再生粗骨料对不同强度等级混凝土性能的影响

周 启，陈旭勇*，2，程书凯，2，程子扬，徐 雄，2

1.武汉工程大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430074；

2.绿色土木工程材料与结构湖北省工程研究中心，湖北 武汉 430074

近些年，随着城市建设的快速发展，中国的建筑垃圾以3%的速率逐年增加，大量建筑垃圾逐渐成为了建筑行业发展的绊脚石。在倡导资源和环境可持续发展的大背景下，对建筑垃圾进行处理的主要方式为资源化［1］。将废弃混凝土破碎加工形成再生粗骨料（recycled coarse aggregate，RCA），部分（15%以上）或全部代替天然粗骨料（natural coarse aggregate，NCA）制备出的混凝土，即为再生混凝土［2］，其不仅可以减少环境污染、节约资源，还能够产生较高经济效益，对我国建筑行业的发展具有较大意义［3-5］。

相比于NCA，RCA 具有更低的密度，更高的孔隙率、吸水率［6-7］和压碎指标［8-10］。由于RCA 是由废弃混凝土经过破碎加工等工序得到的，会存在老旧砂浆及微裂缝，而老旧砂浆具有较大吸水率，使得RCA 具有高吸水率［5］，于是采用RCA 制备的再生混凝土早期水化反应不充分的问题［11］，对混凝土的工作性能和力学性能造成影响。

研究发现［12-14］，通过对RCA 进行预处理后，再生混凝土的工作性能及力学性能得到了有效提高。Ferreira 等［15］通过相关试验，分析了预湿法和附加水法对再生混凝土性能的影响规律，结果表明这两种方法都能有效提高再生混凝土的工作性能。程子扬等［16］的研究表明，RCA 含水量对粉煤灰再生混凝土性能产生不同程度的影响，其中，当含水量为0%时，再生混凝土拌合物坍落度最大；当含水量为50%时，抗压强度和劈裂抗拉强度最大。范小春等［17］研究发现，随着再生骨料取代率的升高，混凝土拌合物坍落度减小、含气量增大，各项力学性能均不同程度地降低。RCA 表面附着的老砂浆，是导致再生混凝土具有复杂界面过渡区的主要原因。曹瑜斌等［18］首次提出包含3 种界面过渡区的再生混凝土模型，并在此基础上利用扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）等微观测试，对界面过渡区进行了水化产物分析；王永贵等［19］通过SEM 等微观测试，对再生混凝土的微观形貌进行了分析，发现玄武岩纤维和纳米氧化硅的加入，能够提高混凝土内部微观结构的致密性，从而提高再生混凝土的力学性能。

因此，本文考虑RCA 的吸水特性，采用附加水法研究RCA 等质量取代率和不同强度等级下，再生混凝土的坍落度、抗压强度、劈裂抗拉强度和拉压比的变化规律，并采用SEM 观察混凝土骨料-砂浆的界面过渡区，从而揭示不同强度等级下再生混凝土界面过渡区的微观形貌特征。

1 试验部分

1.1 试验材料

NCA（中建商品混凝土有限公司），粒径在4.75～25.00 mm范围内，根据《标准普通混凝土用砂、石质量检验方法标准》（JGJ 52—2006）测得表观密度和堆积密度分别为2 760 kg/m3和1 590 kg/m3，空隙率为0.42，吸水率为0.7%，压碎指标为10.8%；RCA（中建商品混凝土有限公司），粒径在4.75～20.00 mm 范围内，测得表观密度和堆积密度分别为2 630 kg/m3和1 310 kg/m3，空隙率为0.5，吸水率为5.7%，压碎指标为15.2%。天然细骨料（natural fine aggregate，NFA）采用细度模数为2.96的II 区中砂，测得表观密度和堆积密度分别为2 677 kg/m3和1 480 kg/m3；水泥（华新水泥，P.O 42.5），水泥的性能指标详见表1；水：武汉市天然自来水；减水剂（重庆博锐达建材有限公司，标准型聚羧酸高性能减水剂，其减水率为28.5%）。

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

1.2 试验配合比设计

制备强度等级分别为C15、C20、C30、C40 和C50 的混凝土，水灰比分别为0.60、0.55、0.47、0.37和0.33。采用NCA 与NFA 等制备的普通混凝土作为对照组，根据上述设计的5 种强度等级分别记为NC15、NC20、NC30、NC40 和NC50。基于水灰比和水泥量都不变的原则，以RCA 的取代率为研究变量，在原有对照组基础上设计3 组再生混凝土配合比。其中，3 种取代率（50%、70%、100%）的RCA 等质量替代NCA，所制备的再生混凝土的标号分别为RAC-1、RAC-2 和RAC-3，以NC15 为例，RAC15-1、RAC15-2 和RAC15-3 分别对 应的取 代率为50%、70%和100%的C15 再生混凝土，其它对照组同理标号。为了保证再生混凝土的实际工作性能能够贴近普通混凝土的工作性能，故在配合比设计中考虑附加水用量，配合比详见表2。

