再生混凝土工作性与抗压强度试验研究

索 伦， 彭 鹏， 田 波

(1.交通运输部公路科学研究所，北京 100088；2.内蒙古工业大学 土木工程学院，内蒙古 呼和浩特 010051；3.道路结构与材料交通行业重点实验室，北京 100088)

利用废弃混凝土进行破碎、筛分制成再生骨料可以很好地缓解资源紧缺的现状。但是再生骨料在生产过程中，废弃混凝土块受到破碎机械的冲撞、挤压和研磨，造成损伤累积，因而与天然骨料相比，内部裂纹多，吸水率大，其品质好坏直接影响再生混凝土的强度。本研究从改善再生混凝土工作性的角度出发，通过试验分析了再生骨料取代率、附加水选取、减水剂掺量、粉煤灰掺量4个因素对再生混凝土和易性和抗压强度的影响，为再生混凝土的施工和应用提供理论依据。

1 试验概况

1.1 表面粗糙度试验

再生骨料表面棱角多且表面粗糙，目前尚无测试粗骨料表面积的统一方法，此处采用相对表面粗糙度作为表征骨料表面结构的指数，具体计算见公式 (1)，式中，M1、M0分别为裹浆前后的质量，值越大，说明骨料表面越粗糙。

(1)

式中：λ为相对表面粗糙度。

1.2 正交试验设计

为减少试验数量并得到最佳组合，采用正交试验法，选择L9(34)正交表，采用以下4个因素。

(1) 再生混凝土强度受再生粗骨料取代率影响显著[1]，本试验共考虑3种取代率(因素A)，分别为30%、50%、100%。

(2) 再生骨料表面附着大量的水泥砂浆，导致其孔隙率较大，进而吸水率和吸水速率也增大，为满足和易性和工作性的需要，在拌制再生混凝土时需根据再生骨料吸水率适当选取附加水[2]。以往研究在附加水的选取上并没有统一的选取方法，试验考虑了再生骨料10 min、30 min、24 h吸水率的吸水量(因素B)来进行附加水添加，通过试验得到一个相对合适的附加水选取标准。

(3) 高效减水剂对水泥有明显的分散作用，它能吸附在水泥颗粒上，使水泥颗粒带负电荷，由于高效减水剂阴离子本身的相互作用，使水泥颗粒相互排斥，释放出水泥浆絮凝中的水分，从而大大提高新拌再生混凝土的和易性。试验采用减水剂掺量(因素C)为0.5%、0.2%、0%的水泥用量。

(4) 粉煤灰可以改善混凝土拌合物的和易性和保水性并提高耐久性。试验采用内掺法，分别取粉煤灰掺量(因素D)10%、20%、30%。

1.3 试验材料

水泥为北京金隅牌P.O 42.5硅酸盐水泥；水为普通自来水；天然骨料为5～26.5 mm连续级配碎石；再生骨料为来自交通运输部公路试验场废弃混凝土试块，经颚式破碎机碎后，人工清洗筛分后得到，制得的再生骨料如图1所示。两种骨料级配相同，级配采用粒径为(4.75～9.5 mm)粗骨料 ∶(9.5～16 mm)粗骨料 ∶(16～26.5 mm)粗骨料=0.31∶0.45∶0.24[3]，基本性能见表1；砂为天然河砂，细度模数2.6；粉煤灰为呼市某电厂Ⅱ级粉煤灰；外加剂为西卡牌萘系高效减水剂，褐色粉末，减水率大于20%。

图1 再生粗骨料

1.4 配合比设计

正交试验Z1组为基准组，用水量以Z1为基准，水胶比全部采用0.47,砂率35%。各组配合比见表2，其中NA表示天然骨料掺量，RA表示再生骨料掺量，FA表示粉煤灰掺量，ΔW表示附加水掺量，JS表示减水剂掺量。

