梁娜, 趙順波, 朱偉偉, 姚坤奇, 靳麗輝, 錢曉軍

(華北水利水電大學(xué) 河南省生態(tài)建材工程國際聯(lián)合實驗室,河南 鄭州 450045)

全再生骨料混凝土收縮性能試驗研究

梁娜, 趙順波, 朱偉偉, 姚坤奇, 靳麗輝, 錢曉軍

(華北水利水電大學(xué) 河南省生態(tài)建材工程國際聯(lián)合實驗室,河南 鄭州 450045)

為了最大程度地利用廢舊混凝土再生骨料并取得最佳綜合效益,采用100%再生細(xì)骨料和再生粗骨料配制全再生骨料混凝土。考慮再生骨料是否進(jìn)行預(yù)濕處理并變換水灰比、水泥強(qiáng)度進(jìn)行配合比設(shè)計,開展了全再生骨料混凝土工作性能、抗壓強(qiáng)度和收縮性能的試驗研究。結(jié)果表明:通過合理的配合比設(shè)計和再生骨料預(yù)濕處理,全再生骨料混凝土的工作性能和抗壓強(qiáng)度均可達(dá)到設(shè)計要求;自收縮增長率曲線具有不受水灰比和水泥強(qiáng)度影響的同一變化路徑,但自收縮終值明顯受水灰比影響;水泥強(qiáng)度相同時,干縮隨水灰比的增大而增大;混凝土強(qiáng)度相近時,干縮隨水泥強(qiáng)度的增大而減?。辉偕橇喜蛔鲱A(yù)濕處理將導(dǎo)致全再生骨料混凝土的強(qiáng)度降低、收縮增大。該研究可為全再生骨料在預(yù)拌混凝土中的推廣和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

全再生骨料混凝土;再生粗骨料;再生細(xì)骨料;自收縮性能;干縮性能

在我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程中,可持續(xù)發(fā)展和建設(shè)環(huán)境友好型城鎮(zhèn)的理念被日益重視。拆除混凝土結(jié)構(gòu)中的廢棄混凝土經(jīng)破碎、加工等處理后作為再生骨料用于制備混凝土或砂漿用[1-3],這項技術(shù)在混凝土產(chǎn)業(yè)中具有很大的應(yīng)用潛力。隨著對混凝土再生骨料研究的深入,筆者對再生骨料及再生骨料混凝土有了更加深入的認(rèn)識。

再生粗骨料具有與天然碎石骨料不同的特性,可直接影響再生骨料混凝土的性能。再生粗骨料的表面粗糙且黏附有原硬化水泥砂漿,這一特性會導(dǎo)致再生粗骨料與新混凝土基體的黏結(jié)強(qiáng)度存在不確定性：如產(chǎn)生薄弱黏結(jié)界面[4-6],或在一定粒徑范圍內(nèi)因骨料棱角的特征產(chǎn)生黏結(jié)強(qiáng)度增強(qiáng)的作用[7-8]。再生粗骨料的較低密實度與較高和快速的吸水特性會增大混凝土配合比設(shè)計和拌合物制備的難度,進(jìn)而增加所制備混凝土的性能評價與設(shè)計指標(biāo)確定的復(fù)雜性。再生粗骨料對混凝土的性能的影響是否有利，取決于母體混凝土的性能、破碎工藝和骨料粒徑[4-6,8-13]。為了消除該不利影響,已有學(xué)者研發(fā)了多種再生粗骨料處理工藝。其中可行的做法是在攪拌前預(yù)濕再生粗骨料,以使再生骨料混凝土拌合物獲得良好的工作性能[14-15]。

