胡 立, 詹炳根, 洪 麗, 張趙強(qiáng), 李景哲, 陳語(yǔ)陽(yáng)

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.水泥基材料低碳技術(shù)與裝備教育部工程研究中心,安徽 合肥 230009)

0 引 言

隨著社會(huì)的發(fā)展,建筑行業(yè)也在不斷適應(yīng)大眾需求中穩(wěn)步前進(jìn)。但我國(guó)建筑業(yè)在快速發(fā)展的同時(shí),大面積的舊城改造和新建筑開(kāi)發(fā),帶來(lái)了大量的建筑垃圾和建筑材料資源不足兩大難題[1]。

再生細(xì)骨料是指廢棄混凝土經(jīng)破碎篩分后粒徑小于4.75 mm的骨料顆粒,其骨料性能差、數(shù)據(jù)離散性大是制約其高效利用的主要原因。文獻(xiàn)[2]的研究表明,再生細(xì)骨料表面附著多孔洞、多裂紋的殘余漿體,使其較天然細(xì)骨料吸水率高、密度低。殘余漿體是影響再生細(xì)骨料基本性能及其混凝土制品各項(xiàng)性能的重要因素,其與原始骨料共同組成一個(gè)非勻質(zhì)、不穩(wěn)定且多變的多相體[3],這也是導(dǎo)致再生細(xì)骨料性質(zhì)差、利用率低的根本原因。

由再生細(xì)骨料部分或全部替代天然細(xì)骨料制備的再生混凝土(recycled aggregate concrete,RAC)的性質(zhì)都會(huì)劣于普通混凝土。在工作性能上,再生混凝土表現(xiàn)為坍落度小、流動(dòng)性差,一方面取決于再生混凝土的配合比設(shè)計(jì),另一方面由于殘余漿體的高吸水性。文獻(xiàn)[4]實(shí)驗(yàn)表明,與河砂砂漿相比,再生細(xì)骨料砂漿會(huì)需要更多用水量來(lái)達(dá)到相同的和易性;文獻(xiàn)[5]研究表明,由于再生細(xì)骨料中存在微裂紋及內(nèi)部損傷積累,表觀密度越低,再生砂漿吸水率越高、吸水速度越快,導(dǎo)致保水性較差,并且再生細(xì)骨料粗糙的表面也會(huì)增大新拌再生混凝土的摩擦阻力,使得再生混凝土的屈服應(yīng)力較大;文獻(xiàn)[6]研究表明,再生細(xì)骨料的多棱角表面使得骨料空隙增大,需要更多的漿體填充空隙,導(dǎo)致用于潤(rùn)滑的漿體量減少,影響流動(dòng)性;文獻(xiàn)[7-9]研究表明,隨著再生細(xì)骨料替代率的提高,再生砂漿的需水量也在增加;文獻(xiàn)[10]研究發(fā)現(xiàn),再生細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)對(duì)再生砂漿的耗水量有密切影響,細(xì)度模數(shù)越小,再生細(xì)骨料的比表面積越大,再生砂漿的需水量越大。從上述研究可以看出,再生細(xì)骨料的加入會(huì)降低再生混凝土的流動(dòng)性。

再生細(xì)骨料物理性能的劣化也會(huì)導(dǎo)致再生混凝土力學(xué)性能的劣化。文獻(xiàn)[11]研究表明這是由于再生細(xì)骨料的替代會(huì)增加再生混凝土中毛細(xì)孔和凝膠孔的數(shù)量,對(duì)其力學(xué)性能造成負(fù)面影響;文獻(xiàn)[12-13]研究結(jié)果表明,用再生細(xì)骨料制備的再生砂漿的力學(xué)性能會(huì)變差;文獻(xiàn)[14]研究發(fā)現(xiàn),再生混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著再生細(xì)骨料替代率的增加而趨于降低;文獻(xiàn)[15]采用3種不同來(lái)源的再生細(xì)骨料代替天然細(xì)骨料制備再生砂漿,結(jié)果表明再生砂漿強(qiáng)度較天然砂漿強(qiáng)度都有不同程度的降低。另外微觀結(jié)構(gòu)分析可知,再生混凝土是一個(gè)由再生骨料和新、老砂漿以及新-老砂漿界面過(guò)渡區(qū)(interfacial transition zone,ITZ)組成的多相體。多重薄弱界面過(guò)渡區(qū)的存在也是再生混凝土力學(xué)性能差的主要原因[16]。

