再生粗骨料對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土性能的影響

周 啟，陳旭勇*，2，程書凱，2，程子揚(yáng)，徐 雄，2

1.武漢工程大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430074；

2.綠色土木工程材料與結(jié)構(gòu)湖北省工程研究中心，湖北 武漢 430074

近些年，隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，中國(guó)的建筑垃圾以3%的速率逐年增加，大量建筑垃圾逐漸成為了建筑行業(yè)發(fā)展的絆腳石。在倡導(dǎo)資源和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的大背景下，對(duì)建筑垃圾進(jìn)行處理的主要方式為資源化［1］。將廢棄混凝土破碎加工形成再生粗骨料（recycled coarse aggregate，RCA），部分（15%以上）或全部代替天然粗骨料（natural coarse aggregate，NCA）制備出的混凝土，即為再生混凝土［2］，其不僅可以減少環(huán)境污染、節(jié)約資源，還能夠產(chǎn)生較高經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)我國(guó)建筑行業(yè)的發(fā)展具有較大意義［3-5］。

相比于NCA，RCA 具有更低的密度，更高的孔隙率、吸水率［6-7］和壓碎指標(biāo)［8-10］。由于RCA 是由廢棄混凝土經(jīng)過(guò)破碎加工等工序得到的，會(huì)存在老舊砂漿及微裂縫，而老舊砂漿具有較大吸水率，使得RCA 具有高吸水率［5］，于是采用RCA 制備的再生混凝土早期水化反應(yīng)不充分的問(wèn)題［11］，對(duì)混凝土的工作性能和力學(xué)性能造成影響。

研究發(fā)現(xiàn)［12-14］，通過(guò)對(duì)RCA 進(jìn)行預(yù)處理后，再生混凝土的工作性能及力學(xué)性能得到了有效提高。Ferreira 等［15］通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)，分析了預(yù)濕法和附加水法對(duì)再生混凝土性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明這兩種方法都能有效提高再生混凝土的工作性能。程子揚(yáng)等［16］的研究表明，RCA 含水量對(duì)粉煤灰再生混凝土性能產(chǎn)生不同程度的影響，其中，當(dāng)含水量為0%時(shí)，再生混凝土拌合物坍落度最大；當(dāng)含水量為50%時(shí)，抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度最大。范小春等［17］研究發(fā)現(xiàn)，隨著再生骨料取代率的升高，混凝土拌合物坍落度減小、含氣量增大，各項(xiàng)力學(xué)性能均不同程度地降低。RCA 表面附著的老砂漿，是導(dǎo)致再生混凝土具有復(fù)雜界面過(guò)渡區(qū)的主要原因。曹瑜斌等［18］首次提出包含3 種界面過(guò)渡區(qū)的再生混凝土模型，并在此基礎(chǔ)上利用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）等微觀測(cè)試，對(duì)界面過(guò)渡區(qū)進(jìn)行了水化產(chǎn)物分析；王永貴等［19］通過(guò)SEM 等微觀測(cè)試，對(duì)再生混凝土的微觀形貌進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維和納米氧化硅的加入，能夠提高混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的致密性，從而提高再生混凝土的力學(xué)性能。

因此，本文考慮RCA 的吸水特性，采用附加水法研究RCA 等質(zhì)量取代率和不同強(qiáng)度等級(jí)下，再生混凝土的坍落度、抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和拉壓比的變化規(guī)律，并采用SEM 觀察混凝土骨料-砂漿的界面過(guò)渡區(qū)，從而揭示不同強(qiáng)度等級(jí)下再生混凝土界面過(guò)渡區(qū)的微觀形貌特征。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

NCA（中建商品混凝土有限公司），粒徑在4.75～25.00 mm范圍內(nèi)，根據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)普通混凝土用砂、石質(zhì)量檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 52—2006）測(cè)得表觀密度和堆積密度分別為2 760 kg/m3和1 590 kg/m3，空隙率為0.42，吸水率為0.7%，壓碎指標(biāo)為10.8%；RCA（中建商品混凝土有限公司），粒徑在4.75～20.00 mm 范圍內(nèi)，測(cè)得表觀密度和堆積密度分別為2 630 kg/m3和1 310 kg/m3，空隙率為0.5，吸水率為5.7%，壓碎指標(biāo)為15.2%。天然細(xì)骨料（natural fine aggregate，NFA）采用細(xì)度模數(shù)為2.96的II 區(qū)中砂，測(cè)得表觀密度和堆積密度分別為2 677 kg/m3和1 480 kg/m3；水泥（華新水泥，P.O 42.5），水泥的性能指標(biāo)詳見(jiàn)表1；水：武漢市天然自來(lái)水；減水劑（重慶博銳達(dá)建材有限公司，標(biāo)準(zhǔn)型聚羧酸高性能減水劑，其減水率為28.5%）。

