林水泳 畢賢順 羅才松，2 葉建峰

(1.福建工程學院土木工程學院 福建福州 350118； 2.福建省土木工程新技術與信息化重點實驗室 福建福州 350116)

0 引言

再生骨料混凝土(Recycled Aggregate Concrete，RAC)簡稱再生混凝土(Recycled Concrete，RC)，是指廢棄混凝土經(jīng)過破碎、清洗、分級加工后形成的再生骨料，按一定比例或級配代替天然骨料加工制備而成的混凝土。再生骨料(Recycled Aggregate，RA)是經(jīng)過破碎加工的廢棄混凝土得到的小于粒徑40mm的骨料。粒徑為5mm～40mm的骨料為再生粗骨料(Recycled Coarse Aggregate，RCA)。粒徑為0.5mm～5mm的骨料為再生細骨料(Recycled Fine Aggregate，RFA)[1-2]。

再生高強混凝土是在再生混凝土的基礎上，大幅度地提高混凝土性能，并且通過添加適量的高活性超細礦物質與高效減水劑，經(jīng)過嚴格的質量控制下形成的新型的高性能混凝土。高強混凝土在未來的應用范圍將會越來越廣泛，也將不可避免地成為再生粗骨料的重要來源。由于建筑業(yè)高速發(fā)展導致建筑骨料缺乏，把廢棄混凝土化作可再生資源，實現(xiàn)資源化、環(huán)境效益化和最大效益化，高強高性能化應是再生混凝土的發(fā)展方向，本文旨在通過研究再生粗骨料對再生高強混凝土的影響，探討制備再生高強混凝土的可能性。

1 試驗

1.1 原材料

(1)水泥

本課題選用海螺牌P·O42.5等級普通硅酸鹽水泥。

(2)細骨料

本課題采用的細骨料為天然河砂,級配良好，其表觀密度和含泥量分別為2.6kg/m3和0.2%，細度模數(shù)為2.7。

(3)礦物摻合料

試驗采用的鎳鐵渣為福建源鑫集團提供，比表面積為425.6m2/kg，密度為2.89g/cm3。硅灰采用上海山鷹環(huán)?？萍加邢薰旧a(chǎn)的硅灰，SiO2的含量為85%～95%，平均粒徑為 0.10～0.225μm。

(4)外加劑

減水劑采用福建省建科高效減水劑，減水率25%～35%。

(5)水

采用福州本地自來水。

(6)粗骨料

圖1為再生粗骨料示意圖，圖2為天然粗骨料示意圖。再生粗骨料為高強預應力管樁經(jīng)顎式破碎機破碎、除雜、篩分、分級等處理后獲得粒徑為5mm～20mm的再生粗骨料。天然粗骨料為連續(xù)級配，采用一級級配混凝土要求，同樣使用5mm～20mm的粗骨料。表1為骨料的基本性能。

圖1 再生粗骨料

圖2 天然粗骨料

表1 骨料基本性能

1.2 再生混凝土界面強化

混凝土界面過渡區(qū)作為混凝土中的薄弱點，破壞通常都是通過界面過渡區(qū)最先開始出現(xiàn)裂縫隨后擴展貫通，從而導致再生混凝土的承載能力降低直至完全破壞。因此，從界面過渡區(qū)出發(fā)，進行界面強化，達到改性目的。以下為常用3種再生混凝土界面強化方法。

(1)改善攪拌工藝

采用先裹灰工藝法，先將再生粗骨料、部分水泥、鑷鐵渣、硅灰與部分水進行攪拌，達到再生粗骨料表面包裹水泥漿的目的，再加入細骨料、天然粗骨料和剩余水進行攪拌。

(2)摻入膠乳聚合物

在混凝土制備過程中，加入水中與拌合物一起進行攪拌[3]。

(3)礦物摻合料

由于混凝土內的孔隙大小不一，加入硅灰與鎳鐵渣起到微骨料的作用，填充內部的間隙，使混凝土內部結構更為致密。

該試驗采用第一種和第三種方法。

1.3 試驗方案

試驗配合比如表2所示。每個強度等級的混凝土均以再生粗骨料取代率作為研究參數(shù)，取值為0%、30%、70%和100%。分別測定各編號再生高強混凝土的坍落度、混凝土抗壓強度和彈性模量，試驗結果如表3所示。

