段珍華， 江山山， 肖建莊， 侯少丹， 陳祥磊

(1.同濟(jì)大學(xué) 建筑工程系, 上海 200092;2.同濟(jì)大學(xué) 工程結(jié)構(gòu)性能演化與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200092)

目前，國內(nèi)外研究人員已經(jīng)針對(duì)再生混凝土開展了大量的研究[1-2]，主要集中在力學(xué)性能、變形性能和耐久性能等方面.考慮到再生粗骨料較高的孔隙率、吸水率和較低的表觀密度[3]，由其制備的再生混凝土在施工時(shí)必會(huì)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn).

對(duì)再生粗骨料進(jìn)行預(yù)處理，可以有效改善再生混凝土的各項(xiàng)性能.許多研究人員建議對(duì)再生粗骨料進(jìn)行預(yù)飽水處理以減少骨料和水泥漿之間的水分交換[4]，但飽和面干狀態(tài)的再生粗骨料存在水分從骨料內(nèi)部轉(zhuǎn)移到水泥漿中的“滲出”風(fēng)險(xiǎn)，可能會(huì)改變?cè)偕止橇虾退酀{之間界面過渡區(qū)的水膠比，進(jìn)而影響?zhàn)そY(jié)強(qiáng)度[5].Ferreira等[6]調(diào)查了預(yù)吸水與附加水工藝下再生粗骨料對(duì)混凝土工作性能的影響，發(fā)現(xiàn)2種工藝都能改善再生混凝土的工作性能，且后者還有利于提高其強(qiáng)度.Brand等[7]發(fā)現(xiàn)在有效水膠比一致的情況下，相較于飽和面干狀態(tài)再生粗骨料，干燥狀態(tài)再生粗骨料制備的再生混凝土表現(xiàn)出較高的初始坍落度.而De Oliveira等[8]的試驗(yàn)結(jié)果表明，干燥狀態(tài)和飽和面干狀態(tài)再生粗骨料制備的再生混凝土，在強(qiáng)度和抗凍融性方面均差于普通混凝土，且后者的抗彎強(qiáng)度下降尤為顯著.

工作性能作為新拌混凝土的重要性能之一，直接影響硬化后材料的抗壓強(qiáng)度以及耐久性.隨著高性能混凝土的迅速發(fā)展，工作性能常規(guī)經(jīng)驗(yàn)測(cè)試方法難以對(duì)其進(jìn)行有效評(píng)估.當(dāng)前流變性能被認(rèn)為是表征混凝土工作性能的最理想方法[9].相較于傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)測(cè)試方法，流變性能測(cè)試能夠從機(jī)理方面更加科學(xué)、全面地表征新拌混凝土材料的工作性能.

本文研究了再生粗骨料含水狀態(tài)對(duì)混凝土常規(guī)工作性能、流變性能、力學(xué)性能和耐久性能的影響，并揭示了其作用機(jī)理.

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

水泥為42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，其化學(xué)組成(1)文中涉及的組成、水膠比等均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比.列于表1.細(xì)骨料為Ⅱ區(qū)河砂，級(jí)配良好，細(xì)度模數(shù)為2.5，符合GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》的要求.再生粗骨料(RCA)來自上海某建筑固廢資源化工廠，粒徑分別為4.75～10mm和10～20mm，按質(zhì)量比1∶2混合，混合后其級(jí)配符合JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的要求，天然粗骨料(NCA)來源于碎石，NCA和RCA的物理性能按照GB/T 14685—2011《建筑用卵石、碎石》進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見表2.減水劑采用聚羧酸高效減水劑，固含量為20%.混凝土配合比見表3.

表1 水泥化學(xué)組成

表2 骨料的物理性能

表3 混凝土配合比

1.2 配合比設(shè)計(jì)

筆者前期研究[10]發(fā)現(xiàn)，高品質(zhì)RCA對(duì)混凝土性能的不利影響較小.為深入考察RCA對(duì)結(jié)構(gòu)混凝土的性能影響，基準(zhǔn)組設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C45，水膠比取0.36，粗骨料使用天然碎石，作為對(duì)照組，標(biāo)記為NC.在此基礎(chǔ)上，共設(shè)計(jì)了3組再生混凝土(RC)，其水膠比和膠凝材料用量與對(duì)照組一致，采用不同含水狀態(tài)的RCA全部取代NCA(以體積分?jǐn)?shù)計(jì))，所制備的混凝土分別標(biāo)記為RC1、RC2和RC3，其中RCA的含水狀態(tài)分別設(shè)定在絕干(含水率為0%)、氣干(含水率約為飽和面干吸水率的50%)和飽和面干(飽和面干吸水率)狀態(tài)，附加水用量根據(jù)骨料的含水狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整.混凝土配合比詳見表3.為了探究新拌混凝土常規(guī)工作性能和流變性能隨時(shí)間的變化規(guī)律，通過調(diào)整減水劑用量將各組混凝土的初始坍落度均控制在(200±10)mm范圍內(nèi).

