吳波 丁金鵬

（華南理工大學(xué) 亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640）

對(duì)于公路橋梁沖孔灌注樁施工中產(chǎn)生的成孔碎渣，傳統(tǒng)處理方法主要有集中堆放自然沉淀風(fēng)干、遠(yuǎn)運(yùn)至棄土場(chǎng)或外海排放等，這些方法存在處理周期長(zhǎng)、成本昂貴、占用大量土地資源、碳排放量大等問(wèn)題。

為緩解上述問(wèn)題，采用成孔碎渣部分替代混凝土中的細(xì)骨料，并就近應(yīng)用于公路橋梁的混凝土構(gòu)件不失為一種有效對(duì)策。鑒于《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01—2014）、《公路工程混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T 3310—2019）等都對(duì)公路工程所采用的混凝土的強(qiáng)度和耐久性等提出了明確要求，同時(shí)考慮到沿海地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)受氯鹽侵蝕影響較大，本文對(duì)摻有成孔碎渣的再生骨料混凝土的抗壓及抗氯鹽侵蝕性能進(jìn)行了研究。

從材料及其生產(chǎn)方式來(lái)看，與成孔碎渣最相似的是機(jī)制砂，它們都是由巖石破碎產(chǎn)生的，二者的主要區(qū)別在于成孔碎渣是沖擊樁錘錘擊強(qiáng)風(fēng)化或中風(fēng)化花崗巖形成的碎屑，而《建設(shè)用砂》（GB/T 14684—2011）中規(guī)定的機(jī)制砂是以未風(fēng)化的巖石為原料破碎而成。由于目前采用成孔碎渣替代天然砂用以制備混凝土的研究少有文獻(xiàn)報(bào)道，下面對(duì)機(jī)制砂的研究現(xiàn)狀做簡(jiǎn)要介紹，以供本文研究參考。

柯曉軍等［1］研究了石粉含量對(duì)機(jī)制砂混凝土工作性能的影響，發(fā)現(xiàn)機(jī)制砂中石粉含量介于5%～20%范圍內(nèi)時(shí)，混凝土坍落度隨石粉含量的增加而降低，流動(dòng)性逐漸變差；范德科等［2］研究了石粉對(duì)機(jī)制砂混凝土工作性能和抗壓強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)石粉含量大于15%時(shí)，機(jī)制砂中石粉含量的增加會(huì)降低混凝土的工作性能和抗壓強(qiáng)度；楊海峰等［3］研究了石粉含量對(duì)機(jī)制砂再生混凝土力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)機(jī)制砂中石粉含量大于10%時(shí)，強(qiáng)度隨石粉含量的增加而降低；謝開(kāi)仲等［4］研究了機(jī)制砂級(jí)配對(duì)混凝土抗壓性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)機(jī)制砂的級(jí)配曲線位于Ⅱ區(qū)砂中值和上限之間時(shí)，機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度最優(yōu)；寧勇偉等［5］也研究了機(jī)制砂顆粒特性對(duì)混凝土性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)機(jī)制砂顆粒級(jí)配處于Ⅱ區(qū)中值時(shí)，混凝土力學(xué)性能最佳；宋少民等［6］研究了機(jī)制砂巖性對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)不同巖性機(jī)制砂對(duì)混凝土強(qiáng)度影響不顯著；熊先達(dá)［7］研究了不同級(jí)配的機(jī)制砂對(duì)混凝土抗氯鹽侵蝕性能的影響，發(fā)現(xiàn)級(jí)配偏粗、粒徑偏大的機(jī)制砂會(huì)對(duì)混凝土的抗氯鹽侵蝕性能造成一定劣化，相較于常規(guī)混凝土劣化幅度為13%～16%，總體在可接受范圍內(nèi)；羅健勇等［8］也研究了機(jī)制砂顆粒級(jí)配對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能的影響，發(fā)現(xiàn)分計(jì)篩余百分率為“中間多，兩頭少”的機(jī)制砂的抗氯離子滲透性能較低，且中間顆粒分布越集中抗氯離子滲透性能劣化越嚴(yán)重；Feng等［9］研究了不同質(zhì)量機(jī)制砂對(duì)再生混凝土抗氯離子性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著機(jī)制砂取代率的增加，機(jī)制砂再生混凝土的抗氯離子性能逐漸降低。由于成孔碎渣在樁孔中破碎后是由泥漿將其帶出，致使其表面裹滿泥漿，需先用0.075 mm 篩網(wǎng)對(duì)其進(jìn)行濕篩分處理，這使得處理后的成孔碎渣中石粉含量較低，加之成孔碎渣的顆粒級(jí)配相比于河砂普遍偏大，且成孔碎渣主要由強(qiáng)風(fēng)化或中風(fēng)化花崗巖破碎得到而不是源自未風(fēng)化的巖石，這些差異必然會(huì)對(duì)摻有成孔碎渣的再生骨料混凝土的抗壓及抗氯鹽侵蝕性能產(chǎn)生影響，對(duì)此尚有待研究。

