楊 偉，華敏琦，朱平華，劉 惠，劉少峰

(常州大學環(huán)境與安全工程學院，常州 213164)

0 引 言

在過去的幾十年中，混凝土一直是土木工程領域中最熱門的材料[1]。但是，隨著城市基礎建設和住房投資規(guī)模的不斷擴大，大量新建建筑物使得混凝土消耗陡增，造成天然骨料急劇短缺[2]。與此同時，建筑和拆卸廢物(C&D)引發(fā)了諸多嚴重的環(huán)境問題，給自然環(huán)境帶來龐大的負擔[3]。為同時解決土木工程領域中上述兩大難題，對再生混凝土(Recycled Aggregate Concrete，RAC)的研究迫在眉睫。

再生混凝土是指將廢棄混凝土經(jīng)過破碎、篩分和清洗后，作為部分或全部骨料所配制的混凝土[4]。已有研究表明：相對于天然骨料混凝土，RAC的性能較差，這是由于再生骨料表面的吸附砂漿降低了再生骨料的比重，同時增加了再生骨料的吸水率[5-6]所致。而再生骨料比重較低又是由于吸附砂漿的固有特性以及其所具有的多孔性[7]。王曉飛等[8]通過6種不同品質的再生粗骨料配制再生混凝土，研究了不同品質再生混凝土的力學性能，發(fā)現(xiàn)I類再生粗骨料混凝土因骨料吸附砂漿含量最少，吸水率與壓碎指標均降低，力學性能最好。Marta等[9]研究了吸附砂漿含量對再生骨料的密度、吸水率、洛杉磯磨損和硫酸鹽含量的影響，發(fā)現(xiàn)只有吸附砂漿含量低于44%的再生骨料才能用于結構混凝土中。韓帥等[10]研究了不同品質的再生粗骨料和取代率對混凝土非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)二次整形的再生粗骨料混凝土，由于骨料表面吸附砂漿較少，從而使得其用水量較少，粘聚性和保水性也較好，提高了再生粗骨料混凝土的抗氯離子性能。

以上研究表明再生粗骨料的吸附砂漿含量對再生粗骨料混凝土抗氯離子滲透性能具有重大的影響。然而，有關吸附砂漿含量與再生粗骨料混凝土抗氯離子滲透性能的定量關系研究鮮見報道。為彌補不足，本文采用天然粗骨料以及5種不同吸附砂漿含量的再生粗骨料，制備目標強度等級均為C40的混凝土，探討了吸附砂漿含量與混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度、氯離子滲透性的定量關系。研究發(fā)現(xiàn)，在吸附砂漿含量為34.9%～38.6%條件下，再生粗骨料混凝土可在環(huán)境作用等級為D的氯化物環(huán)境下使用50年，這對于再生混凝土在氯化物環(huán)境下的使用具有重大的參考價值。

1 實 驗

1.1 原材料

本實驗所需的原材料組成包括：P·O 52.5R水泥(表觀密度3 100 kg/m3)、天然河砂(表觀密度2 586 kg/m3，細度模數(shù)2.46)、硅灰(表觀密度2 759 kg/m3)、聚羧酸(JK-PCA)高效減水劑、天然粗骨料(表觀密度2 267 kg/m3)、天然粗骨料及5種商用再生粗骨料(粒徑4.75～20 mm)、自來水。

1.2 配合比

配合比設計參考了陳建奎高性能混凝土(HPC)配合比設計新法—全計算法[11]，目標強度等級取C40，目標坍落度取110～160 mm。配合比詳見表1。所有混凝土均采用二次攪拌法[12]成型后標準養(yǎng)護28 d。

表1 不同吸附砂漿含量下再生粗骨料混凝土配合比Table 1 Mixing ratios of recycled coarse aggregate concrete with different adsorption mortar contents /(kg/m3)

1.3 試驗方法

再生粗骨料的表觀密度、堆積密度、吸水率、壓碎值、開口孔隙率均按照GB/T 14685—2011《建設用卵石、碎石》[13]測試，吸附砂漿含量采用熱處理[9]的方法測試。

再生粗骨料混凝土抗壓強度與劈裂抗拉強度按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》[14]，采用YNS 300型電液伺服萬能試驗機測試。依據(jù)現(xiàn)行國家標準GB/T 50082—2019《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》[15]中快速氯離子遷移系數(shù)法(RCM法)進行抗氯離子滲透試驗，試驗采用高50 mm和直徑100 mm的樣品，利用溶液濃度梯度使氯離子穿透樣品,并通過電場加速氯離子的遷移。混凝土的非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)DRCM的計算依據(jù)如公式(1)。

(1)

