艾洪祥，劉洋，李紹純，鄭?？?，陳旭，韓世界

（1.中建西部建設(shè)新疆有限公司，新疆烏魯木齊 830000；2.青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東青島 266033）

0 引 言

自收縮和早期開裂是高性能混凝土面臨的主要問題[1]。由于高溫、干燥、多風(fēng)等特殊天氣條件，新澆筑混凝土的蒸發(fā)速率增加，使混凝土更容易開裂。蒸發(fā)喪失的水分不能通過灑水養(yǎng)護的方式完全獲得，混凝土表面收縮開裂在大面積梁板、剪力墻和其他結(jié)構(gòu)中較為常見。而混凝土結(jié)構(gòu)中大裂縫和寬裂縫大大降低了混凝土的承載力和耐久性能。眾多研究學(xué)者認為，對混凝土實施內(nèi)養(yǎng)護是減少混凝土收縮和開裂的有效方法[2]，因此開展了許多內(nèi)養(yǎng)護劑與混凝土力學(xué)性、耐久性相關(guān)的研究工作[3-6]。

在高溫干燥的天氣條件下，傳統(tǒng)的混凝土養(yǎng)護相比于混凝土內(nèi)養(yǎng)護往往需要更大量的水均勻噴灑于混凝土表面，這是對水資源的一種浪費，以及采用傳統(tǒng)養(yǎng)護會產(chǎn)生更多的能源消耗。因此，發(fā)展混凝土內(nèi)養(yǎng)護具有重要研究意義。再生粗骨料作為混凝土內(nèi)養(yǎng)護的來源，有3 個重要優(yōu)勢[7]。第一，由于其吸水率比傳統(tǒng)天然骨料高，可以有效地對混凝土內(nèi)部實施養(yǎng)護，減少裂縫和降低裂縫產(chǎn)生的風(fēng)險，進而提高混凝土構(gòu)筑物的力學(xué)性能和耐久性；第二，使用再生粗骨料相比于天然粗骨料成本較低，廉價易得，應(yīng)用于混凝土有利于生產(chǎn)企業(yè)降本增效；第三，提高了建筑垃圾的利用率，增加了廢物再利用的轉(zhuǎn)化效率，大大減少了建筑垃圾對環(huán)境的污染和破壞，符合國家倡導(dǎo)的可持續(xù)發(fā)展。

本文從再生粗骨料的利用出發(fā)，旨在用一種簡單的方式對混凝土實施內(nèi)養(yǎng)護，減少混凝土的收縮開裂。通過對再生粗骨料進行粒徑細分，對天然粗骨料進行部分替代，通過調(diào)整替代，考察在不同養(yǎng)護濕度條件下再生粗骨料對混凝土力學(xué)性能的影響；并對再生骨料混凝土的耐久性能進行探究分析，為再生骨料應(yīng)用于混凝土，以及一些極端惡劣環(huán)境、難以對混凝土進行噴水養(yǎng)護的區(qū)域，提供一定的參考。

1 試 驗

1.1 試驗原料及儀器設(shè)備

（1）試驗用材料

水泥：P·O42.5，中建西部建設(shè)吉木薩爾水泥廠，化學(xué)成分如表1 所示；粉煤灰：烏魯木齊紅雁二電廠，F(xiàn) 類Ⅱ級，主要技術(shù)性能如表2 所示；礦粉：新疆（烏魯木齊）寶新盛源建材有限公司，S75 級，主要技術(shù)性能如表3 所示；細骨料：中砂，新疆和砼源，細度模數(shù)2.8，Ⅱ區(qū)，表觀密度2.71 g/cm3，體積密度2.67 g/cm3，吸水率1.25%，含水率0.62%；粗骨料：天然粗骨料、再生粗骨料（5～10、10～15、15～20 mm），均來源于中建西部建設(shè)新疆有限公司中心廠，物理性能如表4 所示；外加劑：減縮型聚羧酸減水劑（KHD-2012 型），烏魯木齊科匯達化工建材有限公司，減水率25.7%，固含量12.5%。

