再生粗骨料特性及其對混凝土性能的影響研究

梁強強，鄭揮欣

（浙江天石建材有限公司，浙江 金華 322300）

0 前言

近年來，隨著我國城鎮化的快速推進和城鎮舊城區的大量拆遷更新，造成了廢棄混凝土、磚石等固體廢棄物的大量排放，給城市環境帶來了大量負荷，同時也占用大量人力物力等公共資源轉運處置

[1]。大量學者[2-5]嘗試對廢棄混凝土進行再生資源化利用，通過破碎、沖洗、篩分等工藝獲得與天然砂石相同粒徑的再生骨料，部分或全部取代天然骨料進行中低強度混凝土的配制，國家也相應出臺了 GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》，對再生粗骨料應用進行規范化指導。然而再生粗骨料由于附帶部分砂漿、空隙率高于天然粗骨料，在應用過程中需要特殊區分，另外其特性受到循環利用次數和強度等級等因素影響，有關研究資料相對較少，需要更多數據支撐。

本文針對再生粗骨料特性進行分析，并對再生粗骨料在混凝土中的性能進行研究，以期為再生粗骨料的應用提供參考。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

（1）膠凝材料

水泥采用 P·O42.5R 普通硅酸鹽水泥；粉煤灰為Ⅱ級灰，需水比為 98%；礦粉為 S95。水泥的主要性能指標見表 1。

（2）骨料

細骨料由天然砂和機制砂組成，天然砂細度模數為 1.5，含泥量 1.0%，機制砂為石灰質砂，細度模數為2.7，含粉 12%，MB 值 1.5。

表 1 水泥主要性能指標

天然碎石顆粒粒徑為 5～25mm，連續級配，壓碎指標 8.0，無泥塊；再生粗骨料由 C30 混凝土試塊經破碎，篩選而成，去除表面附帶石粉，粒徑為 5～25mm。

（3）外加劑

采用聚羧酸外加劑，含固 12%，減水率 21%。

1.2 試驗方法

（1）將廢棄混凝土經破碎，篩分，去除表面所含石粉，得到粒徑為 5～25mm 的再生粗骨料，其吸水率、篩分試驗及其他物理性能試驗參照 GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》進行。

（2）混凝土工作性能參考 GB/T 50080—2016 《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》。混凝土抗壓強度按照 GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》成型 100mm×100mm×100mm 混凝土試件，常溫養護 24h 拆模，測試混凝土指定齡期的抗壓強度。

（3）采用接觸法測試混凝土的干燥變形性能。按照混凝土配比成型尺寸 100mm×100mm×515mm 的棱柱體試件，每組 3 塊，并預埋測頭，帶模養護 1d 后脫模，室內養護，條件為 (20±2)℃、相對濕度為 60%，測試不同齡期的混凝土收縮率，計算公式如下：

式中：

εt——試驗期為 t(d) 的混凝土收縮率，%；L0——時間長度的初始度數，mm；

Lt——試件在試驗期 t(d) 時測得的長度，mm；Lb——試件的測量標距，mm。

2 試驗結果及討論

2.1 再生粗骨料特性

（1）顆粒分布

良好的骨料顆粒級配能夠降低水泥用量、改善混凝土和易性、降低硬化后混凝土結構孔隙率。再生粗骨料由天然原石和人工石組成，破碎后要對再生粗骨料的級配進行分析，選擇合適的再生粗骨料。

表 2 結果顯示再生粗骨料大部分尺寸在5～25mm，其中 4.75～19mm 粒徑范圍占比超過 90%，基本符合連續骨料級配。

（2）吸水率

測試了再生粗骨料隨時間吸水量變化，結果見表3、圖 1。

表 3 再生粗骨料隨時間吸水率變化 %

圖 1 再生粗骨料隨時間吸水率變化曲線

測試結果顯示，隨著時間推移，天然粗骨料吸水量較低，且在 100min 內吸水量基本穩定，而再生粗骨料吸水率較高，且吸水過程是持續性的，但主要在 60min內，這說明再生粗骨料對外界水分的吸收主要發生在早期，早期充足的水分對于再生骨料穩定較為必要。

混凝土在水化和服役的過程中，不可避免的產生氣孔和微裂紋，在進行再生粗骨料的生產中，這些孔隙和微裂紋為水分遷移提供了大量通道，使得再生粗骨料吸水速率和吸水率都高于天然粗骨料[6]。

