葉強(qiáng) 劉柯琦

1. 江蘇蘇博特新材料股份有限公司 江蘇 南京 210000；2. 江蘇省建筑科學(xué)研究院有限公司/高性能土木工程材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 江蘇 南京 210000

引言

因?yàn)樽灾苹炷凛^好的施工和填充功能在建筑中普遍的應(yīng)用，所以大量的減水物質(zhì)、低水膠、高膠凝材料和礦物摻和料的加入也帶來了一系列不可忽視的問題。通過近幾十年來我國土地資源的開發(fā)利用，土地資源數(shù)量明顯減少，部分區(qū)域面臨資源枯竭、能源消耗、采礦運(yùn)輸成本大，對(duì)環(huán)保損害巨大等問題。而且，隨著中國城市化建設(shè)和老城區(qū)改建的迅速進(jìn)展，中國城市年均產(chǎn)生了大約十八億噸建筑廢棄物，占據(jù)了城市廢棄物量的30%～50%。巨大的垃圾混凝土不但浪費(fèi)大量珍貴的土地，而且也帶來了環(huán)保和社會(huì)問題。而再生骨材水泥的使用不但能夠節(jié)省城市垃圾處置成本，降低環(huán)境污染和破壞，同時(shí)還能夠降低對(duì)自然砂石的再利用，緩解自然骨料的供應(yīng)日益緊張，從而實(shí)現(xiàn)中國建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。但是，由于再生細(xì)骨材有很大的吸水性，因此它也可以用作內(nèi)部材料密實(shí)混凝土的理論維護(hù)，以克服密實(shí)混凝土本身的收縮問題。目前的研究表明，回收的細(xì)廢料會(huì)降低普通水泥的熱力學(xué)性能和耐久性，以及增加了普通水泥的熱收縮率等。而普通水泥的劈裂抗拉強(qiáng)度、彈性模量、耐腐蝕性、防碳化性能，以及對(duì)氯化物離子滲透性等都不如水灰比相同的普通水泥。但是，也有些研究人員指出，工程上再生細(xì)骨料混凝土的滲透性能比天然骨料混凝土強(qiáng)，但由于再生細(xì)骨材替代量的增加，滲透特性有所改善。調(diào)查了部分再生細(xì)骨材取代天然水泥配制的水泥力學(xué)性能，結(jié)果顯示，再生細(xì)骨材對(duì)水泥的動(dòng)力學(xué)特性沒有影響。當(dāng)再生細(xì)骨料替代率低于30%時(shí)，混凝土的動(dòng)力學(xué)特性研究表明，在凍融條件下，由于再生細(xì)骨料替代率的提高，再生混凝土的質(zhì)量賠償度逐漸提高，但由于彈性模量動(dòng)剛度明顯降低，回收的細(xì)骨料會(huì)逐漸變得不耐寒。結(jié)果表明，再生細(xì)骨料的干濕形態(tài)對(duì)混凝土的抗寒性有較大影響。

綜上所述，目前還不能對(duì)可再生細(xì)骨料和密實(shí)水泥材料的結(jié)構(gòu)特性展開系統(tǒng)研究。本章內(nèi)容應(yīng)系統(tǒng)全面地檢查再生細(xì)骨料摻量和預(yù)飽和時(shí)間，對(duì)新拌和硬化的自密實(shí)混凝土工作特點(diǎn)、基本物理和機(jī)械特征及其耐久性的影響，為再生細(xì)骨料在自密實(shí)混凝土中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)的主體材料包括：水泥、粉煤灰、減水劑、天然粗、細(xì)骨材。水泥采用PS32.5礦渣硅酸鹽水泥，粉煤灰用二級(jí)粉煤灰，攪拌方法直接使用就近河水。粗骨材粒徑約為4.75～20mm，而天然粗骨材則為碎巖，在飽和作用下的吸附效果約為百分之零點(diǎn)五八[1]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文研究了三種不同的取代率（25%、50%、75%）、三種不同的飽和水預(yù)處理時(shí)間（0、2、24h）、水灰比（0.28）對(duì)表面干飽和度的影響。見表1。

表1 自密實(shí)混凝土配合比

1.3 試驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)全過程操作按照國家規(guī)定的制度規(guī)范進(jìn)行。

