自密實(shí)再生混凝土工作及力學(xué)性能研究進(jìn)展

牟新宇，于子浩，鮑玖文，張 鵬

(青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，青島 266033)

0 引 言

近年來，建筑業(yè)的快速發(fā)展不僅消耗了大量的砂、石等不可再生的自然資源，而且伴隨著建筑物的更新，產(chǎn)生了大量的建筑廢棄物(construction & demolition waste， CDW)，不斷產(chǎn)生的CDW占用了大量寶貴的土地資源。截至到2020年，我國建筑垃圾年排放總量將高達(dá)約26億t[1]。目前，處理CDW的主要方法仍然是將其填埋或堆積[2]，而將廢棄混凝土經(jīng)過破碎、清洗、篩選等工藝制成再生骨料(recycled aggregate， RA)應(yīng)用于混凝土建筑既能解決CDW的儲存、運(yùn)輸?shù)葐栴}，又能推動混凝土行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，增加CDW的價值[3]。但RA表面存在的舊砂漿及生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的微裂縫，導(dǎo)致其與天然骨料(natural aggregate， NA)相比呈多孔結(jié)構(gòu)，且具有更粗糙的表面和更高的吸水能力[4]。另一方面，RA的性能主要取決于原生混凝土的強(qiáng)度、破碎過程和級配尺寸[5]，RA品質(zhì)的離散性導(dǎo)致不同類型RA之間的物理性能差距較大，所以目前RA仍無法大規(guī)模地應(yīng)用于實(shí)際工程中。

自密實(shí)混凝土(self-compacting concrete， SCC)是一種僅靠自身重力就可實(shí)現(xiàn)密實(shí)成型的高性能混凝土[6-7]，該能力源于其原料組成具有粗骨料含量少、粉體及漿體體積含量高及水粉比低等特點(diǎn)。與普通混凝土相比，SCC具有高流動性、抗離析性及較好的自密實(shí)性等特點(diǎn)，更有利于提升工程質(zhì)量及降低工程成本。所以，SCC的特性使其更貼合施工的實(shí)際情況，而且多數(shù)研究[4]表明，與再生骨料對普通混凝土工作及力學(xué)性能的影響相比，再生骨料對SCC工作及力學(xué)性能影響較小。所以，可以通過降低水灰比、使用改性骨料、摻加摻合料等方法提高自密實(shí)再生混凝土(self-compacting recycled concrete， SCRC)的各項(xiàng)性能[8-9]，實(shí)現(xiàn)SCRC的大規(guī)模應(yīng)用。

為了實(shí)現(xiàn)SCC的可持續(xù)發(fā)展及廢棄混凝土的大規(guī)模應(yīng)用，目前世界各地的研究人員已經(jīng)對SCRC工作及力學(xué)性能展開了相關(guān)研究[10-12]。因此，基于目前的研究現(xiàn)狀，從SCC的流變密實(shí)機(jī)理、SCRC工作性能、SCRC力學(xué)性能等方面進(jìn)行闡述。

1 自密實(shí)混凝土工作機(jī)理及配合比設(shè)計(jì)方法

SCC是一種能僅依靠自身的重力作用，不經(jīng)機(jī)械振搗便可密實(shí)成型的一種高性能材料[13]。與普通混凝土相比，SCC在滿足強(qiáng)度要求的同時，還要具有更高的工作性能，以保證混凝土拌合物在運(yùn)輸、澆筑及充模時的均勻性及穩(wěn)定性，這也導(dǎo)致了普通混凝土的配合比設(shè)計(jì)方法不能夠滿足SCC的功能要求[14]。因此，本節(jié)在介紹SCC流變密實(shí)機(jī)理的基礎(chǔ)上，對SCC的材料組成及設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了歸納總結(jié)。

1.1 自密實(shí)混凝土流變密實(shí)機(jī)理

新拌混凝土的流變性能，一方面能夠?qū)κ┕べ|(zhì)量產(chǎn)生影響，另一方面對混凝土的力學(xué)及耐久性能也極為重要，而SCC需要在自身重力作用且無任何離析的情況下可填充擁擠的鋼筋區(qū)域[15]，所以SCC的應(yīng)用對新拌混凝土流變性能提出了更高要求。因此，為了更好地表征SCC的流變性能，并為如何控制SCC的流變性能提供理論基礎(chǔ)，本節(jié)對表征新拌混凝土流變性能機(jī)理進(jìn)行了總結(jié)。