1.3 測(cè)試方法

參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)新拌混凝土進(jìn)行常規(guī)工作性能測(cè)試，包括坍落度和擴(kuò)展度及其經(jīng)時(shí)變化(0、15、30、45min).

使用ICAR流變儀對(duì)新拌混凝土進(jìn)行流變性能測(cè)試以獲取流變參數(shù)(包括靜態(tài)屈服應(yīng)力、動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力和塑性黏度)以及流變參數(shù)隨時(shí)間(0、15、30、45min)的變化規(guī)律.流變儀的葉片半徑為63.5mm，高度為127mm，流變筒的容量為20L，靜態(tài)屈服應(yīng)力測(cè)試時(shí)，控制葉片的轉(zhuǎn)速為0.025r/s，持續(xù)時(shí)間為60s；動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力和塑性黏度測(cè)試時(shí)葉片的轉(zhuǎn)速由0.5r/s逐漸降低到0.05r/s，共采集7個(gè)點(diǎn)的扭矩和轉(zhuǎn)速.

參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，分別澆筑3組100×100×100mm和150×150×300mm的試件，試件成型1d后脫模并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，分別用于測(cè)試7、28d抗壓強(qiáng)度和28d軸心抗壓強(qiáng)度，測(cè)試中加載速率控制為0.3MPa/s；同時(shí)參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，澆筑2組試件用于再生混凝土抗氯離子滲透性能測(cè)試，養(yǎng)護(hù)齡期為28d，其中一組采用電通量測(cè)試方法，另外一組采用快速氯離子遷移測(cè)試方法.

2 結(jié)果與分析

2.1 再生粗骨料吸水時(shí)變規(guī)律

利用靜水天平可以獲取絕干狀態(tài)下的RCA吸水時(shí)變曲線，如圖1所示.由圖1可見：絕干狀態(tài)下的RCA遇水后，吸水速率極快，15s后其含水率就已達(dá)到了其飽和面干吸水率的46.7%；但其吸水速率隨時(shí)間的推移迅速下降，5min時(shí)其含水率僅增加了約17.1%.這表明RCA的含水率越低，其吸水速率就越快，且隨含水率增加而迅速下降，當(dāng)RCA的含水率達(dá)到其飽和面干吸水率的70%左右時(shí)，其吸水速率趨于平緩.由此可見，絕干狀態(tài)下的RCA在加入到拌和物中時(shí)，其吸水速率非?？?

圖1 絕干狀態(tài)下的RCA吸水時(shí)變曲線

2.2 常規(guī)工作性能

新拌混凝土坍落度經(jīng)時(shí)變化和減水劑用量(wSP)如圖2所示.由圖2可知，NC組減水劑的用量最多，RC組減水劑的用量相對(duì)較少.這是由于RC1和RC2組中附加水的存在導(dǎo)致其拌和物中游離態(tài)的水要明顯多于NC組，從而降低了對(duì)減水劑的需求，尤其是RC1組，其減水劑的用量最少.RC3組采用的RCA預(yù)先在水中浸泡了24h，達(dá)到飽和面干狀態(tài)，表面潤(rùn)滑且附著的灰塵顆粒基本上被清洗掉，骨料間摩擦力同樣得到降低，對(duì)減水劑的需求也相應(yīng)減少.由此可知，再生粗骨料的初始含水狀態(tài)對(duì)新拌混凝土的減水劑用量有較大的影響.

圖2 新拌混凝土坍落度經(jīng)時(shí)變化和減水劑用量

圖3展示了新拌混凝土擴(kuò)展度隨時(shí)間的變化.由圖2、3可知：NC組的坍落度和擴(kuò)展度經(jīng)時(shí)損失均明顯小于再生混凝土組.靜置45min后再攪拌，NC組的坍落度和擴(kuò)展度分別為190、385mm，損失很小，能夠保持較好的流動(dòng)性.但再生混凝土組拌和物的坍落度經(jīng)時(shí)損失較嚴(yán)重，其中RC3組45min后的坍落度損失最大，達(dá)69%，這是由于再生混凝土拌和物中的自由水和減水劑隨時(shí)間推移不斷被再生粗骨料上附著的老砂漿吸收，使得拌和物中自由水和有效減水劑濃度降低，導(dǎo)致其工作性能迅速損失.其中，由于RC1組中RCA的初始含水率為0%，其吸水速率較快，從而導(dǎo)致該組的工作性能損失高于RC2組.對(duì)于RC3組，因?yàn)轱柡兔娓蔂顟B(tài)下的RCA與拌和物之間可能存在水分傳輸?shù)默F(xiàn)象，導(dǎo)致有效減水劑濃度降低，進(jìn)而加速了工作性能損失.通過不同RC組的坍落度經(jīng)時(shí)損失對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，RC2組坍落度的損失情況較RC1和RC3組要好，說明相較于絕干與飽和面干狀態(tài)，氣干狀態(tài)下的RCA對(duì)新拌混凝土坍落度的保持可能會(huì)產(chǎn)生更加有利的影響.

