包漿再生粗骨料對自密實混凝土力學性能及抗凍性的影響

曹鑫鋮 金寶宏 侯玉飛

摘 要：通過自密實包漿再生骨料混凝土力學性能及快速凍融循環試驗，從試件的抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度及凍融后試件的質量損失率、抗壓強度損失率及相對動彈性模量角度研究了再生粗骨料包漿對自密實再生混凝土性能的影響，結合SEM電鏡試驗從微觀上分析了骨料包漿對混凝土抗凍性能的改善機制。結果表明：普通混凝土和再生混凝土的劈裂抗拉強度、抗折強度與抗壓強度之間的換算關系式不適用于自密實包漿再生骨料混凝土，提出的新關系式與試驗數據較吻合;再生粗骨料包漿優化了骨料物理性能，改善了混凝土新舊界面過渡區，增強了其密實性，提高了混凝土的抗凍性能;采用42.5R水泥漿對骨料進行包漿時，混凝土的抗凍性能最優，雖不及普通混凝土，但與骨料未包漿的混凝土相比，150次凍融循環后混凝土相對動彈性模量提高了18.6%;基于凍融后抗壓強度和相對動彈性模量建立的凍融損傷模型擬合精度較高，能較好地反映自密實包漿再生骨料混凝土的凍融損傷破壞規律。

關鍵詞：自密實再生混凝土;包漿;力學性能;凍融循環;凍融損傷模型;微觀結構

中圖分類號：TU528.1 ? 文獻標志碼：A ? 文章編號：2096-6717（2022）01-0149-11

收稿日期：2020-07-01

基金項目：寧夏高等學校科學研究項目（NGY2020103）

作者簡介：曹鑫鋮（1994- ），男，主要從事混凝土結構理論與應用研究，E-mail：cxcjly521@163.com。

金寶宏（通信作者），男，教授，E-mail：jinbaohong@nxu.edu.cn。

Abstract： Through the mechanical properties and rapid freeze-thaw cycle test of self compacting recycled aggregate concrete， the influence of recycled coarse aggregate slurry on the properties of self compacting recycled aggregate concrete is studied from the aspects of compressive strength， splitting tensile strength and flexural strength， mass loss rate， compressive strength loss rate and relative dynamic elastic modulus of specimens after freeze-thaw. Combined with SEM electron microscopy test， the mechanism of improving the frost resistance of concrete by wrapped slurry aggregate is analyzed microscopically.The results show that，the conversion relationship between the split tensile strength， flexural strength and compressive strength of ordinary concrete and recycled concrete is not applicable to self-compacting wrapped slurry recycled aggregate concrete and the new relationship proposed in this paper is in good agreement with the experimental data.Wrapped slurry recycled coarse aggregate optimizes the physical performance of the aggregate， improves the transition area between the old and new concrete interfaces， enhances its compactness， and improves the frost resistance.When 42.5R cement slurry is used to wrap the aggregate， the frost resistance of concrete is the best. Although it is not as good as ordinary concrete， the relative dynamic elastic modulus of concrete increases by 18.6% after 150 cycles of freeze-thaw compared with the concrete of aggregate without wrapping slurry.The freeze-thaw damage model established based on the compressive strength and relative dynamic elastic modulus after freeze-thaw has a higher fitting accuracy， and can better reflect the freeze-thaw damage failure law of self-compacting wrapped slurry recycled aggregate concrete.

