趙丙晨 王云洋,2＊ 肖磊 黎滔 蔣楚 楊光 李夢 唐響亮 陳海燕 胡軒浙

（1湖南文理學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，湖南 常德415000；2洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)與發(fā)展湖南省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 常德 415000；3湖南文理學(xué)院芙蓉學(xué)院，湖南 常德 415000）

0 引言

自密實(shí)混凝土通過對(duì)骨料、膠凝材料、細(xì)摻料和外加劑等組成成分的合理選擇與搭配，減小新拌混凝土的屈服應(yīng)力，使混凝土拌合物具有良好的流動(dòng)性，能夠在自身重力作用下流平并填充滿模型，不泌水、不離析，可避免普通混凝土由振搗不充分導(dǎo)致的蜂窩、麻面和內(nèi)部空洞等問題。20世紀(jì)80年中期開始，日本東京大學(xué)的岡村甫教授開始研究“不需要振搗的高耐久性混凝土”[1-2]。自密實(shí)混凝土比較合理地解決了混凝土流動(dòng)性與抗離析性之間的矛盾，提高了新拌混凝土通過間隙的能力和填充能力。自密實(shí)混凝土能夠避免施工過程中由于人工振搗不均勻帶來的影響，所以自密實(shí)混凝土在硬化后具有良好的力學(xué)性能和耐久性能。自密實(shí)混凝土技術(shù)也因而被稱為“近幾十年中混凝土建筑技術(shù)最具革命性的發(fā)展”[3-4]。

我國建筑廢棄物的數(shù)量已經(jīng)占到城市垃圾總量的30%～40%，目前主要采取填埋方式進(jìn)行處置，轉(zhuǎn)移和運(yùn)輸建筑廢棄物不僅需要消耗大量的人力、物力和財(cái)力，還需要較大的填埋面積。因此，對(duì)建筑廢棄物就地回收再利用是較為合理的方法[5-6]。

再生混凝土骨料是將廢棄混凝土經(jīng)過清洗、破碎、分級(jí)和按一定比例混合后得到的。循環(huán)利用廢棄混凝土破碎作為再生混凝土骨料，既能解決天然骨料資源緊缺的問題，還能解決城市廢棄物的堆放、占地和環(huán)境污染等問題，具有顯著的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益，同時(shí)對(duì)城市的可持續(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)的意義，是實(shí)現(xiàn)建筑、資源、環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要措施之一。日本、美國、歐洲等國家于20世紀(jì)中期就開始再生混凝土的研究和開發(fā)利用工作，但我國的研究起步較晚，國內(nèi)一些專家學(xué)者對(duì)再生混凝土的性能做了初步研究[7-12]。

自密實(shí)再生混凝土技術(shù)是將自密實(shí)混凝土和再生骨料結(jié)合起來，既可以對(duì)廢棄混凝土進(jìn)行循環(huán)利用，又能對(duì)混凝土的工作性能起到提高作用，在節(jié)約自然資源、保護(hù)生態(tài)環(huán)境以及實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展方面具有重要意義[13-14]。

表1 C40自密實(shí)再生混凝土配合比及編號(hào)Tab.1 Mix of C40 self-compacting recycled concrete and numbers

表2 C40自密實(shí)再生混凝土參數(shù)值Tab.2 Parameter values of C40 self-compacting recycled concrete

目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)利用再生骨料替代天然骨料配制自密實(shí)再生混凝土進(jìn)行了探索，并對(duì)自密實(shí)再生混凝土的基本力學(xué)性能進(jìn)行了研究。Gesoglu等[15]的研究表明，再生骨料替代天然骨料制備得到的自密實(shí)再生混凝土，其抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、靜態(tài)彈性模量和抗彎強(qiáng)度低于采用普通骨料制備得到的自密實(shí)混凝土。Tang等[16]研究了再生骨料替代率為25%、50%、75%和100%時(shí)的自密實(shí)再生混凝土的工作性能、強(qiáng)度和斷裂能，結(jié)果表明，當(dāng)再生骨料替代率為25%和50%時(shí)，再生骨料對(duì)自密實(shí)再生混凝土的工作性能、強(qiáng)度和斷裂能沒有影響。賈艷東等[17]的研究表明，自密實(shí)再生混凝土的強(qiáng)度和彈性模量均低于普通自密實(shí)混凝土。