本文以成孔碎渣取代率和再生粗骨料取代率為主要參數(shù)，開(kāi)展了摻有成孔碎渣的再生骨料混凝土的抗壓試驗(yàn)和抗氯鹽侵蝕試驗(yàn)，以及成孔碎渣、河砂和砂漿的壓汞測(cè)試，揭示該類(lèi)混凝土抗壓和抗氯鹽侵蝕性能的變化規(guī)律及其內(nèi)在機(jī)理，擬為該類(lèi)混凝土在公路橋梁工程中的應(yīng)用奠定初步基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了4組共96個(gè)試件，分別研究成孔碎渣取代率和再生粗骨料取代率對(duì)摻有成孔碎渣的再生骨料混凝土的抗壓及抗氯鹽侵蝕性能的影響，其中抗壓試件48 個(gè)，抗氯鹽侵蝕試件48 個(gè)，具體參數(shù)見(jiàn)表1。抗壓試件均為Φ150、高300 mm 圓柱體，抗氯鹽侵蝕試件均為Φ100、高50 mm 圓柱體，試驗(yàn)參數(shù)包括成孔碎渣取代率（0、50%、70%、100%）和再生粗骨料取代率（0、50%、70%、100%）。表1中，“HS”表示成孔碎渣，“β”為成孔碎渣取代率（即混凝土中成孔碎渣與全部細(xì)骨料的質(zhì)量之比），“RCA”表示再生粗骨料，“γ”為再生粗骨料取代率（即混凝土中再生粗骨料與全部粗骨料的質(zhì)量之比），HS50-RCA50表示成孔碎渣取代率為50%、再生骨料取代率為50%的試件，以此類(lèi)推。

表1 抗壓試件和抗氯鹽侵蝕試件的主要參數(shù)Table 1 Main parameters of compression test specimens and chloride corrosion resistance test specimens

1.2 試驗(yàn)材料及配合比

用于配制混凝土的材料包括水泥、天然粗骨料、再生粗骨料、河砂、成孔碎渣、水和減水劑。成孔碎渣取自廣州增城沙莊至花都北興公路二期工程沖孔灌注樁產(chǎn)出的成孔碎渣，經(jīng)濕篩、曬干（見(jiàn)圖1）后用以部分取代河砂。再生粗骨料購(gòu)自廣東基礎(chǔ)新世紀(jì)環(huán)保資源科技有限公司，由廢棄梁經(jīng)破碎和篩分處理后制備而得。細(xì)骨料河砂和成孔碎渣的級(jí)配曲線如圖2 所示，天然粗骨料（NCA）和再生粗骨料（RCA）的粒徑主要介于5～25 mm 之間，具體級(jí)配曲線如圖3 所示。上述級(jí)配曲線均為3 組測(cè)試結(jié)果取平均值后繪制得到。不同粗、細(xì)骨料的物理特性見(jiàn)表2。

圖1 成孔碎渣的來(lái)源及濕篩后的成孔碎渣Fig.1 Source of hole slag and hole slag after wet screening

圖2 成孔碎渣和河砂的級(jí)配曲線Fig.2 Grading curves of hole slag and river sand

圖3 天然粗骨料和再生粗骨料的級(jí)配曲線Fig.3 Grading curves of natural and recycled coarse aggregates

表2 粗、細(xì)骨料的物理特性Table 2 Physical properties of coarse and fine aggregates

根據(jù)成孔碎渣和再生粗骨料取代率的不同，抗壓試驗(yàn)和抗氯鹽侵蝕試驗(yàn)需配置16種混凝土。參照《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ 55—2011），考慮到再生粗骨料吸水率較大的特點(diǎn)，采用添加附加水的方式進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，附加水用量按下式確定［10］：

式中，下標(biāo)RCA 表示再生粗骨料，α、φ和m分別為再生粗骨料的吸水率、含水率和質(zhì)量。

通過(guò)試配混凝土的坍落度來(lái)調(diào)整減水劑用量，最終確定的配合比見(jiàn)表3。

表3 混凝土配合比及固廢含量Table 3 Mix proportions of concrete and solid waste content in concrete

1.3 加載及測(cè)量裝置

1.3.1 抗壓試驗(yàn)

