基于粒形分析的再生細骨料顆粒特性和制備砂漿性能研究

石艷柯，張洛兵，王宇航，劉巍巍，侯榮彬，馬軍濤

(1.華北水利水電大學土木與交通學院，鄭州 450045;2.黃河水利科學研究院,水利部堤防安全與病害防治工程技術研究中心，鄭州 450003)

0 引 言

隨著城市發展和住房建設的加快，工程對混凝土的需求越來越大，而對于混凝土中的細骨料組分來說，天然河砂開采已經導致了一系列環境和社會安全問題，亟需找到替代品。與此同時，舊建筑物拆除產生廢棄混凝土的處理問題同樣迫切。由此，如可將廢棄混凝土經破碎后，將其中符合細骨料要求的顆粒分選后作為再生細骨料(recycled fine aggregate,RFA)使用，則具有顯著的經濟和社會意義[1-2]。

對用于砂漿和混凝土中的骨料來說，骨料的粒形與其顆粒特性密切相關。對于不同骨料來說，其圓度、軸向系數、球度等參數可用來表征骨料的棱角性和球形度，并直接影響骨料的堆積狀態[3-6]。骨料粒形對水泥砂漿和混凝土的性能有顯著影響[7-9]，魏藝博等[10]對比了機制砂和天然砂制備砂漿的性能，表明棱角性越強，流動性越差，而抗壓強度有所提高。邢心魁等[11]對粗骨料的研究同樣表明非圓形骨料混凝土力學性能更佳。

再生骨料制備水泥砂漿和混凝土方面已有大量研究，但目前多集中于再生粗骨料方面。研究[12-14]表明，再生粗骨料顆粒形狀對混凝土性能有顯著的影響，其顆粒形狀的差異多來自其破碎過程中表面砂漿的附著。劉天杰等[15]、蘇棟等[16]使用數字圖像分析方法對再生粗骨料的形貌進行分析，表明接近球體形狀指數顆粒效果更佳。與此同時，再生粗骨料生產過程中產生的再生細骨料質量占總量40%左右[17]，由于其顆粒較小，表面砂漿附著較難去除，其顆粒粒形相對更為復雜[18]。由此，要將再生細骨料在砂漿或混凝土中得到應用，需要對其顆粒形狀以及不同顆粒形狀造成的顆粒特性差別進行研究，探明其在水泥混凝土體系中的作用機理，進一步推廣再生細骨料的應用。

為了分析再生細骨料顆粒特性對水泥砂漿和混凝土性能的影響，本試驗使用廢棄混凝土制備再生細骨料，并與同粒級的天然河砂、標準砂進行對比，使用Occhio Scan700粒度粒型分析儀分析不同骨料的顆粒粒形差異，基于其粒形對比不同骨料顆粒特性的差別，并在此基礎上制備水泥砂漿，分析不同骨料對水泥砂漿流動度、強度和應力-應變曲線的影響，探討再生細骨料在水泥砂漿中應用的可行性。

1 再生細骨料的制備與形貌分析

1.1 再生細骨料的制備

本試驗所使用的廢棄混凝土為實驗室廢棄混凝土梁，經過人工錘擊破碎后，使用河南中科工程技術有限公司生產的150×250型號顎式破碎機對破碎后的混凝土塊進行二次破碎處理。將破碎后的材料使用人工篩分的方法，取其中粒徑區間為0.16～2.36 mm的部分，即為本試驗所使用的再生細骨料。該再生細骨料的顆粒級配曲線如圖1所示。

圖1 再生細骨料級配曲線Fig.1 Gradation curves of recycled fine aggregates

為了對比粒徑分布相同的再生細骨料與其他骨料的顆粒特性差別，試驗取標準砂和天然河砂同時進行篩分，以得到與再生細骨料相同的級配曲線，并對其顆粒特性和制備砂漿性能開展研究，制備得到不同的細骨料如圖2所示。

圖2 試驗所用的三種不同細骨料Fig.2 Three different fine aggregates used in the experiment

1.2 不同細骨料形貌觀察和鈍度分析

試驗使用Occhio Scan700粒度粒型分析儀對三種不同細骨料的粒度分布和顆粒形貌進行分析，以此研究再生細骨料與其他細骨料的顆粒粒形差別。該分析儀的原理是采用Callisto3D圖形分析軟件對掃描圖像進行顆粒形貌分析。圖3為不同細骨料顆粒的二維形貌。

圖3 不同細骨料的顆粒形貌Fig.3 Particle morphology of different fine aggregates

由形貌分析可以看出，相比于標準砂和天然河砂，再生細骨料棱角性較大，狹長顆粒更多，整體呈現不規則狀態。為了對其顆粒粒形進行量化分析，以軟件為基礎，對其鈍度[19]進行計算，即為在顆粒物投影輪廓的每個突起部位畫內切圓，將其直徑與顆粒最大內切圓直徑相除后取其平均值，表示顆粒表面的尖銳程度，鈍度越小，則顆粒表面越尖銳，圓形的鈍度為100%。計算方法如公式(1)所示：

