骨料含水量的差異對(duì)于粉煤灰再生混凝土性能的影響

程子揚(yáng)，李敬芳，陳旭勇，程書凱，徐 雄，田 野，屠艷平*

1. 武漢工程大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢430074；2. 國(guó)投新疆羅布泊鉀鹽有限責(zé)任公司，新疆 哈密839000

近幾年來，海內(nèi)外的專家學(xué)者對(duì)于再生骨料性能對(duì)再生混凝土的影響進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究［1-3］，但是主要針對(duì)于再生骨料的壓碎值、吸水量和表觀密度等性能指標(biāo)來研究其對(duì)再生混凝土性能的影響。由于再生骨料經(jīng)過破碎后，相對(duì)于天然骨料表面附著大量老砂漿以及內(nèi)部有較多的微小裂縫，導(dǎo)致再生骨料相對(duì)于天然骨料擁有較高的吸水量［4-5］，在再生混凝土拌制過程中，再生骨料由于自身較高的吸水量會(huì)吸收拌合物中大量的游離狀態(tài)的水，導(dǎo)致再生混凝土拌合物的游離狀態(tài)的水減少，使得水泥水化反應(yīng)不完全［6］，對(duì)再生混凝土和易性和力學(xué)性能，以及未來的施工過程造成一定影響，同時(shí)也對(duì)推廣再生混凝土的工程應(yīng)用帶來了阻礙和挑戰(zhàn)。

國(guó)內(nèi)外的一些研究學(xué)者在對(duì)于再生骨料的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)［7-9］，再生骨料經(jīng)過前期一些預(yù)先處理，可以有效的改善再生混凝土的和易性和力學(xué)性能。相關(guān)的試驗(yàn)研究也對(duì)于再生骨料的預(yù)處理給出相關(guān)建議，建議在攪拌前對(duì)再生骨料進(jìn)行預(yù)先飽水處理來減少骨料和水泥漿之間的水分交換［10］，但是由于飽和面干的再生骨料在拌制過程中有水從骨料內(nèi)部轉(zhuǎn)移到水泥砂漿中的可能性，導(dǎo)致再生骨料和水泥砂漿之間過渡區(qū)的有效水膠比升高，進(jìn)而使得其過渡區(qū)的粘結(jié)強(qiáng)度降低［11］。Ferreira 等［12］通過分析預(yù)先吸水狀態(tài)和添加附加水狀態(tài)的再生粗骨料對(duì)再生混凝土性能的影響，發(fā)現(xiàn)這兩種方法都能夠有效的提高再生混凝土的和易性，并且添加附加水狀態(tài)下制備的再生混凝土不僅和易性能得到提升，其抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能也能得到顯著的提高。Brand等［13］通過研究再生混凝土在有效水膠比一致的條件下，兩種狀態(tài)下（飽和面干和干燥）再生骨料制備的再生混凝土的坍落度，試驗(yàn)結(jié)果表明干燥狀態(tài)的再生骨料制備的再生混凝土的坍落度相對(duì)于飽和面干狀態(tài)下制備的再生混凝土的坍落度更大。然而，Oliveire 等［14］通過研究飽和面干狀態(tài)和干燥狀態(tài)的再生骨料制備的再生混凝土的性能，發(fā)現(xiàn)在這兩種含水狀態(tài)下的再生骨料制備的再生混凝土，其力學(xué)性能和耐久性能都要遜色于天然混凝土，并且飽和面干狀態(tài)下的再生骨料制備的再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度降低較明顯。

粉煤灰作為一種常用于混凝土中的礦物摻合料，當(dāng)粉煤灰等質(zhì)量取代水泥摻量為30% 時(shí)，再生混凝土的7 d 抗壓強(qiáng)度有所降低，但其長(zhǎng)期性能會(huì)持續(xù)發(fā)展，甚至將會(huì)超過基準(zhǔn)值［15-16］。Kou等［17］通過研究高摻量粉煤灰對(duì)于再生混凝土的性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明發(fā)現(xiàn)較高摻量（55%）的粉煤灰能夠使得再生混凝土的長(zhǎng)期抗壓強(qiáng)度提高，增大其彈性模量改善再生混凝土的抗氯離子滲透性能，全方位的提高再生混凝土的性能。此外，一些學(xué)者的研究也發(fā)現(xiàn)，粉煤灰可以有效改善再生混凝土的和易性［18-19］。

因此，本文通過使用靜水天平測(cè)得再生粗骨料的吸水時(shí)變規(guī)律，研究不同含水量下的再生粗骨料對(duì)于粉煤灰再生混凝土坍落度、抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和拉壓比的影響，分析得出不同含水量下的再生粗骨料對(duì)粉煤灰再生混凝土的各項(xiàng)性能影響的原因，為粉煤灰再生混凝土今后的研究和工程推廣應(yīng)用提供參考作用。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

