自密实包浆再生混凝土早期塑性开裂试验研究

曹鑫铖，金宝宏，宋牧原，谢 鑫

(宁夏大学 土木与水利工程学院，银川 750021)

1 研究背景

混凝土的早期塑性开裂是现代混凝土建设工程中一直存在的普遍现象，裂缝的防治同时也成为施工过程中至关重要的一点。在早期水泥水化的过程中，混凝土内部孔隙水分减少产生压力，引起混凝土自行收缩而产生裂缝，再生粗骨料自身强度低、表面粗糙、吸水率高等缺点，使得再生混凝土的这种收缩明显高于普通混凝土[1]，进而早期塑性开裂更为明显[2]。自密实混凝土是一种低水胶比、高流动性、只需在自身重力作用下即可密实填充全部模板的混凝土，自密实再生混凝土则是利用再生粗骨料替代天然粗骨料配制的具有自密实混凝土诸多特点的新型绿色混凝土。为了改善再生粗骨料的诸多缺点对自密实再生混凝土抗开裂的影响，采用水泥浆对再生粗骨料表面进行裹浆处理，既可弥补骨料内部的微裂缝，也可改善骨料表面的粗糙程度，提高再生骨料的性能，进一步抑制混凝土的早期塑性开裂。

针对提高再生混凝土的抗开裂能力，近年来国内外学者做了大量的研究。聚丙烯纤维、玻璃纤维等纤维材料的适量掺入，减弱了再生混凝土的收缩，抑制裂缝的产生，增强抗开裂能力[3-5]；粉煤灰等矿物掺合料有效地优化再生混凝土内部结构，提高整体密实性，延缓裂缝的产生[6-7]；霍俊芳等[8]通过采用等体积砂浆法配置再生混凝土，发现与传统方法相比，裂缝开裂面积出现一定程度的降低，且随着再生粗骨料替代率的增加，降低幅度更大。目前提高再生混凝土抗开裂能力的方式有很多，但在改善骨料方面的研究相对较少，因此本文研究了不同强度等级下水泥浆包裹的再生粗骨料对自密实混凝土开裂性能的影响，为抑制再生混凝土开裂提供一定的理论基础。

2 试验设计

2.1 原材料

水泥选用宁夏赛马水泥厂生产的32.5R、42.5R及52.5R普通硅酸盐水泥，粉煤灰选用宁夏锦泰新材料有限公司生产的一级灰，砂为人工水洗中砂，天然粗骨料为5～20 mm粒径的人工碎石，再生粗骨料为废弃路沿石混凝土，机械破碎后筛选出5～20 mm粒径颗粒，水为自来水，减水剂采用北京慕湖公司生产的聚羧酸高效减水剂。

采用水胶比为0.5的不同强度等级的水泥浆对再生粗骨料进行包浆处理，其中粉煤灰掺量为胶凝材料的30%，将包浆后的骨料置于室内晾干，放入标准养护环境，待28 d后取出晾干备用，各性能指标见表1。再生粗骨料实物如图1所示，包浆再生粗骨料截面如图2所示。

表1 粗骨料的基本性能Table 1 Basic properties of coarse aggregates

图1 再生粗骨料Fig.1 Recycled coarse aggregates

图2 包浆再生粗骨料截面Fig.2 Section of the surface-coating of recycled coarseaggregate

2.2 方案设计

正交试验选取粉煤灰掺量、包浆水泥强度、再生粗骨料替代率及减水剂掺量4个因素(以下分别用A、B、C、D来指代)，每个因素4个水平，共16组试验研究混凝土的抗压与抗折强度，进一步得出最优配比方案。因素水平见表2。在此基础上，为了详细研究骨料包浆对混凝土早期塑性开裂的影响，以包浆水泥强度等级为变量，控制其他因素不变，设计了5组试验，配合比见表3。其中“NSCC”代表普通自密实混凝土，为基准组；“RSCC”代表未包浆自密实再生混凝土；RSCC-32.5R、RSCC-42.5R、RSCC-52.5R分别代表用强度等级32.5R、42.5R、52.5R的水泥包浆的自密实再生混凝土。

