張獻蒙，劉 旭，柏 彬，彭 千，冀韋伊

(1.國網(wǎng)江蘇省電力工程咨詢有限公司，南京 210008；2.南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院，南京 210016)

0 引 言

世界上每年人均生產(chǎn)約1 t混凝土[1]，自然資源被過度開采的同時造成了嚴重的環(huán)境污染[2]。另外，隨著建筑廢棄物數(shù)量的不斷增長，可供堆放和填埋的場地日趨緊張[3]。因此，將建筑廢棄物破碎篩分制備再生粗骨料進行循環(huán)利用是保證建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑之一[4]。建筑廢棄物的破碎篩分是保證再生骨料質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。近年來，相關(guān)高校、再生資源利用企事業(yè)單位等開始致力于建筑廢棄物破碎篩分裝置的研發(fā)應(yīng)用。房懷英等[5]提出一種基于拋噴丸破碎廢棄混凝土制備高品質(zhì)再生骨料的裝置，該系統(tǒng)對水泥漿的分離效果好，可以提高再生骨料性能和回收利用率。方圣恩等[6]發(fā)明了一種綜合了破碎和研磨兩種功能的再生粗骨料制備裝置，所制備的再生粗骨料顆粒級配良好，附著的舊砂漿較少，并且凸出的棱角被打磨，更加接近于天然骨料。張強輝[7]發(fā)明了一種再生骨料破碎篩分清洗裝置，包括固定臺、傳輸部件、電磁部件、清洗部件、篩分部件和載料部件，安全系數(shù)高、篩分效果好，所制備的再生骨料雜質(zhì)含量少，質(zhì)量更加穩(wěn)定。破碎篩分裝置的研發(fā)應(yīng)用在技術(shù)層面保證了再生骨料實際工程中的推廣應(yīng)用。

在我國，絕大多數(shù)被拆除的低層和多層建筑主要由鋼筋混凝土梁柱和燒結(jié)粘土磚墻構(gòu)成。因此，由此類建筑垃圾破碎篩分得到的再生粗骨料是以混凝土再生粗骨料、再生碎磚粗骨料和少量的陶瓷瓦礫為主要成分的混合型再生粗骨料。目前，國內(nèi)外學(xué)者[8-13]對單一組分再生混凝土力學(xué)性能研究比較成熟，而對于混合型再生混凝土力學(xué)性能及耐久性研究相對較少。本文對混合型再生混凝土破壞形態(tài)進行分析，并研究碎磚含量對混合型再生混凝土抗壓強度、抗氯離子滲透性能、抗鹽凍性能的影響規(guī)律。

1 實 驗

1.1 原材料

1.1.1 粗、細骨料

試驗采用的再生混凝土粗骨料由南京首佳再生資源利用有限公司提供，再生碎磚粗骨料由廢舊粘土磚破碎篩分制備而成，細骨料為天然河砂。根據(jù)JGJ 52—2006[14]對粗、細骨料基本性能進行測試，粗骨料基本性能測試結(jié)果如表1所示，天然河砂細度模數(shù)為2.67，屬于中砂，表觀密度為2 614 kg/m3，含泥量為1.2%(質(zhì)量分數(shù))。

表1 粗骨料基本性能Table 1 Properties of coarse aggregate

1.1.2 水 泥

試驗所用水泥為海螺牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其成分和性能分別如表2和表3所示。

表2 水泥主要化學(xué)組分Table 2 Main chemical composition of cement

表3 水泥物理力學(xué)性能Table 3 Physical and mechanical properties of cement

1.1.3 水

試驗用水為自來水。

1.2 混凝土配合比設(shè)計

試驗一共設(shè)計三種不同的水灰比，共12組混合型再生粗骨料混凝土，混凝土配合比如表4所示。

RC1-0.48、RC5-0.58、RC1-0.68三組混凝土除水灰比不同外，其他配合比參數(shù)均相同，再生碎磚含量為18%；RC2-0.48、RC8-0.58、RC2-0.68三組混凝土同樣是除水灰比不同外，其他配合此參數(shù)均相同，再生碎磚粗骨料含量為30%(體積分數(shù))；上述六組混凝土用來研究水灰比對混合型再生混凝土立方體抗壓強度、抗氯離子滲透性能的影響，RC1-0.58～RC8-0.58八組混凝土中再生混凝土粗骨料和碎磚粗骨料用量不同，其他配合比參數(shù)均相同，用來研究混合型再生混凝土抗壓強度、抗氯離子滲透性能、抗鹽凍性能隨碎磚含量增加的變化規(guī)律。由于再生混凝土粗骨料和再生碎磚粗骨料吸水率較大，為保證混凝土工作性能滿足要求，在澆筑混凝土前兩種粗骨料需在水中浸泡1 h，然后用毛巾擦干骨料表面水分，使骨料處于飽和面干狀態(tài)。