水泥：采用武漢市建材大世界購(gòu)買的華新水泥生產(chǎn)的P.O 42.5 級(jí)水泥，水泥的詳細(xì)的性能指標(biāo)見表1；粉煤灰為中建商品混凝土有限公司資助的二級(jí)粉煤灰；天然細(xì)骨料（natural fine aggregate，NFA）為天然河砂，屬Ⅱ區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)為2.6，符合《建筑用砂》（GB/T 14684—2011）的要求；天然粗骨料（natural coarse aggregate，NCA）來自中建商品混凝土有限公司，粒徑在4.75～20.00 mm 范圍內(nèi)；再生粗骨料（recycled coarse aggregate，RCA）來自中建商品混凝土有限公司，粒徑在4.75～20.00 mm 范圍內(nèi)，符合規(guī)范JGJ 52—2006 的要求，NCA、RCA 和NFC 的物理性能結(jié)果參見表2。水：武漢市天然自來水；減水劑：中建商品混凝土有限公司資助的聚羧酸高效減水劑，其減水率為18%。

表1 水泥性能指標(biāo)Tab. 1 Performance indexes of cement

表2 骨料的物理性能Tab. 2 Physical properties of aggregate

1.2 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

以C30 天然粉煤灰混凝土為基準(zhǔn)值，水灰比為0.49，粉煤灰摻量為水泥的25%，細(xì)骨料采用天然河砂，粗骨料使用天然碎石，作為對(duì)照組，記為NC（天然混凝土，nature concrete）。在此對(duì)照組的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)3 組再生混凝土的配合比，水膠比和膠凝材料的用量不變，采用3 種含水量（相較于飽和吸水量的0%、50%、100%）的RCA 等質(zhì)量全部替代天然骨料，所制備的再生混凝土的標(biāo)號(hào)為RAC-1、RAC-2 和RAC-3，分別對(duì)應(yīng)RCA 的含水量為0%、50% 和100%，根據(jù)RCA 的含水狀態(tài)進(jìn)行附加水的調(diào)整，具體的配合比見表3。

表3 混凝土配合比Tab. 3 Concrete mix ratio

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 RCA 吸水率測(cè)試方法 RCA 的吸水率根

據(jù)《混凝土用再生粗骨料》（GB/T 25177—2010）中的規(guī)定，按照GB/T 17431.2 中吸水率測(cè)試方法進(jìn)行RCA 的吸水率測(cè)試，具體步驟如下：1）取RCA試樣4 L，用孔徑為2.36 mm 的篩子過篩后，洗刷干凈放置于烘箱中，溫度為（105±5）℃烘干至恒重；2）把烘干后的RCA 試樣等分為3 等分，分別稱重，精確至1 g，然后放入盛水的容器中，如有顆粒懸浮，將其壓入水中，液面要高于試樣表面5 mm；3）浸泡24 h 后，從水中取出，用濕毛巾將顆粒表面的水分擦干，此時(shí)試樣為飽和面干的RCA 試樣，立即稱重質(zhì)量，精確至1 g；具體的結(jié)果計(jì)算見公式（1）。

式中：w為RCA 24 h 吸水率，%；m0為RCA 浸泡24 h 后的質(zhì)量，g；m1為RCA 烘干后的質(zhì)量，g。

以3 組測(cè)定值的算術(shù)平均數(shù)作為試驗(yàn)結(jié)果。

1.3.2 試塊制備與性能測(cè)試 混凝土攪拌開始前，對(duì)所需的所有實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行稱取。減水劑倒入稱取好的水中攪拌80～120 s，再按粗骨料、水泥、細(xì)骨料的投放順序依次倒入攪拌機(jī)中，干拌60 s，再倒入水，連續(xù)攪拌120～180 s，倒出拌合物。按照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50080—2016）進(jìn)行坍落度試驗(yàn)來測(cè)定再生混凝土拌合物的坍落度，同時(shí)以經(jīng)驗(yàn)觀察拌合物的黏聚性和保水性，判斷拌合物是否具有良好的和易性。若拌合物的坍落度滿足試驗(yàn)設(shè)計(jì)，且其黏聚性和保水性都滿足要求，便將再生混凝土的拌合物倒入試模中，澆筑為尺寸100 mm ×100 mm ×100 mm的立方體試塊，放置24 h 后拆模并編號(hào)，搬送至混凝土的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，達(dá)到28 d 后按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081—2019）中的試驗(yàn)方法采用電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)再生混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 RCA 吸水隨時(shí)間變化情況