抗壓試驗(yàn)采用MATEST-4 000 kN 電壓伺服壓力機(jī)進(jìn)行加載。在圓柱體試件側(cè)表面相對(duì)布置2個(gè)豎向位移計(jì)（LVDT），用以測(cè)量試件中部2/5高度范圍內(nèi)的軸向變形，位移計(jì)量程為5 mm，精度為1×10-3mm。為測(cè)量試件的橫向變形，在試件側(cè)表面半高處按120°間隔粘貼3 個(gè)長(zhǎng)度100 mm 的橫向應(yīng)變片（S.G.）。試驗(yàn)前，試件上、下兩端面采用高強(qiáng)石膏找平。根據(jù)ASTMC39/C39M［11］，試驗(yàn)采用位移加載方式，加載速率為10-5/s。每個(gè)試件先重復(fù)加載3 次至預(yù)估峰值荷載的40%以獲取其彈性模量，隨后第4次加載至試件破壞。

1.3.2 抗氯鹽侵蝕試驗(yàn)

按照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082—2009），抗氯鹽侵蝕試驗(yàn)采用RCM 法測(cè)定試件的氯離子遷移系數(shù)。RCM-NTB型氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀如圖4所示。正式測(cè)定前，將試件在飽和面干狀態(tài)下置于NEL-VJH型混凝土智能真空飽水機(jī)中進(jìn)行（18±2）h真空處理。隨后，將試件裝入橡膠套底部，在橡膠套外側(cè)安裝兩個(gè)不銹鋼環(huán)箍，然后將裝有試件的橡膠套放入試驗(yàn)槽中，并安裝好陽(yáng)極板。試驗(yàn)測(cè)試電壓為（30±0.2）V，陽(yáng)極注入0.3 mol/L的NaOH溶液，陰極注入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaCl 溶液。試驗(yàn)結(jié)束后，取出試件并將試件表面清洗干凈，利用壓力機(jī)將試件沿軸向劈成兩半，同時(shí)在試件斷裂面上噴灑0.1 mol/L的AgNO3溶液，待斷裂面顯色后，沿徑向?qū)嗔衙娣殖?0等份，通過(guò)測(cè)定氯離子在斷裂面上的平均入侵深度，計(jì)算得到試件的氯離子遷移系數(shù)。

圖4 抗氯鹽侵蝕試驗(yàn)裝置Fig.4 Device for chloride corrosion resistance test

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 抗壓性能

表4所示為試件的實(shí)測(cè)抗壓性能，其中fc、Ec和εp分別為試件的抗壓強(qiáng)度、彈性模量和峰值應(yīng)變。試件的彈性模量按（σ2-σ1）/（ε2-0.000 05）計(jì)算［12］，其中σ2為0.4倍峰值荷載對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值，σ1為50個(gè)微應(yīng)變對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值，ε2為σ2對(duì)應(yīng)的應(yīng)變。

表4 抗壓試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果Table 4 Measured results of compression test

2.1.1 抗壓強(qiáng)度

由表4可知，摻有成孔碎渣的再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度可達(dá)44.8～53.6 MPa。該抗壓強(qiáng)度隨成孔碎渣取代率和再生粗骨料取代率的變化情況見(jiàn)圖5，由圖中可以看出：

圖5 抗壓強(qiáng)度隨成孔碎渣取代率和再生粗骨料取代率的變化情況Fig.5 Variations of compressive strength with replacement ratios of hole slag and recycled coarse aggregates

（1）當(dāng)再生粗骨料取代率不變時(shí)，摻有成孔碎渣的再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度隨成孔碎渣取代率的增加總體上逐漸降低，成孔碎渣取代率100%所對(duì)應(yīng)的降幅為5.2%～11.5%。這主要是因?yàn)椋孩俪煽姿樵膲核橹笜?biāo)較河砂更大（見(jiàn)表2），其抗壓性能更差，從而導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度有所降低［13］；②成孔碎渣的細(xì)度模數(shù)相較于河砂偏大（見(jiàn)表2），導(dǎo)致隨著成孔碎渣摻量的增加，砂漿內(nèi)部孔隙率增大，進(jìn)而使得混凝土強(qiáng)度有所降低。下文將利用MIP試驗(yàn)對(duì)第②點(diǎn)予以驗(yàn)證。

（2）當(dāng)成孔碎渣取代率一定時(shí)，摻有成孔碎渣的再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度隨再生粗骨料取代率的增加總體上逐漸降低，再生粗骨料取代率100%所對(duì)應(yīng)的降幅為6.3%～11.8%。這是由再生粗骨料表面附著的殘余砂漿及其破碎過(guò)程中可能產(chǎn)生的內(nèi)部微裂紋以及新-舊砂漿界面相對(duì)偏弱等因素共同作用所致［14］。