試驗在福建工程學院北校區(qū)結構館進行，所有配合比均使用60L攪拌機攪拌，采用150mm×150mm×150mm的模具制作13組試件進行抗壓試驗與劈裂試驗；采用150mm×150mm×550mm的模具制作3組試件進行抗折試驗；采用150mm×150mm×300mm的模具制作10組試件，進行彈性模量試驗，所有試驗每組3個試塊。

表2 試驗配合比

表3 試驗結果

2 試驗結果與分析

2.1 再生粗骨料對再生高強混凝土坍落度影響

圖3為再生粗骨料取代率對再生高強混凝土坍落度的影響示意圖。圖3中可看出，隨著再生粗骨料取代率的增加，各個強度等級的混凝土坍落度均呈現(xiàn)下降趨勢。

圖3 再生粗骨料取代率對坍落度影響

再生粗骨料對于再生高強混凝土拌合物的流動性具有很大的影響性。各強度等級的再生高強混凝土在再生粗骨料含量增大的同時，坍落度大部分均下降10mm～15mm。這是由于再生粗骨料經(jīng)過顎式破碎機作用后，骨料中產(chǎn)生大量的孔隙與微裂縫。再生粗骨料內部結構稀松多孔，吸水率相對比天然粗骨料較大，骨料表面粗糙，棱角較多，制備的過程中混凝土拌合物內部之間的摩擦阻力將會增大。因此，在相同的配合比下，再生粗骨料的取代率增大，再生粗骨料吸附的水就越多從而降低流動性，混凝土拌合物的坍落度會逐漸減少。在不同強度等級下，再生粗骨料取代率對于混凝土拌合物坍落度的影響均呈現(xiàn)削減作用，與文獻[4-5]結論相同。

2.2 再生粗骨料對再生高強混凝土強度的影響

圖4為再生粗骨料取代率對混凝土抗壓強度的影響示意圖，對于強度等級為C80的混凝土而言，再生粗骨料取代率為0%時，再生高強混凝土強度為84.41MPa；再生粗骨料取代率為30%時，再生高強混凝土強度為78.68MPa，強度下降5.73MPa；當再生粗骨料取代率為70%時，再生高強混凝土強度為73.04MPa，強度較取代率為30%時下降了5.64MPa；再生粗骨料取代率為100%時，再生高強混凝土強度為63.07MPa。從再生粗骨料含量為0%到100%，混凝土強度下降了25.28%；對于強度等級為C60的混凝土,強度也隨著取代率的增大呈下降趨勢，下降趨勢比C80小。同一強度等級的混凝土，再生粗骨料取代率的變化對再生高強混凝土的抗壓強度存在影響，隨著再生粗骨料的增加，再生高強混凝土強度下降，且強度等級越高，影響越明顯。

圖4 再生粗骨料取代率對抗壓強度的影響

混凝土是由三相復合而成的材料。由于再生混凝土的界面結構復雜，而骨料對于混凝土的強度的影響主要在于界面過渡區(qū)。相較于普通混凝土而言，再生高強混凝土的水泥砂漿與骨料之間的彈性模量相差太大。在溫度變化和荷載作用下，二者的變化不同，界面處產(chǎn)生微裂縫，這些界面過渡區(qū)將成為混凝土強度的薄弱點。再生粗骨料表面的粗糙度相比天然骨料大，加上在破碎過程中部分石子會因為受力而沿著紋理開裂。這樣，既增加新的粗糙表面又增加棱角效應，但可能導致再生粗骨料強度降低。

骨料強度遠大于水泥砂漿強度時，混凝土強度主要是由水泥砂漿和界面強度所決定。再生高強混凝土中，水泥砂漿包裹住再生粗骨料的同時也發(fā)揮著過渡作用，使得再生粗骨料與新的水泥砂漿之間的彈性模量差距縮小，界面過渡區(qū)的結合得到加強，但還不足以彌補缺失的強度。隨著再生高強混凝土強度等級的增加，再生粗骨料含量越多，再生高強混凝土的強度下降幅度越大。試驗結果與文獻[6]結論相同。

2.3 再生粗骨料對再生高強混凝土彈性模量的影響

圖5為再生粗骨料取代率對再生高強混凝土彈性模量的影響示意圖?？傮w上，隨著再生粗骨料取代率的增加，再生高強混凝土的彈性模量下降。

由于再生粗骨料的存在，在再生高強混凝土中天然粗骨料與舊水泥石之間界面，再生粗骨料中巖石部分與新水泥石之間界面，再生粗骨料中舊砂漿與新水泥石之間界面中，存在的孔隙與微裂縫數(shù)量相對于高強混凝土多，而孔隙率是影響混凝土彈性模量的因素之一，水泥石包裹再生粗骨料的同時發(fā)揮過渡作用，使得新水泥石與再生粗骨料之間的彈性模量差距縮小，但仍存在強度差異。整體上，同一強度等級的再生高強混凝土彈性模量，隨再生粗骨料取代率的增加而下降。