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

1.2 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

制備強(qiáng)度等級(jí)分別為C15、C20、C30、C40 和C50 的混凝土，水灰比分別為0.60、0.55、0.47、0.37和0.33。采用NCA 與NFA 等制備的普通混凝土作為對(duì)照組，根據(jù)上述設(shè)計(jì)的5 種強(qiáng)度等級(jí)分別記為NC15、NC20、NC30、NC40 和NC50。基于水灰比和水泥量都不變的原則，以RCA 的取代率為研究變量，在原有對(duì)照組基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)3 組再生混凝土配合比。其中，3 種取代率（50%、70%、100%）的RCA 等質(zhì)量替代NCA，所制備的再生混凝土的標(biāo)號(hào)分別為RAC-1、RAC-2 和RAC-3，以NC15 為例，RAC15-1、RAC15-2 和RAC15-3 分別對(duì) 應(yīng)的取 代率為50%、70%和100%的C15 再生混凝土，其它對(duì)照組同理標(biāo)號(hào)。為了保證再生混凝土的實(shí)際工作性能能夠貼近普通混凝土的工作性能，故在配合比設(shè)計(jì)中考慮附加水用量，配合比詳見(jiàn)表2。

表2 混凝土配合比Tab.2 Concrete mix proportions

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試塊制備及坍落度測(cè)試 先將所需的粗骨料、細(xì)骨料、水泥、水、附加水和減水劑進(jìn)行稱取，然后將所稱取的減水劑倒入稱取好的水中攪拌60～120 s 得到混合液A。將RCA 和附加水倒入攪拌機(jī)中攪拌30～60 s，然后按NCA、砂和水泥的順序依次投放相應(yīng)材料，干攪30～60 s，再倒入混合液A，連續(xù)攪拌180 s，得到新拌混凝土。對(duì)新拌混凝土進(jìn)行坍落度試驗(yàn)，測(cè)定其坍落度數(shù)值，具體步驟按照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50080—2016）中相關(guān)要求進(jìn)行。

1.3.2 抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)試 在新拌混凝土的坍落度達(dá)到設(shè)計(jì)要求情況下，便可將新拌混凝土倒入試模中，澆筑成尺寸為150 mm ×150 mm ×150 mm 的立方體標(biāo)準(zhǔn)試塊，采用振動(dòng)臺(tái)振搗密實(shí)，用刮刀插實(shí)周邊、抹平表面，24 h 后拆模并編號(hào)，然后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。采用萬(wàn)能試驗(yàn)壓力機(jī)對(duì)養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到3、7、28 d 的相應(yīng)試塊進(jìn)行3、7、28 d 的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)定。相關(guān)步驟嚴(yán)格按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081—2019）中的相關(guān)試驗(yàn)方法進(jìn)行。

1.3.3 SEM 測(cè)試 將養(yǎng)護(hù)至28 d 的再生混凝土試塊切割成5 mm ×5 mm ×5 mm 塊狀樣品，打磨平整后放入無(wú)水乙醇中浸泡30 min，取出樣品后置于60 ℃烘干箱中干燥48 h。然后用雙面膠帶粘貼在試驗(yàn)片上，并對(duì)其進(jìn)行抽真空處理，再用離子濺射鍍膜儀器進(jìn)行導(dǎo)電鍍膜。最后，進(jìn)行SEM 掃描。