在已有的研究中,通常將再生粗骨料替代率(再生粗骨料與全部骨料的比值)作為一個重要參數(shù)。其反映再生骨料混凝土與天然碎石混凝土的配合比相近時,再生粗骨料含量對混凝土性能的影響。一般地,當(dāng)該配合比相近時,隨著再生粗骨料替代率的增加,再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和彈性模量均將逐漸減小[5-6,11-12,15-17],抗碳化性、耐硫酸腐蝕性、抗氯離子滲透性和抗凍性均將逐漸降低[5-6,12,15],但收縮卻逐漸增大,其收縮幅度與再生骨料的等級相關(guān)[5-6,17-20]。然而，此種研究方法及對應(yīng)的結(jié)論在工程應(yīng)用中還存在明顯的問題:從混凝土技術(shù)角度看,為了獲得相同的抗壓強(qiáng)度和工作性能,再生骨料混凝土配合比需要按照不同用量的再生骨料和天然骨料加以調(diào)整;從混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計角度考慮,混凝土的設(shè)計指標(biāo)對應(yīng)混凝土的抗壓強(qiáng)度等級,不需要規(guī)定所采用配制骨料的規(guī)格[21]。通過采用合理的配合比設(shè)計方法[9,22]、適當(dāng)?shù)牡V物摻和料[9,14,23-24]、正確的再生粗骨料預(yù)濕處理方法和合理的拌合工藝[14,23,25-27],再生骨料混凝土的性能可以完全達(dá)到甚至超過相同強(qiáng)度等級的天然碎石混凝土。

與天然砂比較,再生細(xì)骨料具有明顯不同的特性：顆粒多棱角且不規(guī)則、砂漿含量高、質(zhì)地不均勻、含有凝膠和氫氧化鈣化合物、由天然骨料和水泥漿體的多相異質(zhì)性產(chǎn)生的低密度和高吸水率[5-6,28-29]。一些研究表明,摻加再生細(xì)骨料配制的混凝土,會表現(xiàn)出較差的工作性能和力學(xué)性能[5-6,30]。但也有研究表明,采用部分再生細(xì)骨料或采用再生細(xì)骨料添加高效減水劑配制的再生混凝土的性能不低于天然砂混凝土[30]。

由于再生粗骨料和再生細(xì)骨料是廢舊混凝土的共同產(chǎn)物,單獨(dú)利用其一均不能獲取最佳效益。綜合分析上述文獻(xiàn)資料,有一些成功案例指出:采用全部再生粗骨料或全部再生細(xì)骨料、采用部分再生粗骨料和部分再生細(xì)骨料,均可配制出與天然骨料混凝土性能相同的再生骨料混凝土[31]。因此,研發(fā)采用100%再生粗骨料或再生細(xì)骨料配制全再生骨料混凝土,在技術(shù)上是可行的。這樣可以最大程度地利用再生骨料,減少由拌制工藝和生產(chǎn)設(shè)備影響產(chǎn)生的再生骨料混凝土性能的差異,使其在預(yù)拌混凝土產(chǎn)業(yè)中得到更好的推廣和應(yīng)用。

基于此,本文研究采用100%再生細(xì)骨料和再生粗骨料配制全再生骨料混凝土。考慮再生骨料是否進(jìn)行預(yù)濕處理并變換水灰比、水泥強(qiáng)度進(jìn)行配合比設(shè)計,進(jìn)行全再生骨料混凝土的工作性能、抗壓強(qiáng)度和收縮性能的試驗研究。

1 試驗概況

1.1 原材料

本次試驗采用P·O 42.5和P·O 52.5普通硅酸鹽水泥,其物理力學(xué)性能實測結(jié)果見表1。

按照規(guī)范GB/T 25177—2010的規(guī)定[2]，再生粗骨料由華北水利水電大學(xué)結(jié)構(gòu)實驗室5年前制備的鋼筋混凝土梁破碎得到,并經(jīng)篩分形成5～20 mm粒徑的連續(xù)級配。其物理力學(xué)性能實測結(jié)果見表2。

表1 試驗用水泥的物理力學(xué)性能

表2 再生粗骨料的物理力學(xué)性能

按照規(guī)范GB/T 25176—2010的規(guī)定[1],再生細(xì)骨料是將破碎再生粗骨料過程中產(chǎn)生的粒徑小于5 mm的共生產(chǎn)物經(jīng)篩分級配而成,細(xì)度模數(shù)為3.05,其物理力學(xué)性能實測結(jié)果見表3。

表3 再生細(xì)骨料的物理力學(xué)性能

其他原材料包括拌合用自來水和減水率為25%的高效減水劑。

1.2 混凝土配合比

全再生骨料混凝土的配合比根據(jù)規(guī)范JGJ 55—2011的規(guī)定進(jìn)行計算確定[32-33],其具體配合比見表4。P·O 42.5水泥用于配制C30和C40全再生骨料混凝土,P·O 52.5水泥用于配制C50全再生骨料混凝土;減水劑用量為水泥用量的0.75%～1.00%,并適時根據(jù)拌合物的工作性能加以調(diào)整;附加用水量由再生骨料吸水率確定,用于再生骨料的預(yù)濕處理。拌合程序為:首先,向攪拌機(jī)內(nèi)投入再生粗骨料和再生細(xì)骨料,攪拌均勻并加入附加用水，預(yù)濕1 h;其次,加入水泥并攪拌均勻;最后,加入拌合水和減水劑,攪拌5 min。