圖5 再生粗骨料取代率對彈性模量的影響

2.4 玄武巖纖維對再生高強混凝土抗壓強度影響

圖6為玄武巖纖維對再生高強混凝土抗壓強度的影響。再生高強混凝土在加入3kg/m3玄武巖纖維后，強度幾乎沒有改變，加入5kg/m3玄武巖纖維以后，強度下降了6.52MPa。這是由于玄武巖纖維的加入，使得再生高強混凝土內部存在更多的微裂縫，這些裂縫導致再生高強混凝土中出現(xiàn)更多的薄弱界面，降低了再生高強混凝土的抗壓強度[7]。

圖6 玄武巖纖維對抗壓強度的影響

2.5 玄武巖纖維對再生高強混凝土劈裂強度影響

圖7為玄武巖纖維對混凝土劈裂強度的影響示意圖。當玄武巖纖維為0kg/m3時，混凝土劈裂強度達到14.07MPa；當玄武巖纖維摻量達到3kg/m3時，劈裂強度上升了2.82MPa，是因為加入的玄武巖纖維與無機膠凝材料相結合形成三維纖維網(wǎng)狀結構，使得混凝土結構更加密實。有大量的水化產(chǎn)物附著而且能有效地組織微裂縫的擴展，從而降低裂縫長度、寬度以及開裂面積，吸收并消耗能量，在一定程度上提高了混凝土的抗裂性能。再增加2kg/m3的玄武巖纖維后，劈裂強度反而下降了1.68MPa，可能是因為加入過多纖維，多余的纖維與水泥漿液形成的界面過渡區(qū)與網(wǎng)狀結構產(chǎn)生的效應相互抵消，甚至產(chǎn)生負作用，所以多加入的纖維沒能起到分擔荷載、吸收并消耗能量的作用。雖然分多次加入攪拌機中進行攪拌，但是難免會出現(xiàn)結團現(xiàn)象造成初始缺陷的產(chǎn)生，不能充分發(fā)揮纖維的作用，使得強度隨玄武巖纖維的增加而降低[8]。

圖7 玄武巖纖維對劈裂強度的影響

2.6 玄武巖纖維對再生高強混凝土抗折強度影響

圖8 玄武巖纖維對抗折強度的影響

圖8為玄武巖纖維對混凝土抗折強度的影響。添加3kg/m3玄武巖纖維時，混凝土抗折強度提高0.47MPa，當玄武巖纖維含量達到5kg/m3時，抗折強度下降至4.77MPa。主要是由于玄武巖纖維的加入，抗折試件在開裂過程中，玄武巖纖維在裂縫開展位置起到承受外拉力的作用，增大纖維與混凝土之間摩擦與拉拔作用，增加抗折強度；纖維含量的增加，會導致結團現(xiàn)象，使得混凝土抗折強度受到負影響，致使強度下降。文獻[9]表明：在一定范圍內，混凝土的抗折強度會隨著玄武巖纖維的增加而增大，但超過了這個最佳摻量后，過多的纖維會使得混凝土結構遭到破壞，導致抗折強度下降。

3 結論

(1)再生粗骨料吸水率大于天然粗骨料，體現(xiàn)在降低混凝土拌合物的流動性。因此，在制備再生高強混凝土時，需添加額外用水量，保證混凝土流動性。

(2)對于同一強度等級的混凝土，再生粗骨料取代率的變化對再生高強混凝土的抗壓強度存在影響。隨著再生粗骨料的增加，再生高強混凝土強度下降，且強度等級越高，影響越明顯；混凝土彈性模量隨再生粗骨料的取代率的增加而下降。

(3)在再生高強混凝土中摻加玄武巖纖維能增加混凝土的抗折強度與劈裂強度，但當含量增大到5kg/m3時，玄武巖纖維會在混凝土中存在結團現(xiàn)象，導致再生高強混凝土抗折強度與劈裂強度下降。根據(jù)該試驗結果，玄武巖纖維含量為3kg/m3時為適宜摻量。