國(guó)內(nèi)主要通過(guò)體積分?jǐn)?shù)為10%的鹽酸溶液腐蝕殘余漿體[17]和高溫劣化殘余漿體[18]去除再生粗骨料表面的殘余漿體,進(jìn)而以再生粗骨料去除殘余漿體前后質(zhì)量的差值與再生粗骨料去除前質(zhì)量的比值得出再生粗骨料中殘余漿體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。文獻(xiàn)[19]以加熱摩擦法、機(jī)械撞擊法和輕量級(jí)的粒子與水分離流法去除再生粗骨料的殘余漿體,描述不同殘余漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)再生粗骨料混凝土性能的影響。

已有的研究多集中在不同摻量、不同來(lái)源再生細(xì)骨料對(duì)再生混凝土性能的影響,但對(duì)主要影響再生細(xì)骨料性能的殘余漿體的研究較少。國(guó)內(nèi)外的研究也多集中于對(duì)再生粗骨料殘余漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定,而對(duì)再生細(xì)骨料殘余漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的表征研究較少。究其原因,現(xiàn)階段適用于再生粗骨料殘余漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定方法并不適用于再生細(xì)骨料。機(jī)械剝離法[20]通過(guò)專業(yè)設(shè)備對(duì)再生骨料進(jìn)行沖擊和研磨,可以最大限度地松散和分離粘附在骨料表面的漿體。但此類(lèi)方法無(wú)法避免再生骨料之間因碰撞、摩擦等作用而出現(xiàn)微裂縫,降低了再生骨料在后續(xù)使用中的質(zhì)量且無(wú)法較為準(zhǔn)確地定量殘余漿體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。熱處理法[21]是將再生骨料放置于30 ℃以上的溫度里,加熱數(shù)小時(shí),進(jìn)行數(shù)次循環(huán),溫度應(yīng)力使骨料和黏附的漿體出現(xiàn)不同程度的膨脹,在溫度應(yīng)力的作用下兩者之間的黏結(jié)力減弱,界面易破裂出現(xiàn)微裂縫且漿體在高溫下脫水后易與骨料結(jié)合面脫離。但此類(lèi)熱處理方法只適用于大粒徑骨料,因?yàn)榭梢暂p易地分辨出脫落的漿體,而對(duì)再生細(xì)骨料并不適用。酸處理法[22]中的水泥漿體水化產(chǎn)物(C-S-H凝膠、Ca(OH)2、鈣礬石、水化硫鋁酸鈣等)可以溶解于酸性溶液中,經(jīng)過(guò)一系列化學(xué)反應(yīng)后,再生骨料表面的殘余漿體被溶解,經(jīng)過(guò)清洗后可以得到表面無(wú)殘余漿體的再生骨料,通過(guò)浸泡在合適的酸性溶液中可溶解絕大部分漿體,此類(lèi)方法可較精準(zhǔn)定量再生骨料殘余漿體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

本文首先開(kāi)展再生細(xì)骨料殘余漿體測(cè)定實(shí)驗(yàn),利用水楊酸-甲醇溶液浸泡再生細(xì)骨料粉末樣品,通過(guò)抽濾、烘干、稱重計(jì)算各組再生細(xì)骨料殘余漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù),并依據(jù)殘余漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)再生細(xì)骨料進(jìn)行分類(lèi)制備再生混凝土,研究不同漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的再生細(xì)骨料對(duì)再生混凝土流變性及力學(xué)性能的影響。

1 原材料及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 原材料

實(shí)驗(yàn)所用的水泥是巢湖牌P·O 42.5R級(jí)水泥,主要化學(xué)成分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表1所列。實(shí)驗(yàn)所采用的再生細(xì)骨料由安徽省桐城市某高速公路拆除后,去除其中鋼筋并經(jīng)機(jī)械破碎、篩分而生產(chǎn)的再生細(xì)骨料,根據(jù)再生細(xì)骨料漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不同,共分為6個(gè)實(shí)驗(yàn)組,物理性能指標(biāo)見(jiàn)表2所列。

表1 實(shí)驗(yàn)用水泥的主要化學(xué)成分

表2 再生細(xì)骨料和天然細(xì)骨料的物理性能指標(biāo)