為了研究再生骨料預(yù)濕處理對全再生骨料混凝土收縮性能的影響,筆者增加了一組再生骨料未預(yù)濕處理的C40全再生骨料混凝土(編號為2C40)。其在配制過程中，附加用水與拌合水同時加入攪拌機(jī)。

表4 全再生骨料混凝土的配合比

1.3 試驗方法

全再生骨料混凝土的坍落度試驗按照規(guī)范GB/T 50080—2002的規(guī)定進(jìn)行[34];抗壓強(qiáng)度試驗按照規(guī)范GB/T 50081—2002的規(guī)定采用尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件,3個1組進(jìn)行[35];自收縮試驗采用尺寸為φ150 mm×450 mm的圓柱體試件,環(huán)向?qū)ΨQ按標(biāo)距250 mm埋設(shè)固定座固定千分表和接觸銅棒,2個1組進(jìn)行;干縮試驗按照規(guī)范GB/T 50082—2010的規(guī)定采用尺寸為100 mm×100 mm×550 mm的梁式試件,兩端埋設(shè)銅頭,3個1組進(jìn)行[36]。試件均在振動臺振實,抹面后覆蓋塑料薄膜。立方體試件成型24 h后脫模并移入溫度為(20±2) ℃的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)池中水養(yǎng)。自收縮試驗中，圓柱體試件成型12 h后脫模并采用塑料薄膜包裹,安裝測試千分表后放置在溫度為(20±2) ℃、相對濕度為95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi),并按預(yù)定齡期測試收縮變形。干縮試驗中，梁式試件成型12 h后脫模并放入標(biāo)準(zhǔn)干縮箱內(nèi),按預(yù)定齡期測試收縮變形。自收縮和干縮試驗均在試件成型24 h后開始。同一編號的混凝土試件同批澆筑成型,試驗方案和養(yǎng)護(hù)齡期見表5。

表5 全再生骨料混凝土的試驗方案與養(yǎng)護(hù)齡期

2 試驗結(jié)果分析

2.1 拌合物工作性能

對再生骨料進(jìn)行預(yù)濕處理的全再生骨料混凝土,其拌合物具有良好的黏聚性、保水性和流動性,坍落度試驗值為145～165 mm。未對再生骨料做預(yù)濕處理的全再生骨料混凝土,其拌合物出現(xiàn)了泌水現(xiàn)象,坍落度為175 mm。

2.2 自收縮性能

全再生骨料混凝土的自收縮應(yīng)變實測值εas見表6，其中fcu為28 d立方體抗壓強(qiáng)度實測值。由表6可知：①對再生骨料進(jìn)行預(yù)濕處理的全再生骨料混凝土,其自收縮應(yīng)變隨著水灰比的減小而增大,與水泥強(qiáng)度無關(guān)。這緣于用水量相同的情況下,混凝土的內(nèi)孔隙和毛細(xì)管因水泥的持續(xù)水化反應(yīng)而發(fā)生自干燥[37-38]。②對比C40和2C40的試驗數(shù)據(jù),未預(yù)濕處理再生骨料時,全再生骨料混凝土的自收縮在養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到70 d之前時相對較小,但之后變得相對較大。這是由于附加用水在早期為水泥水化反應(yīng)提供了良好的潮濕環(huán)境,但隨后因再生骨料持續(xù)從混凝土孔隙中吸收水分,使得混凝土孔隙和毛細(xì)管加速失水而發(fā)生自干燥[25]。③綜合來看,預(yù)濕處理再生骨料對降低全再生骨料混凝土的自收縮是有利的。④2C40全再生骨料混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度僅達(dá)到C40全再生骨料混凝土28 d抗壓強(qiáng)度的82.2%。說明在攪拌過程中加入附加用水可增大實際水灰比,這對混凝土的抗壓強(qiáng)度和收縮性能均會產(chǎn)生顯著影響。

