再生粗骨料含水狀態對混凝土性能產生的影響分析

趙忠宇

（廣州市泰和混凝土有限公司，廣東 廣州 510450）

1 再生粗骨料特性

舊混凝土的芯樣從水泥混凝土路面面層中取出，將其用作再生粗骨料的生產原料，其強度測試結果見表1。

表1 路面層混凝土強度

1.1 粒形與表面構造

由于再生粗骨料外形過于粗糙、棱角也多，且多為扁平狀、孔隙較多，材質在卵石與碎石之間，這種特性會使再生粗骨料在進行拌合作業時，產生的拌合物質量過低。在肉眼的觀察下，可以發現再生粗骨料表層附帶一些砂漿。

1.2 吸水率

天然粗骨料及再生粗骨料吸水率隨時間的變化見表2。

表2 天然粗骨料與再生粗骨料吸水率的對比（單位：%）

與天然粗骨料相比，再生粗骨料的吸水速率非常快，且天然粗骨料的24h吸水率只有再生粗骨料的1/6。由表2可見，天然粗骨料的10min吸水率達24h吸水率的62%，其1h吸水率達24h吸水率的76%。而再生粗骨料10min吸水率便達24h吸水率的77%，其1h吸水率更是高達24h吸水率的90%。究其原因，是再生粗骨料表層附帶泥漿，且孔隙較多，可與水充分混合，進而提高吸水率和吸水速率。一般對再生粗骨料進行拌制時，應增加拌合水的用量。

1.3 物理性能指標

由于再生粗骨料的表層附帶水泥砂漿，所以再生粗骨料的密度低于天然粗骨料，為天然粗骨料的90%。其密度降低會使生產出的再生混凝土的彈性模量與密度下降。因為再生粗骨料所含水泥砂漿多為非黏土類的石粉，可在天然粗骨料的基礎上將含泥量限制放松至2%。含泥量過高會導致產品的收縮增加，硬度降低。為產品提高質量，應在拌制混凝土前，清除附帶的水泥。

2 配合比設計

相較于普通的RCA材料，高品質RCA材料更不容易受外界干擾，性能維持較好。為了真實有效地了解到RCA材料的選擇是否會對最終的混凝土性能產生影響，研究決定將基準組設計強度確定為C45，水膠比為0.36，并使用天然碎石充當粗骨料，作為NC（普通混凝土，下同）對照組進行試驗。

為了觀察不同狀態下對混凝土性能的影響，研究者共準備了3組RC（采用普通再生骨料配制的混凝土，下同）組，確保各個RC組材料的水膠比與膠凝材料用量均與對照組維持一致，并將用不同含水狀態的RCA材料組制作而成的混凝土依次編號為RC1、RC2、RC3，即分別為完全不含水的絕干狀態下的混凝土、飽和面干吸水率達到50%的氣干狀態下的混凝土以及飽和面干吸水率達到100%的飽和面干狀態下的混凝土。試驗所使用的附加水用量則視含水狀態的改變而做出適當修改。除此之外，為了真實觀察到混凝土常規工作性能與流變性能在試驗推進過程中的動態變化，研究決定將所有材料的坍落度維持在19cm~21cm。

3 結果與分析

3.1 再生粗骨料吸水時變規律

為了精準了解RCA材料在絕干狀態下的吸水變化情況，研究者使用了靜水天平，得出結果如圖1所示。

觀察圖1可以得知，當RCA材料的吸水性能極高，僅需15s即可接近飽和面干吸水率狀態下的一半左右；然而，待到達這一狀態之后，該材料的吸水性能便會大幅下降，據計算，當試驗進行至5min時，材料含水率的提升量<20%。由此可見，隨著材料本身含水量的上升，其吸水速率便會明顯下降，待材料吸水率達到70%時，其吸水速率幾乎不再有所變化。綜上所述，為了提升RCA的吸水速率，可以選用處于絕干狀態下的材料進行施工。

圖1 絕干狀態下的RCA吸水時變曲線

3.2 常規工作性能

圖2詳細展示了混凝土坍落度是如何隨著時間、減水劑用量等的變化而變化的。觀察圖2可以發現，NC組減水劑的添加量明顯超過RC組，其主要原因是RC組材料中本身包括附加水，導致拌合物內部存在更多游離狀態下的水，因此無須使用與NC組同樣量的減水劑。觀察發現，由于RC3組中RCA在試驗之前已經進行了24h的浸泡，材料本身完全達到了飽和狀態且原先吸附在表層的灰塵等雜質早已得到處理，表層光滑、摩擦力小，同樣無須添加過多的減水劑。綜上所述，施工中減水劑的使用情況需要根據粗骨料本身含水量的多少決定。