Keywords：self-compacting recycled concrete;wrapped slurry;mechanical properties; freezing and thawing cycles; freeze-thaw damage model;microstructure

混凝土的抗凍性始終是土木工程界持續關注和研究的重大問題，尤其在東北、西北地區，由于凍融破壞，混凝土結構經常出現不能繼續承載的現象，縮短了建筑物的使用壽命，造成嚴重的經濟損失。自密實再生混凝土具有綠色環保、節約自然資源、施工時不需要振搗等諸多優點，符合可持續發展戰略，因此，對其抗凍性的研究顯得尤為重要。但再生骨料自身存在強度低、表面粗糙、吸水率高等缺點，導致其抗凍性低于普通混凝土，采用水泥漿對再生骨料進行包漿處理，既可彌補骨料內部的微裂縫，也可改善骨料表面的粗糙程度，提高再生骨料的性能，改善混凝土的抗凍性。

學者們已對混凝土的抗凍性作了大量研究。再生混凝土的抗凍性能明顯低于普通混凝土，且隨著凍融循環次數增加，較普通混凝土，再生混凝土的破壞形態越來越明顯[1-5];在再生混凝土中摻入聚丙烯纖維、鋼纖維等纖維材料[6-8]及粉煤灰、硅灰等礦物材料[9-10]能改善其孔隙結構，增強整體密實性，提高混凝土的抗凍性;Yang等[11]通過改進“EMV法”（等砂漿配比設計法）配置出的再生混凝土抗凍性也有較好改善;雷斌等[12]在再生混凝土中摻入氧化石墨烯，發現氧化石墨烯可以優化砂漿的微觀結構，降低空隙率，進而改善混凝土抗凍性;王玲玲等[13]通過試驗發現，摻量為15%的納米CaCO3和1%的納米SiO2對再生混凝土的抗凍性提高最為顯著。目前的研究主要是通過外摻各種材料來達到改善再生混凝土的抗凍性，對于從骨料入手改善混凝土抗凍性的研究相對較少。筆者采用不同強度等級的水泥漿對再生粗骨料進行包漿處理，研究自密實包漿再生骨料混凝土的力學性能及抗凍性，并結合SEM電鏡試驗，從微觀的角度分析了骨料包漿對混凝土抗凍性的改善機制。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：賽馬牌32.5R、42.5R、52.5R普通硅酸鹽水泥;粉煤灰：靈武發電廠生產的一級粉煤灰，45 μm篩余5.7%;粗骨料：鎮北堡生產的5～20 mm人工碎石;細骨料：青銅峽人工水洗中砂;再生粗骨料：廢棄路緣石混凝土，經回彈儀測定強度為C30，強度較高，機械破碎后篩選出5～20 mm。減水劑：北京慕湖公司生產的聚羧酸高效減水劑。

采用水膠比為0.5的水泥漿對再生粗骨料表面進行包漿處理，其中，粉煤灰摻量為膠凝材料的30%，骨料包漿后晾于陰涼處，待骨料達到不再相互粘結的狀態時，放入標準養護室養護，28 d后取出晾干，用于混凝土攪拌，如圖1所示。各種骨料的基本性能見表1。

1.2 試驗方案設計

設置兩個試驗，試驗1用于測量混凝土力學性能的四因素四水平正交試驗，試驗2為研究骨料包漿對混凝土抗凍性影響的單因素試驗。試驗1選取粉煤灰摻量A、包漿水泥的強度B、再生粗骨料替代率C和減水劑摻量D等4個因素，每個因素選擇4個水平，依據正交表L16（45）安排試驗，因素水平見表2，其中，粉煤灰按照等質量替代水泥的方式摻入，減水劑按照膠凝材料的百分比摻入;試驗2在試驗1正交試驗得出的最優組合基礎上以包漿水泥強度為單因素進行凍融試驗。

根據試驗的需求，分別制作尺寸為100 mm×100 mm×100 mm和100 mm×100 mm×400 mm兩種試件，前者用于混凝土的抗壓與劈裂抗拉試驗，后者用于抗折和凍融試驗，凍融試驗采用《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》[14]規定的快速凍融法，每凍融循環25次后，取出試件，測其橫向基頻和質量，待相對動彈性模量下降到60%或質量損失達到5%時，視為凍融試驗結束。

1.3 配合比設計

試驗混凝土強度等級為C30，其配合比按照《自密實混凝土技術應用工程》[15]進行設計，見表3、表4，表3為混凝土力學性能試驗的配合比，表4為混凝土凍融試驗的配合比，“NSCC”表示普通自密實混凝土，為基準組，“RSCC”表示自密實再生混凝土，其后數字為包漿水泥強度等級，無數字為未包漿。