(1)

式中：B為鈍度；di為第i個突起部位內切圓直徑；Dn為顆粒最大內切圓直徑；N為顆粒投影輪廓上突起的數量。

針對三種不同細骨料中不同鈍度顆粒占總體積的等效體積百分比，得到其鈍度分布的累積曲線和分計曲線，如圖4所示。由圖4(b)中可以看出，在級配相同的情況下，再生細骨料峰值所對應鈍度最小為65%，占比接近25%，標準砂和天然河砂分別對應的鈍度峰值在70%和85%左右。由此，根據累計分計曲線可以得出，標準砂中大多數為鈍度較高的顆粒，顆粒棱角較少，更接近于球體，天然河砂鈍度相對較小，表明其中球形顆粒的數量相對較少。而對于再生細骨料來說，顆粒中有較多的棱角形顆粒，邊界相對尖銳。

圖4 不同細骨料的鈍度等效體積分布曲線Fig.4 Equivalent volume distribution curves of bluntness of different fine aggregates

1.3 不同細骨料形貌參數表征與分析

為了進一步分析三種不同細骨料的形貌參數，分析在不同粒徑區間中不同骨料的粒形分布，試驗采用數字圖像處理方法對細骨料形貌進行定量描述。本試驗主要形貌參數為長寬比、球度、堅固度，三個參數的計算方法分別如下：

長寬比：表征顆粒形態的參數，判斷單顆粒的尺寸形狀，長寬比越接近100%，則該顆粒的長寬越接近；長寬比越小，則該顆粒的形狀越狹長，計算方法如公式(2)所示：

Asp=XF,min/XF,max

(2)

式中：Asp為長寬比；XF,max為最大弗雷特直徑；XF,min為最小弗雷特直徑。

堅固度：堅固度是顆粒整體凹度的度量描述，用于反映顆粒表面是否存在凹凸及凹凸的程度，在一定程度上可以反映顆粒比表面積大小，堅固度越接近100%，則凸包面積與顆粒實際面積越接近，顆粒輪廓內凹的部分就越少，計算方法如公式(3)所示：

S=A/Ac

(3)

式中：S為堅固度；Ac為顆粒邊界凸包的面積；A為顆粒邊緣等效平面面積。

球度：球度是指顆粒接近球體的程度，用于反映顆粒三度空間的形狀，三軸相等者球度最高，片狀及柱狀顆粒球度最低。計算方法如公式(4)所示：

Q=Vp/Vcs

(4)

式中：Q為瓦爾德球度；Vp為顆粒實際容積；Vcs為顆粒極小外接球容積。

試驗使用Occhio Scan700粒度粒型分析儀得到的數據，并結合Callisto3D圖形分析軟件進行計算，得到三種細骨料在不同粒度區間的長寬比、堅固度、球度數據如圖5所示。

由三種不同細骨料的平均長寬比數據可以看出，再生細骨料在0.3 mm以上的粒徑區間內，均表現出較小的長寬比。結合級配分計篩余曲線，對于級配占比最大1.18～2.36 mm粒徑范圍內，標準砂的平均長寬比為75%，再生細骨料僅為67%。這表明再生細骨料中粒徑較小的顆粒長寬比與標準砂、天然河砂相對差距較小，而對于0.3 mm以上的顆粒即表現出更小的長寬比。

對于平均堅固度數據來說，其規律與長寬比曲線類似，再生細骨料在0.3 mm以上的粒徑范圍內均表現出更小的堅固度。這表明再生細骨料在破碎過程中，表面附著的砂漿未能被去除，導致其表面出現了一定的凹凸現象，從而使其堅固度降低。

通過觀察圖5(c)中不同細骨料的球度對比，在級配占比最大的1.18～2.36 mm粒徑范圍內，同級配標準砂球度達到83%，天然河砂為80%左右，而再生細骨料為73%左右，表明再生細骨料在破碎后，相比于天然河砂，同樣因為其表面附著砂漿而導致其顆粒球度較小，而標準砂和天然河砂更接近于球形顆粒。

基于不同細骨料顆粒的形貌分析數據，再生細骨料相對來說有棱角性強、球形度較差、凸包面積與實際相差大，表面較為粗糙，比表面積大等特點，如將其作為骨料進行使用，將影響其堆積密度、壓碎值和吸水率等顆粒特性指標，進而對水泥砂漿和混凝土的性能造成影響。因此，本試驗以顆粒形貌分析為基礎，對三種不同細骨料的顆粒特性進行分析。