表2 因素水平Table 2 Factor levels

2.3 裂缝评价指标

试验采用刀口约束法来研究混凝土早期塑性开裂性能，试验装置为600 mm×600 mm×100 mm的钢制平板模具，如图3所示，内部存在5根裂缝诱导器，可预测裂缝产生位置，方便数据处理。为了减少再生骨料吸水率高的影响，本试验采用饱和面干法搅拌混凝土，即搅拌前在水中浸泡再生骨料到饱和后取出晾晒，待骨料表面水分晾干后立即用于混凝土的拌制。试件在温度为(20±2) ℃、相对湿度为(60±5)%的恒温恒湿环境下浇筑，因其为自密实混凝土，不需振捣，浇筑完抹平即可，如图4所示。在平行试件表面和裂缝诱导器的方向设置风速为(5±0.5)m/s的风扇，记录首条裂缝的出现时间，24 h后通过ZT501裂缝测宽仪观测裂缝开展情况，如图5所示。

表3 混凝土配合比

图3 平板抗裂试验模具Fig.3 Mold in slab test

图4 混凝土板试件Fig.4 Concrete slab test pieces

图5 裂缝及其观测装置Fig.5 Crack observation device

采用每条裂缝平均开裂面积、单位面积裂缝数目、单位面积总开裂面积及裂缝变异系数作为裂缝的评价指标[9]，见式(1)—式(4)。

每条裂缝平均开裂面积为

(1)

单位面积裂缝数目为

b=N/A。

(2)

单位面积总开裂面积为

c=ab。

(3)

裂缝变异系数[5]为

(4)

3 试验结果及分析

3.1 正交试验分析

混凝土的工作性能及力学性能试验结果见表4。

表4 混凝土正交试验结果Table 4 Result of orthogonal test of concrete

自密实混凝土工作性能规定[10]，坍落扩展度分为3个等级：Ⅰ级为550～650 mm，Ⅱ级为650～750 mm，Ⅲ级为750～850 mm。由表4可知，所有组的坍落扩展度均达到了Ⅰ级，部分组达到Ⅱ级，其中第6组扩展度最大，为735 mm，但是在试验过程中该组出现了骨料中间堆积、四周泌水严重的现象。再生粗骨料替代率低，骨料吸水较弱，同时减水剂掺量最大，故导致泌水现象产生。出现此现象的混凝土是达不到自密实混凝土工作性能要求的。

由表5可知，各因素对混凝土抗压强度的影响次序为：包浆水泥强度>粉煤灰掺量>再生粗骨料替代率>减水剂掺量，最优选水平为A1B3C2D2；各因素对混凝土抗折强度的影响次序为：粉煤灰掺量>包浆水泥强度>再生粗骨料替代率>减水剂掺量，最优选水平为A1B3C3D2。鉴于再生粗骨料自身存在诸多缺陷，选取替代率相对较少的C2(20%)为最优选，因此混凝土的最优配比方案为粉煤灰掺量25%、包浆水泥强度42.5R、再生粗骨料替代率20%和减水剂掺量0.9%。

表5 极差分析Table 5 Range analysis

选取包浆水泥强度因素影响下各水平的强度平均值，绘制出图6。由图6可知，骨料经过32.5R、42.5R及52.5R水泥包浆后，抗压强度分别提高了6.1%、11%、6.4%，抗折强度分别提高了5.5%、8.8%、1.9%，其中42.5R水泥的包浆效果相对最好。这是因为包浆所用的水泥浆经过水化反应，生成水化硅酸钙等物质，弥补了再生骨料内部的微小裂缝及孔洞，优化了孔隙结构，增强了骨料的密实性，同时改善了骨料的表面粗糙程度，加强了其与新水泥砂浆的黏聚力，提高了混凝土强度。

图6 骨料包浆对混凝土强度的影响Fig.6 Influence of surface-coating cement slurryof aggregate on concrete strength