2 試驗結果與分析

2.1 混凝土力學性能分析

自密實包漿再生骨料混凝土的工作性能及力學性能試驗結果見表5。

2.1.1 坍落擴展度分析

根據《自密實混凝土技術應用工程》[15]的規定，當坍落擴展度為550～650 mm時，混凝土屬于SF1等級;當坍落擴展度為650～750 mm時，屬于SF2等級;當坍落擴展度為750～850 mm時，屬于SF3等級。從圖2坍落擴展度柱狀圖可以看出，各組混凝土的坍落擴展度均能達到性能等級SF1，大部分組擴展度的5%誤差線均達到性能等級SF2，其中，第6組達到了SF3，出現了較為嚴重的泌水現象，這是因為第6組中再生粗骨料替代率最低，相較于替代率高的其他組，骨料的吸水率低，同時，天然骨料表面光滑，在一定程度上可以增強混凝土的流動性;其次，該組的減水劑摻量最大，在混凝土的攪拌過程中，水泥顆粒之間形成絮凝結構，減水劑能夠分散這種結構，釋放其中的水分，增大了坍落擴展度，過量的減水劑則導致了泌水現象的出現，這種情況不滿足自密實混凝土的工作性能要求。

2.1.2 正交試驗分析

從表6及圖3各因素對抗壓強度的影響可看出，隨著粉煤灰摻量的增加，抗壓強度呈現出持續下降的趨勢，當摻量由25%增長為40%時，混凝土的抗壓強度分別降低了2%、2.5%和7%;經過水泥包漿后，抗壓強度有了不同程度的提高，其中，42.5R水泥的包漿效果最優，強度提高了11%;隨著再生粗骨料替代率和減水劑摻量的增加，抗壓強度均出現先增加后減少的趨勢，在替代率為20%時，強度達到最大，為44.1 MPa，減水劑摻量為0.9%時達到最大，為43.9 MPa。故考慮上述因素對抗壓強度的影響，最優組合為粉煤灰摻量25%、包漿水泥強度42.5R、再生粗骨料替代率20%和減水劑摻量0.9%。同理，劈拉強度的最優組合為粉煤灰摻量25%、包漿水泥強度42.5R、再生粗骨料替代率20%和減水劑摻量0.7%，抗折強度的最優組合為粉煤灰摻量25%、包漿水泥強度42.5R、再生粗骨料替代率30%和減水劑摻量0.9%。

綜上可知，粉煤灰摻量A、包漿水泥強度B兩個因素對于3個指標來說，都分別以A1、B3為最優;再生粗骨料替代率C因素，抗壓強度和劈裂抗拉強度均是C2好，從k值可以看出C因素取C2、C3，抗折強度相差不大，故選取C2;減水劑摻量D因素，抗壓強度和抗折強度均是D2好，對于3個指標來說，D因素均為處于末尾的次要因素，故選取D2。故最佳方案為A1B3C2D2，即粉煤灰摻量為25%，包漿水泥強度42.5R，再生粗骨料替代率20%和減水劑摻量0.9%。

2.1.3 力學性能指標換算關系分析

從表7和圖4劈裂抗拉強度與抗壓強度的關系可看出，式（1）、式（2）、式（4）計算的C60以下混凝土劈裂抗拉強度明顯高于本文研究的自密實再生混凝土的強度，式（3）計算的C30以上混凝土的劈裂抗拉強度明顯低于本文的自密實再生混凝土的強度。同理，抗折強度與抗壓強度的關系也是如此，故普通混凝土、再生混凝土劈裂抗拉和抗折強度的計算式已經不再適用于自密實包漿再生骨料混凝土。新提出的式（5）、式（9）的計算結果與試驗數據較吻合，可以作為自密實包漿再生骨料混凝土劈裂抗拉和抗折強度的計算式。