相比普通骨料，再生骨料的表觀密度和堆積密度偏低。同時(shí)，再生骨料的密度與強(qiáng)度均與原生混凝土強(qiáng)度相關(guān)。再生混凝土的吸水率和壓碎指標(biāo)較高。再生粗骨料越多，骨料粒徑越小，再生混凝土的劈拉強(qiáng)度越低[18-20]。再生骨料是經(jīng)過廢棄混凝土破碎得到的，廢棄混凝土在破碎過程中受到了一定程度的損傷，相較于天然骨料，再生骨料的孔隙率高、吸水率高，在骨料外部還附著了一層砂漿，可能導(dǎo)致再生混凝土在性能上存在一定缺陷[21]。以上特點(diǎn)導(dǎo)致了自密實(shí)再生混凝土的設(shè)計(jì)與普通混凝土存在差別。

目前關(guān)于自密實(shí)再生混凝土的研究還較少，自密實(shí)再生混凝土從試驗(yàn)研究到工程應(yīng)用還有許多工作要做。由于自密實(shí)再生混凝土自身特點(diǎn)，例如膠凝材料的用量較大、砂率和減水劑的摻量較高等，與普通混凝土配合比設(shè)計(jì)存在一定的差異。我國在自密實(shí)再生混凝土的配制技術(shù)方面取得了一定的進(jìn)步，但基本靠經(jīng)驗(yàn)得出，沒有形成統(tǒng)一的自密實(shí)再生混凝土配合比設(shè)計(jì)方法。相比于普通混凝土，自密實(shí)再生混凝土對(duì)原材料的要求較高，而混凝土的原材料具有地域性，不同地區(qū)的原材料在組成和性能方面存在一定的差異。因此，根據(jù)原材料的實(shí)際情況開展自密實(shí)再生混凝土的研究具有重要意義。本文根據(jù)余志武建議的自密實(shí)混凝土的計(jì)算法[22]，采用再生粗骨料替代天然粗骨料配制C40自密實(shí)再生混凝土，并對(duì)其新拌混凝土的性能及28天立方體抗壓強(qiáng)度進(jìn)行研究，為實(shí)現(xiàn)C40自密實(shí)再生混凝土的工程應(yīng)用提供理論支持。

1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)原材料包括水泥、砂、再生粗骨料、粉煤灰、減水劑和水。采用渤海牌42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥。細(xì)骨料采用河砂，表觀密度為2.67g/cm3，堆積密度為1.56g/cm3，孔隙率為41.8%，細(xì)度模數(shù)為2.46，含泥量為3.0%，屬II區(qū)中砂。將混凝土路面改造的廢棄混凝土，經(jīng)過破碎、篩分和清洗后得到粒徑為5～20mm的再生粗骨料，按照《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[23]測試，壓碎指標(biāo)為18.1%，含泥量為0.2%，表觀密度為2.6g/cm3，堆積密度為1.4g/cm3，孔隙率為48%。采用II級(jí)粉煤灰，表觀密度為2.2g/cm3。采用聚羧酸高效減水劑，減水率達(dá)30%以上。拌和水采用普通自來水。

2 配合比設(shè)計(jì)

對(duì)C40自密實(shí)再生混凝土的配合比進(jìn)行了計(jì)算，粉煤灰摻量取膠凝材料體積的30%[2]，C40自密實(shí)再生混凝土的配合比及其編號(hào)如表1所示，相關(guān)參數(shù)值見表2。其中，編號(hào)N組為自密實(shí)普通混凝土，作為對(duì)比組，其余各組R1、R2和R3為自密實(shí)再生混凝土。由于再生粗骨料吸水率較大，會(huì)對(duì)混凝土性能產(chǎn)生影響，為避免這種不利影響，文中的再生粗骨料在配制混凝土前均泡水24小時(shí)，并晾干至飽和面干狀態(tài)[11]。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 新拌混凝土的工作性能

根據(jù)《自密實(shí)混凝土設(shè)計(jì)與施工指南》[24]中的方法，對(duì)表1中四組C40自密實(shí)混凝土的新拌混凝土的工作性能進(jìn)行了測試，坍落度擴(kuò)展度測試如圖1所示，結(jié)果見表3。

從表2可以看出，新拌自密實(shí)再生混凝土的漿體體積介于0.352～0.414m3/m3之間，砂率為50%左右，對(duì)應(yīng)的α、β取值范圍分別為0.55～0.6 和0.41～0.48。相比于N組的普通自密實(shí)混凝土，R1、R2和R3組自密實(shí)再生混凝土的砂漿體積和漿體體積偏低，砂率偏高。

