再生骨料取代率对混凝土抗压性能的影响

陈宝璠

(1.黎明职业大学土木建筑工程学院，福建泉州362000；2.黎明职业大学实用化工材料福建省高等学校应用技术工程中心，福建泉州362000)

再生骨料取代率对混凝土抗压性能的影响

陈宝璠1,2

(1.黎明职业大学土木建筑工程学院，福建泉州362000；2.黎明职业大学实用化工材料福建省高等学校应用技术工程中心，福建泉州362000)

以再生骨料、天然骨料、河砂、P·O42.5R普通硅酸盐水泥、粉煤灰、S95粒化高炉矿渣粉、自研的MPEGAA-AA-AMPS三元共聚聚羧酸类高效减水剂为主要原料，通过再生骨料不同取代率制作了520个再生骨料混凝土试块，运用普通混凝土力学性能试验方法，对再生骨料混凝土的抗压强度、回弹值、弹性模量和单轴受压进行综合试验。结果显示:再生骨料混凝土抗压强度的发展规律与普通混凝土存在一些差异；再生骨料取代率直接影响着再生骨料混凝土各龄期的抗压强度、单轴受压应力-应变关系、弹性模量以及再生骨料混凝土修正后回弹值。通过加入自研的MPEGAA-AA-AMPS三元共聚聚羧酸类高效减水剂，以50％再生骨料取代率，配制设计强度为30 MPa的再生骨料混凝土是最切合实际的。

再生骨料混凝土；再生骨料取代率；抗压强度；弹性模量；回弹值

再生骨料混凝土是利用旧建筑物上拆下来的废弃混凝土块，经过清洗、破碎、筛分和按一定比例相互配合后，作为部分或全部骨料重新拌制的混凝土[1]。它是对废旧混凝土的再加工，使其恢复(或部分恢复)原有的性能，成为新的建材产品。

近年来，我国城乡建设飞速发展，大量房屋及基础建设不断更新，随之产生的建筑垃圾也越来越多，利用建筑垃圾生产再生骨料应用于再生骨料混凝土及再生骨料混凝土砌块，对于节约资源、保护环境和实现建筑业的可持续发展具有重要意义[2-5]。再生骨料混凝土的应用是将来绿色混凝土技术发展的一个方向[6]。目前，许多学者已经对再生混凝土的力学性能进行大量研究[7-11]，但得出的结论差异却很大。大部分研究人员研究的成果普遍认为：再生骨料混凝土的抗压强度大致比普通混凝土低，但也有研究人员试验研究的结果与上述结论截然相反，认为再生骨料混凝土的强度可能高于普通混凝土。

为实现废弃混凝土的有效利用，考虑到混凝土的区域性、再生骨料自身的复杂性等特点，本文以当地废弃混凝土为主要原料，通过两次颚式破碎等加工手段以获得再生骨料，并制作不同再生骨料取代率的再生骨料混凝土试块，养护一定龄期后，对再生骨料混凝土的抗压强度、单轴受压、弹性模量和回弹值等抗压性能进行综合试验，重点考察了不同再生骨料取代率对再生骨料混凝土抗压性能的影响以及再生骨料混凝土抗压强度的发展规律，为进一步研究高性能再生骨料混凝土打下坚实基础。

1 材料与方法

1.1 研究材料

试验所采用的材料有水泥、天然细骨料、天然粗骨料、再生骨料、粉煤灰、粒化高炉矿渣、自研的MPEGAA-AA-AMPS三元共聚聚羧酸类高效减水剂和拌合水等。

1.1.1 水泥(C)

安徽海螺牌P·O42.5R普通硅酸盐水泥，其基本性能的测试按GB 175—2007/XG1—2009《通用硅酸盐水泥》进行，指标如表1所示。

表1 P·O42.5R普通硅酸盐水泥的基本性能指标

1.1.2 粉煤灰(FA)

Ⅱ级粉煤灰，其基本性能的测试按GB/T 1596—2005[12]《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的要求进行，指标见表2。

表2 Ⅱ级粉煤灰的基本性能指标

1.1.3 粒化高炉矿渣粉(GBFS)

