不同骨料替代方案下再生骨料混凝土力學性能分析

■肖長進

（福州新區交通建設有限責任公司， 福州 350002）

隨著我國建筑行業的快速發展，混凝土材料消耗日益增大，天然碎石、河砂等非再生資源骨料也日益枯竭，同時建設過程中伴隨的拆遷改造也產生了大量的建筑廢棄物。 在體量巨大的建筑廢棄物中，廢混凝土占了大約41%的比例。 廢混凝土的傳統處理方式為簡單堆填，一方面，這占用了日益緊缺的土地資源、造成嚴重的土壤和空氣污染，另一方面，在資源日趨匱乏的今天，建筑廢棄物的粗暴處理本身就是對資源的極大浪費[1]。 為解決這一難題，再生骨料混凝土的概念應運而生。 再生骨料混凝土，是指將廢棄混凝土、砂漿、磚塊、瓷磚等破碎加工成再生粗、細骨料后、用于全部或部分替代天然骨料生產而成的混凝土。 再生骨料混凝土技術的應用推廣，不僅可以消納城市化過程改建、拆除產生的大量建筑垃圾、減少環境污染，還可以解決過度開采天然骨料帶來的生態環境問題，具有重要的經濟、環保和社會效益[2]。

廢混凝土經加工后可得到粒徑不同的骨料，根據再生骨料粒徑的不同可將再生骨料分為再生粗骨料（粒徑＞4.75 mm）和再生細骨料（粒徑≤4.75 mm）。再生粗、 細骨料可用于分別替代混凝土中的天然粗、細骨料，所得的混凝土分別稱為再生粗/細骨料混凝土。 近年來，學術界通過大量試驗研究，已經證明在相同配合比條件下，再生粗/細骨料混凝土的力學性能均要劣于普通天然骨料混凝土[3-16]。 一般地，當配合比相同時， 隨著再生粗骨料取代率的增加，再生粗骨料混凝土的抗壓強度、抗拉強度和彈性模量逐漸減小[17-24]。 當再生粗骨料取代率達到100%時，混凝土力學性抗壓強度損失率可達12%～30%[9]。而再生細骨料混凝土的性能劣化較普通混凝土更為顯著，肖建莊等[25]研究得出，當再生細骨料取代率大于30%時， 再生混凝土的抗壓強度明顯降低；當再生細骨料取代率為100%時， 再生細骨料混凝土的抗壓強度只達到普通混凝土抗壓強度的61%。 從建筑固廢回收利用的有效性來看，將再生粗、細骨料同時用于取代天然骨料來配制混凝土，將進一步提高對建筑固廢的消納效率，并提升再生混凝土制品的經濟與環保屬性。 然而，盡管學術界對再生粗骨料混凝土、再生細骨料混凝土研究較系統，但對同時采用再生粗、細骨料完全取代天然骨料配制的全再生骨料混凝土性能研究相對薄弱。 此外，考慮到引入再生粗、細骨料后，全再生骨料混凝土中界面過渡區、老砂漿等薄弱環節相較于單一種類骨料取代時更多， 這將影響全再生骨料混凝土在不同結構構件中的應用設計， 然而現階段對這一問題的研究鮮見報道。因此，本文分別研究了再生粗骨料混凝土（recycled coarse aggregate concrete，RCAC）、再生細骨料混凝土（recycled fine aggregate concrete，RFAC）及全再生骨料混凝土（fully recycled aggregate concrete,FRAC）的力學性能，對比不同骨料替代方案下再生骨料混凝土的力學性能。 研究結果可為不同再生骨料替代方案下再生混凝土的應用提供力學性能依據，為再生骨料在混凝土中的應用推廣提供理論指導。

1 原材料

1.1 膠凝材料

水泥采用福建煉石牌42.5R 普通硅酸鹽水泥。其主要物理力學性能指標顯示： 表觀密度為3050 kg/m3、比表面積為360 m2/kg、燒失量LOI 為1.06%、初凝/終凝時間為125 min∶185 min、抗折強度（3 d）為5.6 MPa、抗折強度（28 d）為8.2 MPa、抗壓強度 （3 d） 為27.5 MPa、 抗壓強度 （28 d）為45 MPa。 其化學組分為：SiO224.78%、Al2O34.26%、Fe2O33.88%、MgO 3.06%、CaO 53.44%、Na2O 0.32%、K2O 0.35%、SO34.27%、TiO20.28%。 其礦物成分為：C3S 53.3%、C2S 20.7%、C3A 7.33%、C4AF 10.85%、SO32.03%、C4A3S 5.15%。

