再生骨料混凝土抗压强度分析及性能改善研究

王 冠

(广西建设职业技术学院,广西 南宁 530007)

0 引言

根据相关资料显示,旧建筑拆除所产生的建筑垃圾中约40%为混凝土垃圾,对其进行回收再利用不仅满足可持续发展的要求,而且对环境保护和资源节约意义重大[1]。再生骨料是混凝土垃圾再利用的主要途径。

目前关于再生骨料的预处理已有了一定的研究进展[2]。一些研究人员试图通过化学预处理来去除再生骨料上的旧水泥砂浆,采用溶液改善界面并填充再生骨料的微裂纹,以此提高再生骨料的压实度和强度[3]。同时,也有研究人员发现,由预湿处理的再生骨料制备的混凝土具有较高的抗压强度。预湿处理加入的水分可以在混凝土中起到内部养护作用,提高再生骨料混凝土的抗压强度等性能[4]。通过再生骨料混凝土的单轴压缩试验,研究人员发现再生骨料混凝土压缩破坏主要发生在砂浆与骨料的界面过渡区。因此,通过增加界面过渡区的强度,将有效地改善再生骨料混凝土的性能[5]。

相比于天然骨料,再生骨料表面覆盖着一层旧水泥砂浆,在机械破碎过程中会产生一些微裂纹,这些微裂纹将会导致其较高的吸水率和孔隙率[6]。骨料表面的微裂纹和旧砂浆对其性能具有一定的负面影响。因此,对再生骨料进行预处理是改善再生骨料混凝土性能的有效方法。

1 试验概况

1.1 原材料

本试验中所使用的水泥为普通硅酸盐水泥,其强度等级为42.5 MPa。采用的粗骨料中,再生骨料由混凝土垃圾粉碎而成,天然骨料为玄武岩,再生粗骨料与天然粗骨料均来自吉林省内,其中再生粗骨料在不同浸泡时间下的吸水率测试结果如表1所示。细骨料为天然砂,表观密度为2 541.0 kg/m3,吸水率为0.7%,细度模数为2.38,天然砂的粒度分布如表2所示。此外,混凝土用水为饮用水,外加剂为聚羧酸高效减水剂。

表1 不同浸泡时间下再生粗骨料的吸水率测试结果表

表2 天然砂细骨料的粒度分布结果表

1.2 试件制备及单轴抗压强度试验

本研究分别采用两种预处理方式改善再生骨料性能,制备了预湿处理后的再生骨料混凝土以及水泥砂浆预处理后的再生骨料混凝土,同时制备了天然骨料混凝土(NAC)作为对照组用于对比分析。

根据表1中不同浸泡时间下再生粗骨料的吸水率测试结果,选取预湿处理1 h后的再生骨料,将其与天然砂、水泥和水逐一倒入搅拌机中,充分混合之后制备预湿处理后的再生骨料混凝土(RAC-W)。针对水泥砂浆预处理后的再生骨料混凝土(RAC-C),将再生骨料倒入搅拌机中混合不同粒径的再生骨料,直到再生骨料均匀分布;预先向搅拌机中加入水泥和水,其用量分别为总量的20%、25%和30%,分别记为RAC-C20、RAC-C25、RAC-C30,将骨料、水泥和水充分搅拌混合直至再生骨料表面完全裹覆水泥砂浆;将剩余的水泥、水以及天然砂加入搅拌机中制备水泥砂浆;将水泥砂浆预处理后的再生骨料和制备的水泥砂浆完全混合,从而制备水泥砂浆预处理后的再生骨料混凝土(RAC-C)。

按照如表3所示的不同类型混凝土配合比,制作100 mm×100 mm×100 mm的混凝土试件,然后将其放置于温度为(20±2)℃、湿度>95%的标准养生室中进行养护。不同类型混凝土单轴受压加载试验采用力学试验机进行,加载速率保持在0.05 MPa/s。