采用S95级粒化高炉矿渣粉，其基本性能按GB/T 18046—2008[13]《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》进行测定，指标见表3。

表3 S95粒化高炉矿渣粉的基本性能指标

1.1.4 细骨料(S)

河砂，级配良好，属于中砂，其基本性能的测定按GB/T14684—2011[14]《建筑用砂》的要求进行，指标见表4。

表4 河砂的基本性能指标

1.1.5 天然粗骨料(NA)

泉港普通碎石，粒径5～20 mm，其基本性能的测试按GB/T 14685—2011[15]《建筑用卵石、碎石》的规定进行，指标见表5。

表5 天然粗骨料的基本性能指标

1.1.6 高效减水剂(MPEGAA-AA-AMPS)

自研的MPEGAA-AA-AMPS三元共聚聚羧酸类高效减水剂[16]，其基本性能按GB 8076—2008[17]《混凝土外加剂》进行测试，指标见表6。

表6 MPEGAA-AA-AMPS三元共聚聚羧酸类高效减水剂的基本性能指标

1.1.7 再生骨料(RCA)

采用强度等级为C30的废弃混凝土，经破碎、筛分得到的粒径为5～20 mm的骨料，其基本性能按GB/T 14685—2011《建筑用卵石、碎石》的要求进行测试，指标如表7所示。

表7 再生骨料的基本性能指标

1.1.8 水

普通自来水。

1.2 试验配合比

为了研究再生骨料混凝土(RAC)的抗压性能，试验设计了RAC-0、RAC-25、RAC-50、RAC-75及RAC-100系列配合比。其中，水胶比(W/B，其中B为胶凝材料用量，即水泥C、粉煤灰FA和粒化高炉矿渣粉GBFS总用量)为0.42，粉煤灰FA和粒化高炉矿渣粉GBFS总掺量占胶凝材料总用量的为25％(福建省建设厅强制性规定)，再生骨料取代率依次为0、25％、50％、75％和100％。具体配合比如表8所示。

表8 RAC配合比

1.3 试块制作

将混凝土在搅拌机中充分搅拌后，准备好试模，按试验要求进行试块浇筑。立方抗压试验试件和单轴受压试验试件尺寸分别为150 mm×150 mm×150 mm和150 mm×150 mm×300 mm。混凝土拌合物分三层注模捣实，再放到振动台上振实成型，1d后脱模，放入养护室[温度(20±2)℃，相对湿度95％以上中，按照试验龄期要求进行养护。

1.4 RAC立方体抗压强度的测试

RAC的立方体抗压强度按GB 50081—2002[18]《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测试。对试件采取连续、均匀加荷，加荷速度取0.5～1.0 MPa/s。

1.5 RAC回弹法的测试

RAC回弹法的测定按JGJ/T 23—2011[19]《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》的要求进行。试块尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，每组3块。

1.6 RAC弹性模量的测试

RAC弹性模量按GB 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》的规定进行测试。采用150 mm×150 mm×300 mm的棱柱体试件。

1.7 RAC界面过渡区微观结构表征

将标准养护28 d后的普通混凝土(NC即RAC-0)和RAC分别敲成片状小块，采用LEO-1530型扫描电镜测试仪分别对NC和RAC界面过渡区的微观结构进行表征。

2 结果与讨论

2.1 RAC试块的破坏形态

图1是RAC试块的典型破坏形态。从图1可知，加载初期，RAC试块表面未发现有裂缝出现。随着加荷的增大，试块内的应力不断增加，试块开始出现裂缝。起初产生的裂缝是出现在试块侧表层上，在试块高度中央表现为垂直方向，然后沿着斜向往上下端发展，至加载面处转向试块角部，形成正、倒相连的八字型。随着加荷的继续增加，新的裂缝逐渐由表及里的发展，试块表面凸起，中间膨胀，最后压碎而剥落。至于裂纹的产生时间早晚和发展快慢，则主要取决于新老界面处应力集中的程度和微观结构抵抗压力作用的薄弱程度。无论再生骨料取代率多大，RAC最终破坏形态与NC基本相同，均为典型的中心抗压破坏。但临近断裂时，NC破坏前没有任何征兆，而RAC试块可听见细微的劈裂声，而且还有少许变形，说明RAC的延性好于NC。