2 結(jié)果與討論

2.1 坍落度結(jié)果與分析

坍落度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1 可見(jiàn)，不同水灰比下，混凝土的坍落度從大到小依次為RAC-2、RAC-3、RAC-1、NC。可以明顯看出，再生混凝土的坍落度均大于普通混凝土，這是由于考慮到RCA 的吸水特性，試驗(yàn)采用附加水法對(duì)其進(jìn)行處理，使得實(shí)際拌合用水量增加，導(dǎo)致拌合物中游離的水較多，坍落度較大，其中RAC-2 組坍落度為最大。由圖1 可見(jiàn)，不同水灰比下的RAC-3 的坍落度介于RAC-1 和RAC-2 之間，這是由于當(dāng)再生粗骨料量增加到一定程度，攪拌時(shí)間內(nèi)所吸收的附加水大幅增加，坍落度受附加水的影響較RAC-2組有所減小；而NC 和RAC 的坍落度均隨水灰比的降低而減小的現(xiàn)象，是由于當(dāng)水灰比小時(shí)，相對(duì)水泥用量較大，從而使得水泥能與更多拌合物中游離的水充分反應(yīng)，導(dǎo)致了坍落度降低。

圖1 C15-C50 混凝土坍落度Fig.1 Slumps of C15 to C50

2.2 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度 混凝土的性能有許多，但最根本的是力學(xué)性能，其中抗壓強(qiáng)度更與混凝土的密實(shí)程度密切相關(guān)，而混凝土的密實(shí)程度對(duì)于混凝土的工程應(yīng)用至關(guān)重要［20］。混凝土屬于脆性材料，由于內(nèi)部孔洞、裂縫較多以及老舊砂漿的存在，抗拉強(qiáng)度會(huì)較低。但在某些工程中，混凝土的質(zhì)量與其抗拉強(qiáng)度密切相關(guān)［21］。

不同水灰比的混凝土3、7、28 d 的抗壓強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)見(jiàn)圖2。由圖2 可以看到，隨著水灰比的減小，3、7、28 d 抗壓強(qiáng)度均增大，相較于3 d 和7 d 抗壓強(qiáng)度，28 d 抗壓強(qiáng)度受水灰比影響程度較大，隨著水灰比逐漸減小，28 d 抗壓強(qiáng)度增加幅度逐漸上升。由圖2 可知，再生混凝土3、7、28 d 的抗壓強(qiáng)度均低于天然混凝土，且隨著取代率的增加，各齡期強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，這是由于再生混凝土制備過(guò)程中采用附加水法處理再生粗骨料，使得有效水灰比增加，抗壓強(qiáng)度降低；同時(shí)隨著取代率增加，所加入的附加水增多，導(dǎo)致有效水灰比增加幅度變大，從而各齡期抗壓強(qiáng)度進(jìn)一步降低。

圖2 不同水灰比的混凝土的3 d、7 d 和28 d抗壓強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)圖Fig.2 Development trend charts of compressive strength of concretes with different water cement ratios at 3 d，7 d and 28 d

C15-C50 混凝土28 d 的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度見(jiàn)圖3。由圖3 可知，抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度從大到小依次為NC、RAC-1、RAC-2、RAC-3，這種情況的出現(xiàn)是由于，相較于NCA，RCA 具有較多微裂縫以及老舊砂漿，導(dǎo)致制備的再生混凝土具有較多且復(fù)雜的薄弱界面過(guò)渡區(qū)，從而混凝土整體內(nèi)部密實(shí)程度較差，強(qiáng)度相對(duì)較低。此外，隨著RCA 取代率由50%增大到100%，強(qiáng)度逐漸降低，導(dǎo)致這個(gè)現(xiàn)象的原因主要有2 點(diǎn)：①RCA 自身缺陷對(duì)強(qiáng)度的影響越來(lái)越大；②RCA 與混凝土其它成分材料同時(shí)攪拌時(shí)會(huì)吸收大量水，進(jìn)行水化反應(yīng)的水相對(duì)減少，從而出現(xiàn)水化反應(yīng)不充分而造成水化產(chǎn)物發(fā)育較差，形成較多空隙的現(xiàn)象，于是混凝土受壓時(shí)產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。隨著水灰比的減小，抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度均得到不同程度的增加，這是由于隨著水灰比減小，水泥含量隨之增加，水泥的水化反應(yīng)更加充分，混凝土內(nèi)部的密實(shí)程度提高，進(jìn)而提升混凝土的力學(xué)性能。

