蘇孝偉, 王安琪, 肖俊榮, 楊震懷, 付毅兵, 巫緒濤

(合肥工業(yè)大學，安徽 合肥 230009)

近年來，隨著我國土木工程行業(yè)的發(fā)展，混凝土因作為工程中必不可少的原材料而需求量激增。但是，混凝土結(jié)構(gòu)因改造或到達一定使用年限的拆除會產(chǎn)生大量的廢棄混凝土，給生態(tài)環(huán)境帶來了巨大的壓力。因此，研究再生粗骨料對混凝土性能的影響具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。再生骨料混凝土是由廢棄混凝土塊經(jīng)過破碎、清洗、篩分后，按照一定比例混合成骨料，用一部分或全部取代天然骨料配制而成的混凝土。但再生混凝土骨料孔隙率，吸水率較高，表觀密度較低，解體破碎過程中會產(chǎn)生大量細微裂隙，性能不如普通骨料。近年來，國內(nèi)外學者對再生骨料混凝土進行了大量的研究，但由于改善再生骨料的工藝技術(shù)及材料消耗等方面的限制，再生骨料混凝土難以普及。

通過對5種骨料替代率的再生骨料混凝土在標準養(yǎng)護28d后，測試其抗壓強度，研究其對抗壓強度的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，采用再生骨料改性、骨料砂漿界面強化處理等復(fù)合改性工藝，改善再生骨料本身性能及其與砂漿的黏結(jié)膠合狀況，分析改性工藝對混凝土抗壓強度的影響。

1 試驗概述

1.1 試驗原材料

水泥：海螺牌普通硅酸鹽水泥42.5級水泥；細骨料：中國ISO標準砂(廈門艾思歐標準砂有限公司出品)；粗骨料(粒徑為4.75mm～16mm)：天然粗骨料為碎石、再生粗骨料為廢棄混凝土梁，且其各項性能參考《再生骨料應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 240-2011)；拌和水：農(nóng)夫山泉礦泉水；粉煤灰：一級粉煤灰，灰色或灰白色的粉末；納米SiO：粒度為1000目，白色的粉末；模具：Φ50mm×100mm圓柱體。

1.2 試驗配合比設(shè)計

為確保試驗的準確性，先后進行了2次試驗，完成試塊的制作共161塊。試驗過程設(shè)置了3個對照試驗，分別是再生骨料替代率對混凝土抗壓強度的影響、粉煤灰替代率對混凝土抗壓強度的影響、納米SiO添加率對混凝土抗壓強度的影響，且分別編號為G組、GF組、GN組。按照《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ55-2011)中的相關(guān)規(guī)定，制定混凝土配合比設(shè)計參數(shù)，具體如表1～3所列。參考《粉煤灰混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50146-2014)中的相關(guān)規(guī)定，粉煤灰取代水泥采用超量取代法，且選定超量系數(shù)為1.3。納米SiO采用的是浸泡法，通過配置不同濃度的納米SiO溶液對粗骨料進行浸泡。

表1 G組混凝土配合比

G組試樣考察再生骨料替代率對混凝土抗壓強度的影響，共用五種配合比，分別采用0%、25%、50%、75%和100%的骨料替代率；GF組試樣探討粉煤灰替代率對混凝土抗壓強度的影響，共用四種配合比，分別采用0%、15%、30%和45%的粉煤灰替代率；GN組試樣研究納米SiO對混凝土抗壓強度的影響，共用四種配合比，分別采用0%、1%、2%和3%的納米SiO添加率。

表2 GF組混凝土配合比

表3 GN組混凝土配合比

2 試驗步驟

2.1 試驗準備

選用等級相同的廢棄混凝土供再生粗骨料的獲取，通過人工將其破碎，利用石篩分別篩選粒徑為4.75mm～9mm和9mm～16mm的再生粗骨料，再通過人工篩選，去除不符合規(guī)范要求的廢棄石子。將符合規(guī)范要求的再生粗骨料進行清洗，并使用農(nóng)夫山泉礦泉水對再生粗骨料進行浸泡48h，隨即進行翻曬。對GN組中的再生粗骨料，分別調(diào)配濃度為0%、1%、2%和3%的納米SiO溶液對其進行浸泡48h，待其充分浸泡后進行翻曬、晾干。