所用細(xì)骨料為安徽石強(qiáng)新型材料有限公司提供的天然細(xì)骨料。所用粗骨料為安徽石強(qiáng)新型材料有限公司提供的5～10 mm及1～20 mm 2種粒徑的天然粗骨料,物理性能指標(biāo)見(jiàn)表3所列。所采用的化學(xué)試劑為:500 mL鹽酸溶液(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司);250 g水楊酸固體粉末(天津市恒興集團(tuán)有限公司);500 mL甲醇溶液(成都市科隆化學(xué)品有限公司)。所用化學(xué)試劑均為分析純。

表3 天然粗骨料的物理性能指標(biāo)

1.2 配合比

再生細(xì)骨料漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0時(shí)對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)組為基準(zhǔn)組,細(xì)骨料采用天然砂,其設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C35,水灰比為0.65,粗骨料采用天然粗骨料,基準(zhǔn)組混凝土記為NC。配合比設(shè)計(jì)見(jiàn)表4所列。在此基礎(chǔ)上,所制備的再生混凝土分別記為RFC1、RFC2、RFC3、RFC4、RFC5。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 殘余漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定方法

1) 將代表性樣品置于干燥箱中,在105 ℃下烘干至恒重m,均勻取樣100 g作為實(shí)驗(yàn)樣品。研磨樣品直至通過(guò)0.2 mm篩網(wǎng)。

2) 配制0.3 g/mL水楊酸-甲醇溶液,從100 g研磨后的樣品中均勻取樣0.5 g浸泡在50 mL水楊酸-甲醇溶液中,攪拌1 h使其充分反應(yīng)。

3) 用抽濾裝置進(jìn)行過(guò)濾操作,并將甲醇溶液倒入漏斗清洗濾紙上的殘余物數(shù)次,直至液體變清澈,傾倒甲醇溶液的過(guò)程中注意液體濺出。

4) 將殘余粉末狀固體不溶物置于干燥箱,在30 ℃下烘干至恒重后稱其質(zhì)量m1,再生細(xì)骨料殘余漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)w的計(jì)算公式為:

(1)

1.3.2 再生細(xì)骨料基本性能的測(cè)定

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14684—2022《建設(shè)用砂》中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行實(shí)驗(yàn),測(cè)定再生細(xì)骨料的表觀密度、堆積密度、壓碎指標(biāo)、吸水率等基本物理性能。

1.3.3 再生細(xì)骨料混凝土流變性能的測(cè)試

實(shí)驗(yàn)使用的STHB-1型混凝土流變儀如圖1所示。對(duì)新拌再生細(xì)骨料混凝土進(jìn)行流變性能測(cè)試,測(cè)試程序如圖2所示,以參數(shù)關(guān)系為τ=τ0+μγ表示的Bingham模型進(jìn)行建模,得到屈服應(yīng)力和塑性黏度等流變參數(shù)。由圖2可知,測(cè)試程序包括20 s的預(yù)剪切期,速度恒定為0.50 r/s,然后以0.50～0.05 r/s的降序下降依次采集7個(gè)流變曲線點(diǎn)。

圖1 STHB-1型混凝土流變儀

圖2 流變儀測(cè)試程序

1.3.4 再生細(xì)骨料混凝土力學(xué)性能的測(cè)試

本性能測(cè)試的具體過(guò)程參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50081—2019《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)混凝土流變性能的影響

STHB-1型混凝土流變儀采集的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示,并依據(jù)Bingham模型計(jì)算再生細(xì)骨料混凝土的屈服應(yīng)力和塑性黏度。

圖3 流變曲線測(cè)試結(jié)果

再生細(xì)骨料漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)混凝土屈服應(yīng)力τ0的影響如圖4所示。由圖4可知,NC組的屈服應(yīng)力普遍低于RFC各組,再生細(xì)骨料殘余漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24.8%時(shí)制備的混凝土的屈服應(yīng)力最高,達(dá)到877.08 Pa,約為NC組的1.34倍。在RFC各組中,殘余漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高,再生混凝土屈服應(yīng)力越大。這是再生細(xì)骨料吸水率高、吸水速度快導(dǎo)致的。新拌再生混凝土中自由水不斷被再生細(xì)骨料表面的殘余漿體吸收,使得拌合物中自由水隨之降低,導(dǎo)致其屈服應(yīng)力迅速增大。同時(shí),由于殘余漿體的存在,再生細(xì)骨料的表面具有棱角、更粗糙,與天然細(xì)骨料相比導(dǎo)致其動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力較大[23]。隨著再生細(xì)骨料殘余漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增大,使得新拌再生細(xì)骨料混凝土中自由水的含量減小,最終表現(xiàn)為屈服應(yīng)力的升高[24]。