表2 混凝土配合比Tab.2 Concrete mix proportions

1.3 试验方法

1.3.1 试块制备及坍落度测试 先将所需的粗骨料、细骨料、水泥、水、附加水和减水剂进行称取，然后将所称取的减水剂倒入称取好的水中搅拌60～120 s 得到混合液A。将RCA 和附加水倒入搅拌机中搅拌30～60 s，然后按NCA、砂和水泥的顺序依次投放相应材料，干搅30～60 s，再倒入混合液A，连续搅拌180 s，得到新拌混凝土。对新拌混凝土进行坍落度试验，测定其坍落度数值，具体步骤按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB/T 50080—2016）中相关要求进行。

1.3.2 抗压强度和劈裂抗拉强度测试 在新拌混凝土的坍落度达到设计要求情况下，便可将新拌混凝土倒入试模中，浇筑成尺寸为150 mm ×150 mm ×150 mm 的立方体标准试块，采用振动台振捣密实，用刮刀插实周边、抹平表面，24 h 后拆模并编号，然后进行标准养护。采用万能试验压力机对养护龄期达到3、7、28 d 的相应试块进行3、7、28 d 的抗压强度和劈裂抗拉强度测定。相关步骤严格按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081—2019）中的相关试验方法进行。

1.3.3 SEM 测试 将养护至28 d 的再生混凝土试块切割成5 mm ×5 mm ×5 mm 块状样品，打磨平整后放入无水乙醇中浸泡30 min，取出样品后置于60 ℃烘干箱中干燥48 h。然后用双面胶带粘贴在试验片上，并对其进行抽真空处理，再用离子溅射镀膜仪器进行导电镀膜。最后，进行SEM 扫描。

2 结果与讨论

2.1 坍落度结果与分析

坍落度试验结果见图1。由图1 可见，不同水灰比下，混凝土的坍落度从大到小依次为RAC-2、RAC-3、RAC-1、NC。可以明显看出，再生混凝土的坍落度均大于普通混凝土，这是由于考虑到RCA 的吸水特性，试验采用附加水法对其进行处理，使得实际拌合用水量增加，导致拌合物中游离的水较多，坍落度较大，其中RAC-2 组坍落度为最大。由图1 可见，不同水灰比下的RAC-3 的坍落度介于RAC-1 和RAC-2 之间，这是由于当再生粗骨料量增加到一定程度，搅拌时间内所吸收的附加水大幅增加，坍落度受附加水的影响较RAC-2组有所减小；而NC 和RAC 的坍落度均随水灰比的降低而减小的现象，是由于当水灰比小时，相对水泥用量较大，从而使得水泥能与更多拌合物中游离的水充分反应，导致了坍落度降低。

图1 C15-C50 混凝土坍落度Fig.1 Slumps of C15 to C50

2.2 力学性能试验结果与分析

2.2.1 抗压强度和劈裂抗拉强度 混凝土的性能有许多，但最根本的是力学性能，其中抗压强度更与混凝土的密实程度密切相关，而混凝土的密实程度对于混凝土的工程应用至关重要［20］。混凝土属于脆性材料，由于内部孔洞、裂缝较多以及老旧砂浆的存在，抗拉强度会较低。但在某些工程中，混凝土的质量与其抗拉强度密切相关［21］。

不同水灰比的混凝土3、7、28 d 的抗压强度发展趋势见图2。由图2 可以看到，随着水灰比的减小，3、7、28 d 抗压强度均增大，相较于3 d 和7 d 抗压强度，28 d 抗压强度受水灰比影响程度较大，随着水灰比逐渐减小，28 d 抗压强度增加幅度逐渐上升。由图2 可知，再生混凝土3、7、28 d 的抗压强度均低于天然混凝土，且随着取代率的增加，各龄期强度呈现逐渐下降的趋势，这是由于再生混凝土制备过程中采用附加水法处理再生粗骨料，使得有效水灰比增加，抗压强度降低；同时随着取代率增加，所加入的附加水增多，导致有效水灰比增加幅度变大，从而各龄期抗压强度进一步降低。

图2 不同水灰比的混凝土的3 d、7 d 和28 d抗压强度发展趋势图Fig.2 Development trend charts of compressive strength of concretes with different water cement ratios at 3 d，7 d and 28 d