表6 全再生骨料混凝土自收縮應(yīng)變實測值εas 10-6

全再生骨料混凝土任意養(yǎng)護(hù)齡期與360 d養(yǎng)護(hù)齡期的自收縮應(yīng)變比(εas,t/εas,360)隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化規(guī)律如圖1所示。由圖1可知:各組混凝土試驗散點的變化曲線幾乎重疊為同一路徑(在28 d養(yǎng)護(hù)齡期前迅速增加,28 d至70 d養(yǎng)護(hù)齡期之間增加較快,隨后以較小增量持續(xù)增大);180 d養(yǎng)護(hù)齡期的自收縮值達(dá)到了360 d養(yǎng)護(hù)齡期自收縮值的92%以上。這意味著全再生骨料混凝土試件絕大部分的自收縮發(fā)生在180 d養(yǎng)護(hù)齡期之前,說明全再生骨料混凝土的自收縮性能與水泥水化過程緊密相關(guān)；隨著180 d養(yǎng)護(hù)齡期之后全再生骨料混凝土水泥水化反應(yīng)的減弱,其自收縮性能主要緣于水泥漿體的孔隙和毛細(xì)管的物理性失水效應(yīng)[39]。

圖1 全再生骨料混凝土自收縮應(yīng)變隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化

從表6和圖1中還可以看出:水灰比和水泥強(qiáng)度主要影響混凝土的自收縮終值,對混凝土自收縮的增長率影響很??；當(dāng)再生骨料未做預(yù)濕處理時,全再生骨料混凝土在70 d養(yǎng)護(hù)齡期之內(nèi)的自收縮增長率較小。

2.3 干縮性能

全再生骨料混凝土的干縮應(yīng)變實測值εds見表7。

全再生骨料混凝土任意養(yǎng)護(hù)齡期與360 d養(yǎng)護(hù)齡期的干縮應(yīng)變比(εds,t/εds,360)隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化規(guī)律如圖2所示。由表7可知，對再生骨料進(jìn)行預(yù)濕處理的C30和C40全再生骨料混凝土,其干縮應(yīng)變及增長率會隨著水灰比的降低而減小,這源于C40全再生骨料混凝土具有較高的密實度,且其內(nèi)孔隙和毛細(xì)管的自由水較少,難以向周圍環(huán)境蒸發(fā)。

由圖2可知:①2C40全再生骨料混凝土在70 d養(yǎng)護(hù)齡期之前的干縮值較小,但70 d養(yǎng)護(hù)齡期之后的干縮值超過了C40。這是因為2C40全再生骨料混凝土內(nèi)部孔隙在前期充滿了自由水而后期失水較快[25]。②在混凝土強(qiáng)度相近的情況下,采用P·O 52.5水泥的C50全再生骨料混凝土的干縮低于采用P·O 42.5水泥的C40全再生骨料混凝土。這緣于前者的再生骨料體積率較大而水泥漿體的體積率較小,再生骨料對水泥漿體的收縮變形約束較強(qiáng)[39]。③C30、2C40和C50全再生骨料混凝土的干縮增長率均表現(xiàn)出大于C40的趨勢。這表明全再生骨料混凝土的水灰比較大時,其內(nèi)部自由水更易失去；2C40全再生骨料混凝土早期干縮增長率大于C40,表明再生骨料未做預(yù)濕處理時,附加用水增加了混凝土孔隙內(nèi)的自由水,使其更易于從混凝土內(nèi)部向周圍環(huán)境蒸發(fā)而產(chǎn)生損失。

表7 全再生骨料混凝土干縮應(yīng)變實測值εds 10-6

圖2 全再生骨料混凝土干縮應(yīng)變隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化

3 結(jié)語

通過對全再生骨料混凝土的工作性能、抗壓強(qiáng)度和收縮性能的試驗研究分析,可得出如下結(jié)論:

1)采用合理的配合比設(shè)計方法并預(yù)濕處理再生骨料時,全再生骨料混凝土的工作性能和抗壓強(qiáng)度均可達(dá)到預(yù)定要求。但若再生骨料不做預(yù)濕處理,全再生骨料混凝土的工作性能將變差,抗壓強(qiáng)度也會降低。