新拌SCC可被視為由固體顆粒(粗骨料)懸浮在砂漿基質(zhì)中及懸浮在較細(xì)基質(zhì)(水泥漿)的砂漿基質(zhì)組成[16]。為了方便研究，SCC組分按照不同尺度可將其分為宏觀、細(xì)觀及微觀三個尺度(見圖1)，其中其凈漿、砂漿及SCC又可假設(shè)為各個尺度下有屈服應(yīng)力的非牛頓流體[17]。目前，已有許多描述新拌混凝土流變性能的本構(gòu)方程，但其中Bingham模型、Herschel-Bulkley模型得到廣泛認(rèn)可。如式(1)的Bingham模型可定量表征新拌混凝土的流變特性[18]。

(1)

Bingham模型中的剪切應(yīng)力與剪切速率呈線性關(guān)系，而剪切稠化流體及稀化流體的特點(diǎn)是剪切應(yīng)力與剪切速率呈單調(diào)的線性關(guān)系[19]。基于Bingham模型和Herschel-Bulkley模型，通過引入了連續(xù)性系數(shù)K及Power-Law指數(shù)n建立冪律模型的本構(gòu)關(guān)系，見式(2)。

(2)

式中：K為粘度系數(shù),Pa·s；n為剪切指數(shù)，當(dāng)n<1時流體為剪切稀化行為，n>1時流體為剪切變稠體。

除上述模型之外，修正的Bingham模型也常用于表征此類流體的流變性能，見式(3)。

(3)

式中：c為模型中的二次項(xiàng)常數(shù)。

通過上述研究可知，SCC流動性能主要取決于屈服應(yīng)力τ0及塑性粘度μp。新拌SCC流動與否取決于其所受重力引起的剪切應(yīng)力是否大于其屈服應(yīng)力，當(dāng)新拌SCC的剪切應(yīng)力大于其屈服應(yīng)力時，SCC就會流動；若剪切應(yīng)力小于屈服應(yīng)力，流動停止。塑性粘度μp則決定了SCC的流動速率:μp越大，材料的流動速度就越慢；反之，μp越小，流動速度則越快。

圖1 按不同尺度界定的SCC組分[17]Fig.1 SCC components defined in terms of different scales[17]

圖2 層流剪切流動簡化圖[19]Fig.2 Simplified diagram of laminar shear flow[19]

1.2 自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)方法

1.2.1 自密實(shí)混凝土的配制原理

SCC的配制原理是通過合理的配合比設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)外加劑、膠結(jié)材料及骨料的合理選擇與搭配，使新拌SCC重力所產(chǎn)生的剪切應(yīng)力大于混凝土的屈服應(yīng)力，增大SCC流動性能，同時又具有足夠的塑性粘度，避免出現(xiàn)離析及泌水現(xiàn)象，使SCC能夠在澆筑過程中不經(jīng)振搗而在自重作用下自動流平[20]。在此強(qiáng)調(diào)，流動性是SCC區(qū)別與普通混凝土的重要特征。因此，SCC配合比設(shè)計(jì)應(yīng)考慮實(shí)現(xiàn)良好的流動性。為使SCC具有良好流動性，在配置需要調(diào)整用水量和外加劑用量，使其在一個合理范圍內(nèi)。此外，與普通混凝土相比，SCC在配置時還需要較大用量的膠凝材料，必要時還需摻入少量的增稠劑等[21]。

1.2.2 自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)方法

目前有關(guān)SCC的配合比設(shè)計(jì)方法較多，主要有固定砂石體積法、簡易配合比法、參數(shù)法、骨料比表面積法等，但還未達(dá)成統(tǒng)一的認(rèn)識。有研究[22-23]認(rèn)為，粗骨料體積含量及細(xì)骨料在砂漿中的體積含量是影響SCC拌合物流動性的主要因素。基于這一觀點(diǎn)，東京大學(xué)的Okamura等[24]于1993年首先提出了固定砂石體積法，其中一般設(shè)定每立方米混凝土中石子的松散體積約為0.5～0.55 m3，砂漿中的砂體積含量為42%～44%。我國臺灣學(xué)者Su等[25]根據(jù)最大密度理論和富余漿體理論提出了SCC的簡易配合比設(shè)計(jì)方法，通過這種方法設(shè)計(jì)的混凝土具有砂率大、膠凝材料用量少等特點(diǎn)，有利于提高混凝土的流動性及鋼筋間隙通過性，但簡易配合比法忽略了粉煤灰等礦物摻合料對SCC抗壓強(qiáng)度的影響，綜合考慮經(jīng)濟(jì)及耐久性因素，該方法僅能用來配制中低強(qiáng)度SCC，具有一定局限性。SCC兩種配合比設(shè)計(jì)方法及步驟如圖3所示。

