再生粗骨料配制普通混凝土的研究

張冠軍

廢棄混凝土在普通混凝土中的再生利用是一項亟待深入研究的課題。在廢棄混凝土塊中往往含有大量砂石骨料，若能將它們充分回收，并經破碎、清洗、分級等精細加工，作為骨料用于生產普通混凝土，不僅可降低生產成本、節省天然砂石骨料資源、緩解骨料供需矛盾，而且可保護骨料產地的生態環境，解決城市拆遷過程中廢棄混凝土的堆放占地和環境污染等問題，實現普通混凝土的循環再利用。廢棄混凝土的循環再利用，是發展綠色混凝土的主要措施之一，具有十分顯著的社會效益、環境效益和經濟效益。

再生粗骨料混凝土是指以再生粗骨料部分或全部取代天然粗骨料的混凝土，若全部采用再生粗骨料取代天然粗骨料，會對混凝土性能產生較大影響。一般對于粗骨料，多采用不同的取代率，細骨料則全部采用普通砂來配制混凝土。本文分別采用比例為0%、20%、40%、60%、80%、100%的再生粗骨料取代天然石灰石骨料，觀察分析不同再生粗骨料取代率對C40混凝土工作性能、力學性能及耐久性能的影響。

1 試驗用原材料

1.1 水泥

選用P·O42.5水泥，其物理性能見表1。

表1 P·O42.5水泥物理性能

1.2 粉煤灰

選用電廠Ⅰ級粉煤灰，比表面積為320kg/m2，45μm篩篩余為12.5%，粉煤灰技術指標見表2。

表2 粉煤灰技術指標，%

1.3 礦渣粉

選用S95級礦渣粉，其物理性能指標見表3。

表3 礦渣粉物理性能指標

1.4 細骨料

機制砂，物理性能見表4，累計篩余見表5。

表4 機制砂物理性能

表5 細骨料累計篩余，%

1.5 粗骨料

（1）普通石灰石：5～25mm連續碎石。

（2）再生粗骨料：5～25mm連續再生粗骨料，二級再生粗骨料，物理性能見表6。

表6 再生粗骨料物理性能

1.6 外加劑

采用高效萘系減水劑。

1.7 拌合水

采用自來水拌合。

2 試驗方案

試驗設計根據C40普通混凝土生產配比，分別用0%、20%、40%、60%、80%、100%的再生粗骨料取代天然石灰石骨料，C40再生粗骨料混凝土砂率為45%，外加劑摻量為2.7%，通過調整用水量，控制出攪拌機初始坍落度＞200mm，具體試驗配比見表7，試驗結果見表8。

表7 再生粗骨料混凝土試驗配合比

表8 再生粗骨料混凝土試驗結果

2.1 不同比例再生粗骨料對混凝土需水量的影響

試驗通過調整用水量，控制混凝土出攪拌機的初始坍落度＞200mm，研究利用不同比例再生粗骨料取代普通石灰石后，再生混凝土需水量的變化。不同比例再生粗骨料取代石灰石后，混凝土需水量變化結果如圖1所示。

由圖1可以看出，C40混凝土需水量隨再生粗骨料取代比例的增加而逐漸增加。當再生粗骨料取代比例增加至40%時，相對空白C40混凝土試樣（不含再生粗骨料）需水量增加了3%；當用再生粗骨料完全取代石灰石骨料時，相對空白試樣需水量則增加了9%。再生粗骨料表面粗糙、顆粒棱角多、組分中含有硬化水泥砂漿，且破碎過程中內部有大量裂紋，導致再生骨料空隙率大、吸水率高，用水量較天然骨料混凝土高。同時，在試驗中發現，隨著膠凝材料用量的增加，需水量增幅有所減小。

圖1 再生粗骨料取代比例對混凝土需水量影響曲線

2.2 不同比例再生粗骨料對混凝土強度的影響

利用不同比例再生粗骨料取代石灰石骨料，配制的C40混凝土強度變化曲線如圖2所示。

由圖2可以看出，C40混凝土7d、28d、56d強度均隨再生粗骨料取代比例增加而逐漸降低。用40%再生粗骨料取代天然石灰石骨料，C40混凝土7d、28d抗壓強度相對空白試樣強度分別降低了6%、2%，但是56d抗壓強度反而略高于空白試樣。用再生粗骨料完全取代天然骨料時，7d、28d、56d抗壓強度相對空白試樣分別降低31%、19%、24%。

圖2 C40混凝土各齡期強度隨再生粗骨料取代比例增加的變化曲線

由表8可以發現，當再生粗骨料取代天然石灰石骨料比例達到60%時，C40混凝土強度雖有所下降，但仍能達到應用標準要求。考慮到再生粗骨料取代石灰石骨料對混凝土強度的影響，再生粗骨料取代比例應以≯40%為宜，最高≯60%。