2.2 試塊制備

各試驗組制備3個試塊，按設(shè)計配合比稱量各材料，將粗骨料、砂、水泥和粉煤灰人工攪拌1min，再使用混凝土攪拌機干拌2min，確保各材料充分接觸且無結(jié)塊的現(xiàn)象后，加入拌和水繼續(xù)攪拌2min，隨后采用振動臺進行振搗、成型。為防止水分蒸發(fā)，成型后的試塊使用不透水的薄膜覆蓋表面，并靜置于溫度為20±5℃環(huán)境中72h。在灌模前，對模具內(nèi)壁涂抹了適量的拆模用油，以使得混凝土試塊表面光滑，同時降低拆模過程發(fā)生破損的情況。檢查試塊各項指標是否都符合規(guī)范要求。

2.3 試塊養(yǎng)護

混凝土養(yǎng)護進行人工干預(yù)，提供適宜的濕度和溫度條件，確保試塊在水泥水化作用下逐步硬化且強度增長。為了使混凝土試塊水化反應(yīng)充分，采用保溫箱對其進行儲存，并使用霧狀噴壺對試塊進行一日三次噴灑，使其所處環(huán)境的溫度穩(wěn)定在20±5℃，且具有95%的濕度條件。搭配毛氈布的使用，在維持濕度的同時，防止溫度的流失，按以上措施養(yǎng)護28d。

2.4 試塊加載

試驗使用萬能試驗機進行加載操作，控制加荷速度為0.5mm/min，完整加載過程控制在2min左右。在試塊加載初期，由于荷載較小，試樣側(cè)表面并未出現(xiàn)明顯裂縫。隨著荷載不斷增加，試塊表面逐漸出現(xiàn)細微裂縫，并呈現(xiàn)擴張趨勢。當裂縫發(fā)展到一定程度后，試塊側(cè)面出現(xiàn)破壞并剝落，與此同時計算機上試驗力—位移圖像達到峰值，隨后曲線逐漸下降直至萬能試驗機停止，記錄試驗的峰值荷載及試驗力—位移圖像供試驗結(jié)果的分析使用。為清晰直觀表明試驗規(guī)律，抗壓強度變化規(guī)律圖像中所采用的數(shù)據(jù)均為各組試驗所得平均值。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 再生骨料替代率對混凝土抗壓強度的影響

G組試樣采用0%、25%、50%、75%和100%的骨料替代率，考察其對抗壓強度的影響。吳木東、張麗等多位學者的研究結(jié)果表明再生混凝土的抗壓強度隨著替代率的增加而減小。抗壓強度變化規(guī)律如圖1所示。

圖1 G組抗壓強度變化規(guī)律

分析圖1可知，隨著再生骨料替代率的增加，試樣的抗壓強度不斷上升。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，本試驗采用的天然骨料為宣城市當?shù)厥膹S購買的“瓜子片”，再生骨料為人工破碎的廢棄混凝土梁，并經(jīng)過人工篩選所得的石子。“瓜子片”是青石利用破碎機打碎，并通過加工處理得到的碎石片，在破碎過程中骨料內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到了極大地損壞，且其形狀較薄，作為混凝土的粗骨料而言其抗壓性能較為遜色；而再生骨料經(jīng)過人工破碎，篩分和挑選，其形狀更加趨于橢球狀或球狀，在混凝土試塊內(nèi)部承壓的能力較強，且能更好的粘結(jié)水泥和細骨料，進一步加強抗壓強度，這也是本試驗得到的結(jié)論與多位學者存在異議的原因。

3.2 粉煤灰單摻對混凝土抗壓強度的影響

GF組試樣采用0%、15%、30%和45%的粉煤灰替代率，探討其對抗壓強度的影響。抗壓強度變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 GF組抗壓強度變化規(guī)律