（3）其他物理性能（見表 4）

表 4 再生粗骨料和天然粗骨料物理性質對比

表 4 結果表明，再生粗骨料空隙率較高，且壓碎值較高，承受荷載的能力較弱，這將對拌合后的混凝土性能造成影響。

表 2 粗骨料在不同篩孔尺寸下的分級和累計篩余

2.2 再生粗骨料取代率對混凝土性能的影響

再生粗骨料和天然粗骨料在吸水率、空隙率、壓碎值等關鍵指標方面存在明顯差異，在應用中需要考慮再生粗骨料摻比問題，選擇合適的再生粗骨料取代比例對于混凝土性能的發揮極其重要。

以 C30 為例，C30 配合比及原材料用量見表 5。采用表 5 配合比，選擇不同的再粗生骨料取代比例，研究再生粗骨料對混凝土工作性能和力學性能的影響，試驗結果見表 6。

表 5 C30 混凝土配合 kg/m3

表 6 再生骨料取代比例對混凝土性能性能的影響

從表 6 可以看出，再生粗骨料取代比例從 0% 增加至 100%，混凝土初始坍落度和擴展度也隨之下降，混凝土 7d、28d 和 60d 抗壓強度也出現不同程度的下降。這是因為再生粗骨料在破碎過程中會產生部分棱角[7]，表面凹凸不平，對漿體流動產生的阻力較大[8]，混凝土工作性能下降。當再生粗骨料摻比 40% 以下時，混凝土初始坍落度和擴展度損失、抗壓強度損失相對可控，有利于再生粗骨料的資源化利用。

2.3 再生粗骨料預濕對混凝土性能的影響

干燥的再生粗骨料會吸收水分，使得混凝土流動性下降，為了降低再生粗骨料吸水率高對混凝土工作性能帶來的負面影響，采用骨料預濕技術，使得再生粗骨料處于飽和面干狀態，進行下一步試驗，結果見表 7。

表 7 結果顯示，在再生粗骨料取代 20%、40% 時，預濕有助于再生粗骨料混凝土流動性改善，1h 坍落度和擴展度保持能力也優于未預濕再生粗骨料混凝土，這可能因為再生粗骨料預濕大幅降低了其內部孔隙和毛細通道對外部水分的吸收，使得水分能夠足夠帶動漿體和骨料的流動，粗骨料吸收的水分在靜置的過程中又可以反哺混凝土內部，使得混凝土經時坍落度損失降低。

但同時也可以看出，再生粗骨料預濕后混凝土抗壓強度降低，且再生粗骨料比例越高，強度下降越明顯。混凝土強度取決于水泥漿體與骨料的粘接力[9]，干燥的再生粗骨料通過與周圍水泥漿進行水分交換，使得界面過渡區有效水膠比降低，混凝土整體強度提高。

表 7 再生粗骨料預濕對混凝土性能的影響

2.4 再生粗骨料對混凝土體積穩定性的影響

混凝土在水化和養護過程中易產生收縮，進而產生微裂紋，若繼續發展會影響混凝土結構的服役壽命[10]。再生粗骨料自身的特點使得其內部與外界交換水分的通道較多，對混凝土體積穩定性造成一定影響，對此，研究了不同比例的再生粗骨料混凝土在室內養護（溫度(20±2)℃，相對濕度 50%）下混凝土的收縮，結果見表 8、圖 2。

表 8 再生粗骨料比例對混凝土收縮的影響(×10-6)

圖 2 再生粗骨料混凝土干燥收縮情況

表 8、圖 2 結果表明，再生粗骨料摻入能夠加大混凝土各齡期收縮，且再生粗骨料越多，收縮越大。全天然粗骨料混凝土主要發生在 18d 以內，之后收縮幅度縮小，當再生粗骨料摻量超過 20%，混凝土收縮增加，這是因為再生粗骨料內部氣孔較多，在養護水分不足的情況下，混凝土內部水分更容易通過內部孔隙蒸發，進而加大自身收縮。

3 結論

（1）通過合理破碎篩分，可以生產級配連續的骨料，對比天然粗骨料，再生粗骨料空隙率更高，隨時間吸附水分的能力更強，壓碎指標差，抵抗外界荷載的能力較弱。

（2）再生粗骨料比例增加，混凝土初始工作性能下降，抗壓強度下降，再生粗骨料取代率 40% 以下時，對混凝土工作性能和強度的負面影響相對可控。

（3）再生骨料預濕有助于拌合物水分的保持，能改善混凝土流動性；但預濕后粗骨料與漿體的粘接力減弱，混凝土抗壓強度有所下降。

（4）在外界水分不足的情況下，再生粗骨料內部通道較多，向周圍環境釋放水分速度較快，使得混凝土收縮較大，再生粗骨料比例增加，混凝土各齡期收縮值越大。