2 再生細骨料的顆粒特性分析

2.1 再生細骨料的堆積密度

水泥砂漿和混凝土的性能與其內部骨料的堆積狀態密切相關。骨料粒形合適且級配合理時，混凝土中空隙率小，在相同的水泥漿用量時可顯著提高混凝土的密實度。

根據《建筑用砂》(GB/T 14684—2011)堆積密度測試標準，所選骨料粒徑均在0.16～2.36 mm之間，骨料烘干后，通過漏斗將骨料緩慢倒入0.5 L容量圓柱形金屬筒呈錐形狀態后停止加料，用直尺刮平，測量堆積密度，每組試驗5次，取其平均值。

試驗將再生細骨料與同級配標準砂按照一定比例混合(再生細骨料占總骨料的質量分數從0%～100%)，分析不同顆粒形貌骨料組成體系的松散堆積密度。測試結果如圖6所示。

圖6 混合骨料的松散堆積密度Fig.6 Loose bulk density of mixed aggregates

根據堆積密度結果可以看出，由于再生細骨料整體棱角性較大，且表面凹凸粗糙，當再生細骨料質量摻量為100%，即全部為再生細骨料時，其松散堆積密度在1 100 kg/m3以下，相比來說同級配標準砂的松散堆積密度達到了1 600 kg/m3左右，且隨著再生細骨料摻量的增加，松散堆積密度不斷減小，表明再生細骨料較為粗糙的粒形特點使其在堆積中產生了較多的空隙。

2.2 再生細骨料的壓碎值

骨料的壓碎值是混凝土強度的重要影響因素，而在水泥砂漿中，細骨料的壓碎值對砂漿強度有直接影響。本試驗參考《建筑用砂》(GB/T 14684—2011)中壓碎值的測定方法，對三種不同細骨料的壓碎值進行測試，測試結果如表1所示。

表1 不同細骨料壓碎值Table 1 Crushing value of different fine aggregates /%

根據測試結果可以看出，在級配相同的情況下，再生細骨料的壓碎值顯著低于同級配的天然河砂和標準砂，壓碎值達到了天然河砂的兩倍以上，強度顯著降低。由于再生細骨料是由廢棄混凝土破碎而得到，在破碎過程中骨料內部產生了部分微裂紋，其表面附著的砂漿強度也相對較低。同時，根據顆粒粒形的測試結果，再生細骨料的鈍度、長寬比、堅固性和球度均相對較低，其相對狹長、凹凸、粗糙的特性均使其在受壓過程中更容易被破壞，從而表現出較大的壓碎值。

2.3 再生細骨料的吸水率

骨料的吸水率對水泥砂漿和混凝土的工作性能有較大影響，吸水率較大的骨料會顯著影響混凝土的流動性，導致混凝土攪拌不均勻而使其強度和耐久性下降。本試驗參考《建筑用砂》(GB/T 14684—2011)的規定，對不同細骨料的吸水率進行測試，測試結果如表2所示。

表2 不同細骨料吸水率(質量分數)Table 2 Water absorption rate of different fine aggregates (mass fraction) /%

根據測試結果可以看出，使用廢棄混凝土破碎后制備的再生細骨料吸水率遠遠大于同級配的天然河砂和標準砂，達到了11%以上。從破碎過程來說，同樣由于其表面附著舊水泥砂漿的孔隙率較大，相比于骨料本身可吸附更多的水，導致再生細骨料的吸水率相對較高。

3 再生細骨料制備水泥砂漿的性能分析

3.1 試驗原材料與配比

試驗所使用水泥為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其化學組成和物理力學性質如表3和表4所示。試驗用水為自來水。

表3 水泥的主要化學組成(質量分數)Table 3 Main chemical composition of cement (mass fraction) /%

表4 水泥的物理力學性能Table 4 Physical and mechanical properties of cement

試驗分別使用再生細骨料、同級配標準砂、同級配天然河砂作為細骨料，由于全部使用再生細骨料制備水泥砂漿時吸水率過大導致無法成型，因此使用再生細骨料部分替代標準砂開展試驗(本試驗質量替代量為20%、30%和40%)，并與標準砂和天然河砂制備的砂漿進行對比。試驗水灰比為0.55，配合比如表5所示，參照GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動度測定方法》使用跳桌測試水泥砂漿的流動度，并參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法》制備水泥砂漿試塊，養護至3 d、7 d和28 d時測試其抗折強度和抗壓強度，并在28 d齡期時對其應力-應變曲線進行測試和分析。應力-應變試驗采用加載方式為位移控制，加載速率為1 mm/min。通過萬能壓力試驗機的兩個外接位移計、壓力傳感系統，與之相連的計算機采集數據，由計算機記錄水泥砂漿試件受壓時位移時程曲線。分別測量同級配標準砂水泥砂漿、20%、30%、40%再生細骨料水泥砂漿單軸受壓應力-應變曲線。