1.2 粗骨料

粗骨料由福州市閩侯縣某石料廠提供，骨料粒徑為5.0～31.5 mm， 所用粗骨料由不同級配碎石配置而成。 再生粗骨料由浙江省桐鄉市同德墻體建材有限公司生產，骨料粒徑范圍為5.0～31.5 mm。 天然粗骨料和再生粗骨料的主要性能指標如表1 所示，與天然粗骨料相比， 再生粗骨料的含泥量較高，吸水率是天然骨料的5 倍多，壓碎值指標較高，表明再生粗骨料較為疏松，這主要是因為其表面附著有老砂漿。 由圖1 級配曲線可知，所用再生和天然粗骨料的粒徑分布情況基本相當。

圖1 天然粗骨料和再生粗骨料的粒徑分布曲線

1.3 細骨料

本試驗天然細骨料采用閩江河砂，采用的再生細骨料由陜西龍鳳石業有限公司破碎廢舊混凝土后獲得，河砂與再生細骨料各項主要性能指標如表2所示，同樣地，再生細骨料由于含有更多細小的老砂漿顆粒，或在砂的表面附著有老砂漿，導致其密度較天然河砂更低、吸水率顯著增大（近7 倍）。 由級配曲線（圖2）可知，兩者級配略有差異，但其差異可以接受。

表2 河砂及再生細骨料主要性能指標

圖2 河砂及再生細骨料的粒徑分布曲線

1.4 減水劑

采用廈門科之杰新材料集團有限公司銷售的聚羧酸高效減水劑，減水率達30%左右。

2 試驗方案

2.1 試驗配合比

本試驗混凝土配合比設計參考JGJ55-2011《普通混凝土配合比設計規程》， 再生混凝土配合比如表3 所示，減水劑用量為膠凝材料用量的1%。

表3 混凝土配合比（單位：kg/m3）

2.2 成型與養護

攪拌時的投料順序如下：首先將粗骨料與細骨料在攪拌機中攪拌1 min， 而后再加入水泥繼續攪拌1 min， 最后將加入1%減水劑的水倒入攪拌機中，與之前的干料一起攪拌2 min。

在試件成型并振搗密實后，使用保鮮膜包裹試塊表面防止水分流失，在溫度為20±2 ℃、相對濕度95%以上的標準養護室養護24 h 后拆模，然后放標準養護室養護至不同齡期測試其指標。

2.3 試驗內容及方法

2.3.1 抗壓及劈裂抗拉強度

按GB/T 50081-2002 《普通混凝土力學性能試驗方法》測試各組混凝土3 d、7 d、28 d 齡期的抗壓及劈裂抗拉強度，每組混凝土均采用3 個100 mm×100 mm×100 mm 的試件。

2.3.2 動彈性模量

按GB/T50082-2009 《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》 測試各組混凝土3 d、7 d、28 d齡期的動彈性模量， 每組混凝土均采用3 個100 mm×100 mm×400 mm 的試件。

3 試驗結果與討論

3.1 抗壓強度

不同骨料替代方案下各組混凝土養護至不同齡期的抗壓強度如圖3 所示。 從圖3 中可以看出，混凝土的抗壓強度隨著齡期的增長而提高，并且無論在任一齡期，普通混凝土的抗壓強度均高于再生混凝土， 抗壓強度大小為NAC＞RCAC＞RFAC＞FRAC。

圖3 各組混凝土抗壓強度

以NAC 為對照組，當僅有一種骨料被替代時，混凝土的抗壓強度相較于對照組的劣化并不明顯，RCAC 和RFAC 的28 d 抗壓強度相近，相較于對照組抗壓強度分別下降6.13%、6.97%，在可接受范圍之內。此外，從圖3 中還可以看出，再生粗/細骨料分別替代天然骨料后，對混凝土抗壓強度的劣化作用主要表現在水化早期（7 d 內），且RFAC 的劣化作用更明顯，相較于基準組抗壓強度下降17.80%；水化7～28 d 齡期內RCAC 和RFAC 抗壓強度發展速率與NAC 組相當。