圖2 新拌混凝土坍落度經時變化和減水劑用量

3.3 流變性能

圖3詳細展示了隨著試驗進度的推進，新拌混凝土靜態屈服應力的動態變化。分析圖3可以得出，隨著試驗進度的推進，NC組靜態屈服應力能夠保持勻速提升，其他3組中，RC3組材料的靜態屈服應力增長速度雖然最慢，但其流變性能依然優于NC組，造成這一現象的主要因素如下：1）RC3組中的RCA材料在試驗之前已經在水中浸泡了足足24h，其外部雜質灰塵已被完全清除且表面光滑、摩擦力較小，因此靜態屈服應力值偏小。2）在飽和面干狀態下，材料中原先的水分極易流出，導致RCA表層老砂漿水膠比偏高，表面潤滑程度再次提升，因此靜態屈服應力偏小。

此外，試驗結果表明RC1組材料呈現的靜態屈服應力值明顯低于NC組且當試驗進行至30min時，RC1組材料的靜態屈服應力增長速度也降低至NC組之下，產生這一現象的原因是RC1組材料中包括附加水，因此使材料中的游離態水含量提升，然而隨著試驗的推進，附加水會逐漸被吸收，從而使靜態屈服應力增大。圖3表示，當試驗進行至45min時，RC1、RC2的靜態屈服應力值相較于30min時均出現了明顯提升，其數值達到81%、70%。此外，相較于NC組材料，RC2組中游離態水含量明顯較多，然而由于該組材料表層粗糙、摩擦力大，導致其流變性能受到影響，靜態屈服應力值也明顯高于NC組。

圖3 新拌混凝土靜態屈服應力隨時間的變化

圖4主要說明了混凝土動態屈服應力隨著試驗的推進所產生的動態變化。分析圖5可以得知：在所有的試驗材料中，NC組的動態屈服應力最弱，因此隨著試驗進度的推進，其流變性能損失也最小；而在所有的再生混凝土中，動態屈服應力增長最慢的是RC2，最快的則是RC1；綜合坍落度試驗即可發現，RC1組由于吸水性能較高，因此導致其動態屈服應力增速明顯提升；但由于RC3組材料包括老砂漿，使RC3材料中的減水劑被吸收，最終導致RC3的動態屈服應力增長量最大。

由此可見，若在混凝土材料中增加了RCA，將導致最終制成的混凝土具備更高的動態屈服應力。對比發現，相比于其他狀態下制成的再生混凝土，如果給絕干和飽和面干狀態下的材料添加RCA，將使最終制成的再生混凝土具備更高的動態屈服應力。此外，觀察圖4可以發現，在試驗開始的1min~15min，RC1、RC3材料的動態屈服應力變化趨于平緩，但當試驗進行至30min~45min時，兩組材料的動態屈服應力便出現了顯著增長，增長幅度最大的則是RC1。

圖4 新拌混凝土動態屈服應力隨時間的變化

圖5詳細說明了混凝土材料塑性黏度同樣會隨著時間的推移出現改變。觀察圖即可發現，與NC組相比，RC1、RC3組材料的塑性黏度都不強，即便靜置觀察也不會出現顯著改變。由此可見，即便NC組材料與RC組材料的初始坍落度保持一致，其所具備的塑性黏度同樣會出現不同的變化，而造成這一現象的主要原因是材料的塑性黏度往往隨著漿體內水泥分子引力的變化而出現變化。

圖5 新拌混凝土塑性黏度隨時間的變化

研究發現，因為RC1、RC2組材料中含有附加水，RC3組材料表面有滲出水，所以材料本身的水泥分子間距就大于NC組，也就是說RC組的初始引力就偏小。隨著試驗的推進，材料中包括的水泥顆粒出現絮凝，導致其分子間引力得到顯著提升，因此隨著時間的推移，混凝土的塑性黏度也就會逐步提升。但是，觀察圖可以發現，當試驗進行到15min~45min，RC2組材料的塑性黏度有明顯的提升，具體數值大于NC組材料數值，根據之前的試驗可以了解到，與其他材料相比，RC2組材料所使用的減水劑量是最多的，所以最終導致RC2組材料的水泥顆粒分布得最分散，更容易發生水化，可以明顯提升其塑性黏度。