1.4 試驗(yàn)結(jié)果

1.4.1 表2顯示了再生細(xì)骨料的置換率和飽和時(shí)間對(duì)再生密實(shí)混凝土性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，再生細(xì)骨料本身降低了密實(shí)混凝土的可靠性。隨著再生細(xì)骨料替代率的提高，Y型膨脹環(huán)的膨脹率下降，T500型膨脹環(huán)的膨脹率增加。這主要是因?yàn)樵偕?xì)集料具有多角度和粗糙的質(zhì)地，它增加摩擦，減少流量。此外，再生細(xì)填料的孔隙率高，增加了孔隙中的水和粘土填充，從而減少了充油水泥層的厚度，容易導(dǎo)致更大的下降。當(dāng)再生細(xì)集料置換率從0%提高到75%時(shí)，膨脹率下降37mm，J環(huán)膨脹率下降28mm，T500提高3.81s。再生自密實(shí)細(xì)骨料混凝土的工作性也受飽和時(shí)間的影響。飽和期延長后，混凝土的可靠性逐漸降低。灌溉前，飽和水的膨脹小于10m；J型環(huán)比不飽和水預(yù)浸膨脹小6mm，T500增加0.33s，飽和水預(yù)浸膨脹比不飽和水預(yù)浸膨脹小19mm，預(yù)飽和水越少，J型環(huán)比預(yù)飽和水小9mm，T500增加0.55秒。飽和時(shí)間對(duì)工作性能的影響主要是由加水引起的。為了保證混凝土水灰比的一致性，應(yīng)增加水灰比，使再生細(xì)集料達(dá)到飽和表面干燥狀態(tài)。過多的水在攪拌過程中不能充分吸收，從而提高了水泥的實(shí)際有效水灰比，提高了水泥的加工性。雖然再生細(xì)骨料的工作性較差，但是，根據(jù)《自密實(shí)混凝土使用技術(shù)規(guī)范》（jgjt283-2012），它滿足SF2的要求，可用于一般鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)[2]。

表2 自密實(shí)混凝土工作性

1.4.2 再生自密實(shí)混凝土強(qiáng)度。耐壓性能是評(píng)價(jià)混凝土動(dòng)力學(xué)特性的主要指標(biāo)。因此再生水泥在建筑結(jié)構(gòu)中的使用也應(yīng)當(dāng)符合強(qiáng)度要求。研究表示了置換量和預(yù)濕時(shí)間對(duì)再生骨料自密實(shí)水泥耐壓性能的影響。當(dāng)再生細(xì)骨料取代比為25%、50%和第75%時(shí)，28d再生自密實(shí)砼的耐壓性能就依次相較于自密實(shí)砼降低了6.5%、11.2%和14.6%。盡管壓實(shí)率正常，但五十六d的耐壓性能僅為2.7%、5.4%和9.7%。就這樣，由于水化過程的進(jìn)行，從水分中汲取的干再生細(xì)材逐漸釋放，并在里面愈合，從而增加了混凝土水化水平，并可以恢復(fù)對(duì)水泥的壓力。另外，它還補(bǔ)償了干再生細(xì)骨材特性差帶來的強(qiáng)度損失。如采用了干再生細(xì)材，則水泥強(qiáng)度就會(huì)下降。這主要由于在拌和過程中必須加入了更多的水泥，這樣就有效地增加了水灰比，從而降低了混凝土的耐壓性能。當(dāng)細(xì)骨材飽和二小時(shí)之后，混凝土的抗拉強(qiáng)度與自密實(shí)混凝土和飽和細(xì)骨材相當(dāng)。而干再生細(xì)材的吸水性能應(yīng)在24小時(shí)內(nèi)超過90%。再生細(xì)骨材對(duì)密實(shí)混凝土的年28天壓縮力都超過了50個(gè)MPa，而五十六天的耐壓性能也都低于了65MPa。在不同替代速率和飽和時(shí)期內(nèi)的可再生細(xì)集材顆粒，對(duì)其抗彎強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度的影響隨著可再生細(xì)骨材替換速率的增加，混凝土的抗折強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度降低。但盡管如此，再生細(xì)集料對(duì)耐壓性能的影響卻要大于對(duì)扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度的影響。當(dāng)再生細(xì)骨材替代率為0%～75%時(shí)，在28天內(nèi)，再生細(xì)自密實(shí)混凝土的抗折硬度只下降了0.6MPa，而劈裂硬度則為0.9MPa。所以，在28日內(nèi)。再生細(xì)骨料對(duì)混凝土的抗折硬度和劈裂硬度影響都不大。除去內(nèi)部處理以外，再生細(xì)集材的表面粗糙度也可能與之相關(guān)。再生細(xì)骨材對(duì)自密實(shí)混凝土28天后的抗折強(qiáng)度約為7.6～8.2MPa，其最大爆炸抗拉強(qiáng)度約為4.2～5.1MPa。由再生細(xì)骨材對(duì)自定砼的耐壓性能、抗折強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度之間的比值，表明了再生細(xì)骨材的耐壓性能、抗折強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度之間存在著線性關(guān)系。