图1 再生骨料混凝土破坏形态

2.2 RAC立方体抗压强度与再生骨料取代率之间的关系

图2是在水胶比为0.42情况下，养护90 d后实测的RAC立方抗压强度与不同再生骨料取代率之间的关系。由图2可知，当再生骨料取代率为50％时，养护28d后的RAC立方抗压强度较NC降低了23.6％；当再生骨料取代率为100％时，其立方抗压强度则降低了41.1％，说明当再生骨料取代率超过50％时，RAC的立方抗压强度降幅明显。主要是由于RAC中的新旧砂浆界面所形成的大量孔隙和微裂纹，不但降低了再生骨料与新旧砂浆之间的粘接强度，而且在轴向应力作用下容易产生应力集中的原因所造成的。

2.3 RAC立方体抗压强度与龄期之间的关系

图3是在水胶比为0.42情况下，不同再生骨料取代率的RAC立方抗压强度随龄期的发展规律。由图3可知，RAC立方抗压强度随龄期的发展规律与NC的发展规律有所不同。当龄期小于28 d时，NC立方抗压强度的增长速度较RAC快；龄期超过28 d后，RAC立方抗压强度增长速度则明显快于NC。原因是再生骨料在混凝土搅拌过程中吸收一定水份，这些水份随着水泥水化的进行，将不断释放出来，以保证RAC在较长时段内保持一定的湿度；再者是由于配制RAC时掺入的自研MPEGAA-AA-AMPS三元共聚聚羧酸类高效减水剂具有内养护的作用，从而促进了RAC立方抗压强度的发展。从图3还可看出，当再生骨料取代率小于50％时，养护28 d后的RAC立方抗压强度可达30 MPa以上，当取代率大于50％时，养护28 d后的RAC立方抗压强度低于30 MPa。由此可见，配制强度为30 MPa的RAC，再生骨料取代率可取50％。

图2 RAC抗压强度与再生骨料取代率之间的关系

图3 RAC立方抗压强度与龄期之间的关系

2.4 RAC修正后回弹值与再生骨料取代率之间的关系

图4是实测RAC修正后回弹值与再生骨料取代率之间的关系。由图5可知，RAC修正后回弹值比NC低，而且RAC修正后回弹值随着再生骨料取代率的增大而降低，当再生骨料取代率为50％时，RAC的修正后回弹值较NC降低了22.7％；当取代率达100％时，其修正后回弹值则减小了42.2％。原因是随着再生骨料取代率的增大，水泥砂浆相对数量增多，造成RAC表面硬度的降低，从而导致RAC修正后回弹值的下降。

图4 RAC修正后回弹值与再生骨料取代率之间的关系

图5 RAC弹性模量与再生骨料取代率之间的关系

2.5 RAC弹性模量与再生骨料取代率之间的关系

图5是实测RAC弹性模量与不同再生骨料取代率之间的关系。由图5可知，RAC弹性模量总体上低于NC弹性模量，而且随着再生骨料取代率的不断增大，RAC弹性模量将逐渐降低。原因是再生骨料孔隙多、密度小，而且再生骨料本身表面粘附着较多的旧水泥砂浆，内部存在着先天的微裂纹，从而导致RAC弹性模量的下降。

《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010[20])中采用下式计算混凝土的弹性模量：

其中：Ec为混凝土弹性模量，MPa；fcu为混凝土立方体抗压强度，MPa。

由公式(1)计算的5种RAC弹性模量值均高于试验实际得到的结果，误差都比较大。因此笔者在式(1)的基础上对其中部分参数进行调整，提出RAC弹性模量计算公式为：

其中δ为再生骨料取代率。

2.6 RAC单轴受压应力与应变之间的关系

图6是不同再生骨料取代率的RAC单轴受压应力-应变全曲线。由图6可知，RAC单轴受压应力-应变全曲线与NC相似，均由上升段和下降段组成，都具有比例极限点、临界应力点、峰值点、反弯点和收敛点5个特征点。但再生骨料取代率对混凝土的应力-应变全曲线有较大影响。随着再生骨料取代率的不断增加，单轴受压应力-应变曲线上升段的曲率逐渐增加，应力-应变全曲线上升段的斜率逐渐减小，表明RAC弹性模量在不断降低；再生骨料取代率越高，下降段越陡，表明RAC材质越脆，延性降低。