表3 不同类型混凝土配合比表

2 试验结果与讨论分析

2.1 在7 d养护龄期下混凝土抗压强度分析

为了更直观地显示3种不同类型混凝土的抗压强度变化规律,本研究绘制了3类混凝土在7 d养护龄期下的抗压强度结果柱状图,如图1所示。从图1可以看出,水泥砂浆预处理后的再生骨料混凝土(RAC-C)组别的抗压强度总体上高于天然骨料混凝土(NAC)与预湿处理后的再生骨料混凝土(RAC-W)两个组别。当预先向搅拌机中加入水泥和水用量分别为20%、25%和30%时,RAC-C的抗压强度出现先增加后减小的变化趋势;当预先加入的水泥量达到30%时,在7 d养护龄期下水泥砂浆预处理后的再生骨料混凝土(RAC-C30)的抗压强度为RAC-C组别中最低。这可能是因为再生骨料表面包裹的水泥砂浆较厚,水泥含量较大,导致龄期较短时其水化反应不足,从而使得混凝土抗压强度下降。当预先加入的水泥量为25%时,混凝土在7 d养护龄期时的抗压强度达到最大值。因此,基于7 d养护龄期下RAC-C抗压强度结果,可以初步预测预先加入的最佳水泥量是25%。

图1 3种类型混凝土7 d养护龄期下抗压强度结果柱状图

根据3种类型混凝土抗压强度测试结果,7 d养护龄期下RAC-C的抗压强度高于RAC-W,平均抗压强度比RAC-W约高出46.0%。造成这一结果的原因可能是预湿处理后的再生骨料混凝土(RAC-W)由于预先加入一部分水变成混合用水,导致水灰比增加,从而降低了混凝土抗压强度。此外,由于搅拌过程中的静水压力,再生骨料预湿阶段吸收的水会部分返回水泥砂浆。对比水泥砂浆预处理后的再生骨料混凝土(RAC-C),水泥砂浆预先填充了再生骨料表面的微裂纹,加强了旧水泥砂浆和再生骨料的粘结,提高了再生骨料的完整性,从而进一步提高了再生混凝土的抗压强度。此外,试验结果表明水泥砂浆预处理后的再生骨料混凝土(RAC-C)在7 d养护龄期下抗压强度高于天然骨料混凝土(NAC),RAC-C平均抗压强度比NAC组高约9.8%。究其原因为,RAC-C组别的再生骨料整体性能在水泥砂浆的作用下得到了明显改善,在搅拌过程中再生骨料吸收部分水分而导致水灰比降低,由于混凝土的初始强度主要由水灰比决定,因此,7 d养护龄期下RAC-C组别的抗压强度高于NAC组别。

2.2 在28 d养护龄期下混凝土抗压强度分析

为了清楚地显示28 d养护龄期下不同类型混凝土的抗压强度变化规律性,同样绘制了混凝土抗压强度柱状图,如图2所示。

图2 三种类型混凝土28 d养护龄期下抗压强度结果柱状图

根据图2结果,相比于7 d养护龄期下抗压强度,28 d养护龄期下不同类型混凝土的抗压强度均有不同程度提升,相对于天然骨料混凝土(NAC)与预湿处理后的再生骨料混凝土(RAC-W)两个组别而言,水泥砂浆预处理后的再生骨料混凝土(RAC-C)组别抗压强度总体上增幅并不显著。在28 d养护龄期下再生骨料混凝土(RAC-C)的抗压强度与7 d养护龄期下的抗压强度相比有一定程度提高,其原因是再生骨料表面的水泥砂浆已经固化并形成了坚硬的水泥,从而产生了较高的强度。同样,综合7 d和28 d养护龄期下混凝土的抗压强度,可以推断预先加入的最佳水泥用量是25%。

从混凝土抗压强度测试结果可以看出,RAC-C组别在28 d养护龄期下的抗压强度平均比RAC-W组别高44.8%。原因是RAC-C组别中再生骨料的微裂缝已被水泥砂浆填充,再生骨料表面覆盖一层硬质水泥,提高了再生骨料的性能。因此水泥砂浆预处理后的再生骨料混凝土(RAC-C)的抗压强度高于预湿处理后的再生骨料混凝土(RAC-W)。同时,RAC-C组别在28 d养护龄期下的平均抗压强度分别比NAC组别低14.5%。这可能是由于水泥混凝土的后期抗压强度主要取决于骨料的性能。虽然水泥砂浆预处理后的再生骨料的性能有所提高,但其力学性能仍略差于天然骨料。因此,A组和B组的抗压强度低于NAC组。水泥砂浆预处理后的再生骨料混凝土(RAC-C)与预湿处理后的再生骨料混凝土(RAC-W)两个组别的抗压强度总体上低于天然骨料混凝土(NAC)。