再生骨料引入后對混凝土抗壓強度劣化作用原因可能是：再生骨料本身為“老砂漿-界面-天然骨料”的三相材料，再生骨料與水泥、砂、水等一起攪拌生產再生骨料混凝土時，再生骨料與新的水泥砂漿間也會形成界面過渡區，因此，在相同配比條件下，再生骨料混凝土相比普通混凝土含有更多種類和數量的界面過渡區。 圖4 為再生粗骨料取代天然骨料后混凝土界面過渡區分類對比圖[9]，圖4（a）中NAC 中只存在一種界面過渡區，即天然粗骨料和新砂漿間的界面過渡區（記為ITZ1），圖4（b）中RCAC 也含有ITZ1，位于未被老砂漿包裹的老天然粗骨料與新砂漿間，除此之外，RCAC 中老天然骨料和附著老砂漿間本來就存在老界面（記為ITZ2），老砂漿和新砂漿間化會形成新界面 （記為ITZ3）。RCAC 中存在數量更多、種類更復雜的界面過渡區，且界面過渡區往往是水泥基材料的薄弱環節，這是RCAC 抗壓強度低于NAC 的主要原因。 并且，再生粗骨料的附著老砂漿內部往往存在大量的孔隙和微裂縫，這也會在一定程度上削弱RCAC 的抗壓強度。 再生細骨料取代天然骨料制備的RFAC 抗壓強度下降的原因與再生粗骨料相似，主要是因為再生骨料的引入時混凝土中界面過渡區種類和數量增加、混凝土的薄弱環節增多。 由于再生細骨料相比再生粗骨料粒徑小，比表面積大，因此再生細骨料替代下界面過渡區增多更顯著[25]，進而造成RFAC力學性能較RCAC 下降更顯著，表現RFAC 為水化早期抗壓強度（7 d）比RCAC 低。 然而，與再生粗骨料相比，再生細骨料中老砂漿占比更高，老砂漿中含有未水化水泥顆粒在養護過程中可繼續水化，對RFAC 水化后期的抗壓強度具有一定的改善作用；并且再生細骨料中的微粉含量較再生粗骨料更大，其在硬化水泥漿體中具有一定的填充作用，也可改善混凝土后期強度，因此在水化后期（28 d）RFAC與RCAC 抗壓強度趨于相近。

圖4 再生粗骨料取代天然骨料前后混凝土界面過渡區分類對比

當天然粗、細骨料同時被再生粗、細骨料取代時，觀察圖3，與天然骨料混凝土NAC 相比，FRAC抗壓強度劣化最為顯著，水化28 d 后FRAC 抗壓強度下降了29.41%。 分析原因主要是由于再生粗骨料和再生細骨料的物理性能均差于天然骨料，當天然骨料全部被取代時， 相比于RCAC 與RFAC，FRAC 生成的界面過渡區薄弱環節更多。此外，老砂漿、再生粗骨料中的微裂縫、孔隙等也會使混凝土在壓力作用下更易開裂失效，即使再生粗、細骨料的老砂漿部分仍含有部分未水化水泥顆粒，其在養護期間水化對抗壓強度的改善效應也不足以彌補上述多重削弱效應所帶來的不利影響，因此，FRAC相較于僅采用再生粗骨料或再生細骨料替代時，抗壓強度下降更顯著。

3.2 劈裂抗拉強度

不同骨料替代方案下各組混凝土養護至不同齡期的劈裂抗拉強度如圖5 所示。 從圖5 中可以看出， 混凝土的劈裂抗拉強度隨著齡期的增長而提高，普通混凝土的劈裂抗拉強度最高；28 d 齡期時，劈裂抗拉強度大小為NAC＞RCAC＞RFAC＞FRAC，與抗壓強度呈現的規律相同。

圖5 各組混凝土劈裂抗拉強度

以NAC 為對照組，當僅有一種骨料被替代時，RCAC、RFAC 相較于對照組劈裂抗拉強度分別下降8.59%、17.78%，再生細骨料取代下劈裂抗拉強度的下降程度顯著高于再生粗骨料取代的情況，這與前述抗壓強度劣化結果不同。 分析這一不同的原因，抗壓強度受到骨料、砂漿、界面過渡區等各細觀材料相的綜合影響，而劈裂抗拉強度受界面過渡區性能的影響更顯著。 由于天然粗、細骨料被再生粗、細骨料替換后均會引起混凝土中界面過渡區種類和數量的增多，然而，再生細骨料粒徑小，比表面積大，摻入再生細骨料所引起的界面過渡區數量增多相比再生粗骨料更加顯著，因此再生細骨料取代對所配制混凝土劈裂抗拉強度的削弱效應更為明顯。