2.3 不同比例再生粗骨料對混凝土工作性能的影響

再生粗骨料表面粗糙，且附有硬化水泥砂漿等高吸水率材料，因此用再生粗骨料配制的混凝土坍落度均會有不同程度的損失。用不同比例的再生粗骨料取代石灰石骨料，配制的C40混凝土坍落度損失如圖3所示。

圖3 摻加不同比例再生骨料的C40混凝土坍落度損失對比

由圖3可以看出，隨著再生粗骨料取代比例的增加，C40混凝土40min坍落度損失逐漸增大。在初始坍落度達到210mm的前提下，摻加40%再生粗骨料的C40混凝土40min坍落度降低至180mm，而用再生粗骨料完全取代石灰石骨料的C40混凝土40min坍落度為80mm，坍落度大幅降低。

由表3可以發現，在再生粗骨料取代比例達到60%時，坍落度為170mm，仍可滿足施工標準，但混凝土粘度太大。考慮到摻加再生粗骨料后C40混凝土的坍落度的變化情況，再生粗骨料取代比例應以≯40%為宜，最大取代比例≯60%。

2.4 不同比例再生粗骨料對混凝土收縮性能的影響

混凝土干燥收縮是指混凝土停止正常標準養護后，在不飽和的空氣中失去內部毛細孔和凝膠孔的吸附水而發生的不可逆收縮。混凝土的干燥收縮，本質上是水化相的收縮，骨料及未水化膠凝材料則起到約束收縮的作用。因此，在一定齡期下，水化相的數量及其微觀孔隙結構決定了混凝土收縮率的大小。

由于再生粗骨料有較高的吸水特征，再生混凝土收縮變形相對更為顯著，再生粗骨料混凝土收縮率隨再生粗骨料摻加量的變化而有所不同。本節試驗在控制再生骨料混凝土出攪拌機初始坍落度＞210mm的前提下，調整需水量，分析不同取代比例的再生粗骨料對C40混凝土的不同齡期收縮率的影響。

分別用0%、20%、40%、60%、80%、100%的再生粗骨料取代石灰石骨料，配制C40混凝土，其各齡期收縮率分別如圖4所示。

由圖4可以看出，隨著再生粗骨料取代天然石灰石骨料比例的增加，混凝土早期（7d、14d、28d）收縮率先降低后增加，但是后期（45d、56d、90d）收縮率均隨之大幅度增加。當用再生粗骨料取代40%天然石灰石骨料時，C40混凝土相對空白試樣28d收縮率減少了7%，但90d收縮率增加了22%。當用再生粗骨料完全取代天然石灰石骨料時，C40混凝土相對空白試樣28d收縮率增加了13%，90d收縮率增加了34%。

圖4 C40混凝土各齡期收縮率隨不同比例再生粗骨料變化曲線

綜合比較不同比例再生粗骨料對C40混凝土不同齡期收縮率的影響可知，由于再生粗骨料吸水量較大，在拌制混凝土時需加入更多的拌合水，導致摻加再生粗骨料的混凝土的早期收縮變化較小，后期收縮增長較快。再生粗骨料的彈性模量低于天然碎石骨料，也會使摻加再生粗骨料的混凝土的收縮率高于普通混凝土。

2.5 不同比例再生粗骨料對混凝土抗滲性能的影響

混凝土的抗滲性是指其抵抗水、油等液體或氣體在壓力作用下的滲透性能。混凝土的抗滲性主要是由混凝土內部結構和孔隙連通性決定的。混凝土內部結構的孔隙率越低、毛細孔直徑越小，則抗滲性越好；毛細孔連通性越差，抗滲性越好。混凝土的抗滲性能還與水膠比、摻合料、外加劑、骨料級配、養護措施等有關。

利用不同比例再生粗骨料取代天然石灰石骨料，因需水量增加，一定程度上會增加硬化體孔隙率，導致混凝土抗滲性能下降。本節試驗在保證混凝土工作性能的前提下，通過調整需水量配制C40混凝土，并分析不同比例的再生粗骨料對混凝土抗滲性能的影響。

分別用0%、20%、40%、60%、80%、100%的再生粗骨料取代石灰石骨料，配制的C40混凝土的滲透高度曲線如圖5所示。

圖5 混凝土滲透高度隨再生粗骨料取代比例變化曲線

由圖5可以看出，C40混凝土滲透高度均隨再生粗骨料取代比例的增加而增加。未摻加再生粗骨料的C40混凝土滲透高度為8mm；當取代比例增加至40%時，滲透高度增加至11mm；當取代比例增加至100%時，滲透高度則增加至17mm。由圖5還可以看出，當再生粗骨料取代比例＜40%時，混凝土滲透高度增加幅度較小，但是當取代比例增加至60%時，混凝土滲透高度增加幅度較為顯著。

由不同比例的再生粗骨料對C40混凝土的抗滲性能的影響分析可以得出，摻加再生粗骨料會降低混凝土的致密度，增加孔隙率，使混凝土抗滲性能有所降低，其取代比例應以≯40%為宜。