3.4 抗壓強度

圖6展示了混凝土在不同時間下的抗壓強度變化，分析圖6可以得知：如果材料表觀密度偏低或內部包括老砂漿，則極易導致制作而成的混凝土抗壓強度偏低；試驗發現，不管是處于哪一個階段，RC1與RC3組材料的抗壓強度都弱于RC2組，這表示相較于其他狀態之下，氣干狀態下的材料更容易維持自身原本的抗壓強度。不僅如此，由于RC1中附加水的含量最高，因此當混凝土出現硬化時，RC1組的抗壓強度會明顯降低；而分析RC3組則可發現，若材料中含有老砂漿，則極易發生滲漏，不斷提升過渡區砂漿的水膠比，進而降低混凝土最終的強度。

圖6 各齡期混凝土抗壓強度

除此之外，觀察圖6還能發現，隨著試驗進行至28d時，混凝土的抗壓強度較開始的7d有了顯著提升，具體提升量達到12MPa，可見其提升速度與對照組NC組基本吻合；相較其他的材料組，試驗前7d內，RC1組混凝土的抗壓強度最弱，然而其增速顯著，由此可見，在試驗進行至7d時，RC1組材料中的水分仍然沒有被完全吸收掉，因此其水膠比依然偏高，而隨著強度的不斷提升，材料中包括的水分含量越來越低，這也導致RC1組混凝玉抗壓強度增速顯著。然而，相比之下，RC3組材料的抗壓強度增速最慢，其主要原因則是因為隨著強度的提升，材料內部的水得以滲出，進而使表層砂漿水膠比增大，提升最終材料的強度。

3.5 電通量與氯離子擴散系數

試驗進行至28d時混凝土電通量和氯離子擴散系數發生了變化，相較于對照組NC組，RC組的電通量與氯離子擴散系數均偏高，由此可見RCA同樣會在很大程度上干擾最終混凝土材料的抗氯離子滲透性能。具體原因主要包括以下2個方面：1）由于材料表層包括老砂漿，導致RCA內部含有更多的孔隙間距。2）養護材料時，RC1與RC2組材料中的附加水都會被吸收，只有RC3組中的水會逐漸滲出，但也就是在水傳輸的運動中，混凝土內部將出現更多的空隙間距，進而導致抗氯離子滲透性能被削弱。

與此同時，試驗還發現RC3組混凝土材料的兩項系數均明顯高于其他材料，其根本原因還是取決于表層新老砂漿分布不密實，存在孔隙，給離子傳輸提供了機會。綜上所述，若材料處于飽和面干狀態，則混凝土的抗氯離子滲透性能極易被RCA所干擾。

4 試驗結果

隨著再生粗骨料含水率的降低，該材料的吸水性能就會提升，反之同理。項目所使用的混凝土性能在一定程度上會受再生粗骨料吸水性能的影響。

隨著再生粗骨料自身含水狀態的變化，最終混凝土的流變維持性能也將出現極大變化，經過對比可以發現，3種狀態下只有氣干狀態下材料的流變性能最經受得住時間的考驗，損耗最小。

如果將絕干或飽和面狀態下的粗骨料作為制作再生混凝土的原材料，其最終的抗壓能力必然弱于氣干狀態下制成的混凝土。其中，如果使用絕干狀態下的材料制作混凝土，隨著時間的推移，混凝土的抗壓強度將明顯升高；而如果使用飽和面干狀態下的材料制作混凝土，其抗壓強度增長速度明顯偏慢。

與天然粗骨料制成的混凝土相比，再生粗骨料或多或少都會使再生混凝土的抗氯離子滲透性能下降。在3種材料中，飽和面干狀態下的再生粗骨料損耗程度最顯著。

5 結語

由此可見，由于再生粗骨料在使用過程中極易產生孔隙，且該材料密度不高、極易吸水，因此，加大了施工難度。該文詳細分析了再生粗骨料含水狀態對混凝土性能的影響，望試驗結果能夠為日后相關項目提供參考。