再生混凝土的物理力學性能研究

陳業超

(中山市堤圍管理中心，廣東 中山 528400)

1 概述

21世紀社會關注的主要問題之一是保護我們的環境。這種意識使得廢棄物被認為是一種可回收利用的產品[1]。混凝土是建筑業中的主要加工材料，是僅次于水的第二大消耗品[2]，混凝土制造過程中，需要水、水泥和骨料，骨料主要來自礦坑的開采，由于大量骨料的消耗，導致礦坑開采過度。除了礦坑開采過度的問題，還有建筑拆除產生的廢物管理問題.建筑業所產生的的廢物與原材料的消耗一樣多[3]，建筑業為了適應新的環境要求，變得更加可持續發展。回收混凝土廢料來生產新的混凝土是減少建筑業環境影響的主要途徑之一[4]。在預制工業中，一些生產出來的混凝土試件由于質量測試不合格而被廢棄。這些產品可以被粉碎以生產骨料，并重新投入到生產過程中。

本研究考察了混凝土多次回收的可能性，從一些廢棄的預制混凝土件中生成再生骨料，再利用骨料制成再生混凝土。研究了第一次和第二次循環再生混凝土粗骨料制成的再生混凝土的物理力學性能。在所有關于再生混凝土的研究中，只有少數研究了多重再生混凝土[5]。因此，本研究的實驗結果有助于支持多重再生混凝土的實現。

2 材料與方法

本研究將重復使用(2次循環)再生混凝土骨料進行混凝土生產。再生混凝土骨料替代品為100%天然粗骨料。一共制作了3種混凝土，2種可回收，1種不可回收。目的是比較不同再生混凝土和普通混凝土(僅由天然骨料制成的最后一種混凝土)的性能。為了研究多重再生粗骨料的效果，選用3種不同的粗骨料，分別是：①NCA：天然粗骨料，粒徑：4～10mm砂礫和10～20mm礫石。來自采石場的碎石灰石。②RCA1：第一次再生混凝土粗骨料，粒度：6～12mm砂礫和12～20mm礫石。它是通過粉碎不合格的預制件而獲得的。③RCA2：第二次再生混凝土粗骨料，粒度：6～12mm砂礫和12～20mm礫石。它是從第一代再生混凝土中獲得的。它是通過粉碎RCA1為粗骨料的混凝土制作而成。

此外，在所有混凝土中，包括回收和非回收混凝土，都使用了破碎的石灰石砂作為細骨料(FA)。生產了3種類型的混凝土，每一種粗骨料如上所述。不同類型的混凝土配合比始終相同；唯一不同的是所用粗骨料的種類。混合比例見表1。

表1 3種不同混凝土試件配合比 單位：kg/m3

這個用量在混凝土工業中通常用于生產C30混凝土，具有中等和易性，坍落度在60～90mm之間，使用增塑劑和高效減水劑作為外加劑。

生產的不同類型的混凝土有：①Control：用NCA零置換制成的混凝土。②RC1：第一代再生混凝土，由RCA1 100%替代NCA制成的混凝土。③RC2：第二代再生混凝土，由RCA2 100%替代NCA制成。

混凝土的生產過程均按照《中華人民共和國國家標準：預拌混凝土(GB/T 14902—2012)》進行。使用PO42.5R普通硅酸鹽水泥，其主要性能指標檢測值見表2。

表2 水泥主要性能參數

天然河砂最大粒徑為4.50mm，比重為2.63，堆積密度為1650kg/m3，細度模數為2.6。制備邊長為150mm的標準立方體試件和直徑150mm×高300mm的圓柱體試件來滿足研究要求。所有的立方體和圓柱體混凝土試件均在溫度為20℃±1℃和濕度大于95%的條件下養護，混凝土拌合過程按照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》進行配比。混凝土拌合物試驗和混凝土試塊試驗分配數量見表3。

表3 分配混凝土拌合物試驗和混凝土試塊試驗數量

試驗分2個階段進行：第一階段為混凝土拌合物性能，第二階段為混凝土硬化性能。在混凝土拌合物階段，根據國標對所有混合料進行了坍落度測試和空氣含量測試。在第二階段，分析了硬化混凝土的特性如下：根據國標，測試立方體試塊的抗壓強度；在飽和表面干時測量了干密度和吸水率，根據GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》，利用混凝土動彈模量測定儀測量混凝土的動態彈性模量。

3 結果與討論

3.1 混凝土拌合物性能：坍落度和空氣含量

新拌合的混凝土坍落度和空氣含量的平均值見表4。

表4 混凝土拌合物性能

天然粗骨料配制的混凝土的坍落度平均值最高，為76mm。RC1和RC2的坍落度平均值分別為58和52mm。與非再生混凝土相比，再生混凝土的坍落度值有所下降。由于RC1坍落度值高于RC2坍落度值，可以認為混凝土的和易性隨著每次再生循環而降低。這可能是由于再生粗骨料比天然粗骨料具有更高的粗糙度和棱角度，而且再生粗骨料的吸水率高于天然粗骨料；再生骨料的吸水性能隨再生次數的增加而增強。每循環一次，再生混凝土的和易性就會有所降低。