每組混凝土澆筑的試塊數(shù)量、尺寸、用途及試驗方法如表5所示。

表5 試塊澆筑概況表Table 5 Pouring summary of concrete specimens

2 結(jié)果與討論

2.1 破壞過程與特征

圖1為立方體試塊破壞形態(tài)圖。加載初期，試塊表面無裂縫；加載至極限荷載1/3左右時，試塊表面開始出現(xiàn)細微裂縫；隨著加載繼續(xù)進行，裂縫向上下端角部延伸，可聽見試件受壓開裂的聲音；當裂縫貫穿試塊呈正倒相連的“八”字形時，荷載增速變緩，最終試件表面嚴重外鼓最終破壞，試件破壞形態(tài)呈正倒相連的錐子形。

混合型再生混凝土破壞過程類似于普通混凝土，均包括裂縫產(chǎn)生、裂縫受力發(fā)展、裂縫貫穿、試件破壞失效四個階段。但兩者仍存在不同之處：

(1)當混凝土中不含碎磚粗骨料時，混凝土在達到極限荷載破壞時會產(chǎn)生明顯的爆裂聲，破壞形式偏向于脆性破壞；隨著磚含量的增加，混凝土達到極限荷載時破壞過程變緩。

(2)由于粗骨料與砂漿之間的界面過渡區(qū)是混凝土最薄弱的環(huán)節(jié)，因此普通混凝土破壞多發(fā)生在界面過渡區(qū)。由圖1可以看出，混合型再生粗骨料受壓破壞后，天然粗骨料在骨料與砂漿之間的過渡區(qū)斷裂破壞，天然粗骨料仍保持其完整性，而再生碎磚粗骨料則是沿骨料內(nèi)部斷裂破壞。

圖1 立方體試塊破壞形態(tài)Fig.1 Failure mode of cube specimens

2.2 抗壓強度

水灰比為0.58時，混合型再生粗骨料混凝土抗壓強度隨再生碎磚粗骨料含量的變化規(guī)律如圖2所示。當混合型再生粗骨料混凝土中再生碎磚粗骨料含量為0%時，混凝土的抗壓強度為33.7 MPa；再生碎磚粗骨料含量為18%時，抗壓強度略微增加至34.6 MPa；當再生碎磚含量超過18%時，抗壓強度隨著再生碎磚粗骨料含量的增加呈不斷降低的趨勢。

圖2 抗壓強度與碎磚含量之間的關(guān)系Fig.2 Relationship between compressive strengthand brick content

再生碎磚粗骨料壓碎指標遠大于天然粗骨料和再生混凝土粗骨料。碎磚含量較低時，對混凝土強度的不利影響并不明顯，當碎磚含量超過18%時，碎磚含量對混凝土的不利影響便凸顯出來。由試件破壞時再生碎磚粗骨料被壓碎可以看出，對于混合型再生粗骨料混凝土，薄弱環(huán)節(jié)除了粗骨料與砂漿之間的界面過渡區(qū)，還有再生碎磚粗骨料本身。其次，再生混凝土粗骨料和再生碎磚粗骨料的吸水率分別是天然粗骨料的3.7倍和13.7倍，再生粗骨料在預(yù)浸泡處理時，再生碎磚粗骨料含量越大，吸收的水分越多，導(dǎo)致硬化后混凝土實際水灰比越來越大，造成混凝土抗壓強度降低。

當混合型再生粗骨料混凝土中再生碎磚粗骨料含量為18%和30%，水灰比分別為0.48、0.58和0.68時，混凝土抗壓強度與水灰比之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 抗壓強度與水灰比之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between water compressive strength and cement ratio

由圖3可以看出，混合型再生粗骨料混凝土抗壓強度隨著水灰比的增大而減小。混凝土RC5-0.58抗壓強度與RC1-0.48相比降低25%，混凝土RC1-0.68抗壓強度與RC5-0.58相比降低7.8%；混凝土RC8-0.58抗壓強度與RC2-0.48相比降低28%，混凝土RC2-0.68抗壓強度與RC8-0.58相比增加了1%。由此可見，無論碎磚再生粗骨料含量為18%還是30%，水灰比越高，再生碎磚粗骨料對混凝土抗壓強度的不利影響越?。恢饕怯捎谒冶仍礁?，水泥砂漿水化產(chǎn)物不能填滿骨料與砂漿之間界面過渡區(qū)的孔隙，導(dǎo)致粗骨料與砂漿之間的界面疏松多孔，粘結(jié)性能差；混凝土抗壓強度更大程度的取決于界面過渡區(qū)而不是粗骨料本身性能。

2.3 抗氯離子滲透性能

采用式(1)計算氯離子遷移系數(shù)，隨磚含量增加氯離子遷移系數(shù)的變化規(guī)律如圖4所示。

(1)

式中：DRCM為混凝土非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)；U為試驗中所用電壓絕對值；T為陽極溶液初始溫度和結(jié)束溫度平均值；L為試件厚度；Xd為氯離子滲透深度平均值；t為試驗持續(xù)時間。