表1 粗骨料基本性能

表2 L9(34)试验配合比与正交试验设计

2 试验方法

2.1 粗骨料表面粗糙度试验

再生骨料表面棱角多且表面粗糙，目前尚无测试粗骨料表面积的统一方法，此处采用相对表面粗糙度作为表征骨料表面结构的一个重要指数，取干燥状态单级试样(9.5～16 mm,16～19 mm)各1000 g,倒入水灰比为0.6的基准水泥净浆中，迅速搅拌均匀，倒入10 mm圆孔筛中，筛去多余净浆,移入标养室养护7 d,烘干至衡重，放在天平上秤取试样裹浆前后的质量。

2.2 工作性与抗压强度试验

试验在道路结构与材料交通行业重点实验室进行。混凝土坍落度试验和立方体抗压强度试验严格按照文献[4]进行，立方体抗压强度试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm,成型24 h后脱模，立刻移入标准养护室养护28 d，取出试块在20 t万能压力试验机上进行抗压强度试验，计算结果乘以折算系数0.95。

3 试验结果分析

3.1 表面粗糙度试验分析

两种粗骨料表面粗糙度试验结果见表3，裹浆处理后的碎石、再生骨料表面状况见图2。由表3可知，粒径为16～19 mm和9.5～16 mm的再生粗骨料表面粗糙度分别是同粒径天然碎石的1.9倍和1.3倍,这是因为再生骨料表面附着旧水泥砂浆，且再生骨料在破碎筛分过程中，部分石子因受力而产生微裂纹，既增加了新粗糙表面，又增加了棱角效应，因而导致其表面比天然骨料粗糙。

表3 粗骨料表面粗糙度试验

(a) 天然碎石 (b) 再生粗骨料图2 裹浆后的天然碎石与再生粗骨料

3.2 再生混凝土和易性分析

新拌再生混凝土坍落度和和易性见表4。由表4可以看出，Z2、Z5、Z7、Z9组的再生混凝土粘聚性较差，且均出现少量泌水现象，可能是因为Z2、Z5组减水剂掺量过高，Z7、Z9组的减水剂和附加水掺量过高。Z3、Z6、Z8组的再生混凝土工作性好，没有泌水泌浆的现象，且粘聚性较好，说明再生混凝土通过适量添加减水剂和附加水可以克服再生骨料吸水率高、表面粗糙度大等缺陷，满足新拌混凝土工作性要求。

表4 再生混凝土和易性

各因素对坍落度试验影响极差分析结果见表5，由表5可以看出，影响再生混凝土坍落度的主次顺序为：减水剂掺量→再生骨料取代率→附加水附加量→粉煤灰掺量，再生骨料取代率和附加水附加量的极差差别很小，说明附加水的选取对再生混凝土的坍落度是有一定影响的。

表5 极差分析

3.3 再生混凝土强度分析

28 d抗压强度试验结果见表2,根据表2算出各因素对强度的影响极差值，计算结果见表5。

由表2可知，用粉煤灰等量替代水泥对再生混凝土28 d抗压强度影响很大，20%、30%等量取代水泥后强度分别降低29.2%和31.1%，掺加粉煤灰会降低再生混凝土早期抗压强度。除了Z6(50%取代率)组的抗压强度高出对照组1.5%以外,试验组的抗压强度几乎都低于对照组，这与文献[5]中50%取代率的再生混凝土与天然混凝土的抗压强度的关系相似,说明再生混凝土在强度上略逊于天然混凝土，但通过优化改善的再生骨料仍有一定的应用前景。由表5可以得出，影响再生混凝土28 d立方体抗压强度的主次因素为：粉煤灰掺量→再生骨料取代率→附加水附加量→减水剂掺量。

根据表5不同因素的水平分别做出再生混凝土坍落度和28 d抗压强度趋势点图，见图3、图4。

图3 因素与坍落度关系趋势

图4 因素与抗压强度关系趋势

由图3可知，坍落度随着减水剂掺量(因素C)的减小呈线性降低。再生骨料取代率(因素A)和附加用水量的选取(因素B)对坍落度的影响较大，粉煤灰掺量对坍落度影响较小。虽然直观从坍落度值的角度来看，取代率为50%时的再生混凝土坍落度大于取代率为100%的再生混凝土，略小于取代率为30%的再生混凝土，但是从经济性角度考虑，可以优选50%再生骨料取代率，50%取代率的再生混凝土可以满足工作性，同时由表2可知，其强度同时可以满足C30混凝土的强度设计要求。按再生骨料30 min吸水率确定的附加水掺量优于按10 min和24 h的附加水附加量；对于减水率为大于20%的萘系高效减水剂，0.2%掺量优于0.5%掺量和0%掺量。

