粉煤灰与再生骨料对再生混凝土在不同龄期的物理力学性能影响的研究

乔立

北京城建设计发展集团股份有限公司 北京 100037

混凝土的出现给世界建筑、公路、桥梁等结构的发展和跨越带来了机遇，而面临混凝土对环境的影响也带来了挑战。具有关文献统计，混凝土行业每年导致的CO2排放量几乎可以占据全球CO2总排放总量的10%[1]。另外，混凝土用量的不断扩增，也意味着以后废弃的混凝土量也在增大，这给我们的生活带来了更大、更难以处理的建筑垃圾。因此，如何减少混凝土在制备和应用过程中对环境的不利影响，已经成为当代科学和工程界的巨大挑战。另一方面，大量资源的利用和开发也会造成严重的资源短缺。从全世界土木工程发展情况来看，每年生产的混凝土量约为28亿m3[2]，这无疑地消耗了大量资源。而在混凝土用量中，骨料用量占据了绝大的部分，大约为75%。所以，寻找天然骨料替代品的任务已经迫在眉睫。再生混凝土的出现，无疑是对上述问题最好的解决方法，将废弃的混凝土经裂解，破碎等措施后制成再生骨料以替代原生骨料，不仅减少了污染的排放还节约了资源。同时，也发挥了再生骨料在混凝土的重新利用的作用，减少对新资源的开发和浪费。综上所述，粉煤灰再生混凝土在全球范围内的建筑工程中，将会得到越来越广泛的关注和应用，相应的，其物理以及力学性能，需要被进行系统性的研究和总结，以满足对其的利用。

通过对以往文献的收集和整理发现，不同学者对再生混凝土的力学性能都进行了许多研究[3-5]，他们往往从单一变量研究掺合料对混凝土性能的影响，而多变量耦合影响的研究并不多见。因此，本文将从粉煤灰和再生骨料双参数来进行相关的试验研究，以探究上述单变量，双变量以及两参数相互协同作用对其物理力学性能的影响，并给出相应的机理用来解释和探讨试验结果，包括工作性，抗压强度，劈拉强度以及与钢筋的粘结强度，以达到寻求工程应用可以使用的具有经济性和环保性双重考虑的粉煤灰再生混凝土的目的。

1 试验原材料、配合比及试验方法

1.1 原材料

（1）水泥（C）：采用湖南韶峰水泥厂生产的南方牌PO42.5级普通硅酸盐水泥（OPC），水泥的具体成分见表1所示。

表1 水泥的化学成分(C) %

（2）粉煤灰（UFA）：采用I级粉煤灰，其具体参数如表2所示。

表2 粉煤灰的化学成分(FA) %

（3）天然粗骨料（NG）：从湘河就地取材，检验合格，采用5mm-31.5mm的连续极配。

（4）再生粗骨料（RG）：由某实验室提供，采用的极配与天然粗骨料一致。

（5）天然细骨料（NS）：从湘河就地取材，检验合格，细度模数MX=2.63。

（6）再生细骨料（RS）：对再生粗骨料再次粉碎和筛选选获得，采用粒径小于5mm的连续级配。

（7）外加剂：山东万山集团生产的FDN-C高效减水剂。

表3 骨料的性能

1.2 配合比设计

本文主要考虑的配合比设计基于考察在水泥用量不变的情况下，不同龄期粉煤灰及再生骨料（RCA）替代率双参数的变化对再生混凝土的性能影响以及在保持总凝胶体用量不变的情况下，上述两掺量的变化对再生混凝土不同龄期的性能影响。本文将粗骨料和细骨料设置为定值，它们的比例关系为1.3:1，不考虑它们对混凝土力学性能的影响。在试验中，基准混凝土编号为N，设计强度为C30，满足《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55-2011)的要求。再生骨料按0%，30%，60%和100%的取代率取代天然骨料，标号依次为R30，R60和R100。粉煤灰掺量分别按不同的粉煤灰与混凝土用量的比值确定，依次为0.32，0.96和1.45，编号分别为FI，FII和FIII。其中，FI按照《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55-2011)规定的最大粉煤灰掺量进行配比，FII和FIII按照凝胶体总量为490kg/m3进行配比。高效减水剂（TQN）的量控制为1.2%。另外，由于再生骨料吸水率大于天然骨料，需要考虑按照再生骨料15min的吸水率来计算额外吸水量[5]，标号为We。试验配合比见表4。