從表3可以看出，四組新拌自密實(shí)再生混凝土的坍落度范圍為233～245mm，坍落度擴(kuò)展度范圍為567～612mm，T500介于8～13s，中邊差范圍為45～67mm。相比于N組的普通自密實(shí)混凝土，R1、R2和R3組自密實(shí)再生混凝土的坍落度偏低，總體來看，坍落度、T500、中邊差、坍落度擴(kuò)展度差別不大。各組新拌混凝土的流動(dòng)性、粘聚性和保水性均較好。

圖1 坍落度擴(kuò)展度測試Fig.1 Photograph on slump expansion degree testing

表3 新拌混凝土的工作性能Tab.3 Working performance of fresh concrete

可以通過擴(kuò)展度試驗(yàn)分析自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性，測試的主要參數(shù)包括混凝土流到500mm需要的時(shí)間T500；混凝土停止流動(dòng)后2個(gè)互相垂直方向的直徑，計(jì)算出平均值為坍落度擴(kuò)展度；混凝土擴(kuò)展后的形狀越接近圓形越均勻，變形能力越強(qiáng)，在不產(chǎn)生離析時(shí)，混凝土的直徑越大，通過間隙的能力越強(qiáng)。坍落度擴(kuò)展度可以表征混凝土克服屈服應(yīng)力與黏度后的流動(dòng)狀態(tài)，屈服值越大，擴(kuò)展度越小。T500可以反映混凝土的塑性黏度。中邊差可以反映粗骨料在砂漿中懸浮流動(dòng)的能力、抗分離能力和穩(wěn)定性[25]。

屈服應(yīng)力τ0和塑性黏度η可以表征新拌自密實(shí)混凝土的流變性能。屈服應(yīng)力是混凝土開始或停止流動(dòng)的參數(shù)，與混凝土的填充性能直接相關(guān)。塑性黏度可以反映新拌混凝土的黏聚性和內(nèi)聚力[26]。日本學(xué)者村田二郎的研究表明，新拌混凝土坍落度與屈服應(yīng)力之間滿足如式（1）所示理論關(guān)系[26]。

式中：

H—坍落度筒高，300mm；

h0—混凝土錐體不變形區(qū)段的高度，mm；

ρ—新拌混凝土密度，kg/m3；

S—坍落度，mm。

Sedran等[27]得出了新拌混凝土坍落度擴(kuò)展度與屈服應(yīng)力之間的理論關(guān)系，如式（2）所示。

式中：

g—重力加速度，m/s2；

SF—坍落度擴(kuò)展度，mm；

ρ—拌合物的密度，kg/m3。

由式（1）和（2）可知，屈服應(yīng)力與坍落度及坍落度擴(kuò)展度之間呈負(fù)相關(guān)性，因而坍落度及坍落度擴(kuò)展度越大，新拌混凝土的屈服應(yīng)力越小。由表3可知，坍落度最大為N組，其余由大到小依次為R1、R2、R3組。而坍落度擴(kuò)展度最大為R3組，其余由大到小依次為N、R2、R1組。分析可知，坍落度與坍落度擴(kuò)展度表現(xiàn)出不一致的變化規(guī)律，由表1可見R1、R2、R3組中再生骨料的量先增加后減少，同時(shí)由表2可見N、R1、R2和R3組的砂漿體積及漿體體積均是先減小后增大。由于再生骨料吸水性大，在制備混凝土前進(jìn)行了泡水處理，并晾干至飽和面干狀態(tài)，可能是由于再生骨料含量、砂漿體積及漿體體積不同導(dǎo)致了N、R1、R2及R3組的屈服應(yīng)力與坍落度及坍落度擴(kuò)展度之間的規(guī)律不能嚴(yán)格同時(shí)滿足式（1）和（2）。

R.Zerbino等[28]的研究表明，T500與塑性黏度之間符合式（3）所示關(guān)系。

式中：T500——擴(kuò)展度達(dá)到500mm所用的時(shí)間，s。

根據(jù)式（3）可知，塑性粘度與T500之間呈正相關(guān)性，由表3可知，從N組到R2組，T500逐漸增大，R3組降低，反映了N、R1、R2、R3組的塑性粘度先增大后減小。根據(jù)表2數(shù)據(jù)，N、R1、R2組中的再生骨料摻量逐漸增加，R3組降低。由表2可知，N、R1、R2組中的砂漿體積和漿體體積逐漸減少，R3組增加，反映了塑性粘度與砂漿體積和漿體體積之間呈負(fù)相關(guān)性。