3种不同类型混凝土的7 d与28 d养护龄期抗压强度之比汇总如表4所示。

表4 在7 d与28 d养护龄期下混凝土抗压强度比值表

从表4中所示的结果可以看出,天然骨料混凝土(NAC)和预湿处理后的再生骨料混凝土(RAC-W)两个组别的7 d养护龄期下抗压强度约为28 d养护龄期抗压强度的70%左右。水泥砂浆预处理后的再生骨料混凝土(RAC-C)的7 d养护龄期下抗压强度为28 d养护龄期抗压强度的85%～90%。

2.3 基于抗压试验的再生骨料混凝土破坏界面对比及改善效果分析

在单轴压缩作用下,天然骨料混凝土(NAC)的断裂主要位于骨料和水泥砂浆之间的过渡区。这是因为骨料和水泥砂浆作为两种介质材料,其连接界面处被认为是两种介质混合料中最薄弱的位置。预湿处理后的再生骨料混凝土(RAC-W)在压缩破坏下,断裂面主要出现在再生骨料和旧水泥砂浆之间的过渡区,如图3所示。由于机械破碎,再生骨料表面的旧水泥砂浆变得更为粗糙,有助于新水泥砂浆和旧水泥砂浆的紧密结合。然而,由于旧水泥砂浆的性能较低,因此,旧水泥砂浆和新水泥砂浆之间过渡区的强度将大于再生骨料和旧水泥砂浆之间过渡区的强度。

图3 预湿处理后的再生骨料混凝土(RAC-W)压缩破坏断裂面示例图

由此可见,骨料与旧水泥砂浆之间的过渡区是再生骨料混凝土最薄弱的位置。因此,通过加强骨料与旧水泥砂浆之间的过渡区是改善再生骨料混凝土力学性能的有效途径。在本研究中,对于水泥砂浆预处理后的再生骨料混凝土(RAC-C),再生骨料表面覆盖一层水泥砂浆,可以形成外壳结构,水泥砂浆预处理后的再生骨料如图4所示,再生骨料表面的微裂纹得到充分填充。此外,部分水泥浆体被再生骨料表面的旧砂浆吸收,从而改善了旧水泥砂浆的性能。水泥砂浆还将加强再生骨料和旧水泥砂浆之间的粘结性能。因此,经水泥砂浆预处理后的再生骨料性能总体上有所提高。通过单轴压缩试验可以发现,水泥砂浆预处理后的再生骨料混凝土(RAC-C)的压缩破坏主要是水泥砂浆失效所致,并伴有再生骨料的破坏。

图4 水泥砂浆预处理后的再生骨料混凝土(RAC-C)压缩破坏断裂面示例图

3 结语

本研究分别制备了天然骨料混凝土(NAC)、预湿处理后的再生骨料混凝土(RAC-W)以及水泥砂浆预处理后的再生骨料混凝土(RAC-C),进行混凝土单轴抗压强度试验。通过不同养护龄期下压缩试验结果和破坏界面分析,得出以下结论:

(1)水泥砂浆预处理后的再生骨料混凝土(RAC-C)的7 d养护龄期下抗压强度高于预湿处理后的再生骨料混凝土(RAC-W)和天然骨料混凝土(NAC)。

(2)RAC-C组别28 d养护龄期下抗压强度大于RAC-W组别但低于NAC组别。RAC-C组别的抗压强度在早期阶段提高显著。

(3)RAC-C组别的压缩破坏主要是水泥砂浆失效所致,并伴有再生骨料的破坏。RAC-W组别在压缩破坏下,断裂面主要出现在再生骨料和旧水泥砂浆之间的过渡区。

经水泥砂浆预处理后的再生骨料混凝土性能改善效果较优,推荐预先加入的最佳水泥用量是25%。再生骨料混凝土应用于交通基础设施相关混凝土构件中能够满足规范要求,在一定程度上缓解了交通基础设施工程对天然骨料的需求,对促进交通基础设施混凝土材料低碳化发展与工程应用具有重要意义。