式中：DRCM為混凝土的非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)，精確到0.1×10-12m2/s；U為所用電壓值，單位為V；T為陽極溶液初始和最終溫度的平均值，單位為℃；L為試件厚度，單位為mm，精確到0.1 mm；Xd為氯離子滲透深度的平均值，單位為mm，精確到0.1 mm；t為試驗持續(xù)時間，單位為h。

2 結果與討論

2.1 再生粗骨料基于吸附砂漿含量的物理性質

再生粗骨料物理性能測試結果見表2。由表2數(shù)據(jù)可得知，隨著再生粗骨料吸附砂漿含量的增加，再生混凝土的吸水率與壓碎值逐漸增加。

表2 再生粗骨料物理性質Table 2 Physical properties of recycled coarse aggregate

2.2 再生粗骨料混凝土工作性能

坍落度是目前各國應用最為廣泛的評價混凝土工作性能的方法。為確保再生混凝土在相同工作性能下進行各項性能的對比，本試驗的目標坍落度取110～160 mm，再生混凝土的坍落度測試結果如表3所示。

表3 再生混凝土拌合物的坍落度Table 3 Slump of recycled concrete mixture

由表中的數(shù)據(jù)可知，隨著吸附砂漿含量的增大，再生混凝土拌合物的坍落度逐漸降低。這主要是由于再生骨料表面吸附砂漿孔隙率大、表面粗糙，增大了與水泥之間的內部摩擦阻力[16]，從而降低了拌合物的流動性。且吸附砂漿含量越大，內部摩擦阻力越大，流動性越差。

2.3 再生粗骨料混凝土力學性能

圖1、圖2是試樣的力學性能結果。根據(jù)圖1(a)，圖2(a)的試驗結果分別繪制出吸附砂漿含量與天然混凝土和再生混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度的關系曲線圖，如圖1(b)，圖2(b)所示。NAC為天然粗骨料混凝土，RAC1、RAC2、RAC3、RAC4、RAC5分別為吸附砂漿含量34.9%、38.6%、39.6%、41.3%、43.9%的再生粗骨料混凝土。

圖1 (a)天然和再生混凝土抗壓強度；(b)吸附砂漿含量與再生混凝土抗壓強度擬合曲線Fig.1 (a) Compressive strength of natural and recycled concrete; (b) fitting curve of adsorption mortar content and compressive strength of recycled concrete

吸附砂漿含量與混凝土抗壓強度擬合曲線如圖1(b)所示。所得曲線方程為：y=117.96-1.7x，R2=0.99>0.9，吸附砂漿含量與抗壓強度之間具有較好相關性。以NAC為基準混凝土，由圖1(a)可看出隨著吸附砂漿含量的增加，混凝土的抗壓強度逐漸降低。吸附砂漿含量與混凝土劈裂抗拉強度擬合曲線如圖2(b)所示。所得曲線方程為：y=502.44×e(-x/7.36)+0.91，R2=0.99>0.9，吸附砂漿含量與劈裂抗拉強度之間具有較好相關性。以NAC為基準混凝土，由圖2(a)可看出隨著吸附砂漿含量的增加，混凝土的劈裂抗拉強度逐漸降低。這是由于再生混凝土由再生粗骨料與舊砂漿組成的架構層和新硬化的砂漿層及兩者之間的界面過渡層組成，而該界面過渡層是混凝土結構中最薄弱的區(qū)域[17]。再生粗骨料吸附砂漿自身的力學特性決定原界面過渡區(qū)的力學特性，新砂漿和吸附砂漿共同的力學特性決定了新界面過渡區(qū)的力學特性。相比于基準混凝土，再生混凝土的界面過渡區(qū)更廣，使得再生混凝土傳遞應力的能力比基準混凝土傳遞應力的能力差，導致再生混凝土的力學性能低于基準混凝土。

圖2 (a)天然和再生混凝土劈裂抗拉強度；(b)吸附砂漿含量與再生混凝土劈裂抗拉強度擬合曲線Fig.2 (a) Splitting tensile strength of natural and recycled concrete; (b) fitting curve of adsorption mortar content and splitting tensile strength of recycled concrete

綜上所述，吸附砂漿為34.9%時，混凝土的抗壓強度與劈裂抗拉強度相比于基準混凝土分別下降0.3%和9.6%；吸附砂漿為38.6%時，混凝土的抗壓強度與劈裂抗拉強度相比于基準混凝土分別下降8.6%和40.5%;吸附砂漿大于38.6%時，混凝土的抗壓強度與劈裂抗拉強度相比于基準混凝土最多下降26%和62%。并且，隨著吸附砂漿含量的增加，再生混凝土的力學性能持續(xù)下降。