圖3 不同水灰比的混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度：（a）NC，（b）RAC-1，（c）RAC-2，（d）RAC-3Fig.3 Compressive strength and splitting tensile strength of concretes with different water-cement ratios：（a）NC，（b）RAC-1，（c）RAC-2，（d）RAC-3

2.2.2 拉壓比 混凝土的拉壓比作為一個(gè)重要指標(biāo)，常被用于評(píng)價(jià)水泥基復(fù)合材料的抗裂性能以及延性［22］。不同水灰比的混凝土拉壓比與RCA取代率的關(guān)系曲線如圖4 所示。由圖4 可觀察出，隨著RCA 取代率的增加，拉壓比逐漸降低，最大降低幅度為22.4%，這是由于相較于天然粗骨料，再生粗骨料自身由于破碎和篩分工序所帶來(lái)的初始損傷、微裂縫等缺陷較多，同時(shí)含有大量老舊砂漿，導(dǎo)致再生粗骨料的強(qiáng)度更低，在受到壓力的過(guò)程中，薄弱的界面會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致再生混凝土脆性增大，韌性降低，抗裂性能降低。但是隨著水灰比的減小，再生混凝土的拉壓比與RCA取代率的關(guān)系曲線逐漸平緩，延性和抗裂性能得到了改善。這是由于隨著水灰比的減小，水泥量逐漸變大，水泥的水化反應(yīng)程度增加，更多的C-S-H凝膠生成，填充水泥砂漿內(nèi)部和老舊砂漿的孔隙，改善內(nèi)部薄弱的界面過(guò)渡區(qū)，增加骨料與水泥砂漿間的膠結(jié)力，提高混凝土的密實(shí)度，進(jìn)而提升混凝土的抗裂性能。

圖4 不同水灰比的混凝土的拉壓比Fig.4 Tensile-compression strength ratios of concrete with different water-cement ratios

2.3 界面過(guò)渡區(qū)微觀形貌分析

混凝土是一種多相混合材料，不同相的接觸界面被稱為界面過(guò)渡區(qū)。界面過(guò)渡區(qū)是混凝土的薄弱環(huán)節(jié)，是混凝土的強(qiáng)度極限相［23］。為了研究水灰比對(duì)再生混凝土界面過(guò)渡區(qū)的影響，采用SEM 獲取了不同水灰比的再生混凝土試樣的骨料-砂漿界面過(guò)渡區(qū)的微觀形貌，如圖5 所示。由圖5 可以看出：RAC15-3 的界面過(guò)渡區(qū)中存在較大的裂縫；RAC30-3 的界面過(guò)渡區(qū)中仍存在一定長(zhǎng)度的裂縫，但部分裂縫已經(jīng)被一些水化產(chǎn)物填充；RAC50-3 的界面過(guò)渡區(qū)中已經(jīng)看不到明顯的裂縫，可以觀察到有較多水化產(chǎn)物填充其中，有效降低了孔隙含量，改善了界面過(guò)渡區(qū)。

圖5 不同水灰比的再生混凝土的SEM 圖：（a）RAC15-3，（b）RAC30-3，（c）RAC50-3Fig.5 SEM images of recycled concretes with different water cement ratios：（a）RAC15-3，（b）RAC30-3，（c）RAC50-3

3 結(jié)論

本文以RCA 取代率和強(qiáng)度等級(jí)作為研究變量，研究了再生混凝土坍落度、抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和拉壓比的影響規(guī)律，并采用SEM 分析了不同強(qiáng)度等級(jí)下再生混凝土界面過(guò)渡區(qū)形貌。

（1）隨著RCA 取代率增大，各等級(jí)的再生混凝土的坍落度增大了10%～11.7%；隨著強(qiáng)度等級(jí)的降低，RCA 取代率為100%的再生混凝土坍落度增加了10.4%。

（2）隨著RCA 取代率增大，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度分別下降了13.6%～17.9%和21.7%～35.6%，拉壓比減小了7.1%～22.4%，表明再生混凝土抗裂性能和延性下降；隨著強(qiáng)度等級(jí)的降低，RCA 取代率為100%再生混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度分別降低了55.5%和65.4%。

（3）相較于低強(qiáng)度等級(jí)再生混凝土，高強(qiáng)度等級(jí)再生混凝土的界面過(guò)渡區(qū)中較明顯的裂縫被水化產(chǎn)物填充，使得微觀結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。