1.4.3 再生自密實(shí)混凝土抗凍融性能。在中國北部嚴(yán)寒地帶，凍融循環(huán)也是產(chǎn)生水泥劣變的主要原因之一。再生細(xì)骨料活性取代率越高，自密實(shí)水泥的耐凍融特性就越差。對(duì)替代比為75%的自密實(shí)砼材料，經(jīng)二百多次凍融循環(huán)后，其動(dòng)態(tài)模量仍維持在80%以下，超過了凍融循環(huán)破壞的要求（60%）。因此，再生自密實(shí)砼細(xì)骨材仍具備較高的耐凍融特性。但由于動(dòng)態(tài)相對(duì)模量不同，再生細(xì)骨料砼的品質(zhì)損失隨著再生細(xì)骨料摻雜率的提高而降低。

2 上述趨勢(shì)的主要因素可能為

在進(jìn)行了多次冷融循環(huán)之后，由于混凝土產(chǎn)生了連續(xù)的內(nèi)部損傷裂紋，其相對(duì)動(dòng)彈性模量減少。由于可再生細(xì)骨料取代量的提高，抗壓混凝土本身的壓強(qiáng)也減小。

由于再生細(xì)骨材的超高吸水率，水分隨著凍融所形成的裂隙流到混凝土，從而被再生細(xì)骨材完全吸收，所以再生細(xì)骨料混凝土在表面上凝結(jié)了更多的水分和更少的砂漿。這樣，可再生細(xì)骨料水泥的質(zhì)量變化就隨著可再生細(xì)骨材匯率的提高而降低。隨著再生細(xì)骨料含水率的提高，水泥的抗凍性能也逐步下降，而干燥再生細(xì)骨料水泥的抗凍性能，甚至超過了再生細(xì)骨料的自制水泥。因?yàn)樵偕?xì)骨料中存在著巨大的空隙，能夠在水泥中發(fā)揮“進(jìn)氣”的功能，從而改善了水泥的抗凍性能。但是，由于在預(yù)聯(lián)網(wǎng)后，從再生細(xì)骨料的一些孔洞中吸入了水氣，造成無水氣孔數(shù)量下降，對(duì)“充氣”的影響減弱，混凝土的抗凍性能也減弱了。同時(shí)，混凝土中干再生細(xì)骨料的吸水性改善了骨料與水泥石之間的界面結(jié)構(gòu)，提高了混凝土的抗凍性[3]。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

在檢查對(duì)再生細(xì)混凝土替代率和飽和前再生密實(shí)混凝土特性的影響時(shí)，主要結(jié)論如下：

再生細(xì)骨料可能會(huì)降低新拌混凝土的可靠性，但如果再生細(xì)骨料含量為75%，則仍可滿足SF2的要求，并可用于普通混凝土。

隨著細(xì)骨料再生總量的增加，混凝土的壓力減小，再生細(xì)骨料和密實(shí)混凝土的強(qiáng)度略有提高。同樣，再生細(xì)混凝土增加其壓力，隨著飽和時(shí)間的增加而增加。28天混凝土壓力大于50MPa，56天壓力大于65mpa，28天的抗彎強(qiáng)度為7.6～8.2mpa，斷裂拉力為4.2～5.1mpa。

在耐壓性能、抗折強(qiáng)度和可再生細(xì)骨料、密實(shí)混凝土劈裂能力之間，具有明顯的線性關(guān)系。完全飽和水再生細(xì)骨料，可降低水泥的防凍融特性，因?yàn)樗嗟目箖鲂阅茈S著完全飽和時(shí)間的提高而增強(qiáng)。

4 結(jié)束語

再生水泥細(xì)骨料是一項(xiàng)具有環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的新型綠色建材。它作為一類新型材料，其基本特性直接關(guān)系著砼構(gòu)件的結(jié)構(gòu)安全性。因此對(duì)再生細(xì)骨料混凝土基本特性的實(shí)驗(yàn)研究也有著重要價(jià)值。