图7 平板开裂示意图Fig.7 Schematic diagram of cracks in plates

3.2 混凝土抗开裂性能分析

试件在约2 h后开始产生裂缝，24 h后观测各试件的裂缝开展情况，图7为3个试件的平板开裂示意图。根据平板模具的5根诱导器，将裂缝编号No.1—No.5，具体裂缝的长度、最大宽度及裂缝评价指标见表6、表7。

由图8(a)可知，掺有再生骨料的RSCC、RSCC-32.5R、RSCC-42.5R、RSCC-52.5R 4组混凝土的初裂时间明显低于基准组NSCC，分别减少了33.1%、21.8%、15.0%、25.6%，这说明再生骨料降低了混凝土的早期塑性抗裂能力，使得混凝土更易产生开裂。但是再生骨料经过水泥浆包裹处理之后的RSCC-32.5R、RSCC-42.5R、RSCC-52.5R三组，与未包裹的RSCC组相比，初裂时间有不同程度的增加，分别增加16.9%、27.0%、11.2%，这说明再生骨料表面包裹水泥浆后，骨料性能得到改善，增强了混凝土的抗裂能力，虽然达不到天然骨料的效果，但是相比未包裹的再生骨料，显著地抑制了混凝土开裂。同时未包裹的RSCC组混凝土板的裂缝最大宽度明显宽于其他组(见图8(b))，这也说明了上述结论。

表6 裂缝尺寸Table 6 Size of cracks

表7 裂缝评价指标(平均值)Table 7 Evaluating indicators of cracks (average values)

图8 包浆水泥强度对混凝土抗开裂性能的影响Fig.8 Effect of the strength of the surface-coating slurry cement on cracking resistance of concrete

由图8(c)可知，掺有再生骨料的4组混凝土每条裂缝的平均开裂面积和单位面积总开裂面积较基准组均存在明显增加的现象，RSCC组增加最为明显，二者均增加48%左右，RSCC组达到了NSCC组的1.5倍。经过包浆处理的RSCC-32.5R、RSCC-42.5R、RSCC-52.5R 3组较未包浆的RSCC组，平均开裂面积分别减少了21.0%、25.1%、30.5%，单位面积总开裂面积分别减少了11.1%、25.1%、13.1%。这也同样说明了再生骨料经过包浆后，增强了骨料性能，进而提高了混凝土的抗裂能力。而每组试验的单位面积裂缝数目变化不是很明显，无法由此分析各组混凝土板的抗裂能力，这是因为试验采用的刀口约束法的模具只存在5根裂缝诱导器，诱导的裂缝数量较少，局限性较大。

变异系数可用来反映数据的离散程度，是概率分布离散程度的归一化量度。本试验将同组的平板上10条裂缝的每条开裂面积作为样本，计算裂缝的变异系数，在一定程度上反映裂缝在平板上的分布情况，如图8(d)所示。可以看出RSCC-42.5R组的变异系数最低，为0.6；RSCC组变异系数最高，为0.86。这说明前者平板上的裂缝开裂面积及分布较为均匀，离散程度小，后者离散程度较大。从图7(制图时裂缝宽度均为每条裂缝的最大宽度)也可看出，RSCC组的No.2裂缝开裂宽度明显大于其他裂缝，离散性较大，而另外2组的裂缝开裂宽度相差不大，离散程度较小。因此说明骨料包浆可降低混凝土板裂缝开裂的离散程度，有利于裂缝均匀分布，间接提高了混凝土板的抗开裂能力。

综上所述，从裂缝的初裂时间、最大宽度、评价指标以及变异系数进行整体分析，骨料包浆确实可以不同程度地提高板的抗开裂能力，其中效果最显著的为采用42.5R水泥包浆的再生骨料。

