骨料含水量的差异对于粉煤灰再生混凝土性能的影响

程子扬，李敬芳，陈旭勇，程书凯，徐 雄，田 野，屠艳平*

1. 武汉工程大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉430074；2. 国投新疆罗布泊钾盐有限责任公司，新疆 哈密839000

近几年来，海内外的专家学者对于再生骨料性能对再生混凝土的影响进行了大量的试验研究［1-3］，但是主要针对于再生骨料的压碎值、吸水量和表观密度等性能指标来研究其对再生混凝土性能的影响。由于再生骨料经过破碎后，相对于天然骨料表面附着大量老砂浆以及内部有较多的微小裂缝，导致再生骨料相对于天然骨料拥有较高的吸水量［4-5］，在再生混凝土拌制过程中，再生骨料由于自身较高的吸水量会吸收拌合物中大量的游离状态的水，导致再生混凝土拌合物的游离状态的水减少，使得水泥水化反应不完全［6］，对再生混凝土和易性和力学性能，以及未来的施工过程造成一定影响，同时也对推广再生混凝土的工程应用带来了阻碍和挑战。

国内外的一些研究学者在对于再生骨料的试验研究发现［7-9］，再生骨料经过前期一些预先处理，可以有效的改善再生混凝土的和易性和力学性能。相关的试验研究也对于再生骨料的预处理给出相关建议，建议在搅拌前对再生骨料进行预先饱水处理来减少骨料和水泥浆之间的水分交换［10］，但是由于饱和面干的再生骨料在拌制过程中有水从骨料内部转移到水泥砂浆中的可能性，导致再生骨料和水泥砂浆之间过渡区的有效水胶比升高，进而使得其过渡区的粘结强度降低［11］。Ferreira 等［12］通过分析预先吸水状态和添加附加水状态的再生粗骨料对再生混凝土性能的影响，发现这两种方法都能够有效的提高再生混凝土的和易性，并且添加附加水状态下制备的再生混凝土不仅和易性能得到提升，其抗压强度和劈裂抗拉强度等力学性能也能得到显著的提高。Brand等［13］通过研究再生混凝土在有效水胶比一致的条件下，两种状态下（饱和面干和干燥）再生骨料制备的再生混凝土的坍落度，试验结果表明干燥状态的再生骨料制备的再生混凝土的坍落度相对于饱和面干状态下制备的再生混凝土的坍落度更大。然而，Oliveire 等［14］通过研究饱和面干状态和干燥状态的再生骨料制备的再生混凝土的性能，发现在这两种含水状态下的再生骨料制备的再生混凝土，其力学性能和耐久性能都要逊色于天然混凝土，并且饱和面干状态下的再生骨料制备的再生混凝土的劈裂抗拉强度降低较明显。

粉煤灰作为一种常用于混凝土中的矿物掺合料，当粉煤灰等质量取代水泥掺量为30% 时，再生混凝土的7 d 抗压强度有所降低，但其长期性能会持续发展，甚至将会超过基准值［15-16］。Kou等［17］通过研究高掺量粉煤灰对于再生混凝土的性能的影响，试验结果表明发现较高掺量（55%）的粉煤灰能够使得再生混凝土的长期抗压强度提高，增大其弹性模量改善再生混凝土的抗氯离子渗透性能，全方位的提高再生混凝土的性能。此外，一些学者的研究也发现，粉煤灰可以有效改善再生混凝土的和易性［18-19］。

因此，本文通过使用静水天平测得再生粗骨料的吸水时变规律，研究不同含水量下的再生粗骨料对于粉煤灰再生混凝土坍落度、抗压强度、劈裂抗拉强度和拉压比的影响，分析得出不同含水量下的再生粗骨料对粉煤灰再生混凝土的各项性能影响的原因，为粉煤灰再生混凝土今后的研究和工程推广应用提供参考作用。