表1 水泥的主要化學(xué)成分及礦物組成 %

表2 粉煤灰的主要技術(shù)性能

表3 礦粉的主要技術(shù)性能

表4 天然粗骨料、再生粗骨料的物理性能

（2）主要儀器設(shè)備

YAW-3000 型微機控制電液伺服壓力試驗機，上海三思縱橫機械制造有限公司；TDR 型混凝土快速凍融試驗機，北京首瑞測控技術(shù)有限公司；LSY-18B 型全自動混凝土硫酸鹽干濕循環(huán)試驗箱，北京數(shù)智意隆儀器有限公司；HP-40 型自動加壓混凝土滲透儀，北京建筑儀器廠；蔡司SIGMA 300 型場發(fā)射掃描電鏡，蔡司光學(xué)儀器北京分公司。

1.2 測試方法

（1）混凝土配合比設(shè)計

依照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》進行混凝土配合比設(shè)計，水膠比為0.38。以此配合比為基準(zhǔn)組，分別對骨料進行優(yōu)化，設(shè)計4 種不同的再生粗骨料替代率：A 類（基準(zhǔn)組）：全部為天然粗骨料；B 類：25%的再生粗骨料；C類：50%的再生粗骨料；D 類：75%的再生粗骨料。具體配合比如表5 所示。

表5 混凝土配合比設(shè)計 kg/m3

（2）混凝土流動性測試

參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》對不同組別混凝土的坍落度、擴展度進行測試。

（3）混凝土力學(xué)性能測試

參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進行測試，通過保持混凝土養(yǎng)護溫度（20 ℃）不變，調(diào)整混凝土不同養(yǎng)護相對濕度（35%、55%、75%、95%），養(yǎng)護不同齡期對不同組別混凝土進行力學(xué)性能測試。

（4）混凝土抗裂性能測試

參照表5 設(shè)計的混凝土配合比，分別成型4 組尺寸為800 mm×600 mm×100 mm 的平面薄板型試件，通過平板刀口約束法對混凝土進行抗裂性能測試。模板內(nèi)部澆筑不同配合比的混凝土拌合物，然后用電風(fēng)扇以5 m/s 的風(fēng)速均勻掃風(fēng)吹1 d，觀察混凝土表觀裂縫情況。測試試驗裝置如圖1 所示。

圖1 平板裂縫試驗裝置和試件實測狀態(tài)

（5）混凝土耐久性能測試

混凝土耐久性能參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》要求進行抗凍性能、抗氯離子滲透性能、抗硫酸鹽侵蝕性能測試和抗?jié)B性能測試。

（6）掃描電鏡分析

設(shè)置養(yǎng)護溫度20 ℃，相對養(yǎng)護濕度55%，將4 種不同配合比制作的混凝土試件（150 mm×150 mm×150 mm）養(yǎng)護28 d后將其從中間破碎，采用蔡司SIGMA 300 型場發(fā)射掃描電鏡觀察混凝土試塊內(nèi)部的表面微觀形貌。

2 結(jié)果與分析

2.1 混凝土流動性測試結(jié)果（見表6）

表6 混凝土流動性測試結(jié)果

由表6 可見，隨著再生粗骨料替代率的增加，混凝土的流動性損失加快，這是由于再生粗骨料的吸水率較高所致，再生粗骨料的吸水率在5%左右，而天然粗骨料吸水率在1%左右（見表4）。在混凝土拌制過程中，隨著攪拌機的剪切作用，飽水狀態(tài)的再生粗骨料會釋放一部分水，出機后再生粗骨料會隨著時間推移逐漸吸收拌合水，使混凝土的流動性損失加快，導(dǎo)致混凝土流動性、工作性下降。