由于RCA 表面附著有老砂漿和內(nèi)部含有大量的微裂縫，導(dǎo)致RCA 相較于NCA 擁有吸水量高，吸水速率快的特點(diǎn)，利用靜水天平對(duì)含水量為0%的RCA 進(jìn)行吸水時(shí)變的測(cè)試，得到RCA 的吸水時(shí)變曲線，如圖1 所示。通過圖1 可以發(fā)現(xiàn)，RCA 在處于含水量為0% 的情況下遇到水后，其吸水速率極快，第20 s 時(shí)其吸收的水分就已經(jīng)達(dá)到了其吸水量的21.2%；但是RCA 的吸水速度也隨著自身含水量和時(shí)間的增加逐漸降低，5 min 時(shí)RCA 吸收的水分達(dá)到了其飽和含水水量的48.9%，只相對(duì)于20 s 時(shí)增加了27.7%。該現(xiàn)象表明RCA 的含水量越低，其本身的吸水速率就越快，且吸水速率隨著自身含水量的增加而不斷減小。當(dāng)RCA 的含水量達(dá)到了其飽和吸水量的60% 以后，RCA 的吸水速率就開始隨著時(shí)間的推移變的逐漸平穩(wěn)。因此，RCA 含水量為0% 時(shí)加入到拌合物中時(shí)，其前5 min 吸水速率非常快，要遠(yuǎn)高于NCA 和其他兩種含水量下（50% 和100%）的RCA。通過此曲線也驗(yàn)證了含水量為0% 的RCA 在短暫攪拌過程中對(duì)于拌合物中的游離狀態(tài)的水的吸收是大量且迅速的。同時(shí)，通過擬合曲線可以發(fā)現(xiàn)RCA 的含水量與時(shí)間成冪函數(shù)關(guān)系，圖像為凸曲線，通過擬合曲線計(jì)算出，RCA 在從含水量為0% 到含水量為100% 的時(shí)間約為950 min，與規(guī)范中骨料吸水飽和的浸泡時(shí)間相近。

圖1 RCA 吸水時(shí)變曲線Fig. 1 Time-varying curve of water absorption of RCA

2.2 坍落度結(jié)果與分析

詳細(xì)的坍落度測(cè)試的結(jié)果見圖2（a）。從圖中可知，根據(jù)坍落度的大小對(duì)混凝土排序?yàn)椋篟AC-1＞RAC-3＞RAC-2＞NC。再生混凝土的坍落度都大于NC 的坍落度，這是由于RAC-1 和RAC-2 添加了附加水，通過吸水時(shí)變曲線可以發(fā)現(xiàn)，在短暫的攪拌時(shí)間中，RCA 無法將附加水全部吸收，也就導(dǎo)致了拌合物中游離狀態(tài)的水較NC 有所增多，尤其是RAC-1，其坍落度是4 組中最大的。RAC-3 由于提前在水中浸泡了24 h，RCA 表面松散的老舊砂漿和一些灰塵顆粒在浸泡過程中被清洗，使得RCA 表面變的更加光滑，骨料之間的摩擦阻力也進(jìn)而變小，再者由于本身已經(jīng)水分飽和，在攪拌過程中會(huì)出現(xiàn)一些水分滲出的現(xiàn)象，導(dǎo)致了拌合物中游離狀態(tài)的水含量增多，使RAC-3 的坍落度增大。由此可見，不同含水量下的RCA 對(duì)于新拌制的再生混凝土的坍落度有很大的影響，附加水是影響再生混凝土的坍落度大小的主要因素之一。

2.3 力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.3.1 抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度 詳細(xì)的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)見圖2（b）。由圖2（b）可知，RAC-1、RAC-2 和RAC-3 的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度都遠(yuǎn)低于NC，造成這種情況的原因是因?yàn)镽CA 是由廢舊建筑或道路拆除后的混凝土塊經(jīng)過各種破碎工序后再進(jìn)行篩分得到，破碎和篩分的過程中不斷的受到?jīng)_撞、摩擦和擠壓，RCA 本身結(jié)構(gòu)的損傷不斷增加，導(dǎo)致得到的RCA 具有微裂縫多、棱角多、壓碎值大和表面附著大量老舊水泥砂漿等缺點(diǎn)，致使用其制作的再生混凝土的強(qiáng)度較低。RAC-1 和RAC-3 再生混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度都小于RAC-2 組，表明了含水量為50% 的情況下的RCA 對(duì)再生混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的不利影響要小于含水量為0% 和含水量為100% 情況下的RCA。RAC-1 由于RCA的含水量為0%，拌合物中添加的附加水用量明顯高于RAC-2，如前所述，在短暫的攪拌時(shí)間中，無法使RCA 將附加水全部吸收，也導(dǎo)致RAC-1 的游離態(tài)的水相較于RAC-2 更多，致使RAC-1 有效水膠比變高，抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉降低。RAC-3 由于RCA 在拌制前已經(jīng)進(jìn)行了預(yù)處理，達(dá)到飽和面干的狀態(tài)，在拌制過程中，會(huì)出現(xiàn)RCA 自身的水分滲出，使其界面過渡區(qū)的水膠比變大，導(dǎo)致界面過渡區(qū)的強(qiáng)度降低，從而致使再生混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度降低。由以上分析可知，不同含水量下的RCA 對(duì)于新拌制的再生混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度是有很大的影響，并且RCA吸水時(shí)變曲線對(duì)于研究RCA 對(duì)于再生混凝土的力學(xué)性能有著重要意義。