2.3 流變性能

圖4為新拌混凝土靜態(tài)屈服應(yīng)力隨時(shí)間的變化.由圖4可知：NC組靜態(tài)屈服應(yīng)力隨時(shí)間勻速增長(zhǎng)，RC3組靜態(tài)屈服應(yīng)力值增長(zhǎng)最慢.就靜態(tài)屈服應(yīng)力而言，RC3組的流變性能要比NC組好，其原因有兩點(diǎn)：首先，RC3組RCA在水中浸泡了24h 后，其表面的灰塵被除去并且表面得到潤(rùn)滑，從而減小了骨料間的摩擦力，使得其靜態(tài)屈服應(yīng)力減小；其次，飽和面干狀態(tài)下的RCA在拌和物中可能存在水分從骨料內(nèi)部滲出的現(xiàn)象，此時(shí)RCA表面附著老砂漿的水膠比較大，相當(dāng)于再生粗骨料表面得到潤(rùn)滑，減小了靜態(tài)屈服應(yīng)力.RC1組的靜態(tài)屈服應(yīng)力值比NC組小，特別是在攪拌后的30min 內(nèi)，RC1組靜態(tài)屈服應(yīng)力的增長(zhǎng)低于NC組，這是因?yàn)楦郊铀拇嬖谠龃罅税韬臀镏杏坞x態(tài)水的含量，但隨著這些附加水被再生粗骨料所吸收，其靜態(tài)屈服應(yīng)力值會(huì)迅速增大，如RC1和RC2組靜態(tài)屈服應(yīng)力值在45min時(shí)比30min時(shí)分別增大了81%、70%.雖然RC2組拌和物中游離態(tài)的水也比NC組多，但是RCA表面較粗糙，其摩擦力要比天然粗骨料大，這會(huì)顯著影響新拌混凝土的流變性能，從而使得RC2組的靜態(tài)屈服應(yīng)力值比NC組大.

圖4 新拌混凝土靜態(tài)屈服應(yīng)力隨時(shí)間的變化

圖5顯示了新拌混凝土動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力隨時(shí)間的變化.由圖5可知：NC組動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力值最小且增長(zhǎng)緩慢，說明其流變性能損失較少；在3組再生混凝土中，RC2組的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力增長(zhǎng)最慢，RC1組的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力增長(zhǎng)最快，結(jié)合坍落度測(cè)試結(jié)果(見圖2)，較快的吸水速率導(dǎo)致RC1組動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力增長(zhǎng)最快，老砂漿對(duì)減水劑的吸附導(dǎo)致RC3組動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力增長(zhǎng)高于RC2組.這說明RCA的加入會(huì)增大新拌混凝土的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力，其含水狀態(tài)對(duì)拌和物動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力的增長(zhǎng)影響較大.相對(duì)于氣干狀態(tài)，絕干與飽和面干狀態(tài)下的RCA對(duì)新拌混凝土動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力產(chǎn)生的影響更為顯著.值得注意的是，RC1組和RC3組在15min內(nèi)動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力的增長(zhǎng)并不顯著，然而在15min之后，特別是30～45min內(nèi)，RC1組動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力的增長(zhǎng)最明顯，這與RCA的吸水時(shí)變規(guī)律相反.

圖5 新拌混凝土動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力隨時(shí)間的變化

新拌混凝土塑性黏度隨時(shí)間的變化如圖6所示.由圖6可知，RC1和RC3組塑性黏度均小于NC組，且增長(zhǎng)緩慢.說明盡管NC組和RC組具有相似的初始坍落度，其塑性黏度仍存在較大的差異.這是因?yàn)樗苄责ざ戎饕軡{體中水泥分子間引力影響，由于RC1和RC2組附加水的存在以及RC3組骨料表面滲出水的存在，導(dǎo)致初始狀態(tài)時(shí)RC組中水泥分子間的距離較大，引力較小，進(jìn)而使得其塑性黏度低于NC組.隨著時(shí)間的推移，水泥顆粒產(chǎn)生絮凝進(jìn)而開始水化，使得水泥分子間引力更大，因而新拌混凝土塑性黏度隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而增大.值得注意的是，RC2組在15～45min內(nèi)的塑性黏度顯著增長(zhǎng)，并且高于NC組，根據(jù)前述分析，RC2組拌和物的減水劑用量在3組再生混凝土中最高，因此RC2組水泥顆粒更為分散，水泥在早期的水化更充分，水化產(chǎn)物之間的相互作用增大了塑性黏度.

