機制砂再生混凝土耐磨性能研究

劉唐志，芮 捷，王 兵，劉義峰

(1.重慶交通大學 交通運輸學院，重慶 400074；2.路橋建設重慶公司，重慶 400020)

0 引 言

再生混凝土和機制砂混凝土是為解決廢棄混凝土堆積問題和保護天然砂資源而發展起來的混凝土技術，目前，機制砂作為細集料已經廣泛應用于中低標號混凝土工程中，而再生混凝土技術還處于研究階段，應用還不是很廣泛[1]。

由于摻入再生細集料后，再生混凝土的強度和耐久性會有很大程度的降低，而且不經濟[2]，所以再生混凝土主要指由再生粗骨料配制的混凝土。再生粗骨料孔隙率、吸水率都高出天然粗骨料20多倍[1]，致使再生混凝土的需水量大、強度低，目前有關再生混凝土的研究已有很多，涉及再生混凝土的強度[3]、工作性能[4]、耐久性能[5]、再生混凝土結構性能[6]、耐磨性能[7-10]等。大多有關再生混凝土耐磨性能的研究表明[7-8,10]，再生混凝土的耐磨性能低于同配比的普通混凝土，限制了其在路面工程中的應用。日本Roshikana的研究表明，隨著原生混凝土強度的增大，再生粗集料的抗磨耗性能越好；R.K.Dhir，等[7]的研究指出，再生混凝土的磨損深度隨再生粗集料取代率的增加而增大，與同配比普通混凝土相比，再生粗集料的取代率小于50%時，磨損深度相差不大，再生骨料取代率達到100%時，磨損深度相差34%；楊國慶，等[8]的研究表明再生混凝土的耐磨性能略高于普通混凝土；梅迎軍，等[9]對改善再生混凝土耐磨性能的研究表明，聚合物乳的摻入顯著改善再生混凝土的耐磨性能，采用水泥漿包裹法進行再生集料界面改性處理有利于改善再生混凝土的磨耗性能。機制砂作為天然河砂的替代品，目前已廣泛應用于中低標號混凝土工程中，相關文獻表明[10-11]，機制砂混凝土的耐磨性能明顯優于河砂混凝土。吳隆德，等[10]的研究表明，石灰巖機制砂混凝土抗壓強度比河砂混凝土高9.1%,混凝土的磨損量僅為河砂混凝土的78.1%，耐磨性較好；柯國炬[11]的研究表明，各種水灰比下機制砂混凝土的磨損量明顯低于河砂混凝土，并得出石粉含量是影響路面機制砂水泥混凝土耐磨性最關鍵因素的結論。

目前有關再生混凝土的研究大多是以河砂為細集料，以再生粗集料和機制砂細集料的組合還鮮見報道。筆者將對機制砂能否改善再生混凝土的耐磨性能進行研究，為再生混凝土在對強度和工作性能要求不高的路面混凝土中的應用提供理論依據。隨著廢混凝土處理問題的日益突出和天然河砂資源的日益匱乏，機制砂再生混凝土的應用將會帶來巨大的社會效益。

1 試驗材料及方案

1.1 試驗材料

水泥：拉法基水泥，P·O42.5R級水泥，密度為3 100 kg/m3；粗集料：5～25 mm連續級配石灰巖碎石，表觀密度2 732 kg/m3；細集料：天然河砂細度模數2.9，機制砂細度模數3.2，含粉量為5.3%，MB值為1.1；再生粗集料：來源于某翻修的舊水泥混凝土路面，原設計強度為C30；減水劑：聚羧酸系高性能減水劑。

1.2 試驗方案

1.2.1 試驗方法

試件抗壓強度、抗折強度、耐磨性能均依據現行JTG E 30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》[12]試驗方法進行評價。耐磨性能以試件磨損面上單位面積的磨損量為指標，試件尺寸為150 mm×150 mm×75 mm，每個配合比制作3個試件，標準養護至27 d從養護室取出，擦干表面水分放入室內風干12 h，再以60 ℃烘12 h，第28 d測試。測試前，在200 N負荷下預磨30轉，然后取下試件刷凈表面粉塵稱重，記下相應質量，作為試件的初始質量。然后在 200 N 負荷下磨 60 轉，然后取下試件刷凈表面粉塵稱重，記下相應質量。計算每一試件的磨損量，以單位面積的磨損量來表示，計算如式(1)：

(1)

式中：Gc為單位面積的磨損量，kg/m2；m1為試件的初始質量，kg；m2為試件磨損后的質量，kg；0.012 5 為試件磨損面積，m2。

1.2.2 配合比設計

試驗中，為消除其他因素影響，采用單因素試驗方法，研究再生粗骨料摻量、機制砂取代河砂、機制砂中石粉含量對再生混凝土耐磨性的影響規律。試驗配合比保持水灰比和水泥用量、砂率不變，具體配合比如表1。