C15-C50 混凝土28 d 的抗压强度和劈裂抗拉强度见图3。由图3 可知，抗压强度和劈裂抗拉强度从大到小依次为NC、RAC-1、RAC-2、RAC-3，这种情况的出现是由于，相较于NCA，RCA 具有较多微裂缝以及老旧砂浆，导致制备的再生混凝土具有较多且复杂的薄弱界面过渡区，从而混凝土整体内部密实程度较差，强度相对较低。此外，随着RCA 取代率由50%增大到100%，强度逐渐降低，导致这个现象的原因主要有2 点：①RCA 自身缺陷对强度的影响越来越大；②RCA 与混凝土其它成分材料同时搅拌时会吸收大量水，进行水化反应的水相对减少，从而出现水化反应不充分而造成水化产物发育较差，形成较多空隙的现象，于是混凝土受压时产生了应力集中现象，导致抗压强度和劈裂抗拉强度呈现下降的趋势。随着水灰比的减小，抗压强度与劈裂抗拉强度均得到不同程度的增加，这是由于随着水灰比减小，水泥含量随之增加，水泥的水化反应更加充分，混凝土内部的密实程度提高，进而提升混凝土的力学性能。

图3 不同水灰比的混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度：（a）NC，（b）RAC-1，（c）RAC-2，（d）RAC-3Fig.3 Compressive strength and splitting tensile strength of concretes with different water-cement ratios：（a）NC，（b）RAC-1，（c）RAC-2，（d）RAC-3

2.2.2 拉压比 混凝土的拉压比作为一个重要指标，常被用于评价水泥基复合材料的抗裂性能以及延性［22］。不同水灰比的混凝土拉压比与RCA取代率的关系曲线如图4 所示。由图4 可观察出，随着RCA 取代率的增加，拉压比逐渐降低，最大降低幅度为22.4%，这是由于相较于天然粗骨料，再生粗骨料自身由于破碎和筛分工序所带来的初始损伤、微裂缝等缺陷较多，同时含有大量老旧砂浆，导致再生粗骨料的强度更低，在受到压力的过程中，薄弱的界面会出现应力集中现象，导致再生混凝土脆性增大，韧性降低，抗裂性能降低。但是随着水灰比的减小，再生混凝土的拉压比与RCA取代率的关系曲线逐渐平缓，延性和抗裂性能得到了改善。这是由于随着水灰比的减小，水泥量逐渐变大，水泥的水化反应程度增加，更多的C-S-H凝胶生成，填充水泥砂浆内部和老旧砂浆的孔隙，改善内部薄弱的界面过渡区，增加骨料与水泥砂浆间的胶结力，提高混凝土的密实度，进而提升混凝土的抗裂性能。

图4 不同水灰比的混凝土的拉压比Fig.4 Tensile-compression strength ratios of concrete with different water-cement ratios

2.3 界面过渡区微观形貌分析

混凝土是一种多相混合材料，不同相的接触界面被称为界面过渡区。界面过渡区是混凝土的薄弱环节，是混凝土的强度极限相［23］。为了研究水灰比对再生混凝土界面过渡区的影响，采用SEM 获取了不同水灰比的再生混凝土试样的骨料-砂浆界面过渡区的微观形貌，如图5 所示。由图5 可以看出：RAC15-3 的界面过渡区中存在较大的裂缝；RAC30-3 的界面过渡区中仍存在一定长度的裂缝，但部分裂缝已经被一些水化产物填充；RAC50-3 的界面过渡区中已经看不到明显的裂缝，可以观察到有较多水化产物填充其中，有效降低了孔隙含量，改善了界面过渡区。

图5 不同水灰比的再生混凝土的SEM 图：（a）RAC15-3，（b）RAC30-3，（c）RAC50-3Fig.5 SEM images of recycled concretes with different water cement ratios：（a）RAC15-3，（b）RAC30-3，（c）RAC50-3

3 结论

本文以RCA 取代率和强度等级作为研究变量，研究了再生混凝土坍落度、抗压强度、劈裂抗拉强度和拉压比的影响规律，并采用SEM 分析了不同强度等级下再生混凝土界面过渡区形貌。

（1）随着RCA 取代率增大，各等级的再生混凝土的坍落度增大了10%～11.7%；随着强度等级的降低，RCA 取代率为100%的再生混凝土坍落度增加了10.4%。

（2）随着RCA 取代率增大，再生混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度分别下降了13.6%～17.9%和21.7%～35.6%，拉压比减小了7.1%～22.4%，表明再生混凝土抗裂性能和延性下降；随着强度等级的降低，RCA 取代率为100%再生混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度分别降低了55.5%和65.4%。

（3）相较于低强度等级再生混凝土，高强度等级再生混凝土的界面过渡区中较明显的裂缝被水化产物填充，使得微观结构更加密实。