3.3 微观分析

图9为普通混凝土NSCC、再生混凝土RSCC和包浆再生混凝土RSCC-42.5R扫描电镜下的微观结构。熟料矿物C3S经过水化后生成的层状Ca(OH)2晶体、未水化的球状粉煤灰颗粒，以及二者在水化过程中反应生成的不规则胶状物质水化硅酸钙C-S-H。从图9(a)可见，骨料与浆体的界面结合紧密，孔洞较少，其原因为Ca(OH)2晶体和C-S-H等水化产物相互粘结，弥补了孔隙，形成较为密实的整体结构。相比之下，RSCC组再生骨料表面残留的旧水泥浆体与新水泥浆体粘结能力差，导致界面区出现明显的裂缝，且裂缝中水化产物较少，如图9(b)所示。这种界面区即为再生混凝土中最常见的再生骨料与浆体界面薄弱区，往往是混凝土受力时裂缝的发源地。从图9(c)可见，骨料与浆体的界面区不存在明显裂缝，只是骨料自身存在一些微小裂缝，这是再生骨料机械破碎作用下产生的，但是裂缝中充满了Ca(OH)2晶体和C-S-H等水化产物，其原因为再生骨料经过事先包浆处理，水泥浆的水化产物对骨料内部的微裂缝进行了弥补，同时覆盖再生骨料表面，改善了其粗糙程度，使其与砂浆的结合更加紧密。综上所述，从微观层面可以得出，RSCC组的抗裂性能差主要是因为骨料与浆体界面过渡区薄弱，存在微小裂缝，更易受到破坏。再生骨料经过包浆处理后，改善了骨料与砂浆的界面过渡区，进而达到了提高混凝土抗裂性能的效果。

图9 不同混凝土的微观结构Fig.9 Micro-structure of different concretes

4 机理分析

正常情况下，再生骨料在混凝土中与胶凝材料的界面过渡区存在2种形式[11]：一种为再生骨料与表面残留水泥浆体的旧界面过渡区，再生骨料在制备的过程中通常采用机械破碎的方法，因此会造成骨料内部及旧界面过渡区产生微小裂缝，导致再生骨料孔隙率大，吸水率高，相较于天然骨料更易造成混凝土开裂；另一种为再生骨料表面残留砂浆与新胶凝材料的过渡区，这种新过渡区粘结能力差，比较薄弱，容易产生裂缝，造成混凝土开裂。

骨料经过水泥浆包裹处理后，一方面可以在一定程度上修补再生骨料内部及旧过渡区的微小裂缝，另一方面水泥水化生成大量的水化硅酸钙和铝酸钙，增强粘结力，使得再生骨料的表面更加致密，达到改善骨料性能的效果，进而提高混凝土的抗开裂能力。但不同强度等级水泥包浆的骨料，性能是有一定差别的。在本试验中52.5R水泥因比表面积相对较大，导致水泥净浆黏稠，在骨料包浆时，容易造成包浆厚度不均；32.5R水泥浆相对稀薄，骨料表面的包裹层较薄；相比较之下42.5R水泥浆包裹效果更好，故从试验数据也可看出RSCC-42.5R组混凝土的抗开裂能力最优。

5 结 论

(1)再生骨料经过水泥包浆后，混凝土的抗压与抗折强度均得到不同程度的提高，其中42.5R水泥包浆的再生骨料混凝土强度提高最大。

(2)再生混凝土相较于普通混凝土，缩短了裂缝的初裂时间，加快了混凝土的开裂，且RSCC组单位面积总开裂面积达到了NSCC组的1.5倍。

(3)骨料包浆可以有效地抑制自密实再生混凝土的开裂，不同强度水泥包浆，效果也有差别。经过32.5R、42.5R、52.5R水泥包裹处理的3组混凝土相较于未包裹的RSCC组，单位面积总开裂面积分别减少了11.1%、25.1%、13.1%，其中42.5R水泥的包浆效果最好。

(4)通过扫描电镜可以得出：再生骨料经过包浆后，水泥的水化产物一方面弥补了骨料内部裂缝，另一方面改善了表面粗糙程度，使骨料与砂浆的界面过渡区更加密实，进而提高了混凝土的抗开裂能力。