2.1.2 彈性模量

圖6展示了摻有成孔碎渣的再生骨料混凝土的彈性模量隨成孔碎渣取代率和再生粗骨料取代率的變化情況。從表4和圖6中可以看出：

圖6 彈性模量隨成孔碎渣取代率和再生粗骨料取代率的變化情況Fig.6 Variations of elastic modulus with replacement ratios of hole slag and recycled coarse aggregates

（1）當(dāng)再生粗骨料取代率一定時(shí)，摻有成孔碎渣的再生骨料混凝土的彈性模量并未隨成孔碎渣取代率的增加呈現(xiàn)出單調(diào)變化的趨勢(shì)，且成孔碎渣取代率100%所對(duì)應(yīng)的最大降幅也不超過(guò)10%，整體影響有限。

（2）當(dāng)成孔碎渣取代率一定時(shí)，摻有成孔碎渣的再生骨料混凝土的彈性模量隨再生粗骨料取代率的增加逐漸降低，再生粗骨料取代率100%所對(duì)應(yīng)的降幅為24.2%～30.0%。這是因?yàn)榕c天然粗骨料相比，再生粗骨料含有部分老砂漿，客觀上導(dǎo)致混凝土內(nèi)部彈性模量較大的天然石子的含量減少，進(jìn)而使得混凝土彈性模量降低。

2.1.3 峰值應(yīng)變

圖7展示了摻有成孔碎渣的再生骨料混凝土的峰值應(yīng)變隨成孔碎渣取代率和再生粗骨料取代率的變化情況。從圖7和表4中可以看出：

圖7 峰值應(yīng)變隨成孔碎渣取代率和再生粗骨料取代率的變化情況Fig.7 Variations of peak strain with replacement ratios of hole slag and recycled coarse aggregates

（1）當(dāng)再生粗骨料取代率一定時(shí)，成孔碎渣取代率的變化總體上并未對(duì)摻有成孔碎渣的再生骨料混凝土的峰值應(yīng)變產(chǎn)生明顯影響，特別是當(dāng)再生粗骨料取代率為0時(shí)，該類(lèi)影響極小。

（2）當(dāng)成孔碎渣取代率一定時(shí)，摻有成孔碎渣的再生骨料混凝土的峰值應(yīng)變隨再生粗骨料取代率的增加總體上逐漸增大，再生粗骨料取代率100%所對(duì)應(yīng)的增加幅度為12.5%～27.2%。這可能是由于再生粗骨料的彈性模量相較天然粗骨料偏低，前者自身變形相對(duì)較大，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土的峰值應(yīng)變隨再生粗骨料取代率的增加而增大［15］。

2.2 抗氯鹽侵蝕性能

根據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082—2009），混凝土的氯離子遷移系數(shù)DRCM按下式計(jì)算：

式中，U為試驗(yàn)所用電壓的絕對(duì)值（V），θ為陽(yáng)極溶液的初始溫度和結(jié)束溫度的平均值（℃），L為試件厚度（mm），Xd為氯離子滲透深度的平均值（mm），t為試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間（h）。

圖8展示了摻有成孔碎渣的再生骨料混凝土的氯離子遷移系數(shù)隨成孔碎渣取代率和再生粗骨料取代率的變化情況。由圖中可以看出：

圖8 氯離子遷移系數(shù)隨成孔碎渣取代率和再生粗骨料取代率的變化情況Fig.8 Variations of chloride ion migration coefficient with replacement ratios of hole slag and recycled coarse aggregates

（1）當(dāng)再生粗骨料取代率一定時(shí)，摻有成孔碎渣的再生骨料混凝土的氯離子遷移系數(shù)隨成孔碎渣取代率的增加逐漸增大，成孔碎渣取代率100%所對(duì)應(yīng)的增幅為4.6%～11.6%。這表明摻入成孔碎渣后混凝土的抗氯鹽侵蝕性能有一定程度的降低，但總體上降幅較為有限。

（2）當(dāng)成孔碎渣取代率一定時(shí)，摻有成孔碎渣的再生骨料混凝土的氯離子遷移系數(shù)隨再生粗骨料取代率的增加總體上相對(duì)較明顯地增大，再生粗骨料取代率100%所對(duì)應(yīng)的增幅為24.6%～28.8%。這一方面是因?yàn)樵偕止橇媳砻娓街幸欢康呐f砂漿，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部的實(shí)際砂漿占比有所增大，整體孔隙率增加，進(jìn)而使得抗氯鹽侵蝕性能降低；另一方面則是因?yàn)閾饺朐偕止橇虾?，在混凝土?nèi)部額外引入了若干疏松多孔的舊砂漿-石子界面過(guò)渡區(qū)，這也使混凝土的抗氯鹽侵蝕性能有所降低［16-17］。