2.2 混凝土抗壓強度測試結(jié)果（見圖2）

圖2 不同養(yǎng)護濕度各配合比混凝土抗壓強度的變化

由圖2（a）、（b）可見，當(dāng)養(yǎng)護溫度設(shè)定為20 ℃，各組別混凝土的早齡期（3、7 d）抗壓強度均隨著相對養(yǎng)護濕度的增大而提高（A、B、D），盡管當(dāng)再生粗骨料替代率為50%時（C），較高相對濕度下混凝土抗壓強度出現(xiàn)了降低現(xiàn)象，但降幅較低。由此說明，在混凝土早齡期抗壓強度中，再生骨料替代率、相對養(yǎng)護濕度與混凝土抗壓強度的變化可能存在某種制約關(guān)系。由圖2（c）可以看出，隨著相對養(yǎng)護濕度的增加（35%～95%），混凝土28 d 抗壓強度也隨之提高，且標(biāo)養(yǎng)條件（相對濕度95%）下的養(yǎng)護效果最佳。在標(biāo)養(yǎng)條件下，由于再生骨料相比于天然粗骨料受壓碎值的影響，隨著再生粗骨料替代率的增加，混凝土28 d 抗壓強度也逐漸呈下降趨勢；當(dāng)在較低的養(yǎng)護濕度條件下（35%～55%），再生骨料替代天然骨料體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。盡管在拌合過程中，較高吸水率的再生骨料會影響混凝土的初始流動性，但在混凝土硬化過程中，由于再生粗骨料具有較高的吸水率，為混凝土內(nèi)部提供一定的濕度養(yǎng)護條件，加速了水化硅酸鈣凝膠產(chǎn)物（C-S-H）的生成，有利于混凝土抗壓強度的提高。當(dāng)養(yǎng)護濕度在35%～75%時，天然粗骨料替代率達到50%，養(yǎng)護28 d 后混凝土抗壓強度均優(yōu)于基準(zhǔn)組，抗壓強度提高2%～11%。

2.3 混凝土抗裂性能測試結(jié)果

以混凝土平板裂縫試驗為依據(jù)，4 組平板裂縫試件開裂情況如表7 所示。該試驗主要通過加速混凝土表面水分的蒸發(fā)，對混凝土開裂情況影響進行研究。

表7 混凝土平板試件的開裂參數(shù)

試驗結(jié)果表明：隨著再生粗骨料替代天然粗骨料量的增加，單位開裂面積的總開裂面積呈逐級降低的趨勢；當(dāng)采用D組配合比，再生骨料替代率為75%時，最大裂縫寬度僅為0.22 mm，單位面積的總開裂面積為200.1 mm2，低于基準(zhǔn)組（A）總開裂面積的一半，總體開裂情況也明顯優(yōu)于采用純天然骨料配制的混凝土試件。這是由于再生粗骨料自身屬性（相比天然粗骨料擁有較高的吸水率）所致，更多的自由水潮濕環(huán)境為混凝土提供了強有力的內(nèi)部養(yǎng)護條件，大大減少了混凝土試件的開裂風(fēng)險。

2.4 混凝土耐久性測試結(jié)果

2.4.1 抗凍性測試

參照表5 混凝土配合比設(shè)計，成型相應(yīng)的抗凍試件，在不同凍融循環(huán)次數(shù)對混凝土試件進行測試，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 混凝土凍融循環(huán)次數(shù)與相對動彈性模量和質(zhì)量保留率的關(guān)系

根據(jù)圖3 可知，隨著混凝土凍融循環(huán)次數(shù)的增加，各組別混凝土相對動彈性模量呈逐級下降的趨勢，說明在凍融循環(huán)條件下，混凝土內(nèi)部出現(xiàn)了裂紋或損傷，并且程度不斷加深擴大[8]。而隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，部分混凝土試塊質(zhì)量出現(xiàn)了不降反增的情況，說明混凝土試塊在凍融循環(huán)過程中，內(nèi)部未損傷到一定程度前，混凝土內(nèi)部細小孔隙不斷吸水，且吸水質(zhì)量大于混凝土損失質(zhì)量，使得混凝土試塊整體質(zhì)量呈現(xiàn)增加趨勢。當(dāng)達到150 次循環(huán)時，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷逐漸加重，表面出現(xiàn)破損、掉渣現(xiàn)象，吸水質(zhì)量趨于飽和，混凝土試塊損失質(zhì)量大于吸水質(zhì)量，整體混凝土質(zhì)量開始減少。當(dāng)混凝土凍融循環(huán)達到300 次時，盡管采用天然粗骨料的混凝土抗凍性能最優(yōu)，但是只要再生粗骨料的替代率低于50%，依然能符合標(biāo)準(zhǔn)要求，經(jīng)受住300 次凍融循環(huán)的考驗。當(dāng)再生粗骨料替代率達到75%時，由于再生粗骨料的較高吸水率對混凝土試件內(nèi)部產(chǎn)生了凍脹破壞，質(zhì)量保留率、相對動彈性模量均無法達到300 次凍融循環(huán)標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，再生粗骨料替代天然粗骨料替代率不能超過50%，否則對混凝土抗凍性能不利。