图6 RAC应力-应变全曲线

2.7 RAC界面过渡区的微观分析

图7为NC和RAC界面过渡区微观结构的SEM图。由图7(a)可知，养护28 d后的RAC-0界面过渡区结构相对RAC-50的更密实，孔隙、微裂纹小且少，氢氧化钙[Ca(OH)2]和钙矾石(AFt)晶体含量少。从图7(b)可知，养护28 d后的RAC-50界面过渡区不但存在着大量的Ca(OH)2定向结晶，而且还存在大量的AFt晶体，空隙大，结构疏松。由此可见，在水泥石、骨料和界面过渡区三相中，RAC-0和RAC-50的最大差异是在界面过渡区上，界面过渡区在很大程度上决定着RAC-0和RAC-50的性能差异。随着再生骨料取代率的提高，混凝土中的孔隙和微裂纹数量增多，Ca(OH)2和AFt晶体发育大、含量高，故抗压性能随之降低。

图7 混凝土界面过渡区微观结构

3 结论

(1)RAC的破坏特征与NC基本相同，是微裂纹的发展、汇合和贯穿的过程。

(2)再生骨料取代率是RAC抗压性能最主要影响因素之一，RAC抗压性能随着再生骨料取代率的增加而降低，但降低幅度随龄期的延长而有所减小。修正后回弹值有着与抗压强度基本一致的规律。随着再生骨料取代率的提高，混凝土的弹性模量有所降低。

(3)RAC抗压性能好坏主要决定于界面过渡区的微观结构。随着再生骨料取代率的提高，孔隙与微细裂缝相对较大且较多，氢氧化钙和钙矾石晶体含量相对提高。

(4)以50％再生骨料取代率，配制设计强度为30 MPa的RAC，从RAC抗压性能的技术层面上看，是最切合实际的。这一结果将为今后研究RAC结构承载力和变形提供主要依据，对分析构件极限状态时截面的应力分布、弹塑性全过程以及抗震结构和抗爆结构的延性和恢复力特性的研究将具有重要的指导意义。

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The Influence of the Replacement of Recycled Aggregate on Compressive Properties of Concrete

CHEN Bao-fan1,2
(1.College of Civil Engineering,Liming Vocational University,Quanzhou 362000,China; 2.Applied Technology Engineering Center of Fujian Provincial High Education for Practical Chemical Material, Liming Vocational University,Quanzhou 362000,China)

By using recycled aggregate,natural aggregate,river sand,ordinary portland cement grade P·O42.5R,fly ash,S95 granulated blast-furnace slag and homemade polycarboxylate terpolymer superplasticizer of MPEGAA-AA-AMPS as main raw materials,520 concrete samples by RAC with different replacement rate are made,and the comprehensive comparison test about compressive strength,uniaxial compression,elastic modulus and rebound value of RAC is carried out.The results show that the development law between RAC and ordinary concrete is different.The replacement of recycled aggregate is the main influencing factors of the compressive strength in each ages,uniaxial compressive stress-strain relationship elastic modulus and revised rebound value of RAC.With the 50％replacement rate of recycled aggregate,it is the most practical to obtain the RAC whose design strength reached 30 MPa by taking in homemade polycarboxylate terpolymer superplasticizer of MPEGAA-AA-AMPS.

RAC；replacement of recycled aggregate；compressive strength；elastic modulus；rebound value

TU528

A

1673-4343（2013）04-0094-07

2013-04-16

福建省教育厅科研计划项目（JA11329，JA12412）；福建泉州市技术研究与开发重点资助项目（2010G7）

陈宝璠，男，福建泉州人，副教授；研究方向:主建筑废渣综合利用、高性能混凝土外加剂研发。