再生混凝土的物理力学性能研究

陈业超

(中山市堤围管理中心，广东 中山 528400)

1 概述

21世纪社会关注的主要问题之一是保护我们的环境。这种意识使得废弃物被认为是一种可回收利用的产品[1]。混凝土是建筑业中的主要加工材料，是仅次于水的第二大消耗品[2]，混凝土制造过程中，需要水、水泥和骨料，骨料主要来自矿坑的开采，由于大量骨料的消耗，导致矿坑开采过度。除了矿坑开采过度的问题，还有建筑拆除产生的废物管理问题.建筑业所产生的的废物与原材料的消耗一样多[3]，建筑业为了适应新的环境要求，变得更加可持续发展。回收混凝土废料来生产新的混凝土是减少建筑业环境影响的主要途径之一[4]。在预制工业中，一些生产出来的混凝土试件由于质量测试不合格而被废弃。这些产品可以被粉碎以生产骨料，并重新投入到生产过程中。

本研究考察了混凝土多次回收的可能性，从一些废弃的预制混凝土件中生成再生骨料，再利用骨料制成再生混凝土。研究了第一次和第二次循环再生混凝土粗骨料制成的再生混凝土的物理力学性能。在所有关于再生混凝土的研究中，只有少数研究了多重再生混凝土[5]。因此，本研究的实验结果有助于支持多重再生混凝土的实现。

2 材料与方法

本研究将重复使用(2次循环)再生混凝土骨料进行混凝土生产。再生混凝土骨料替代品为100%天然粗骨料。一共制作了3种混凝土，2种可回收，1种不可回收。目的是比较不同再生混凝土和普通混凝土(仅由天然骨料制成的最后一种混凝土)的性能。为了研究多重再生粗骨料的效果，选用3种不同的粗骨料，分别是：①NCA：天然粗骨料，粒径：4～10mm砂砾和10～20mm砾石。来自采石场的碎石灰石。②RCA1：第一次再生混凝土粗骨料，粒度：6～12mm砂砾和12～20mm砾石。它是通过粉碎不合格的预制件而获得的。③RCA2：第二次再生混凝土粗骨料，粒度：6～12mm砂砾和12～20mm砾石。它是从第一代再生混凝土中获得的。它是通过粉碎RCA1为粗骨料的混凝土制作而成。

此外，在所有混凝土中，包括回收和非回收混凝土，都使用了破碎的石灰石砂作为细骨料(FA)。生产了3种类型的混凝土，每一种粗骨料如上所述。不同类型的混凝土配合比始终相同；唯一不同的是所用粗骨料的种类。混合比例见表1。

表1 3种不同混凝土试件配合比 单位：kg/m3

这个用量在混凝土工业中通常用于生产C30混凝土，具有中等和易性，坍落度在60～90mm之间，使用增塑剂和高效减水剂作为外加剂。

生产的不同类型的混凝土有：①Control：用NCA零置换制成的混凝土。②RC1：第一代再生混凝土，由RCA1 100%替代NCA制成的混凝土。③RC2：第二代再生混凝土，由RCA2 100%替代NCA制成。

混凝土的生产过程均按照《中华人民共和国国家标准：预拌混凝土(GB/T 14902—2012)》进行。使用PO42.5R普通硅酸盐水泥，其主要性能指标检测值见表2。

表2 水泥主要性能参数

天然河砂最大粒径为4.50mm，比重为2.63，堆积密度为1650kg/m3，细度模数为2.6。制备边长为150mm的标准立方体试件和直径150mm×高300mm的圆柱体试件来满足研究要求。所有的立方体和圆柱体混凝土试件均在温度为20℃±1℃和湿度大于95%的条件下养护，混凝土拌合过程按照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》进行配比。混凝土拌合物试验和混凝土试块试验分配数量见表3。

表3 分配混凝土拌合物试验和混凝土试块试验数量

试验分2个阶段进行：第一阶段为混凝土拌合物性能，第二阶段为混凝土硬化性能。在混凝土拌合物阶段，根据国标对所有混合料进行了坍落度测试和空气含量测试。在第二阶段，分析了硬化混凝土的特性如下：根据国标，测试立方体试块的抗压强度；在饱和表面干时测量了干密度和吸水率，根据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，利用混凝土动弹模量测定仪测量混凝土的动态弹性模量。

3 结果与讨论

3.1 混凝土拌合物性能：坍落度和空气含量

新拌合的混凝土坍落度和空气含量的平均值见表4。

表4 混凝土拌合物性能

天然粗骨料配制的混凝土的坍落度平均值最高，为76mm。RC1和RC2的坍落度平均值分别为58和52mm。与非再生混凝土相比，再生混凝土的坍落度值有所下降。由于RC1坍落度值高于RC2坍落度值，可以认为混凝土的和易性随着每次再生循环而降低。这可能是由于再生粗骨料比天然粗骨料具有更高的粗糙度和棱角度，而且再生粗骨料的吸水率高于天然粗骨料；再生骨料的吸水性能随再生次数的增加而增强。每循环一次，再生混凝土的和易性就会有所降低。