1 试验概况

1.1 试验材料

水泥：采用武汉市建材大世界购买的华新水泥生产的P.O 42.5 级水泥，水泥的详细的性能指标见表1；粉煤灰为中建商品混凝土有限公司资助的二级粉煤灰；天然细骨料（natural fine aggregate，NFA）为天然河砂，属Ⅱ区中砂，细度模数为2.6，符合《建筑用砂》（GB/T 14684—2011）的要求；天然粗骨料（natural coarse aggregate，NCA）来自中建商品混凝土有限公司，粒径在4.75～20.00 mm 范围内；再生粗骨料（recycled coarse aggregate，RCA）来自中建商品混凝土有限公司，粒径在4.75～20.00 mm 范围内，符合规范JGJ 52—2006 的要求，NCA、RCA 和NFC 的物理性能结果参见表2。水：武汉市天然自来水；减水剂：中建商品混凝土有限公司资助的聚羧酸高效减水剂，其减水率为18%。

表1 水泥性能指标Tab. 1 Performance indexes of cement

表2 骨料的物理性能Tab. 2 Physical properties of aggregate

1.2 试验配合比设计

以C30 天然粉煤灰混凝土为基准值，水灰比为0.49，粉煤灰掺量为水泥的25%，细骨料采用天然河砂，粗骨料使用天然碎石，作为对照组，记为NC（天然混凝土，nature concrete）。在此对照组的基础上设计3 组再生混凝土的配合比，水胶比和胶凝材料的用量不变，采用3 种含水量（相较于饱和吸水量的0%、50%、100%）的RCA 等质量全部替代天然骨料，所制备的再生混凝土的标号为RAC-1、RAC-2 和RAC-3，分别对应RCA 的含水量为0%、50% 和100%，根据RCA 的含水状态进行附加水的调整，具体的配合比见表3。

表3 混凝土配合比Tab. 3 Concrete mix ratio

1.3 试验方法

1.3.1 RCA 吸水率测试方法 RCA 的吸水率根

据《混凝土用再生粗骨料》（GB/T 25177—2010）中的规定，按照GB/T 17431.2 中吸水率测试方法进行RCA 的吸水率测试，具体步骤如下：1）取RCA试样4 L，用孔径为2.36 mm 的筛子过筛后，洗刷干净放置于烘箱中，温度为（105±5）℃烘干至恒重；2）把烘干后的RCA 试样等分为3 等分，分别称重，精确至1 g，然后放入盛水的容器中，如有颗粒悬浮，将其压入水中，液面要高于试样表面5 mm；3）浸泡24 h 后，从水中取出，用湿毛巾将颗粒表面的水分擦干，此时试样为饱和面干的RCA 试样，立即称重质量，精确至1 g；具体的结果计算见公式（1）。

式中：w为RCA 24 h 吸水率，%；m0为RCA 浸泡24 h 后的质量，g；m1为RCA 烘干后的质量，g。

以3 组测定值的算术平均数作为试验结果。

1.3.2 试块制备与性能测试 混凝土搅拌开始前，对所需的所有实验材料进行称取。减水剂倒入称取好的水中搅拌80～120 s，再按粗骨料、水泥、细骨料的投放顺序依次倒入搅拌机中，干拌60 s，再倒入水，连续搅拌120～180 s，倒出拌合物。按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB/T 50080—2016）进行坍落度试验来测定再生混凝土拌合物的坍落度，同时以经验观察拌合物的黏聚性和保水性，判断拌合物是否具有良好的和易性。若拌合物的坍落度满足试验设计，且其黏聚性和保水性都满足要求，便将再生混凝土的拌合物倒入试模中，浇筑为尺寸100 mm ×100 mm ×100 mm的立方体试块，放置24 h 后拆模并编号，搬送至混凝土的标准养护室内进行养护，达到28 d 后按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081—2019）中的试验方法采用电液伺服万能试验机对再生混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度进行测定。