2.4.2 抗氯離子滲透、抗硫酸鹽侵蝕、抗?jié)B性測試

參照表5 混凝土配合比設(shè)計，成型相應(yīng)的混凝土試件，對混凝土進行抗氯離子滲透性能、抗硫酸鹽侵蝕性能、抗?jié)B性能進行測試，考察其耐久性，結(jié)果如表8 所示。

表8 不同配合比混凝土抗氯離子滲透、抗硫酸鹽侵蝕、抗?jié)B性測試結(jié)果

由表8 可見，采用4 種配合比制備的混凝土試件電通量為725～1230 C。當(dāng)再生粗骨料替代率在50%以下時，混凝土試件的電通量均在1000 C 以下，都在Q-Ⅳ級區(qū)間范圍內(nèi)，表明抗氯離子滲透能力較好。由此可見，當(dāng)采取再生粗骨料50%取代天然粗骨料的方式，對混凝土抗氯離子滲透性能影響不大，且抗硫酸鹽侵蝕性能、抗?jié)B性能表現(xiàn)良好，相比于基準(zhǔn)組抗硫酸鹽侵蝕等級均能達到KS150，抗?jié)B性能達到P12等級，無不良反應(yīng)現(xiàn)象。而當(dāng)再生粗骨料替代量達到75%時，會影響混凝土的抗氯離子滲透性，這是因為過大的再生粗骨料替代量會影響混凝土的密實性，導(dǎo)致混凝土的密實程度降低。通過抗硫酸鹽侵蝕性能及抗?jié)B性能測試也可以佐證過多地替代天然粗骨料會影響混凝土的密實性以及耐久性能。

2.5 混凝土掃描電鏡分析

采用蔡司SIGMA300 型場發(fā)射掃描電鏡，將混凝土試塊內(nèi)部表面成像放大10 000 倍，對比觀察在55%相對養(yǎng)護濕度環(huán)境下，養(yǎng)護28 d 的混凝土微觀形貌如圖4 所示。

圖4 相對養(yǎng)護濕度為55%不同配合比混凝土養(yǎng)護28 d 時的SEM 照片

由圖4 可見，混凝土試件內(nèi)部均形成了相互嵌合的多面體狀晶體，由圖4（c）可以看出形成了較多的水化凝膠產(chǎn)物，密實效果最優(yōu)，這是由于當(dāng)再生粗骨料替代率在50%時，再生粗骨料在拌合過程中的預(yù)吸水，為混凝土內(nèi)部提供了良好的水濕條件，營造了較好的內(nèi)養(yǎng)護環(huán)境，加速了水化硅酸鈣凝膠產(chǎn)物的生成，促進了混凝土內(nèi)部密實程度的提高，同時佐證了圖2 中各配合比混凝土55%相對養(yǎng)護濕度環(huán)境下抗壓強度發(fā)展規(guī)律的變化。

3 結(jié) 論

（1）當(dāng)相對養(yǎng)護濕度在35%～75%時，天然粗骨料替代率為50%，養(yǎng)護28 d 后混凝土抗壓強度優(yōu)于基準(zhǔn)組，較基準(zhǔn)組提高2%～11%。

（2）隨著再生粗骨料替代天然粗骨料量的增加，單位開裂面積的總開裂面積逐漸減??；當(dāng)再生骨料替代率為75%時，最大裂縫寬度僅為0.22 mm，單位面積的總開裂面積為200.1 mm2/m2，明顯優(yōu)于基準(zhǔn)組，大大降低了混凝土開裂的風(fēng)險。

（3）再生粗骨料替代天然粗骨料的替代率不能超過50%，否則對混凝土的抗凍性不利。

（4）當(dāng)再生粗骨料替代率在50%以下時，混凝土試件電通量均在1000 C 以下，均在Q-Ⅳ級區(qū)間范圍內(nèi)，抗氯離子滲透性能較好；且抗硫酸鹽侵蝕和抗?jié)B性良好，無不良反應(yīng)現(xiàn)象；當(dāng)再生粗骨料替代率達到75%時，會對混凝土的抗氯離子滲透性能、抗硫酸鹽侵蝕性能和抗?jié)B性產(chǎn)生不良影響。

（5）在較低的養(yǎng)護濕度環(huán)境下，再生粗骨料替代率為50%時，養(yǎng)護28 d 后的混凝土微觀形貌最優(yōu)，通過觀察水化產(chǎn)物的生成量，密實度可以得出此結(jié)論。