由圖4可以看出，碎磚含量由0%增加至5%時，氯離子遷移系數(shù)由22.82×10-12m2/s增長至27.88×10-12m2/s，增長了22%；當碎磚含量由5%增加至18%，氯離子遷移系數(shù)由27.88×10-12m2/s變化至27.75×10-12m2/s，并沒有明顯增長；當碎磚含量由18%增加至30%時，氯離子遷移系數(shù)由27.55×10-12m2/s增加至41.45×10-12m2/s，增長了50%。由此可見，混凝土中含有碎磚時會明顯降低混凝土的抗氯離子滲透性能，主要是由于碎磚骨料本身孔隙率較高，吸水率較大。Gomes等[17]研究表示再生混凝土氯離子遷移系數(shù)與吸水性之間存在密切的相關(guān)性。

圖4 氯離子遷移系數(shù)與碎磚含量之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between chloride migration coefficientand brick content

氯離子遷移系數(shù)隨著水灰比增加的變化規(guī)律如圖5所示。當碎磚含量為18%時，RC1-0.68的氯離子遷移系數(shù)與RC5-0.58和RC1-0.48相比分別提高了26.81%和 67.25%；當碎磚含量為30%時，RC2-0.68的氯離子遷移系數(shù)與RC8-0.58和RC2-0.48相比分別提高了27.74%和55.87%。由此可見，水灰比越大，混凝土的抗氯離子滲透性能越差，主要由于水灰比增大，水泥砂漿中連通的孔隙就會增加，氯離子可以更加順暢的通過孔隙遷移。

圖5 氯離子遷移系數(shù)與水灰比之間的關(guān)系Fig.5 Relationship between chloride migration coefficientand water cement ratio

2.4 抗鹽凍性能

不同磚含量的混凝土質(zhì)量損失率隨鹽凍循環(huán)次數(shù)的增加變化規(guī)律如圖6所示。當水灰比為0.58時，混凝土質(zhì)量損失率隨凍融次數(shù)的增加呈現(xiàn)出明顯增加的趨勢；碎磚含量在15%以下的4組(RC1-0.58～RC4-0.58)試塊的質(zhì)量損失整體小于碎磚含量高于15%的4組(RC1-0.58～RC4-0.58)試塊。整體來看，隨著碎磚含量的增加，混凝土棱柱體試件的質(zhì)量損失逐漸升高。

采用式(2)和(3)計算混凝土的相對動彈性模量，不同磚含量的混凝土的相對動彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系如圖7所示。

(2)

(3)

式中：ERDME為相對動彈性模量；Ed為動彈性模量；μ為混凝土泊松比；ρ為混凝土密度；V為混凝土內(nèi)超聲波傳遞的縱波波速；EdN為混凝土試件經(jīng)N次鹽凍循環(huán)后動彈性模量；Ed0為混凝土試件沒有經(jīng)受鹽凍循環(huán)時的動彈性模量；VN為試件經(jīng)N次凍融循環(huán)后超聲波傳遞的縱波波速；V0為試件未經(jīng)凍融循環(huán)后超聲波傳遞的縱波波速。

圖6 質(zhì)量損失率與鹽凍循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系Fig.6 Relationship between mass loss rateand freeze thaw cycles

由圖7可以看出，隨著凍融次數(shù)的增加混凝土相對動彈性模量呈現(xiàn)出不斷降低的趨勢，這是因為隨著鹽凍循環(huán)次數(shù)增加，混凝土內(nèi)部在滲透壓力和靜水壓力的作用下出現(xiàn)裂縫，裂縫使得更多的鹽溶液可以進入混凝土內(nèi)部造成更嚴重的鹽凍破壞。另外隨著鹽凍循環(huán)次數(shù)增加，碎磚含量較高的混凝土相對動彈性模量的降低速度比較快，這是因為碎磚含量高，意味著混凝土內(nèi)部孔隙率高，鹽溶液更加容易進入試件造成內(nèi)部損傷。

圖7 相對動彈性模量與鹽凍次數(shù)之間的關(guān)系Fig.7 Relationship between relative dynamic elastic modulusand freeze thaw cycles

3 結(jié) 論

(1)混凝土破壞時，天然粗骨料在砂漿與骨料之間的界面過渡區(qū)破壞失效，再生碎磚粗骨料則沿著骨料內(nèi)部斷裂破壞。

(2)當碎磚含量不超過18%時，對混凝土抗壓強度和抗氯離子滲透性能沒有明顯影響，碎磚含量超過18%時，抗壓強度和抗氯離子滲透性明顯下降。

(3)混合型再生粗骨料混凝土抗壓強度和抗氯離子滲透性能隨著水灰比的增加而降低；當磚含量不變時，水灰比越高，再生碎磚粗骨料對混凝土抗壓強度的不利影響越小。

(4)混凝土的質(zhì)量損失率和相對動彈模隨鹽凍次數(shù)的增加呈不斷降低的趨勢，并且碎磚含量越大，混凝土的抗鹽凍能力越差。