抗壓強度測試結果，從圖中可以看出，相同齡期下，RCA-20 再生混凝土的抗壓強度最低，RCA-50 再生混凝土前期強度略低于基準混凝土，而90d 以后，其強度與再生混凝土強度相似。隨著齡期的增長，所有混凝土的抗壓強度都逐漸增加，基準混凝土前期（28d 前）強度增長較快，28d 以后，其抗壓強度隨齡期的增加略有增長；而再生混凝土抗壓強度隨養護齡期的增加而快速增長，且在后期養護過程中，其強度增長速率略高于基準混凝土，RCA 母體混凝土對再生混凝土強度的影響較大，母體混凝土強度越大，其再生混凝土的強度也越大。

圖1（b）所示為再生混凝土抗折強度測試結果，從圖中可以看出，三種混凝土的抗折強度隨齡期的增加略有增加。三種混凝土中，RCA-20 再生混凝土的抗折強度最低，RCA-50 與基準混凝土的抗折強度相近，兩者顯著高于RCA-20 再生混凝土，表明RCA 母體混凝土強度對再生混凝土抗折強度起到至關重要的作用。

2.2 再生水泥混凝土彈性模量分析

圖2 所示為再生水泥混凝土彈性模量測試結果。

圖2 再生混凝土彈性模量測試結果

從圖2 中可以看出，與再生混凝土強度測試結果相似，RCA-20 再生混凝土的彈性模量最差，且隨著齡期的增加，其彈性模量增長率較低，28d 時再生混凝土的彈性模量為26.7GPa，至180d 時，其彈性模量為28.1GPa，增長了5.2%。RCA-50 再生混凝土和基準混凝土的彈性模量顯著高于RCA-20 再生混凝土，且前期基準混凝土的彈性模量略高于RCA-50，后期兩者彈性模量基本保持一致，這與前述再生混凝土的強度測試結果一致，表明高強度再生混凝土骨料可制備與天然集料性能相似的混凝土。

2.3 干縮性能分析

為研究不同再生混凝土的干縮性能，對基準混凝土、RCA-20 和RCA-50 再生混凝土的干縮性能進行測試，其結果如圖3 所示。

圖3 再生混凝土干縮性能測試結果

從圖3 中可以看出，三種再生混凝土的干縮性能表現出相似的變化規律，即隨著養護齡期的增加，前期再生混凝土干縮應變均較大，后期（90d 以后）其收縮應變增長速率減緩。三種混凝土中，RCA-20 再生混凝土的干縮應變最大，90d 后的干縮應變是基準混凝土的55%以上；RCA-50 與基準混凝土的干縮應變變化趨勢接近，其值略高于基準混凝土的干縮應變，進一步說明再生骨料母體混凝土強度越高，所制備再生混凝土的性能也就越好。

2.4 徐變性能分析

圖4 所示為不同齡期下再生混凝土徐變系數的測試結果，其中徐變系數定義為最大徐變應變與彈性應變的比值，該系數是估算持續荷載作用下的水泥混凝土結構的撓度的重要參數。

圖4 再生混凝土徐變系數隨時間的變化

從圖4 中可以看出，同前述強度等測試結果一致，三種再生混凝土中RAC-20 再生混凝土的徐變系數最大，在相同養護齡期下，含有降低強度再生骨料的混凝土的徐變系數顯著高于其他兩種混凝土。與前述性能測試結果不同的是，RCA-50 再生混凝土的徐變系數略低于基準混凝土，表明其性能略優于基準混凝土，再次證明了采用強度較高的再生骨料可制備與天然集料性能相似的水泥混凝土。

2.5 再生混凝土微觀機理分析

因再生骨料復雜的結構，使得其制備的再生混凝土也存在復雜的內部結構，主要包括再生骨料與新砂漿界面區、舊砂漿與新砂漿接觸面、再生骨料與舊砂漿界面區、新骨料與新砂漿界面區等，如圖5所示，其中ITZ 指再生混凝土集料與砂漿界面過渡區。這些復雜的內部結構使得再生混凝土內部存在多個薄弱區，如再生骨料與新砂漿界面區、舊砂漿與新砂漿接觸面、再生骨料與舊砂漿界面區，在外力的作用下，這些薄弱區率先產生微觀缺陷，使得混凝土的力學性能和耐久性下降。

圖5 再生混凝土內部微觀結構

采用掃描電鏡（SEM）對不同RCA 表面形貌進行觀測，其結果如圖6 所示。從圖中可以看出，低強度RCA 表面具有較多的孔洞和裂縫結構，而高強度RCA 的孔洞數量和裂縫明顯較少，使得高強度RCA再生混凝土的內部結構的密實性明顯得到改善。此外，由于高強度表面砂漿層的強度也較高，其抵抗外部荷載的能力強于低強度RCA 再生混凝土。因此，采用高強度RCA 制備的再生混凝土其抗壓強度、彈性模量及變形性能顯著優于低強度RCA 制備的再生混凝土。

圖6 再生骨料表面微觀結構

3 結語

本文針對RCA 母體強度對再生混凝土力學與變形性能的影響進行研究，其中主要包括再生混凝土抗壓、抗折強度、彈性模量及變形性能，得到如下結論：

（1）RCA 母體混凝土強度越高，所制備再生混凝土的性能越好，其抗壓、抗折強度和彈性模量越高，抗變形能力也越好。

（2）再生骨料整個齡期內的抗壓強度呈明顯遞增的趨勢，且后期強度的增長趨勢顯著高于基準混凝土，RCA-50 再生混凝土前期強度和彈性模量略低于基準混凝土，但其后期的強度和彈性模量與基準混凝土相似。

（3）再生混凝土的變形測試結果表明，采用高強度的再生骨料可制備與天然骨料變形性能相似的混凝土。

（4）針對再生混凝土微觀機理分析結果表明，再生骨料強度越高，其微觀表面缺陷越少、砂漿強度也越高，所制備的再生混凝土性能也越好。