表5 不同摻量再生細骨料取代同級配標準砂Table 5 Replacement of the same grade standard sand with different content of recycled fine aggregates

3.2 再生細骨料制備砂漿流動度分析

不同配比制備水泥砂漿的流動度數據如圖7所示。

圖7 不同水泥膠砂流動度 Fig.7 Fluidity of different cement mortars

由流動度測試結果可以得出，當水灰比為0.55時，標準砂和天然河砂的流動度相當，當再生細骨料替代量為20%時，流動度并無明顯下降，但當再生細骨料替代量達到30%以上時，流動度下降了20 mm以上。根據不同細骨料顆粒特性測試結果，再生細骨料由于粒形不規則，在流動時摩擦力較大，同時在水泥砂漿體系中堆積密度小，需要更多水泥漿體填充空隙幫助其流動。因此，當再生細骨料替代量過大時，水泥砂漿的流動度有顯著降低。

3.3 再生細骨料制備水泥砂漿的強度分析

不同配比制備水泥砂漿經過3 d、7 d和28 d養護后，測試其抗壓強度和抗折強度，測試結果如圖8所示。

圖8 不同配比水泥砂漿的強度測試結果Fig.8 Strength test results of cement mortar with different proportions

根據圖8(a)強度測試結果可以看出，使用再生細骨料替代部分同級配標準砂，當替代量不大于30%時，不同齡期的抗壓強度并無明顯下降，替代量30%試樣的28 d強度反而有一定提升，但當摻量為40%時，抗壓強度則表現出明顯下降。

再生細骨料粗糙多棱角的表面在水泥漿體中可與水化產物的結合更加緊密，同時水泥砂漿中再生細骨料本身附著未水化的舊水泥砂漿，在養護過程中有可能繼續水化而提供部分強度相，用來替代標準砂時可體現出更高的抗壓強度。同時再生細骨料表面吸水的特性使其后期釋放水分，促進后期水化，以提高水泥砂漿的抗壓強度。但如果再生細骨料替代量過大，早期吸水使水泥砂漿流動度大幅降低，使砂漿試樣難以均勻成型，則會顯著降低水泥砂漿試樣的強度。

3.4 再生細骨料制備水泥砂漿的應力-應變曲線分析

針對同級配標準砂以及不同再生細骨料替代量的水泥砂漿進行單軸受壓試驗，測得28 d應力-應變曲線如圖9所示，圖10為不同配比試樣的峰值應變對比。

圖9 不同水泥砂漿應力-應變曲線Fig.9 Stress-strain curves of different cement mortars

圖10 不同水泥砂漿峰值應變Fig.10 Peak strain of different cement mortars

根據測試結果可以看出，隨著再生細骨料摻量的增加，應力-應變曲線峰值應力減小。彈性階段，未替代試樣和20%再生細骨料替代試樣彈性模量差別不大，但是當替代量達到30%以上時，彈性模量和峰值應力均有顯著降低。對于下降段來說，替代量不大于30%時不同曲線的下降趨勢較為接近，但替代量達到40%后下降趨勢更加明顯，表明此時試樣更易發生脆斷。

結合再生細骨料顆粒形貌分析結果，隨著再生細骨料摻量的增加，骨料整體棱角性增強，壓碎值增大，堆積密度降低導致砂漿孔隙率增加，使其在單軸受壓狀態下的峰值應力不斷降低。而骨料之間的機械咬合作用、舊水泥砂漿水化、后期釋水等因素又對強度發展有利，使少量再生細骨料替代的砂漿試件在達到峰值應力后表現出良好的塑性變形能力。但當再生細骨料替代量過大時，再生細骨料自身特性占據主導作用，導致其塑性變形能力下降明顯。

4 結 論

本文使用廢棄混凝土制備再生細骨料，在顆粒粒形分析的基礎上對其顆粒特性以及制備水泥砂漿的性能進行研究，得到主要結論如下：

(1)廢棄混凝土制備再生細骨料表面相對粗糙且存在較多棱角，導致其鈍度、長寬比、堅固度和球度均相對較低；

(2)再生細骨料相比于同級配標準砂和天然河砂，其壓碎值和吸水率顯著增加，與標準砂混合后，松散堆積密度也有顯著下降；

(3)使用再生細骨料替代標準砂制備水泥砂漿時，替代量達到30%則砂漿流動度有顯著下降；

(4)使用不大于30%再生細骨料替代量制備的水泥砂漿試樣抗壓強度無明顯下降，但替代量達到40%時，抗壓強度和峰值應力均有顯著下降。