空氣含量測試結果見表4。可以看出，所有混凝土拌合物的含氣量幾乎相同，因此對照混凝土與再生混凝土之間沒有顯著差異，再生混凝土之間也沒有顯著差異。

3.2 混凝土密度與吸水率

不同混凝土配合比的飽和密度、干密度和吸水率試驗結果見表5。

表5 硬化混凝土的密度和吸水性

結果表明，再生混凝土密度低于對照混凝土，因為使用的再生骨料比天然骨料更輕。RC1和RC2的飽和密度分別下降1.65%和2.48%；在干密度方面，RC1和RC2的差異更為明顯，分別下降3.07%和3.95%。隨著混凝土循環周期的增加，混凝土密度呈下降趨勢。

在吸水率方面，與密度不同，再生混凝土的吸水率高于對照混凝土的吸水率。RC1和RC2分別增長25.24%和26.39%。在這種情況下，觀察到的趨勢是吸水性隨著循環次數的增加而增加。

密度和吸水率都與所使用的骨料的特性密切相關。再生骨料比天然骨料密度小，吸水性強。這種現象是由于再生循環骨料上存在黏結的砂漿，這樣會導致密度更低，吸收率更高。隨著每一次再生循環，附著的砂漿的數量會增加，凝結硬化后的混凝土將變得松散，更有吸水性[6-7]。

3.3 抗壓強度

通過萬能試驗機對不同類型混凝土在不同測試齡期(2，7，28和90d)進行測試，得到平均抗壓強度的結果見表6。

表6 混凝土平均抗壓強度結果 單位：MPa

使用夏皮羅維爾克檢驗法檢測不同類型混凝土在不同齡期中(2，7，28和90d)抗壓強度的正態性，結果見表7。

表7 夏皮羅維爾克檢驗法對抗壓強度正態性檢驗結果

檢測結果表明，在所有試驗齡期，再生混凝土的抗壓強度均高于對照混凝土。再生混凝土RC1和RC2在統計學上差異不顯著。

所研究的3種混凝土在所有測試齡期的抗壓強度的箱線圖如圖1所示。

圖1 混凝土抗壓強度箱線圖

由圖1可知，再生混凝土的抗壓強度優勢較為明顯。

混凝土的相對抗壓強度如圖2所示。

圖2 混凝土的相對抗壓強度

由圖2可知，再生混凝土的抗壓強度相對增量很小，在2d齡期RC1和RC2的相對增量分別為4.97%和7.06%，在7d齡期RC1和RC2的相對增量分別為7.36%和11.20%，在28d齡期RC1和RC2的相對增量分別為8.60%和8.78%，在90d齡期RC1和RC2的相對增量分別為13.50%和13.65%。在再生混凝土中，所有齡期的RC2抗壓強度都大于RC1強度，但是差異非常小，尤其是到硬化后期，幾乎沒有差異，從統計數據上來看無法證明RC1和RC2 2種混凝土抗壓強度方面的不同。

與對照混凝土相比，使用100%多重再生粗骨料不會導致再生混凝土抗壓強度下降；相反，再生混凝土對所有的測試齡期都表現出優異的抗壓能力。第二次循環的RC2比第一次循環的RC1的抗壓強度更高。在本次測試中，再生粗骨料只來自高標準制造預制混凝土塊，使再生骨料的質量較好，再生混凝土的抗壓能力會強于對照混凝土相比。

3.4 靜態彈性模量和動態彈性模量

2種不同再生混凝土(第一代和第二次再生混凝土)和對照混凝土的靜態彈性模量和動態彈性模量的數值如圖3所示。

圖3 混凝土的靜態彈性模量和動態彈性模量

與對照混凝土相比，再生混凝土的彈性模量在靜態模量和動態模量上均有所降低，而且靜態模量和動態模量隨再生混凝土循環次數的增加而降低。

在靜態彈性模量方面，對照混凝土為34.6GPa，比RC1和RC2分別高12.14%和13.01%。在動態彈性模量方面，對照混凝土為45.8GPa，比RC1和RC2分別高10.04%和12.01%。這是由于水泥凝結硬化后的彈性模量比天然骨料小，每循環回收一次，砂漿的附著量就會增加。因此，再生混凝土的剛度比只用天然骨料制成的混凝土要低，導致兩種再生混凝土的靜態彈性模量和動態彈性模量都有所降低。

4 結論

本文介紹了利用回收的廢棄混凝土制作粗骨料生產再生混凝土的可行性試驗。結果表明重復再生粗骨料混凝土的和易性、密度、吸水率均隨著循環周期的增加而增加。第一代和第二代再生混凝土的抗壓強度均有優于天然骨料制作的混凝土。再生混凝土的靜態彈性模量和動態彈性模量均低于天然骨料混凝土。使用廢棄的重復再生粗骨料，在抗壓強度方面表現出良好的價值。相反，彈性模量數值的降低，導致抗變形能力略有下降。再生混凝土粗骨料的應用可減少天然骨料的消耗及廢棄混凝土對環境的影響，具有推廣應用價值，但由于抗變形能力下降，在使用中應避免發生脆性破壞。