全再生骨料混凝土收缩性能试验研究

梁娜, 赵顺波, 朱伟伟, 姚坤奇, 靳丽辉, 钱晓军

(华北水利水电大学 河南省生态建材工程国际联合实验室,河南 郑州 450045)

全再生骨料混凝土收缩性能试验研究

梁娜, 赵顺波, 朱伟伟, 姚坤奇, 靳丽辉, 钱晓军

(华北水利水电大学 河南省生态建材工程国际联合实验室,河南 郑州 450045)

为了最大程度地利用废旧混凝土再生骨料并取得最佳综合效益,采用100%再生细骨料和再生粗骨料配制全再生骨料混凝土。考虑再生骨料是否进行预湿处理并变换水灰比、水泥强度进行配合比设计,开展了全再生骨料混凝土工作性能、抗压强度和收缩性能的试验研究。结果表明:通过合理的配合比设计和再生骨料预湿处理,全再生骨料混凝土的工作性能和抗压强度均可达到设计要求;自收缩增长率曲线具有不受水灰比和水泥强度影响的同一变化路径,但自收缩终值明显受水灰比影响;水泥强度相同时,干缩随水灰比的增大而增大;混凝土强度相近时,干缩随水泥强度的增大而减小；再生骨料不做预湿处理将导致全再生骨料混凝土的强度降低、收缩增大。该研究可为全再生骨料在预拌混凝土中的推广和应用奠定基础。

全再生骨料混凝土;再生粗骨料;再生细骨料;自收缩性能;干缩性能

在我国城镇化进程中,可持续发展和建设环境友好型城镇的理念被日益重视。拆除混凝土结构中的废弃混凝土经破碎、加工等处理后作为再生骨料用于制备混凝土或砂浆用[1-3],这项技术在混凝土产业中具有很大的应用潜力。随着对混凝土再生骨料研究的深入,笔者对再生骨料及再生骨料混凝土有了更加深入的认识。

再生粗骨料具有与天然碎石骨料不同的特性,可直接影响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浆,这一特性会导致再生粗骨料与新混凝土基体的黏结强度存在不确定性：如产生薄弱黏结界面[4-6],或在一定粒径范围内因骨料棱角的特征产生黏结强度增强的作用[7-8]。再生粗骨料的较低密实度与较高和快速的吸水特性会增大混凝土配合比设计和拌合物制备的难度,进而增加所制备混凝土的性能评价与设计指标确定的复杂性。再生粗骨料对混凝土的性能的影响是否有利，取决于母体混凝土的性能、破碎工艺和骨料粒径[4-6,8-13]。为了消除该不利影响,已有学者研发了多种再生粗骨料处理工艺。其中可行的做法是在搅拌前预湿再生粗骨料,以使再生骨料混凝土拌合物获得良好的工作性能[14-15]。

在已有的研究中,通常将再生粗骨料替代率(再生粗骨料与全部骨料的比值)作为一个重要参数。其反映再生骨料混凝土与天然碎石混凝土的配合比相近时,再生粗骨料含量对混凝土性能的影响。一般地,当该配合比相近时,随着再生粗骨料替代率的增加,再生骨料混凝土的抗压强度、抗拉强度和弹性模量均将逐渐减小[5-6,11-12,15-17],抗碳化性、耐硫酸腐蚀性、抗氯离子渗透性和抗冻性均将逐渐降低[5-6,12,15],但收缩却逐渐增大,其收缩幅度与再生骨料的等级相关[5-6,17-20]。然而，此种研究方法及对应的结论在工程应用中还存在明显的问题:从混凝土技术角度看,为了获得相同的抗压强度和工作性能,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调整;从混凝土结构设计角度考虑,混凝土的设计指标对应混凝土的抗压强度等级,不需要规定所采用配制骨料的规格[21]。通过采用合理的配合比设计方法[9,22]、适当的矿物掺和料[9,14,23-24]、正确的再生粗骨料预湿处理方法和合理的拌合工艺[14,23,25-27],再生骨料混凝土的性能可以完全达到甚至超过相同强度等级的天然碎石混凝土。

与天然砂比较,再生细骨料具有明显不同的特性：颗粒多棱角且不规则、砂浆含量高、质地不均匀、含有凝胶和氢氧化钙化合物、由天然骨料和水泥浆体的多相异质性产生的低密度和高吸水率[5-6,28-29]。一些研究表明,掺加再生细骨料配制的混凝土,会表现出较差的工作性能和力学性能[5-6,30]。但也有研究表明,采用部分再生细骨料或采用再生细骨料添加高效减水剂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细骨料是废旧混凝土的共同产物,单独利用其一均不能获取最佳效益。综合分析上述文献资料,有一些成功案例指出:采用全部再生粗骨料或全部再生细骨料、采用部分再生粗骨料和部分再生细骨料,均可配制出与天然骨料混凝土性能相同的再生骨料混凝土[31]。因此,研发采用100%再生粗骨料或再生细骨料配制全再生骨料混凝土,在技术上是可行的。这样可以最大程度地利用再生骨料,减少由拌制工艺和生产设备影响产生的再生骨料混凝土性能的差异,使其在预拌混凝土产业中得到更好的推广和应用。