2.2 混凝土抗凍性能分析

2.2.1 性能指標分析

從圖5混凝土質量損失曲線圖可看出，在50次凍融循環之前，普通混凝土的質量損失率逐漸增大，而再生混凝土組均出現負增長趨勢。這是因為與天然骨料相比，再生粗骨料自身存在較多微裂縫及孔洞，在凍融前期，隨著凍融次數的增多，這種微裂縫進一步擴展，大量吸收外界水分，造成了試件質量的增加;50次循環之后，各組試件質量損失率均逐漸增長，普通混凝土的增長趨勢明顯緩于再生混凝土，在150次凍融循環后，未包漿的RSCC組質量損失率達到最大，為3.71%，普通混凝土NSCC組為3.43%，經過包漿的32.5R、42.5R、52.5R三組分別為3.24%、2.97%、3.09%。這是因為再生混凝土的凍融損傷在初期就高于普通混凝土，隨著凍融循環次數的增多，損傷不斷累積，導致新舊界面過渡區破壞嚴重，試件外表剝落更為顯著。經過包漿處理后，水泥漿優化了再生粗骨料的物理性能，強化了界面過渡區，提高了混凝土抗凍性，降低了質量損失率。

從圖5強度損失率曲線圖可以看出，在25次凍融循環后，未包漿的RSCC組抗壓強度損失率最大，為6.9%，包漿的3組與普通混凝土的強度損失相差不大，隨著凍融循環次數的增加，各組的強度損失出現明顯差別，100次循環后，RSCC組強度損失率最大，為27.8%，NACC組最小，為16.7%，經過包漿的32.5R、42.5R、52.5R三組分別為23.1%、19.5%、22.3%。經比較，雖然包漿后的再生混凝土強度損失率不及普通混凝土，但相較于未包漿的，已經有了明顯的改善，其中，42.5R的水泥包漿效果最好。這是因為水泥漿填充了再生粗骨料內部的細小裂縫，提高了其整體密實性，同時，在骨料表面形成一種保護層，增強了其堅固性，進而改善了凍融后的混凝土抗壓強度。

從圖5相對動彈性模量曲線圖可以看出，隨著凍融循環次數的增加，各組試件的相對動彈性模量均逐漸降低，在整個凍融過程中，未包漿的RSCC組下降趨勢一直最快，150次凍融循環后，其相對動彈性模量僅為53.3%。在50次凍融循環前，普通混凝土與包漿的32.5R、42.5R、52.5R三組相差不大，50次循環之后，隨著次數的增加，差別逐漸顯著，在150次循環后差別達到最大，相對動彈性模量分別為66.7%、61.3%、63.2%、58.9%。經過包漿的32.5R、42.5R、52.5R三組與未包漿的RSCC組相比，150次后，相對動彈性模量分別增加了8%、9.9%、5.6%，其中，42.5R水泥的效果最好。這是因為再生粗骨料內部具有眾多的微小裂縫，表面殘留大量的水泥砂漿，在配置成混凝土時，一般存在多種界面過渡區，與普通混凝土相比，這些過渡區相對脆弱，更易受到破壞。在凍融循環過程中，骨料自身的微裂縫加上界面過渡區受到破壞產生的微裂縫為水分的遷移提供了大量通道，使得混凝土內部形成靜水壓力及滲透壓力，當壓力超出一定范圍時，再生混凝土產生破壞。隨著凍融次數的增加，再生混凝土內部的裂縫逐漸增多、加寬，相互貫通，導致混凝土的破壞逐漸加劇[2]。再生骨料經過包漿后，水泥水化反應加上粉煤灰與Ca（OH）2等高堿性物質發生二次水化反應能夠生成大量的水化硅酸鈣和鋁酸鈣等物質，彌補了內部的微裂縫，改善了表面粗糙程度，使得混凝土的不同類型界面過渡區有了不同程度的增強，提高了混凝土的抵抗凍脹能力。