由圖2分析可知，隨著粉煤灰替代率的上升，抗壓強度表現(xiàn)出先降低，后增加，達到一定添加率后再次降低的規(guī)律，且最佳粉煤灰替代率為30%。

據(jù)試驗結(jié)果做如下分析：粉煤灰的火山灰效應(yīng)，能使水泥的水化產(chǎn)物Ca(OH)與之發(fā)生二次水化反應(yīng)，反應(yīng)生成的水硬性膠凝物質(zhì)充分填充混凝土的內(nèi)部裂隙，增加密實性，進而提高混凝土強度。但是，當粉煤灰替代量較少時(即本試驗中0～15%替代率)，其發(fā)揮作用的程度不及混凝土中水泥用量減少而導致的強度降低的程度大，故圖像呈下降趨勢；隨著粉煤灰替代率的增加，其發(fā)揮的作用效應(yīng)能彌補并超出水泥用量減少所造成的強度損失，進而強度會升高；但是，當粉煤灰的替代率繼續(xù)提高，混凝土強度又會降低(即本試驗替代率>30%的部分)。這是由于水泥含量在此時只有70%，發(fā)生水化反應(yīng)產(chǎn)生的堿性物質(zhì)過少，大量的粉煤灰沒有足夠的堿性物質(zhì)刺激產(chǎn)生二次水化反應(yīng)。

研究表明，在再生骨料替代率為25%時，其在最佳粉煤灰替代率下的抗壓強度并未超過不加粉煤灰時的強度，而50%替代率時卻可以，這與上文所分析內(nèi)容有些許出入。補充分析如下：對于再生骨料較少的混凝土，水泥能相對充分的進入再生骨料中的微裂隙，相當于總體裂隙減少，對強度提升有幫助。但是，因為粉煤灰的加入，使主要膠凝材料水泥的含量減少，導致骨料間連接面強度薄弱，裂隙相比初始時增多，故替代率30%時相對于不添加粉煤灰強度要低。

3.3 納米二氧化硅單摻對混凝土抗壓強度的影響

GN組試樣采用0%、1%、2%和3%的納米SiO添加率，研究其對抗壓強度的影響?？箟簭姸茸兓?guī)律如圖3所示。

圖3 GN組抗壓強度變化規(guī)律

由圖3分析可知，納米SiO對水泥基材料的早期水化有明顯的促進效果，在加入納米SiO后，水泥凈漿流動性急劇變小，當摻量達到2%時，水泥流動性最小，此后摻量繼續(xù)增加，流動性出現(xiàn)相反的趨勢，說明SiO濃度過大時不能充分分散，以至于強度有所降低。

研究表明，納米SiO的水化產(chǎn)物會包裹并阻止砂漿中水泥顆粒的水化，從而阻礙砂漿的后期強度發(fā)展。同時，由于納米SiO的表面能大，顆粒周圍大量存在的不飽和鍵易吸附自由水，導致新拌混凝土中自由水減少，使得混凝土的工作性顯著降低。由于試驗過程中采用的是浸泡法，在攪拌浸泡時，使得納米SiO溶液的效力減弱，而出現(xiàn)強度降低的情況。

4 結(jié)束語

再生骨料混凝土是當前社會節(jié)約資源和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇，對其抗壓強度的研究有助于再生混凝土的性能優(yōu)化與應(yīng)用擴展。通過對于試驗數(shù)據(jù)的分析和總結(jié)，得到結(jié)論如下：

(1)粗骨料形狀對混凝土抗壓強度有顯著影響，當采用橢球狀或球狀的再生粗骨料替代扁平原生骨料時，抗壓強度隨骨料替代率增加而增加；

(2)單摻粉煤灰作為添加劑時，隨著粉煤灰替代率的上升，混凝土抗壓強度表現(xiàn)為先降低后增加又降低的規(guī)律，最佳粉煤灰替代率為30%；

(3)單摻納米SiO作為添加劑時，隨著納米SiO添加率的上升，混凝土抗壓強度表現(xiàn)為先降低后增加又降低的規(guī)律，最佳納米SiO添加率為2%；