從圖2（b）中再生混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度的變化趨勢(shì)來看，劈裂抗拉強(qiáng)度無論增加幅度還是降低幅度都要優(yōu)于抗壓強(qiáng)度，反映出摻入粉煤灰對(duì)于再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度是提升作用，對(duì)于再生混凝土的抗壓強(qiáng)度是降低作用。這與肖建莊等［20］對(duì)于粉煤灰摻入后再生混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度影響的結(jié)果十分相近，說明粉煤灰的摻入對(duì)于再生混凝土的早期強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度是降低作用，只有到達(dá)90 d 齡期才會(huì)逐漸接近天然混凝土。

2.3.2 拉壓比 混凝土的拉壓比是指混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度之間的比值，混凝土的拉壓比是用來衡量水泥基復(fù)合材料脆性和抗裂性能的一個(gè)非常重要的指標(biāo)，拉壓比越小，混凝土的脆性越大，韌性越小，抗裂性能越差［21］。圖2（c）為混凝土拉壓比與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線，由圖可知，再生混凝土的拉壓比都大于天然混凝土，說明再生混凝土相對(duì)于天然混凝土其脆性更小，韌性更好。通過圖2（c）分析3 組再生混凝土的拉壓比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，再生混凝土的拉壓比隨著抗壓強(qiáng)度的增加而增加，但在達(dá)到一定程度后其增加的幅度逐漸減小；RAC-3 的拉壓比在3 組中最小，這是由于飽和面干的RCA 存在水分滲出的現(xiàn)象，使得界面過渡區(qū)的有效水膠比降低，RCA 與砂漿之間的粘結(jié)性能變差，結(jié)構(gòu)不夠密實(shí)，造成RAC-3 組的劈裂抗拉強(qiáng)度降低幅度較大；RAC-1 和RAC-2 的拉壓比要遠(yuǎn)大于RAC-3 的拉壓比，表明RCA 的不同含水狀態(tài)對(duì)于再生混凝土的拉壓比有著很大的影響，體現(xiàn)出RCA 的含水狀態(tài)對(duì)于研究再生混凝土的脆性和抗裂性能有著很好的研究意義。

圖2 再生骨料含水量與再生混凝土性能的相關(guān)性：（a）坍落度，（b）抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度，（c）拉壓比和抗壓強(qiáng)度的關(guān)系Fig. 2 Correlation between water content of recycled aggregate and properties of recycled concrete ：（a）slump，（b）compressive strength and splitting tensile strength，（c）relationship between tension-compression ratio and compressive strength

3 結(jié) 論

本文研究了不同含水量（相較于飽和吸水量的0%、50%、100%）的RCA 對(duì)于再生混凝土的坍落度、抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和拉壓比的影響，從試驗(yàn)的結(jié)果中總結(jié)得出以下的結(jié)論：

1）使用靜水天平得到RCA 的吸水時(shí)變曲線，通過此曲線發(fā)現(xiàn)了RCA 的本身的含水量越低，其吸水的速率就越快，吸水速率隨著RCA 的含水量的增加而迅速降低，RCA 的吸水時(shí)變曲線對(duì)于研究再生混凝土和易性和力學(xué)性能有著很好的研究意義。

2）不同含水量的RCA 對(duì)再生混凝土的坍落度有著不同的影響，且影響的程度差別較大，用含水量為0% 的RCA 去制備再生混凝土?xí)r，其坍落度要大于含水量為50% 和含水量為100% 的RCA 制備的再生混凝土，拌合物中的游離狀態(tài)的水是影響再生混凝土的坍落度的主要因素之一。

3）RCA 的含水量對(duì)于再生混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度有著不同的影響，用含水量100%和含水量為0% 的RCA 制備成的再生混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度要低于含水量為50% 的RCA 制備的再生混凝土，主要的原因是RCA 含水量的差異系數(shù)附加水的摻量不同，使得拌合物中游離狀態(tài)的水含量改變，制備的再生混凝土的有效水膠比不同。

4）不同含水量的RCA 對(duì)于再生混凝土的拉壓的影響不同，含水量為100% 的RCA 制備的再生混凝土的拉壓比最小，但也要大于天然混凝土，由此可見，再生混凝土的脆性和抗裂性能要優(yōu)于天然混凝土。