2.4 再生粗骨料混凝土抗氯離子滲透性

天然和再生混凝土氯離子侵蝕后的形貌圖如圖3所示，氯離子滲透深度及氯離子滲透系數(shù)見表4和表5。根據(jù)表4所示實驗結果可知，天然粗骨料混凝土在24 h的滲透深度為9.3 mm，而含吸附砂漿的再生粗骨料混凝土在8 h的滲透深度可達到10.7 mm，其抵抗氯離子滲透的能力明顯低于天然粗骨料混凝土。從表5可見，天然粗骨料混凝土的氯離子滲透系數(shù)僅為3.9×10-12m2/s，遠低于5種再生粗骨料混凝土的氯離子滲透系數(shù)。

表4 氯離子滲透深度Table 4 Chloride ion penetration depth

表5 氯離子滲透系數(shù)Table 5 Permeability coefficient of chloride ions

圖4 吸附砂漿含量與再生混凝土氯離子滲透系數(shù)擬合曲線Fig.4 Fitting curve of adsorption mortar content and chloride ion permeability coefficient of recycled concrete

將吸附砂漿含量與混凝土氯離子滲透系數(shù)進行擬合，擬合曲線如圖4所示。所得曲線方程為：y=-15.42+0.67x，R2=0.91>0.9，吸附砂漿含量與氯離子滲透系數(shù)之間具有較好相關性。由圖可以看出，隨著吸附砂漿含量的增加，混凝土的氯離子滲透系數(shù)逐漸增加。這是因為再生骨料表面含有吸附砂漿，其內部孔隙較多，質量明顯低于周圍新的砂漿，從而為氯離子的滲透創(chuàng)造了良好的條件。所以再生骨料的吸附砂漿含量越高，內部孔隙分布越集中，氯離子滲透系數(shù)越大。根據(jù)混凝土的抗氯離子侵入指標，吸附砂漿為34.9%時，混凝土的氯離子滲透系數(shù)為8.2×10-12m2/s<10×10-12m2/s，滿足設計使用年限為50年，作用等級為D的使用要求；吸附砂漿為38.6%時，混凝土的氯離子滲透系數(shù)為9.7×10-12m2/s<10×10-12m2/s，滿足設計使用年限為50年，作用等級為D的使用要求[18]。吸附砂漿含量大于38.6%時，混凝土的氯離子滲透系數(shù)大于規(guī)范的限定，不滿足使用要求。所以，34.9%～38.6%的吸附砂漿含量滿足不同氯化物環(huán)境等級下使用年限的要求。

2.5 再生粗骨料混凝土SEM分析

圖5 界面過渡區(qū)SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM images of interfacial transition zone

取滲透前后NAC與RAC4進行電鏡掃描，結果如圖5所示。通過對比圖5(a)和圖5(c)，發(fā)現(xiàn)天然骨料混凝土的骨膠界面比較清晰，骨料表面致密，和砂漿粘結較為緊密，砂漿表面的孔隙較少，而再生骨料表面粗糙有裂痕，界面比較模糊，砂漿表面有較多的微裂縫，孔隙密布。對比滲透試驗前后的電鏡圖可以觀察到，混凝土在進行滲透試驗后，界面處有較多微裂縫，且界面處砂漿較為疏松，說明氯離子滲透會破壞骨料和砂漿的粘結界面，從而降低混凝土的強度及其穩(wěn)定性。對比圖5(b)和圖5(d)，天然骨料混凝土界面處幾乎沒有微裂縫，而再生混凝土的界面處存在微裂縫且逐步蔓延到骨料內部，并且隨著吸附砂漿含量的增加，混凝土界面處的粘結越薄弱，內部的孔隙和裂縫越多，大量的孔隙加快氯離子在混凝土中的滲透，導致再生混凝土的抗氯離子滲透能力顯著下降。

3 結 論

(1)隨著再生粗骨料吸附砂漿含量的增多，混凝土界面處的粘結越來越薄弱，內部孔隙和裂縫增多，混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉強度逐漸降低，抗氯離子滲透的能力降低。

(2)吸附砂漿含量為34.9%～38.6%時，再生粗骨料混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉強度仍與天然骨料混凝土相近，抗氯離子滲透性滿足設計使用年限50年，環(huán)境作用等級為D的氯化物環(huán)境下的要求。吸附砂漿含量大于38.6%時，再生粗骨料混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉強度相較于天然骨料混凝土分別下降26%和62%，氯離子滲透系數(shù)大于10×10-12m2/s，不滿足規(guī)范的使用要求。所以，再生粗骨料混凝土具有良好力學性能且滿足不同氯化物環(huán)境等級下使用年限的吸附砂漿含量為34.9%～38.6%。