2)預(yù)濕處理再生骨料的情況下,不同水泥強(qiáng)度的全再生骨料混凝土自收縮的發(fā)展呈現(xiàn)基本相同的路徑,且可劃分為迅速增長、快速增長和持續(xù)增長3個階段;全再生骨料混凝土的自收縮值隨著水灰比的減小而增大,與水泥強(qiáng)度幾乎無關(guān)。當(dāng)再生骨料不做預(yù)濕處理時,全再生骨料混凝土在70 d養(yǎng)護(hù)齡期之前的自收縮值及其增長率較小,但隨后逐漸變大并超過預(yù)濕處理再生骨料的全再生骨料混凝土。

3)預(yù)濕處理再生骨料的情況下,采用P·O 42.5水泥的全再生骨料混凝土的干縮值隨水灰比的減小而減小。在強(qiáng)度相近的情況下,采用P·O 52.5水泥的全再生骨料混凝土的干縮值低于采用P·O 42.5水泥的全再生骨料混凝土。當(dāng)再生骨料不做預(yù)濕處理時,全再生骨料混凝土在70 d養(yǎng)護(hù)齡期之前的干縮值較小但增長率較大,最終的干縮值也較大。

4)考慮到影響全再生骨料混凝土收縮性能的因素復(fù)雜,尚需更加系統(tǒng)的試驗研究來對本文的研究結(jié)果進(jìn)行充分的驗證。

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[35] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn):GB/T 50081—2002[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002.

[36] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法標(biāo)準(zhǔn):GB/T 50082—2010[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.

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[38] 李鳳蘭,郭克寧,李靜.復(fù)合骨料混凝土力學(xué)與干縮性能試驗研究[J].混凝土,2011(10):28-30.

[39] ZHAO Shunbo,LI Changyong,ZHAO Mingshuang,et al.Experimental study on autogenous and drying shrinkage of steel fiber reinforced lightweight-aggregate concrete[J].Advances in Material Science and Engineering,2016(6):1-9.

ExperimentalStudyonShrinkageBehaviorofFull-Recycled-AggregateConcrete

LIANG Na, ZHAO Shunbo, ZHU Weiwei, YAO Kunqi, JIN Lihui, QIAN Xiaojun

(Henan Provincial International United Lab of Eco-building Materials and Engineering, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

The aim of this study is to research and develop a full-recycled-aggregate concrete made of 100% recycled fine and coarse aggregates to get the best benefits by reusing the recycled aggregates of the waste concrete at the most extent. Considering whether to pre-wet the recycled aggregates and change the water-cement ratio and cement strength in mix proportion of full-recycled-aggregate concrete, tests were carried out to study the workability, compressive strength and shrinkage behavior of full-recycled-aggregate concrete. Results showed that by using proper mix proportion and pre-wetted recycled concrete aggregates, the workability and compressive strength reached the design requirements, the autogenous shrinkage increment of different full-recycled-aggregate concrete had a common path without being affected by the water-cement ratio and cement strength, while the final values of autogenous shrinkage were affected apparently by water-cement ratio. With the same cement strength, the larger water-cement ratio led to the greater drying shrinkage of full-recycled-aggregate concrete. With the similar strength of full-recycled-aggregate concrete, the lower drying shrinkage emerged with the higher cement strength. Recycled concrete aggregates without being pre-wetted generally led to worse compressive strength and larger shrinkage of full-recycled-aggregate concrete. This study lays the foundation for promotion and application of full recycled aggregates in premixed concrete.

full-recycled-aggregate concrete; recycled coarse aggregate; recycled fine aggregate; autogenous shrinkage; drying shrinkage

張陵)

TV332

A

1002-5634(2017)06-0043-06

2017-07-19

河南省高等學(xué)校重點科研項目(16A560023);河南省高校生態(tài)建筑材料與結(jié)構(gòu)工程科技創(chuàng)新團(tuán)隊專題(13IRTSTHN002);河南省新型城鎮(zhèn)建筑技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心專題(河南省教育廳,教科技〔2013〕638號)。

梁娜(1979—),女,河南鄭州人,碩士,講師,從事建筑材料方面的研究。E-mail:tina@ncwu.edu.cn。

趙順波(1964—),男,河北武邑人,教授,博導(dǎo),博士,從事土木工程材料與結(jié)構(gòu)方面的研究。E-mail:sbzhao@ncwu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.06.006