基于此,本文研究采用100%再生细骨料和再生粗骨料配制全再生骨料混凝土。考虑再生骨料是否进行预湿处理并变换水灰比、水泥强度进行配合比设计,进行全再生骨料混凝土的工作性能、抗压强度和收缩性能的试验研究。

1 试验概况

1.1 原材料

本次试验采用P·O 42.5和P·O 52.5普通硅酸盐水泥,其物理力学性能实测结果见表1。

按照规范GB/T 25177—2010的规定[2]，再生粗骨料由华北水利水电大学结构实验室5年前制备的钢筋混凝土梁破碎得到,并经筛分形成5～20 mm粒径的连续级配。其物理力学性能实测结果见表2。

表1 试验用水泥的物理力学性能

表2 再生粗骨料的物理力学性能

按照规范GB/T 25176—2010的规定[1],再生细骨料是将破碎再生粗骨料过程中产生的粒径小于5 mm的共生产物经筛分级配而成,细度模数为3.05,其物理力学性能实测结果见表3。

表3 再生细骨料的物理力学性能

其他原材料包括拌合用自来水和减水率为25%的高效减水剂。

1.2 混凝土配合比

全再生骨料混凝土的配合比根据规范JGJ 55—2011的规定进行计算确定[32-33],其具体配合比见表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;减水剂用量为水泥用量的0.75%～1.00%,并适时根据拌合物的工作性能加以调整;附加用水量由再生骨料吸水率确定,用于再生骨料的预湿处理。拌合程序为:首先,向搅拌机内投入再生粗骨料和再生细骨料,搅拌均匀并加入附加用水，预湿1 h;其次,加入水泥并搅拌均匀;最后,加入拌合水和减水剂,搅拌5 min。

为了研究再生骨料预湿处理对全再生骨料混凝土收缩性能的影响,笔者增加了一组再生骨料未预湿处理的C40全再生骨料混凝土(编号为2C40)。其在配制过程中，附加用水与拌合水同时加入搅拌机。

表4 全再生骨料混凝土的配合比

1.3 试验方法

全再生骨料混凝土的坍落度试验按照规范GB/T 50080—2002的规定进行[34];抗压强度试验按照规范GB/T 50081—2002的规定采用尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的立方体试件,3个1组进行[35];自收缩试验采用尺寸为φ150 mm×450 mm的圆柱体试件,环向对称按标距250 mm埋设固定座固定千分表和接触铜棒,2个1组进行;干缩试验按照规范GB/T 50082—2010的规定采用尺寸为100 mm×100 mm×550 mm的梁式试件,两端埋设铜头,3个1组进行[36]。试件均在振动台振实,抹面后覆盖塑料薄膜。立方体试件成型24 h后脱模并移入温度为(20±2) ℃的标准养护池中水养。自收缩试验中，圆柱体试件成型12 h后脱模并采用塑料薄膜包裹,安装测试千分表后放置在温度为(20±2) ℃、相对湿度为95%以上的标准养护室内,并按预定龄期测试收缩变形。干缩试验中，梁式试件成型12 h后脱模并放入标准干缩箱内,按预定龄期测试收缩变形。自收缩和干缩试验均在试件成型24 h后开始。同一编号的混凝土试件同批浇筑成型,试验方案和养护龄期见表5。

表5 全再生骨料混凝土的试验方案与养护龄期

2 试验结果分析

2.1 拌合物工作性能

对再生骨料进行预湿处理的全再生骨料混凝土,其拌合物具有良好的黏聚性、保水性和流动性,坍落度试验值为145～165 mm。未对再生骨料做预湿处理的全再生骨料混凝土,其拌合物出现了泌水现象,坍落度为175 mm。

2.2 自收缩性能

全再生骨料混凝土的自收缩应变实测值εas见表6，其中fcu为28 d立方体抗压强度实测值。由表6可知：①对再生骨料进行预湿处理的全再生骨料混凝土,其自收缩应变随着水灰比的减小而增大,与水泥强度无关。这缘于用水量相同的情况下,混凝土的内孔隙和毛细管因水泥的持续水化反应而发生自干燥[37-38]。②对比C40和2C40的试验数据,未预湿处理再生骨料时,全再生骨料混凝土的自收缩在养护龄期达到70 d之前时相对较小,但之后变得相对较大。这是由于附加用水在早期为水泥水化反应提供了良好的潮湿环境,但随后因再生骨料持续从混凝土孔隙中吸收水分,使得混凝土孔隙和毛细管加速失水而发生自干燥[25]。③综合来看,预湿处理再生骨料对降低全再生骨料混凝土的自收缩是有利的。④2C40全再生骨料混凝土的28 d抗压强度仅达到C40全再生骨料混凝土28 d抗压强度的82.2%。说明在搅拌过程中加入附加用水可增大实际水灰比,这对混凝土的抗压强度和收缩性能均会产生显著影响。

