再生粗骨料在混凝土中的應用

引言

隨著我國城鎮化進程的發展，建築垃圾排放量逐年增長，大部分建築垃圾未經任何處理，被運往郊外或城市周邊進行簡單填埋或露天堆存，這不僅浪費了土地和資源，還污染了環境；另一方面，隨著人口的日益增多，建築業對砂石骨料的需求量不斷增長。長期以來，由於砂石骨料來源廣泛易得，價格低廉，被認為是取之不盡、用之不竭的原材料而被隨意開採，嚴重破壞了自然環境。生產和利用建築垃圾再生骨料對於節約資源、保護環境和實現建築業的可持續發展具有重要意義。

由廢棄混凝土製備的骨料稱為再生混凝土骨料(簡稱再生骨料)。通過簡單破碎和篩分工藝製備的再生骨料顆粒稜角多、表面粗糙、組分中還含有硬化水泥砂漿，再加上混凝土塊在破碎過程中因損傷累積在內部造成大量微裂紋，導致再生骨料自身的孔隙率大、吸水率大、堆積密度小、空隙率大、壓碎值高[1]。這種再生骨料製備的再生混凝土水量較大、硬化後的強度低、彈性模量低，而且抗滲性、抗凍性、抗碳化能力、收縮、徐變和抗氯離子滲透性等耐久性能均低於普通混凝土。由於廢棄混凝土質量差異較大，通過簡單工藝製備的再生骨料性能差異也較大，不便於再生骨料的推廣應用[2]。為了提高再生混凝土的性能，須對簡單破碎獲得的低品質再生骨料進行強化處理，即通過改善骨料粒形和除去再生骨料表面所附著的硬化水泥石，提高骨料的性能。強化後的再生骨料不僅性能顯著提高，而且不同強度等級廢混凝土製備的再生骨料性能差異也較小，有利於再生骨料的質量控制，便於再生混凝土的推廣應用[3-4]。

1.1試驗原材料

（1）水泥：採用P·O42.5級水泥，其部分性能見表1。

表1水泥試驗數據

（2）礦粉：採用S95級礦粉，其部分性能見表2。

表2礦粉試驗數據

（3）粉煤灰：採用F類Ⅱ級粉煤灰，其部分性能見表3。

表3粉煤灰試驗數據

（4）天然粗骨料：採用5~25連續級配天然碎石，其部分性能見表4。

表4天然粗骨料試驗數據

（5）再生粗骨料：採用改善性能的再生粗骨料（改善初選再生骨料粒形、除去其表面所附著的硬化水泥石），提高骨料的性能，其部分性能見表5。

表5再生粗骨料試驗數據

（6）天然河砂：採用Ⅱ區中砂，其部分性能見表6。

表6天然河砂試驗數據

1.2試驗方法

（1）混凝土坍落度及表觀密度試驗：混凝土的抗壓強度的測定按GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行，其中表觀密度試驗用5L容量筒測量。

（2）混凝土抗壓強度試驗：混凝土的抗壓強度的測定按GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行，抗壓強度試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。

（3）混凝土氯離子抗滲試驗：依據GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行，採用RCM法，測算混凝土氯離子遷移係數作為抗氯離子滲透能力。

（4）混凝土的干縮率試驗：依據GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行試驗，採用接觸法。測定混凝土收縮時以100 mm×100 mm×515 mm的稜柱體試件為標準試件，按規定的時間間隔分別測量其變形讀數。

2.1配比設計

本試驗所採用的配合比設計強度等級為C50，如表7。

表7配比設計

註：再生粗骨料取代天然粗骨料分別按0%、30%、50%、70%和100%等體積取代計算；減水劑的摻量是按膠凝材料的質量百分比計算。

2.2 再生粗骨料對新拌混凝土性能的影響

通過試驗室試配，可得出再生粗骨料對新拌混凝土坍落度和表觀密度的影響如下圖1和2所示。

由圖1可知，在用水量及外加劑用量相同的情況下，與基準混凝土相比，再生粗骨料混凝土的坍落度減小，流動性變差，同時由於骨料表面粗糙，自重輕，增加了再生混凝土拌和物的摩擦阻力，由於再生粗骨料初始吸水率較低，所以對出機混凝土坍落度影響較小，但由於隨著時間的延長，再生粗骨料的吸水率增加，隨著再生骨料摻量的增加，混凝土的坍落度損失逐漸增加。由圖2可知，採用等體積骨料替代條件下，新拌混凝土表觀密度隨著再生骨料摻量的增加而減小。因為再生骨料表觀密度較天然骨料小，當等體積骨料替代時，質量較小，隨著取代率不斷增加，導致新拌混凝土的表觀密度隨之減小。

2.3再生粗骨料對混凝土立方體抗壓強度的影響

從圖3可知，與普通混凝土的抗壓強度相比，再生混凝土的早期抗壓強度略高於普通混凝土，後期強度低於普通混凝土，且後期強度隨著再生骨料摻量的增加而降低。分析原因認為是水泥水化早期，由於再生粗骨料表面較普通粗骨料粗糙，導致水泥漿與界面結合力較大，因此再生粗骨料混凝土早期強度較高。水泥水化後期，水泥漿體具有相對較高的強度，且與骨料界面粘結牢固，混凝土破壞從強度相對較低的骨料開始，再生粗骨料由於在生產過程中內部存在缺陷，且空隙率高，從而導致再生粗骨料混凝土後期強度低於普通混凝土。

2.5再生粗骨料對混凝土氯離子遷移係數的影響

依據GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》採用RCM法，測算再生骨料混凝土氯離子遷移係數，如下圖所示。

由圖4可知，隨著再生骨料摻量的增加，混凝土氯離子遷移係數增大。分析原因認為是再生粗骨料中含有一定的水泥砂漿，並且在機械破碎中因損傷積累使其內部存在大量微裂紋，孔隙率較高，吸水性大，滲透性大，從而增加了氯離子擴散通道，混凝土氯離子遷移係數隨再生骨料摻量增加而增大。有研究表明，通過摻加粉煤灰可以改善混凝土的滲透性，這是由於加入的粉煤灰填補了再生骨料中的裂紋或者是骨料與骨料之間的間隙，使混凝土骨料與水泥砂漿的界面更加嚴密，從而使抗氯離子滲透性得到加強[5-6]。但本文中粉煤灰的量固定，主要測不同取代率再生骨料混凝土的氯離子擴散性。結果表明，混凝土氯離子滲透性隨再生骨料摻量增加而增大。

2.6再生粗骨料對混凝土收縮率的影響

混凝土的收縮是指其不受荷載作用，在恆溫條件下出現的隨時間緩慢變形的現象，是混凝土重要的長期力學性能之一[7]。圖5給出了不同取代率再生骨料混凝土收縮率試驗結果。