3.2 立方體抗壓強(qiáng)度

四組配合比的混凝土各制作3個(gè)150mm×150mm×150mm立方體試塊，將制作好的立方體試塊養(yǎng)護(hù)28天，測試其強(qiáng)度，測試方法遵循《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[29]，測試如圖2所示，結(jié)果見表4。

從表4可以看出，C40自密實(shí)再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度介于38.3～46.2MPa之間，均滿足C40混凝土立方體抗壓強(qiáng)度要求，表明采用再生粗骨料能夠制備出C40自密實(shí)混凝土。R1、R2和R3組自密實(shí)再生混凝土的強(qiáng)度均低于N組普通自密實(shí)混凝土，降低幅度分別為17.1%、4.3%和2.4%，且降低幅度基本與再生骨料的含量正相關(guān)。主要原因包括：再生骨料內(nèi)部及表面新舊砂漿結(jié)合面影響混凝土強(qiáng)度；再生骨料強(qiáng)度低于普通骨料；再生骨料在破碎的過程中受到擠壓、撞擊等作用，內(nèi)部及表面產(chǎn)生缺陷和微裂紋。

圖2 立方體抗壓強(qiáng)度測試Fig.2 Testing on cube compressive strength of concrete

表4 C40自密實(shí)再生混凝土28天立方體抗壓強(qiáng)度Tab.4 28d cubic compressive strength of C40 selfcompacting recycled concrete

2017年，向星赟等[30]研究了再生骨料替代率分別為50%和100%時(shí)的自密實(shí)再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度，結(jié)果表明，相對(duì)于普通自密實(shí)混凝土分別降低了7.1%和15.5%，研究認(rèn)為，自密實(shí)再生混凝土強(qiáng)度降低的主要原因包括兩方面，一是部分再生粗骨料表面包裹著舊水泥砂漿，影響再生粗骨料與新水泥石基體的粘結(jié)；二是再生粗骨料的內(nèi)部和表面存在大量微裂紋或其他缺陷。2019年，趙志青等[31]研究了再生骨料取代率分別為25%、50%、75%和100%的再生混凝土的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果表明，相對(duì)于普通混凝土分別降低了8.0%、14.0%、19.6%和26.2%，研究認(rèn)為，再生骨料表面有較多的微損傷，導(dǎo)致受壓應(yīng)力有所降低。2019年，Nili Mahmoud等[32]研究表明，粗骨料全部采用再生骨料的自密實(shí)再生混凝土的強(qiáng)度相對(duì)于普通自密實(shí)混凝土降低了30.7%，研究認(rèn)為強(qiáng)度降低的主要原因?yàn)樵偕橇系母呖紫堵剩约霸偕橇虾蜕皾{之間的粘結(jié)比較薄弱。2020年，Saif I.Mohammed等[33]研究表明，再生骨料取代率分別為25%、62.5%和100%的再生混凝土強(qiáng)度降低分別為3.5%、10.5%和31.6%，研究認(rèn)為這是由于再生骨料強(qiáng)度低于普通骨料，同時(shí)再生骨料與新砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度減弱。

4 結(jié)論

采用再生粗骨料對(duì)C40自密實(shí)再生混凝土的配合比進(jìn)行了設(shè)計(jì)，測試新拌混凝土的性能和28天立方體抗壓強(qiáng)度，并對(duì)再生骨料對(duì)自密實(shí)再生混凝土性能的影響機(jī)理進(jìn)行了探討，主要結(jié)論如下：

1）C40 自密實(shí)再生混凝土的漿體體積介于0.352～0.414m3/m3之間，砂率為50%左右時(shí)，對(duì)應(yīng)新拌混凝土的坍落度和坍落度擴(kuò)展度范圍分別為233～245mm和567～612mm，新拌混凝土的流動(dòng)性、粘聚性和保水性均較好。

2）C40自密實(shí)再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度范圍介于38.3～46.2MPa之間，滿足C40混凝土強(qiáng)度要求，表明采用再生粗骨料可以配制出工作性良好、強(qiáng)度符合要求的C40自密實(shí)再生混凝土。