為了解釋摻入成孔碎渣后混凝土抗氯鹽侵蝕性能有所劣化的現(xiàn)象，分別對(duì)河砂、成孔碎渣和砂漿試樣（砂漿試樣分別取自成孔碎渣取代率為0、50%、70%、100%且再生粗骨料取代率為0的抗氯鹽侵蝕混凝土試件）開(kāi)展了壓汞測(cè)試，其中HS50表示成孔碎渣取代率為50%的砂漿試件，以此類(lèi)推。壓汞測(cè)試采用AutoPore Ⅳ 9500全自動(dòng)壓汞儀，其壓力范圍為0～228 MPa，孔隙尺寸測(cè)定范圍為2.5 nm～500 μm。砂漿試樣的孔隙尺寸分布（按直徑計(jì)算，下同）隨成孔碎渣取代率的變化情況如圖9 所示，河砂和成孔碎渣的孔隙尺寸分布見(jiàn)圖10（圖中HS和NS分別表示成孔碎渣和河砂）。

圖9 孔隙尺寸分布隨成孔碎渣取代率的變化情況Fig.9 Variation of hole size distribution with replacement ratio of hole slag

圖10 河砂和成孔碎渣的孔隙尺寸分布Fig.10 Hole size distribution of river sand and hole slag

由圖9可以看出，隨著成孔碎渣取代率的增加，混凝土內(nèi)部砂漿的孔隙率總體呈現(xiàn)出先快后慢逐漸增大的趨勢(shì)。這一方面是因?yàn)槌煽姿樵募?xì)度模數(shù)相較于河砂偏大（見(jiàn)表2），粒徑偏粗，導(dǎo)致水泥漿體的孔隙率有所增大［18］；另一方面則是由于成孔碎渣的孔隙率本就略大于河砂（見(jiàn)圖10）所致。上述兩方面因素共同作用，使得混凝土內(nèi)部孔隙率隨著成孔碎渣取代率的增加而增大，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土的抗氯鹽侵蝕性能相較常規(guī)混凝土有所降低。圖9和圖10所示結(jié)果也從微觀角度印證了2.1.1節(jié)所述的混凝土抗壓強(qiáng)度隨成孔碎渣取代率增加總體上逐漸降低的現(xiàn)象。

基于本文研究結(jié)果，以摻有成孔碎渣的再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗氯鹽侵蝕性能相較常規(guī)混凝土的劣化幅度均不超過(guò)15%為原則，建議實(shí)際工程中同時(shí)采用成孔碎渣和再生粗骨料時(shí)，二者的最大取代率都以50%為限。

3 結(jié)論

通過(guò)本文的研究，主要得到如下結(jié)論：

（1）隨著成孔碎渣取代率和再生粗骨料取代率的增加，摻有成孔碎渣的再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度總體上逐漸降低，成孔碎渣取代率100%所對(duì)應(yīng)的降幅為5.2%～11.5%，再生粗骨料取代率100%所對(duì)應(yīng)的降幅為6.3%～11.8%。

（2）雖然隨著再生粗骨料取代率的增加，摻有成孔碎渣的再生骨料混凝土的彈性模量和峰值應(yīng)變分別總體上逐漸降低和增大（再生粗骨料取代率100%所對(duì)應(yīng)的降幅和增幅分別為24.2%～30.0%和12.5%～27.2%），但成孔碎渣取代率對(duì)該彈性模量和峰值應(yīng)變的影響卻相對(duì)有限。

（3）摻有成孔碎渣的再生骨料混凝土的氯離子遷移系數(shù)隨再生粗骨料取代率的增加總體上逐漸增大（再生粗骨料取代率100% 所對(duì)應(yīng)的增幅為24.6%～28.8%），但該遷移系數(shù)隨成孔碎渣取代率增加而逐漸增大的幅度卻相對(duì)較為有限。

（4）隨著成孔碎渣取代率的增加，摻有成孔碎渣的再生骨料混凝土的孔隙率總體呈現(xiàn)出先快后慢逐漸增大的趨勢(shì)；成孔碎渣的孔隙率略大于河砂。

（5）以摻有成孔碎渣的再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗氯鹽侵蝕性能相較常規(guī)混凝土的劣化幅度均不超過(guò)15%為原則，建議實(shí)際工程中同時(shí)采用成孔碎渣和再生粗骨料時(shí)，二者的最大取代率都以50%為限。