2 结果与讨论

2.1 RCA 吸水随时间变化情况

由于RCA 表面附着有老砂浆和内部含有大量的微裂缝，导致RCA 相较于NCA 拥有吸水量高，吸水速率快的特点，利用静水天平对含水量为0%的RCA 进行吸水时变的测试，得到RCA 的吸水时变曲线，如图1 所示。通过图1 可以发现，RCA 在处于含水量为0% 的情况下遇到水后，其吸水速率极快，第20 s 时其吸收的水分就已经达到了其吸水量的21.2%；但是RCA 的吸水速度也随着自身含水量和时间的增加逐渐降低，5 min 时RCA 吸收的水分达到了其饱和含水水量的48.9%，只相对于20 s 时增加了27.7%。该现象表明RCA 的含水量越低，其本身的吸水速率就越快，且吸水速率随着自身含水量的增加而不断减小。当RCA 的含水量达到了其饱和吸水量的60% 以后，RCA 的吸水速率就开始随着时间的推移变的逐渐平稳。因此，RCA 含水量为0% 时加入到拌合物中时，其前5 min 吸水速率非常快，要远高于NCA 和其他两种含水量下（50% 和100%）的RCA。通过此曲线也验证了含水量为0% 的RCA 在短暂搅拌过程中对于拌合物中的游离状态的水的吸收是大量且迅速的。同时，通过拟合曲线可以发现RCA 的含水量与时间成幂函数关系，图像为凸曲线，通过拟合曲线计算出，RCA 在从含水量为0% 到含水量为100% 的时间约为950 min，与规范中骨料吸水饱和的浸泡时间相近。

图1 RCA 吸水时变曲线Fig. 1 Time-varying curve of water absorption of RCA

2.2 坍落度结果与分析

详细的坍落度测试的结果见图2（a）。从图中可知，根据坍落度的大小对混凝土排序为：RAC-1＞RAC-3＞RAC-2＞NC。再生混凝土的坍落度都大于NC 的坍落度，这是由于RAC-1 和RAC-2 添加了附加水，通过吸水时变曲线可以发现，在短暂的搅拌时间中，RCA 无法将附加水全部吸收，也就导致了拌合物中游离状态的水较NC 有所增多，尤其是RAC-1，其坍落度是4 组中最大的。RAC-3 由于提前在水中浸泡了24 h，RCA 表面松散的老旧砂浆和一些灰尘颗粒在浸泡过程中被清洗，使得RCA 表面变的更加光滑，骨料之间的摩擦阻力也进而变小，再者由于本身已经水分饱和，在搅拌过程中会出现一些水分渗出的现象，导致了拌合物中游离状态的水含量增多，使RAC-3 的坍落度增大。由此可见，不同含水量下的RCA 对于新拌制的再生混凝土的坍落度有很大的影响，附加水是影响再生混凝土的坍落度大小的主要因素之一。

2.3 力学试验结果与分析

2.3.1 抗压强度和劈裂抗拉强度 详细的抗压强度和劈裂抗拉强度测试数据见图2（b）。由图2（b）可知，RAC-1、RAC-2 和RAC-3 的抗压强度和劈裂抗拉强度都远低于NC，造成这种情况的原因是因为RCA 是由废旧建筑或道路拆除后的混凝土块经过各种破碎工序后再进行筛分得到，破碎和筛分的过程中不断的受到冲撞、摩擦和挤压，RCA 本身结构的损伤不断增加，导致得到的RCA 具有微裂缝多、棱角多、压碎值大和表面附着大量老旧水泥砂浆等缺点，致使用其制作的再生混凝土的强度较低。RAC-1 和RAC-3 再生混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度都小于RAC-2 组，表明了含水量为50% 的情况下的RCA 对再生混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度的不利影响要小于含水量为0% 和含水量为100% 情况下的RCA。RAC-1 由于RCA的含水量为0%，拌合物中添加的附加水用量明显高于RAC-2，如前所述，在短暂的搅拌时间中，无法使RCA 将附加水全部吸收，也导致RAC-1 的游离态的水相较于RAC-2 更多，致使RAC-1 有效水胶比变高，抗压强度和劈裂抗拉降低。RAC-3 由于RCA 在拌制前已经进行了预处理，达到饱和面干的状态，在拌制过程中，会出现RCA 自身的水分渗出，使其界面过渡区的水胶比变大，导致界面过渡区的强度降低，从而致使再生混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度降低。由以上分析可知，不同含水量下的RCA 对于新拌制的再生混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度是有很大的影响，并且RCA吸水时变曲线对于研究RCA 对于再生混凝土的力学性能有着重要意义。