表4 粉煤灰再生混凝土的配合比设计（kg/m3）

2 试验结果分析与讨论

2.1 工作性

工作性是新拌混凝土最重要的特性，用来描述混合料的流变性能，一般认为混凝土的工作性最少要包含流动性和粘聚性两种主要性能，试验结果见图1。

图1 不同配合比再生混凝土坍落度

由图1可知，在混凝土中掺加粉煤灰对混凝土的工作性能影响显著。与基准混凝土相比，粉煤灰的掺加量从（FA/C=0.32）到（FA/C=0.96），对应的坍落度分别增加了35mm和80mm。在保持总凝胶体总量不变的情况下，减少水泥的用量并增加相应的粉煤灰掺量，其坍落度相对增加了10mm，可以推测，粉煤灰对混凝土工作性的影响大于水泥对其工作性的影响。这其中的原因在文献[6-7]已经说明，就是因为粉煤灰的微观结构以球形为主，可以很好了提高混凝土的和易性。

再生骨料的添加对新拌混凝土的流动性也有着显著的影响。从实验结果可知，在再生骨料取代率小于30%的情况下，混凝土的坍落度变化并不是十分明显，根据不同粉煤灰的掺量，其塌落度分别只比每组无再生骨料的混凝土降低了5mm,15mm和5mm。而随着再生骨料取代率的增加，其坍落度降低趋势变大，在取代率30%-60%分别达到45mm，55mm和30mm而随后其趋势放缓，最终在100%再生骨料取代率时分别达到20mm，30mm和35mm。根据总体规律，FII组60%-100%再生骨料取代率之间的坍落度降低量应该属于实验误差。上述试验现象可以归结为由于再生骨料的吸水性比较大，随着再生骨料取代率的变大，吸附和消耗的拌合水就越多，所以将会影响其塌落度，其流动性随之降低。而从本文试验中可以发现，如果将再生骨料取代率控制在30%左右，新拌混凝土的工作性将不会受到太大的影响。

2.2 抗压强度

由于抗拉强度与抗压强度比值悬殊，所以混凝土在结构中主要被设计成承压试件。在进行性能分析时必要考虑的一个重要参数。本文试验得到的各个试件对应的抗压强度见图2。

图2 不同配合比再生混凝土的抗压强度

由图2可知，粉煤灰的掺入对混凝土的抗压强度有着一定的影响。在少量粉煤灰掺入时（FA/C=0.32），其抗压强度在小于28天时和基准混凝土的抗压强度区别不是很大，但随着龄期的增加，其抗压强度逐渐增大，速率越来越快，在28天，60天和90天分别增加了3.9Mpa, 5Mpa和6.5Mpa。随着粉煤灰替代率增大到（FA/C=0.96），此现象最为明显，其90天龄期的抗压强度增大了16.01Mpa。而在保持凝胶体不变的情况下，减少水泥并增加相同量的粉煤灰（FA/C=1.45），其抗压强度比基准混凝土增加了17.01Mpa，但相对于（FA/C=0.96）的情况增加量并不明显。上述试验出现的结果与文献[8-10]一致，掺加粉煤灰会延长混凝土抗压强度的龄期。

同样，再生骨料对混凝土抗压强度的影响也比较大。但再生骨料对抗压强度影响比较明显作用的体现是在取代率大于30%以上，比如在（FA/C=0.96）的试件中，再生骨料替代率为30%时，其抗压强度在初期反而比此基准混凝土强度增大，在龄期为3天和7天时分别增大了5.1Mpa，2.78Mpa，然后才随着再生骨料取代率的增加而减小，其变化程度随着混凝土龄期的增加而越来越小。由本文试验研究结果可知，再生骨料的取代率控制在30%左右效果更佳。

2.3 劈拉强度

在混凝土结构中，结构的开裂、裂缝、变形以及受剪、受扭、受冲切等承载力均与其抗拉强度有关，而采用轴心拉伸试验的结果很容易被试件安装时的偏心或其他因素所影响而导致结果有较大的离散型。图3给出了劈拉强度的性能在粉煤灰和再生骨料共同作用下的变化趋势。