由图4可知，再生混凝土28 d立方体抗压强度随粉煤灰(因素D)掺量增加而呈线性降低，因为粉煤灰颗粒会影响水泥中各矿物的早期水化速度，粉煤灰颗粒吸附Ca2+，从而减缓了C-S-H的结晶与成核，因而阻碍了水泥早期水化进程[6]。抗压强度随着减水剂(因素C)掺量减少呈上升趋势，由于减水剂释放出了水泥浆絮凝中的水分，使得水泥颗粒相互排斥并完全分散于水泥浆中[7]，水泥石内部孔隙体积明显减少，水泥石更为致密，混凝土的抗压强度应显著提高，这与实验结果相反，可能是因为最大减水剂掺量选择偏大，再加上附加水的影响，导致实验过程中一些组的新拌再生混凝土发生泌水现象，水囊过多，影响了再生混凝土的强度。附加水选取(因素B)30 min吸水率附加量优于其他两种水平；再生骨料取代率(因素A)对抗压强度影响较显著，且在50%取代率时强度取得最大值，由于再生骨料老水泥砂浆和与天然骨料界面上存在孔洞甚至宏观裂纹，而且再生骨料在破碎加工的过程中会造成内部损伤，尤其是老砂浆与天然集料的界面过渡区本身就比较薄弱，因而导致再生混凝土的抗压强度随着再生骨料取代率的增加而降低。

4 结 语

(1)再生粗骨料表面粗糙度大，粒径16～19 mm和9.5～16 mm的再生粗骨料表面粗糙度是同粒径天然碎石的1.9倍和1.3倍。主要是因为破碎过程中产生了新的粗糙面，增加了棱角效应。

(2)再生混凝土可通过掺加减水剂和附加水来改善工作性，附加水选取对再生混凝土坍落度有一定影响；粉煤灰掺量对再生混凝土和易性影响不大；减水剂掺量和再生粗骨料取代率对再生混凝土和易性影响显著。满足再生混凝土良好和易性和抗压强度的最佳正交组合为A2B2C2D1,即再生骨料取代率50%，附加水选择再生骨料30 min吸水量，减水剂掺量选择0.2%，不掺加粉煤灰。

(3)粉煤灰是影响再生混凝土早期抗压强度的主要因素，与不掺粉煤灰相比，用粉煤灰取代部分水泥的再生混凝土28 d抗压强度分别为18%～25.1%和29.2%～31.1%；再生骨料取代率为50%时的再生混凝土28 d抗压强度高于30%和100%取代率所对应的强度；附加水选取和减水剂掺量对再生混凝土抗压强度影响较小，附加水选取以再生骨料30 min吸水率计算为宜。

[1] 肖建庄. 再生混凝土[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2008.

[2] 张 超，徐桂萍. 废弃水泥混凝土再生集料需水量问题分析[J]. 公路，2004，(12)：182-185.

[3] Mirjana M，Vlastimir R，Sne ana M. Recycled concrete as aggregate for structural concrete production[J]. Sustainability，2010，2(5)：1204-1225.

[4] JTG E30-2005，公路工程水泥及水泥混凝土试验规程[S].

[5] 肖建庄，李佳彬，孙振平，等. 再生混凝土的抗压强度研究[J]. 同济大学学报(自然科学版)，2004，32(12)：1558-1561.

[6] 陈爱玖，孙晓培，杨 粉，等. 正交法分析再生混凝土基本力学性能[J]. 新型建筑材料，2013，(4)：1-4.

[7] Sideny M，Young J F, David D. 混凝土(第二版)[M]. 吴科如,张 雄,姚 武,等,译. 北京：化学工业出版社，2004.