空气含量测试结果见表4。可以看出，所有混凝土拌合物的含气量几乎相同，因此对照混凝土与再生混凝土之间没有显著差异，再生混凝土之间也没有显著差异。

3.2 混凝土密度与吸水率

不同混凝土配合比的饱和密度、干密度和吸水率试验结果见表5。

表5 硬化混凝土的密度和吸水性

结果表明，再生混凝土密度低于对照混凝土，因为使用的再生骨料比天然骨料更轻。RC1和RC2的饱和密度分别下降1.65%和2.48%；在干密度方面，RC1和RC2的差异更为明显，分别下降3.07%和3.95%。随着混凝土循环周期的增加，混凝土密度呈下降趋势。

在吸水率方面，与密度不同，再生混凝土的吸水率高于对照混凝土的吸水率。RC1和RC2分别增长25.24%和26.39%。在这种情况下，观察到的趋势是吸水性随着循环次数的增加而增加。

密度和吸水率都与所使用的骨料的特性密切相关。再生骨料比天然骨料密度小，吸水性强。这种现象是由于再生循环骨料上存在黏结的砂浆，这样会导致密度更低，吸收率更高。随着每一次再生循环，附着的砂浆的数量会增加，凝结硬化后的混凝土将变得松散，更有吸水性[6-7]。

3.3 抗压强度

通过万能试验机对不同类型混凝土在不同测试龄期(2，7，28和90d)进行测试，得到平均抗压强度的结果见表6。

表6 混凝土平均抗压强度结果 单位：MPa

使用夏皮罗维尔克检验法检测不同类型混凝土在不同龄期中(2，7，28和90d)抗压强度的正态性，结果见表7。

表7 夏皮罗维尔克检验法对抗压强度正态性检验结果

检测结果表明，在所有试验龄期，再生混凝土的抗压强度均高于对照混凝土。再生混凝土RC1和RC2在统计学上差异不显著。

所研究的3种混凝土在所有测试龄期的抗压强度的箱线图如图1所示。

图1 混凝土抗压强度箱线图

由图1可知，再生混凝土的抗压强度优势较为明显。

混凝土的相对抗压强度如图2所示。

图2 混凝土的相对抗压强度

由图2可知，再生混凝土的抗压强度相对增量很小，在2d龄期RC1和RC2的相对增量分别为4.97%和7.06%，在7d龄期RC1和RC2的相对增量分别为7.36%和11.20%，在28d龄期RC1和RC2的相对增量分别为8.60%和8.78%，在90d龄期RC1和RC2的相对增量分别为13.50%和13.65%。在再生混凝土中，所有龄期的RC2抗压强度都大于RC1强度，但是差异非常小，尤其是到硬化后期，几乎没有差异，从统计数据上来看无法证明RC1和RC2 2种混凝土抗压强度方面的不同。

与对照混凝土相比，使用100%多重再生粗骨料不会导致再生混凝土抗压强度下降；相反，再生混凝土对所有的测试龄期都表现出优异的抗压能力。第二次循环的RC2比第一次循环的RC1的抗压强度更高。在本次测试中，再生粗骨料只来自高标准制造预制混凝土块，使再生骨料的质量较好，再生混凝土的抗压能力会强于对照混凝土相比。

3.4 静态弹性模量和动态弹性模量

2种不同再生混凝土(第一代和第二次再生混凝土)和对照混凝土的静态弹性模量和动态弹性模量的数值如图3所示。

图3 混凝土的静态弹性模量和动态弹性模量

与对照混凝土相比，再生混凝土的弹性模量在静态模量和动态模量上均有所降低，而且静态模量和动态模量随再生混凝土循环次数的增加而降低。

在静态弹性模量方面，对照混凝土为34.6GPa，比RC1和RC2分别高12.14%和13.01%。在动态弹性模量方面，对照混凝土为45.8GPa，比RC1和RC2分别高10.04%和12.01%。这是由于水泥凝结硬化后的弹性模量比天然骨料小，每循环回收一次，砂浆的附着量就会增加。因此，再生混凝土的刚度比只用天然骨料制成的混凝土要低，导致两种再生混凝土的静态弹性模量和动态弹性模量都有所降低。

4 结论

本文介绍了利用回收的废弃混凝土制作粗骨料生产再生混凝土的可行性试验。结果表明重复再生粗骨料混凝土的和易性、密度、吸水率均随着循环周期的增加而增加。第一代和第二代再生混凝土的抗压强度均有优于天然骨料制作的混凝土。再生混凝土的静态弹性模量和动态弹性模量均低于天然骨料混凝土。使用废弃的重复再生粗骨料，在抗压强度方面表现出良好的价值。相反，弹性模量数值的降低，导致抗变形能力略有下降。再生混凝土粗骨料的应用可减少天然骨料的消耗及废弃混凝土对环境的影响，具有推广应用价值，但由于抗变形能力下降，在使用中应避免发生脆性破坏。