表6 全再生骨料混凝土自收缩应变实测值εas 10-6

全再生骨料混凝土任意养护龄期与360 d养护龄期的自收缩应变比(εas,t/εas,360)随养护龄期的变化规律如图1所示。由图1可知:各组混凝土试验散点的变化曲线几乎重叠为同一路径(在28 d养护龄期前迅速增加,28 d至70 d养护龄期之间增加较快,随后以较小增量持续增大);180 d养护龄期的自收缩值达到了360 d养护龄期自收缩值的92%以上。这意味着全再生骨料混凝土试件绝大部分的自收缩发生在180 d养护龄期之前,说明全再生骨料混凝土的自收缩性能与水泥水化过程紧密相关；随着180 d养护龄期之后全再生骨料混凝土水泥水化反应的减弱,其自收缩性能主要缘于水泥浆体的孔隙和毛细管的物理性失水效应[39]。

图1 全再生骨料混凝土自收缩应变随养护龄期的变化

从表6和图1中还可以看出:水灰比和水泥强度主要影响混凝土的自收缩终值,对混凝土自收缩的增长率影响很小；当再生骨料未做预湿处理时,全再生骨料混凝土在70 d养护龄期之内的自收缩增长率较小。

2.3 干缩性能

全再生骨料混凝土的干缩应变实测值εds见表7。

全再生骨料混凝土任意养护龄期与360 d养护龄期的干缩应变比(εds,t/εds,360)随养护龄期的变化规律如图2所示。由表7可知，对再生骨料进行预湿处理的C30和C40全再生骨料混凝土,其干缩应变及增长率会随着水灰比的降低而减小,这源于C40全再生骨料混凝土具有较高的密实度,且其内孔隙和毛细管的自由水较少,难以向周围环境蒸发。

由图2可知:①2C40全再生骨料混凝土在70 d养护龄期之前的干缩值较小,但70 d养护龄期之后的干缩值超过了C40。这是因为2C40全再生骨料混凝土内部孔隙在前期充满了自由水而后期失水较快[25]。②在混凝土强度相近的情况下,采用P·O 52.5水泥的C50全再生骨料混凝土的干缩低于采用P·O 42.5水泥的C40全再生骨料混凝土。这缘于前者的再生骨料体积率较大而水泥浆体的体积率较小,再生骨料对水泥浆体的收缩变形约束较强[39]。③C30、2C40和C50全再生骨料混凝土的干缩增长率均表现出大于C40的趋势。这表明全再生骨料混凝土的水灰比较大时,其内部自由水更易失去；2C40全再生骨料混凝土早期干缩增长率大于C40,表明再生骨料未做预湿处理时,附加用水增加了混凝土孔隙内的自由水,使其更易于从混凝土内部向周围环境蒸发而产生损失。

表7 全再生骨料混凝土干缩应变实测值εds 10-6

图2 全再生骨料混凝土干缩应变随养护龄期的变化

3 结语

通过对全再生骨料混凝土的工作性能、抗压强度和收缩性能的试验研究分析,可得出如下结论:

1)采用合理的配合比设计方法并预湿处理再生骨料时,全再生骨料混凝土的工作性能和抗压强度均可达到预定要求。但若再生骨料不做预湿处理,全再生骨料混凝土的工作性能将变差,抗压强度也会降低。

2)预湿处理再生骨料的情况下,不同水泥强度的全再生骨料混凝土自收缩的发展呈现基本相同的路径,且可划分为迅速增长、快速增长和持续增长3个阶段;全再生骨料混凝土的自收缩值随着水灰比的减小而增大,与水泥强度几乎无关。当再生骨料不做预湿处理时,全再生骨料混凝土在70 d养护龄期之前的自收缩值及其增长率较小,但随后逐渐变大并超过预湿处理再生骨料的全再生骨料混凝土。

3)预湿处理再生骨料的情况下,采用P·O 42.5水泥的全再生骨料混凝土的干缩值随水灰比的减小而减小。在强度相近的情况下,采用P·O 52.5水泥的全再生骨料混凝土的干缩值低于采用P·O 42.5水泥的全再生骨料混凝土。当再生骨料不做预湿处理时,全再生骨料混凝土在70 d养护龄期之前的干缩值较小但增长率较大,最终的干缩值也较大。

4)考虑到影响全再生骨料混凝土收缩性能的因素复杂,尚需更加系统的试验研究来对本文的研究结果进行充分的验证。

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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

张陵)

TV332

A

1002-5634(2017)06-0043-06

2017-07-19

河南省高等学校重点科研项目(16A560023);河南省高校生态建筑材料与结构工程科技创新团队专题(13IRTSTHN002);河南省新型城镇建筑技术协同创新中心专题(河南省教育厅,教科技〔2013〕638号)。

梁娜(1979—),女,河南郑州人,硕士,讲师,从事建筑材料方面的研究。E-mail:tina@ncwu.edu.cn。

赵顺波(1964—),男,河北武邑人,教授,博导,博士,从事土木工程材料与结构方面的研究。E-mail:sbzhao@ncwu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.06.006