圖4 再生細(xì)骨料漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)混凝土屈服應(yīng)力的影響

再生細(xì)骨料漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)混凝土塑性黏度的影響如圖5所示。

圖5 再生細(xì)骨料漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)混凝土塑性黏度的影響

由圖5可知,NC組的塑性黏度值普遍高于RFC各組,這是由于塑性黏度μ主要受漿體中水泥分子間的相互引力影響。因?yàn)镽FC各組的附加水含量均高于NC組,所以其拌合物中水泥顆粒更加分散,加大了水泥分子間的距離,導(dǎo)致水泥分子間的相互引力減小,最終使得RFC各組的塑性黏度值低于NC組。

綜上所述,再生混凝土的流變性與再生細(xì)骨料漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈負(fù)相關(guān)。

2.2 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

再生細(xì)骨料混凝土強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5所列。再生細(xì)骨料漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響如圖6所示。

圖6 再生細(xì)骨料漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

由圖6可知,隨著再生細(xì)骨料殘余漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高,用其制備的再生混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度也隨之減小。殘余漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24.8%時(shí),再生細(xì)骨料混凝土的3、7、28 d抗壓強(qiáng)度分別為15.9、22.8、25.1 MPa,相較于天然細(xì)骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度,只有其強(qiáng)度的67.8%、76.5%、78.2%;再生細(xì)骨料混凝土的3、7、28 d劈裂抗拉強(qiáng)度分別為1.19、1.41、1.52 MPa,相較于天然細(xì)骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度,只有其強(qiáng)度的49.2%、51.6%、51.4%。其原因在于再生細(xì)骨料表面附著的殘余漿體會(huì)阻礙再生細(xì)骨料與水泥漿體之間的粘結(jié)[25-27]。隨著再生細(xì)骨料表面的殘余漿體逐漸減少,骨料性能明顯改善,經(jīng)處理后的再生細(xì)骨料與再生混凝土中的新水泥漿之間界面區(qū)域的接觸更加緊密。因?yàn)樗酀{與骨料之間的界面結(jié)合在混凝土結(jié)構(gòu)中至關(guān)重要,并且是支配混凝土強(qiáng)度發(fā)展的一個(gè)重要因素[28-29],所以界面區(qū)的增強(qiáng)反映了經(jīng)處理的再生細(xì)骨料混凝土強(qiáng)度的提高。同時(shí)再生細(xì)骨料混凝土具有新舊雙界面,在劈裂破壞時(shí),新舊雙界面均發(fā)生斷裂[30]。并且舊界面斷裂能比新界面低,對(duì)再生細(xì)骨料混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度影響更大[31]。再生細(xì)骨料由于殘余漿體的存在,再生混凝土在承受軸向應(yīng)力時(shí),其較高的孔隙率容易使舊界面形成應(yīng)力集中現(xiàn)象,從而導(dǎo)致再生混凝土抗拉強(qiáng)度下降[32]。結(jié)合前人研究成果可知[33-35],對(duì)于再生細(xì)骨料混凝土而言,漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小可以減少再生細(xì)骨料混凝土雙界面的數(shù)量,從而使得劈裂破壞薄弱區(qū)減少,表現(xiàn)為劈裂抗壓強(qiáng)度的增大。

3 結(jié) 論

1) 再生細(xì)骨料殘余漿體的高吸水率會(huì)使新拌混凝土的坍落度和擴(kuò)展度損失加快,屈服應(yīng)力增大,塑性黏度降低。在RFC各組中,再生細(xì)骨料殘余漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24.8%時(shí)制備的混凝土的屈服應(yīng)力最高,能夠達(dá)到877.08 Pa,約為NC組的1.34倍。隨著殘余漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減少,再生細(xì)骨料表面棱角減少,吸水率下降,再生細(xì)骨料混凝土的屈服應(yīng)力逐漸減小,塑性黏度值逐漸增大。

2) 隨著再生細(xì)骨料殘余漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的減小,用其制備的再生混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉隨之增大。當(dāng)殘余漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14.9%時(shí),骨料水泥漿體界面過(guò)渡區(qū)粘結(jié)緊密,再生細(xì)骨料混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度分別為28.5、2.30 MPa,約為普通混凝土的89%、77%。