圖6 新拌混凝土塑性黏度隨時(shí)間的變化

2.4 抗壓強(qiáng)度

混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度如圖7所示.由圖7可見：由于RCA較低的表觀密度和老砂漿的存在，導(dǎo)致再生混凝土的抗壓強(qiáng)度均低于普通混凝土；RC1和RC3組混凝土各齡期的抗壓強(qiáng)度均小于RC2組，反映了絕干與飽和面干狀態(tài)下的RCA對(duì)再生混凝土抗壓強(qiáng)度的不利影響要大于氣干狀態(tài)下的RCA.RC1組中的附加水用量顯著高于RC2組，混凝土硬化時(shí)，RC1組的有效水膠比較高，從而導(dǎo)致其抗壓強(qiáng)度低于RC2組；對(duì)于RC3組，如前所述，吸水飽和的RCA會(huì)存在老砂漿中的水分滲出現(xiàn)象，引起界面過渡區(qū)砂漿的水膠比增大，從而導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度較低.RC2組更高的早期強(qiáng)度也驗(yàn)證了前述分析中其早期水化更充分的結(jié)論.由圖7還可知：RC2組混凝土28d抗壓強(qiáng)度較7d時(shí)增長(zhǎng)了12.0MPa，與NC組混凝土抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)幅度(11.3MPa)大致相同；RC1組混凝土7d抗壓強(qiáng)度最低，但其增長(zhǎng)速率最快，遠(yuǎn)超過其他各組，說明在7d時(shí)，RC1組混凝土中仍存在大量附加水未被RCA吸收，使得其有效水膠比較高，但在其強(qiáng)度增長(zhǎng)過程中，這些附加水不斷被再生粗骨料吸收，從而增大了有效水膠比，最終使得RC1組混凝土的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)較快；而RC3組混凝土抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)速率最慢，因?yàn)樵谄鋸?qiáng)度增長(zhǎng)過程中，一部分水從RCA的孔隙中滲出，從而增大了界面過渡區(qū)砂漿的水膠比，影響了其強(qiáng)度的增長(zhǎng).

圖7 各齡期混凝土抗壓強(qiáng)度

2.5 電通量與氯離子擴(kuò)散系數(shù)

圖8給出了混凝土28d電通量與氯離子擴(kuò)散系數(shù)D.由圖8可知，RC組的電通量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)均高出NC組很多，這說明了RCA會(huì)對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能產(chǎn)生不利影響.其原因有兩點(diǎn)：其一，由于附著老砂漿的存在，RCA具有比天然粗骨料更高的孔隙率；其二，在養(yǎng)護(hù)過程中，RC1和RC2組混凝土中的附加水會(huì)被未飽和的再生粗骨料吸收，而RC3組混凝土中一部分水會(huì)從已飽和的RCA中滲出，這種水分的傳輸過程會(huì)在混凝土結(jié)構(gòu)中形成更多的孔隙，從而使其抗氯離子滲透性能下降.此外，RC3組的電通量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)高于其他各組，這是因?yàn)樗z比較高的新老砂漿界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)不夠密實(shí)，會(huì)形成離子的傳輸通道.這也表明飽和面干狀態(tài)下的RCA會(huì)對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能產(chǎn)生非常不利的影響.

圖8 混凝土28d電通量與氯離子擴(kuò)散系數(shù)

3 結(jié)論

(1)再生粗骨料的含水率越低，其吸水速率就越快，且吸水速率隨著含水狀態(tài)的增加而迅速下降，再生粗骨料的吸水時(shí)變規(guī)律與混凝土的工作性能時(shí)變規(guī)律具有緊密聯(lián)系.

(2)再生粗骨料的含水狀態(tài)對(duì)新拌混凝土的流變性能及其經(jīng)時(shí)損失具有很大的影響，氣干狀態(tài)下的再生粗骨料對(duì)新拌混凝土工作性能的不利影響比絕干和飽和面干狀態(tài)下的再生粗骨料要小.

(3)用絕干與飽和面干狀態(tài)下的再生粗骨料制備再生混凝土?xí)r，其抗壓強(qiáng)度低于用氣干狀態(tài)下再生粗骨料制備的再生混凝土.當(dāng)用絕干狀態(tài)下的再生粗骨料制備再生混凝土?xí)r，其早期抗壓強(qiáng)度偏低，但其抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)較快；當(dāng)用飽和面干狀態(tài)下的再生粗骨料制備再生混凝土?xí)r，其抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢.

(4)與天然粗骨料混凝土相比，3種含水狀態(tài)下的再生粗骨料均會(huì)對(duì)再生混凝土抗氯離子滲透性能產(chǎn)生不利影響，尤其是飽和面干狀態(tài)下的再生粗骨料.