图3 不同配合比再生混凝土的劈拉强度

由图2可知，不同配合比再生混凝土的劈拉强度的发展过程情况大致和抗压强度一样，但是在低粉煤灰掺量的情况下（FA/C=0.32），混凝土的劈拉强度会被明显降低，在龄期为7天的时候最为明显，降低了1.21Mpa。但当掺加粉煤灰量在（FA/C=0.96）时，相比其他两个掺和量试件，混凝土的劈拉强度增量达到了最大，特别是在龄期为7天的时候，与对应的（FA/C=0.32）和（FA/C=1.45）两种试件，分别增加了0.48Mpa和1.33Mpa。可见掺加粉煤灰对混凝土劈拉强度的影响并不是成线性增长关系。出现这种情况是因为在粉煤灰掺量为（FA/C=0.96）时，其火山灰效应和填充作用发挥效果较好，使其抗拉性能最大；若掺量超过（FA/C=0.96）时，由于总胶凝体用量保持不变，混凝土中水泥用量随着粉煤灰的掺入而降低，导致水泥水化产物CH的减少，最终局限了CH对粉煤灰的催化作用，此时粉煤灰不在作为有效胶凝体而仅仅是在混凝土中起到填充作用，混凝土的力学性能由此而降低，此规律在其他文献也得到证明[11]。

在再生骨料取代率小于30%的情况下，混凝土的劈拉强度在粉煤灰掺量为（FA/C=0.32）的情况下平缓减小，在100%取代率的时候，减小速率达到最大，相对于再生骨料取代率为0的混凝土试块，在不同龄期分别减少了0.89Mpa，1.65Mpa，2.1Mpa，2.2Mpa和2.23Mpa。出现这种情况原因在于再生骨料自身携带的粉尘对骨料与水泥浆体之间的粘结起到了阻碍作用，对混凝土劈拉强度的增长不利。而在粉煤灰掺量为（FA/C=0.96）和（FA/C=1.45）的情况下，当再生骨料取代率小于30%的时候，混凝土的劈拉强度是逐渐增高的，然后随之减少。

2.4 粘结强度

本文通过对不同配比再生混凝土在龄期为28天时进行立方体拔出试验，以达到检测其粘结性能，试验结果见图4。

由图4可知，在粉煤灰掺量小于（FA/C=1.45）情况下，混凝土和钢筋的粘结强度分别降低了7.58Mpa和7.1Mpa。但在粉煤灰掺量为（FA/C=0.96）时，其粘结强度相对于（FA/C=0.32）时仅增加了0.28Mpa，而在保持胶凝体总量不变，粉煤灰掺量为（FA/C=1.45）时，相对于基准混凝土降低了12.58Mpa。分析原因是粉煤灰会影响钢筋与混凝土之间的化学胶着力，所以粉煤灰产量大于（FA/C=0.32）时，混凝土的粘结强度不在有明显变化，在满足混凝土粘结强度最低要求下，可以适量增加粉煤灰的掺和量，提高废料的使用率。

图4 不同配合比再生混凝土的粘结强度

在粉煤灰掺量为（FA/C=0.32）的混凝土中，当再生骨料取代率等于30%的时，混凝土的粘结强度反而增加了0.2Mpa，然后才减小，最终降低了14.69Mpa。在粉煤灰掺量为（FA/C=0.96）不变时，通过调整再生骨料取代率得到了该状态下混凝土的最大粘结强度，此时对应的取代率为60%，相对于基准混凝土增加了3.75Mpa。同样得到粉煤灰掺量为（FA/C=1.45）不变时，对应的取代率为30%，相对于基准混凝土增加了5.06Mpa。上述大致规律的原因可以归结为对比于天然骨料，再生骨料颗粒表面的棱角数量多而粗糙，包含着许多硬化的水泥砂浆，导致其孔隙率大，而且其破碎后，有不可忽视的裂纹数量。由文献可知[12]，随着再生骨料取代率的提高，混凝土内部孔隙率也会有所增加。所以本文将粉煤灰控制在（FA/C=0.96）以及再生骨料取代率配为60%时，混凝土的粘结性能可以得到最佳地体现。

3 结束语

本文通过在试验的基础上，考察粉煤灰，再生骨料在不同龄期对再生混凝土物理力学性能的影响进行了系统的研究，并给以相应的机理来解释了试验现象，得出了以下结论：

1） 混凝土掺加粉煤灰可以有效地改善混凝土的工作性能，再生骨料取代率大于30%，混凝土的工作性能将被削弱；掺加粉煤灰对混凝土早期强度影响比较明显，会延长混凝土抗压强度的龄期，再生骨料取代率在30%时，对早期强度比较有利，对后期影响微乎其微。

2）粉煤灰掺量大于（FA/C=0.32）时，同时再生骨料取代率在30%时，能有效的增加再生混凝土的劈拉强度；粉煤灰掺量为（FA/C=0.96）以及再生骨料取代率为60%时，混凝土和钢筋的粘结性能可得到最佳地体现。