2.3 微觀分析

圖7為凍融循環前混凝土微觀形貌，其中圖7（a）為普通混凝土試件，可以看出，28 d時該組水化反應比較充分，大量的水化產物C-S-H（水化硅酸鈣）凝膠將骨料緊密地粘結在一起，界面過渡區未發現明顯微裂縫，整體密實度高，孔洞較少，這也是該組凍融循環前抗壓強度最高的微觀原因;圖7（b）為未包漿的再生骨料混凝土試件，可以清楚看見大量水化產物C-S-H凝膠，未水化的球形粉煤灰顆粒等物質，但與圖7（a）相比，整體密實度低，存在較多孔洞，骨料與漿體的界面過渡區存在明顯的裂縫，這是因為再生骨料表面存在較多的舊水泥砂漿，在配置混凝土時與新水泥砂漿的粘結力較差，容易出現微裂縫，造成界面過渡區薄弱，降低再生混凝土的強度;圖7（c）為再生骨料采用42.5R水泥漿包裹的混凝土，可以看出，骨料自身存在著裂縫，但裂縫里存在大量的水化產物。這是因為再生骨料自身強度較低，在機械破碎時容易造成損傷，產生一定的裂縫，經過水泥漿包裹后，水泥水化反應產生的C-S-H凝膠等物質彌補了骨料內部的微裂縫，同時改善了骨料表面的粗糙程度，加強了骨料與漿體的界面過渡區，提高了混凝土的強度。

圖8為100次凍融循環后混凝土的微觀形貌，圖8（d）、（e）、（f）分別為圖8（a）、（b）、（c）3幅圖在電鏡5 000倍下的微觀圖片。與圖7中未凍融試件相比，100次凍融循環后，由于各組試件中的毛細水反復凍結融化，受到膨脹壓應力和滲透壓應力的氣孔出現膨脹破裂，導致水化產物由密實變疏松，且出現不同程度的裂縫，如圖8所示。從電鏡5 000倍下的圖片可以看出，普通混凝土的裂縫最大寬度為1 μm，骨料經過包漿的再生混凝土最大裂縫為1.67 μm，未包漿的再生混凝土裂縫最大寬度則達到了5 μm，遠大于其他兩組，且裂縫不斷延伸，逐漸出現相互貫通的趨勢，宏觀上表現為抗壓強度的下降。再生混凝土抗凍性差的一個關鍵因素是骨料與漿體的界面過渡區較普通混凝土相對薄弱，在凍融循環過程中極易受到破壞，再生骨料經過水泥漿的包裹處理后，能夠在一定程度上強化薄弱的界面過渡區，延緩凍融循環后裂縫的產生，進而達到提高混凝土抗凍性的效果。

3 結論

采用的再生粗骨料取自廢棄的路緣石混凝土，該混凝土強度高于其他樓板之類的混凝土，其破碎后的再生粗骨料性能相對更優，經過試驗研究后得到以下結論：

1）通過正交試驗得出，自密實包漿再生骨料混凝土的最佳配比方案為：粉煤灰摻量25%，包漿水泥強度42.5R，再生粗骨料替代率20%和減水劑摻量0.9%，且普通混凝土和再生混凝土的力學性能之間的關系式不適用于該混凝土，提出的劈裂抗拉強度、抗折強度與抗壓強度的新關系式與試驗數據較吻合。

2）從質量損失、抗壓強度及相對動彈性模量3個方面均可看出采用包漿骨料的自密實再生混凝土相較于骨料未包漿的混凝土抗凍性能有了明顯地提高，其中，42.5R的水泥包裹效果最佳。

3）基于抗壓強度和相對動彈性模量建立的混凝土凍融損傷模型，相關系數均在0.9以上，擬合精度較高，能夠直觀地反映出自密實包漿再生骨料混凝土的凍融損傷規律。

4）從微觀分析得出，再生粗骨料經過包漿改善混凝土的性能主要通過優化再生粗骨料物理性能及強化混凝土的界面過渡區實現。參考文獻：

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（編輯 王秀玲）