从图2（b）中再生混凝土的抗压强度和劈裂强度的变化趋势来看，劈裂抗拉强度无论增加幅度还是降低幅度都要优于抗压强度，反映出掺入粉煤灰对于再生混凝土的劈裂抗拉强度是提升作用，对于再生混凝土的抗压强度是降低作用。这与肖建庄等［20］对于粉煤灰掺入后再生混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度影响的结果十分相近，说明粉煤灰的掺入对于再生混凝土的早期强度抗压强度是降低作用，只有到达90 d 龄期才会逐渐接近天然混凝土。

2.3.2 拉压比 混凝土的拉压比是指混凝土的劈裂抗拉强度和抗压强度之间的比值，混凝土的拉压比是用来衡量水泥基复合材料脆性和抗裂性能的一个非常重要的指标，拉压比越小，混凝土的脆性越大，韧性越小，抗裂性能越差［21］。图2（c）为混凝土拉压比与抗压强度的关系曲线，由图可知，再生混凝土的拉压比都大于天然混凝土，说明再生混凝土相对于天然混凝土其脆性更小，韧性更好。通过图2（c）分析3 组再生混凝土的拉压比结果发现，再生混凝土的拉压比随着抗压强度的增加而增加，但在达到一定程度后其增加的幅度逐渐减小；RAC-3 的拉压比在3 组中最小，这是由于饱和面干的RCA 存在水分渗出的现象，使得界面过渡区的有效水胶比降低，RCA 与砂浆之间的粘结性能变差，结构不够密实，造成RAC-3 组的劈裂抗拉强度降低幅度较大；RAC-1 和RAC-2 的拉压比要远大于RAC-3 的拉压比，表明RCA 的不同含水状态对于再生混凝土的拉压比有着很大的影响，体现出RCA 的含水状态对于研究再生混凝土的脆性和抗裂性能有着很好的研究意义。

图2 再生骨料含水量与再生混凝土性能的相关性：（a）坍落度，（b）抗压强度和劈裂抗拉强度，（c）拉压比和抗压强度的关系Fig. 2 Correlation between water content of recycled aggregate and properties of recycled concrete ：（a）slump，（b）compressive strength and splitting tensile strength，（c）relationship between tension-compression ratio and compressive strength

3 结 论

本文研究了不同含水量（相较于饱和吸水量的0%、50%、100%）的RCA 对于再生混凝土的坍落度、抗压强度、劈裂抗拉强度和拉压比的影响，从试验的结果中总结得出以下的结论：

1）使用静水天平得到RCA 的吸水时变曲线，通过此曲线发现了RCA 的本身的含水量越低，其吸水的速率就越快，吸水速率随着RCA 的含水量的增加而迅速降低，RCA 的吸水时变曲线对于研究再生混凝土和易性和力学性能有着很好的研究意义。

2）不同含水量的RCA 对再生混凝土的坍落度有着不同的影响，且影响的程度差别较大，用含水量为0% 的RCA 去制备再生混凝土时，其坍落度要大于含水量为50% 和含水量为100% 的RCA 制备的再生混凝土，拌合物中的游离状态的水是影响再生混凝土的坍落度的主要因素之一。

3）RCA 的含水量对于再生混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度有着不同的影响，用含水量100%和含水量为0% 的RCA 制备成的再生混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度要低于含水量为50% 的RCA 制备的再生混凝土，主要的原因是RCA 含水量的差异系数附加水的掺量不同，使得拌合物中游离状态的水含量改变，制备的再生混凝土的有效水胶比不同。

4）不同含水量的RCA 对于再生混凝土的拉压的影响不同，含水量为100% 的RCA 制备的再生混凝土的拉压比最小，但也要大于天然混凝土，由此可见，再生混凝土的脆性和抗裂性能要优于天然混凝土。