為進一步解釋RCAC 和RFAC 劈裂抗拉強度相較于對照組下降程度明顯不同的原因，本研究對再生骨料混凝土劈裂抗拉破壞后的斷面圖進行對比分析，如圖6 所示。 由圖6 可以看到，劈拉破壞面對界面過渡區有很強的取向性， 大部分破壞面沿著界面過渡區展開并延伸至砂漿， 但也有部分破壞面將石子劈開并延伸至砂漿。與對照組NAC 相似（圖6a），RCAC 和RFAC 大部分破壞是沿著界面過渡區開展，具體特征是一邊破壞面會裸露出明顯的再生骨料， 另外一邊破壞面留下完好且平整的凹槽。然而，對比圖6（b）和圖6（c）可以看到，RFAC 中沿界面過渡區破壞而裸露出的骨料數量更多， 不僅有天然粗骨料，而且相比于RCAC 的破壞斷面，且斷面中裸露出的小顆粒細骨料數量更多， 這說明RFAC 在劈拉試驗時， 再生細骨料與水泥漿體間的界面過渡區同樣是易破壞的薄弱環節。如前所述，由于再生細骨料比表面積更大，相比于再生粗骨料取代天然粗骨料，用其取代天然細骨料在混凝土中引入的薄弱界面過渡區更多，因此再生細骨料取代對所配制混凝土劈裂抗拉強度的削弱效應更為明顯。

圖6 劈裂抗拉破壞斷面圖

當天然粗、細骨料同時被再生粗、細骨料取代時， 相似地，RFAC 與對照組NAC 相比其劈裂抗拉強度下降更為顯著 （水化28 d 后劈裂抗壓強度下降24.53%）。 再生粗、細骨料同時替代對劈拉強度更為不利的原因，與抗壓強度結果分析類似，即再生粗、細骨料的同時替代使得混凝土中界面過渡區數量更多、種類更復雜，薄弱環節更多，因此，劈裂抗拉強度劣化更明顯。

3.3 動彈性模量

不同骨料替代方案下各組混凝土養護至不同齡期的動彈性模量如圖7 所示。 由圖7 可以看出，各組混凝土在3～28 d 齡期過程中， 動彈性模量隨著齡期的增大呈上升趨勢。 在各組混凝土中，無論是在3 d、7 d 還是28 d 齡期，普通混凝土的動彈性模量均高于再生混凝土。

圖7 各組混凝土動彈性模量

當僅有一種天然骨料被全部取代時，與抗壓強度不同，RCAC 與RFAC 的動彈性模量在各齡期相當。 影響動彈性模量的主要材料相主要是骨料與砂漿，盡管RFAC 中砂漿部分含有大量結構疏松多孔的老砂漿，結構不如RCAC 砂漿部分致密，但RFAC中粗骨料為天然粗骨料，比RCAC 中的再生粗骨料更密實、強度更高（表3），兩相綜合作用下，使得RFAC 和RCAC 的動彈性模量大致相當。當天然粗、細骨料同時被再生粗、細骨料取代時，由于砂漿相和骨料相均較NAC 有顯著劣化， 因此FRAC 的彈性模量最低。

4 結語

（1）無論采用何種骨料替代方案，同配合比條件下再生骨料混凝土（再生粗骨料混凝土、再生細骨料混凝土、全再生骨料混凝土）力學性能如抗壓強度、劈裂抗拉強度以及動彈性模量均比普通混凝土更差。 （2）再生粗骨料混凝土的抗壓強度在早齡期（3 d、7 d）時略優于再生細骨料混凝土，但在標準養護至28 d 時，兩者的抗壓強度相當；兩者的動彈性模量基本相當。 由劈裂破壞后的斷面分析可知，界面過渡區是劈拉破壞的薄弱環節，再生細骨料替代天然細骨料相比于再生粗骨料替代天然粗骨料，引入了更多薄弱的界面過渡區，因此劈裂抗拉強度在各齡期（3 d 、7 d 及28 d）均劣于再生粗骨料混凝土。 對于不同力學性能，再生粗骨料和再生細骨料混凝土間的差異不同，這可能與影響不同力學性能的細微觀材料相的不同有關。 總體而言，在不同組再生混凝土中，再生粗骨料混凝土力學性能要比同配合比條件下再生細骨料混凝土更優。 （3）當混凝土中骨料被再生粗、細骨料全部替代時，全再生骨料混凝土在早齡期時劈裂抗拉強度與再生細骨料混凝土相當且劣于再生粗骨料混凝土，當養護至28 d 時，全再生骨料混凝土劈裂抗拉強度均劣于再生粗骨料混凝土與再生細骨料混凝土，而其抗壓強度以及動彈性模量在各齡期均小于再生粗骨料混凝土與再生細骨料混凝土。 這表明，相比與其他兩組再生骨料混凝土，全再生骨料混凝土力學性能劣化更為顯著。 （4）在選擇用再生骨料替代天然骨料配制混凝土時， 應優先選用再生粗骨料替代的方案，當采用再生細骨料替代、或考慮再生粗骨料和細骨料全替代的方案時，應采取有效的改性措施以保證配制的混凝土力學性能達標。