2.6 不同比例再生粗骨料對混凝土抗凍性能的影響

混凝土是由硬化的水泥漿體和骨料組成的含毛細孔的復合材料，為了滿足澆筑混凝土的和易性要求，其拌合水量多于水泥水化所需的水量。多余的水滯留在混凝土中，形成占有一定體積的連通毛細孔。在混凝土處于負溫時，其內部孔隙中的水分將發生從液相到固相的轉變，體積增大，液相固相循環變化，破壞混凝土結構。

混凝土的抗凍性能是混凝土耐久性能的重要衡量指標，建筑物凍融破壞是致其老化破壞的重要原因，嚴重影響建筑物的使用壽命和使用安全。為使受凍融損壞的工程繼續安全使用，需耗費巨額費用進行維修。影響混凝土抗凍性的主要因素有水膠比、外加劑、礦物摻合料、骨料類型等，再生粗骨料作為骨料應用于混凝土中，研究不同比例再生粗骨料對混凝土抗凍性能的影響非常必要。

分別用0%、20%、40%、60%、80%、100%的再生粗骨料取代石灰石骨料，配制C40混凝土，分別進行50次和100次凍融循環試驗，測試其質量損失和強度損失，試驗結果如表9所示。

由表9可以看出，隨著摻加再生粗骨料比例的增加，C40混凝土經50次、100次凍融循環后，質量損失和強度損失均逐漸增大，但是質量損失較小，均＜2%。當C40空白試樣經50次、100次凍融循環后，強度損失分別為7.1%和15.6%；當再生粗骨料取代比例增加至40%時，50次、100次凍融循環后的C40試樣強度損失分別為7.1%和15.6%；當再生粗骨料完全取代天然石灰石骨料時，50次、100次凍融循環后的C40試樣強度損失分別為8.9%和21.7%。

表9 摻加不同比例再生粗骨料混凝土凍融試驗結果

由不同比例再生粗骨料取代天然石灰石骨料，對C40混凝土抗凍性能影響的試驗可知，摻加再生粗骨料混凝土因需水量較大、內部孔隙較多、毛細孔內自由水較多，在負溫條件下，膨脹壓力和滲透壓較高，會使混凝土的抗凍性能有所降低。

2.7 再生骨料混凝土微觀結構分析

以C40混凝土為例，分析再生骨料混凝土和天然骨料混凝土水化后的微觀結構。配制的再生骨料混凝土和天然骨料混凝土采用標準養護28d后取出，在自然環境中靜置1d，切割成50mm×50mm×5mm的長方體切片。樣品應包括骨料與水泥石的界面，用無水酒精將切片浸泡3d，終止其水化，70℃下干燥至恒重。

由圖6可以看出，天然骨料與水泥石間存在裂紋，水泥石內還存在孔隙或孔洞；球狀粉煤灰填充在水泥水化產物之間，界面過渡區含有較少量針片狀Ca（OH）2晶體，富集且定向排列；硬化體結構整體較為致密，水化產物被致密C-S-H凝膠覆蓋，孔隙率較低。

圖6 天然骨料C40混凝土微觀結構

由圖7可以看出，再生骨料與水泥石間存在裂紋，裂縫較大，裂紋往往沿骨料邊緣向水泥石基體發展。水泥石內存在孔隙或孔洞，球狀粉煤灰填充在水泥水化產物之間，未參加反應的粉煤灰的量增多。界面過渡區也含有較少量針片狀Ca（OH）2晶體，富集且定向排列。

圖7 再生骨料C40混凝土微觀結構

綜上分析可知，再生骨料混凝土存在天然骨料、新水泥石、舊水泥石、天然骨料與舊砂石界面、新舊水泥石界面等多相，這些界面相對水泥漿體和骨料本身都是相對薄弱的環節。

3 結語

綜合再生粗骨料混凝土強度、工作性能、收縮性能、抗滲性能及抗凍性能的分析可知，混凝土需水量隨著再生粗骨料取代比例的增加而逐漸增加；混凝土各齡期強度隨著再生粗骨料取代比例的增加逐漸降低，但是在取代比例＜40%時，強度降低幅度較小；再生粗骨料混凝土早期收縮率較低，但是后期收縮率增加較快；滲透高度則隨取代比例增加而逐漸增加，在取代比例＜40%時，滲透高度增幅較小。混凝土抗凍等級均＞F100。

再生骨料與水泥石基體之間存在明顯的裂縫，界面過渡區含有較少量針片狀Ca（OH）2，富集且定向排列。骨料與水泥石間存在裂紋，裂縫較大，裂紋往往沿骨料邊緣向水泥石基體發展。水泥石內還存在一些孔隙或孔洞，球狀粉煤灰填充在水泥水化產物之間，未參加反應的粉煤灰的量增多。這些均是造成混凝土需水量增加的重要原因。

綜上可知，再生粗骨料取代比例應以≯40%為宜，最大取代比例≯60%。