表1 混凝土配合比Table 1 Mix proportion of concrete /(kg ·m-3)

2 試驗結果及分析

不同配合比下抗壓強度、抗折強度、磨損量試驗的結果如表2。

表2 不同配合比下的試驗結果Table 2 Test results of different mixture ratio

2.1 不同再生粗集料取代量下的耐磨性能

2.1.1 再生粗集料取代量對混凝土耐磨性能影響

再生粗集料取代量對混凝土耐磨性能的影響規律如圖1。由圖1可以看出，細集料為天然河砂和機制砂時，混凝土耐磨性能隨再生粗集料取代量的增加而降低。粗集料全部為再生集料時與粗集料全部為天然集料相比，河砂與機制砂混凝土單位面積磨損量分別增加約24%和20%。再生粗集料使混凝土耐磨性能降低，一方面是由于再生混凝土的強度較低;另一方面，再生粗骨料表面黏有耐磨性能較差的砂漿和水泥漿，這部分黏著砂漿和水泥漿在磨損過程中容易被磨損掉而成為磨損物的來源。而相關研究[8]表明再生混凝土的耐磨性能略高于普通混凝土，分析原因認為，可能與再生粗集料的使用年限不同有關。

圖1 不同再生粗集料取代量下的磨損量示意Fig.1 Abrasion loss of different recycled coarse aggregate

2.1.2 河砂與機制砂混凝土耐磨性能比較

由圖1可以看出，無論再生粗集料取代量多少，機制砂混凝土的磨損量都小于河砂混凝土。在普通混凝土和再生混凝土中，機制砂作為細集料取代河砂時，混凝土的耐磨性能都有所改善，但改善效果隨著再生粗集料取代量的增加而減小，再生粗集料取代量為0%和100%時，機制砂混凝土的磨損量分別為河砂混凝土的89%和93%。機制砂混凝土的耐磨性能優于河砂混凝土主要由于機制砂顆粒表面粗糙、多棱角，粗糙的表面增強了混凝土的界面[11]，機制砂的強棱角性使其與混凝土中其他成分的機械嚙合力較大。界面黏結力增大，顆粒之間嚙合增強，混凝土強度也就越高;同時隨著界面黏結力的增強，磨損區域孔結構的改善，混凝土耐磨性變好。但隨著再生粗骨料的加入，機制砂對混凝土耐磨性能的改善效應要抵消因再生集料缺陷帶來的混凝土磨損量的增加，改善效果有所降低。

2.2 石粉含量對機制砂再生混凝土耐磨性能影響

由于原材料和生產工藝的限制，機制砂中不可避免地含有一定量石粉，一般生產過程中會有10%～20%的石粉顆粒[13]，采用不同除粉方式處理后，石粉含量為3%～17%。試驗采用再生粗集料取代量為100%的機制砂混凝土配合比(RC2-100)，取石粉含量為3.0%，5.3%，7.5%，10.0%，12.7%，15.0%，17.0%，研究機制砂中石粉含量對再生混凝土耐磨性能的影響試驗結果圖2。

圖2 不同石粉含量下磨損量示意Fig.2 Abrasion loss of different stone powder content

由圖2可以看出，隨著石粉含量的增加，機制砂再生混凝土的磨損量呈先減小后增加的趨勢。石粉含量在7.0%以內時對再生混凝土的耐磨性能有改善作用，石粉含量超過7.0%后再生混凝土耐磨性能降低。石粉含量在一定范圍內能夠提高再生混凝土耐磨性能，是由于石粉在一定范圍內能夠改善集料的級配[11]，并起到潤滑及填充作用，改善了混凝土的黏聚性及保水性，增加了混凝土的密實度，磨損區域的孔結構得到改善，從而再生混凝土的強度和耐磨性能得到提高。隨著石粉含量的繼續增加，再生混凝土的耐磨性能并沒有像普通混凝土那樣出現趨于穩定狀態[11]，而是呈現降低趨勢，分析原因認為，再生粗骨料本身附著有大量舊砂漿和水泥凈漿，其與石粉的黏結能力不如天然骨料和新拌水泥砂漿，當石粉含量超過一定范圍，在混凝土中表現出游離態，對混凝土強度和耐磨性能的改善效應消失，混凝土內粉體成分增加，也就是易磨成分增加。

3 結 論

1)隨再生粗集料取代量的增加，河砂和機制砂混凝土的磨損量都呈增加趨勢，河砂混凝土的增加幅度比機制砂混凝土大。

2)無論再生粗集料取代量多少，機制砂混凝土的磨損量都小于河砂混凝土，機制砂對混凝土耐磨性能的改善作用隨再生粗集料取代量的增加而減弱。

3)石粉含量在7.0%以內時，對再生混凝土耐磨性能有改善作用，石粉含量超過7.0%，再生混凝土的耐磨性能明顯降低。因此，從提高混凝土耐磨性能的角度來講，機制砂再生混凝土應控制石粉含量在7.0%以內。

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