圖3 固定砂石體積法與簡易配合比法設(shè)計(jì)流程[24-25]Fig.3 Design procedure of fixed sand volume method and simple mix proportion method[24-25]

適量的混雜纖維能夠顯著提高混凝土的力學(xué)性能，但如果摻量過大則會對SCC工作性能產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，合理的配合比設(shè)計(jì)對摻纖維SCC影響尤為重要。針對這一問題，于婧等[26]通過平均裹漿厚度及砂纖的概念來反映凈漿與纖維體積分?jǐn)?shù)對配合比的影響，提出了混雜鋼纖維SCC的配合比設(shè)計(jì)方法。

綜上所述，普通SCC的配合比設(shè)計(jì)方法已相對成熟。但由于RA表面附著的舊砂漿使其具有吸水率高、表觀密度小等特點(diǎn)，普通SCC的配合比設(shè)計(jì)方法已不能適用于SCRC。因此應(yīng)建立充分考慮SCRC流動性的配合比設(shè)計(jì)方法，為SCRC的實(shí)際工程應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

SCC的一個關(guān)鍵特性是流動性，因此適當(dāng)水灰比及高效減水劑類型和用量對實(shí)現(xiàn)良好流動性具有重要作用。Santos等[27]通過來自預(yù)制混凝土行業(yè)的RA成功制備出自密實(shí)再生混凝土，并認(rèn)為只要RA的質(zhì)量得到保證，摻入25%(體積分?jǐn)?shù))的再生粗骨料(recycled coarse aggregate， RCA)和再生細(xì)骨料(recycled fine aggregate， RFA)可以滿足自密實(shí)混凝土的流動性和耐久性能要求。Gonzlez等[28]發(fā)現(xiàn)SCRC的設(shè)計(jì)特殊性在于原材料混合過程中補(bǔ)償再生骨料吸收的額外用水量，以及RA破碎時產(chǎn)生的粗糙紋理。Gupta等[29]考慮到再生骨料表面的舊砂漿含量較高，提出了通過考慮RCA表面砂漿含量(adhered mortar content， AMC)的SCRC配合比設(shè)計(jì)方法——等效砂漿體積法，其中AMC的計(jì)算方法見式(4)。

(4)

式中：WRCA為試驗(yàn)前RCA樣品的烘干質(zhì)量，g；WACNA為完全清除砂漿后骨料的烘干質(zhì)量，g。

再生骨料的高吸水性能會導(dǎo)致流動性的降低，RA替代天然骨料比例越大，混合物的流動性越差，因此在制備SCRC時應(yīng)添加額外的補(bǔ)償水且增加減水劑的用量，此外應(yīng)選用質(zhì)量良好的再生骨料以提高制備SCRC的成功率。目前對SCRC的配合比設(shè)計(jì)方法研究所考慮的因素較為單一，不能充分反映RA特性對SCC流動性能的影響。所以，在今后的研究中應(yīng)建立充分考慮RA的各項(xiàng)物理性能(形狀系數(shù)、模量、附著砂漿含量)的配合比設(shè)計(jì)方法，為SCRC的實(shí)際工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

2 自密實(shí)再生混凝土工作與力學(xué)性能進(jìn)展分析

再生骨料的表面附著砂漿及生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的微裂縫導(dǎo)致再生混凝土的界面結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。由于RA與NA的物理性能具有較大的差異[30]，使得SCRC的力學(xué)及工作性能也有較大離散性。因此，從流動性和抗離析性綜述了SCRC的工作性能，然后又從抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量及超聲波脈沖速度方面對SCRC的力學(xué)性能進(jìn)行了總結(jié)。

2.1 新拌混凝土工作性能

2.1.1 拌合物流動性

高流動性及鋼筋間隙通過性可以確保自密實(shí)混凝土在無需外界振動的條件下，僅依靠自身重力作用使混凝土拌合物流暢地填充在模板與鋼筋周圍，所以較高的流動性是保證自密實(shí)混凝土實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用的前提。目前大部分研究主要通過坍落度值(slump flow)、J環(huán)擴(kuò)展度(J-ring)、擴(kuò)展時間(T50和T final)、V型漏斗流出時間(V-funnel flow time)等方面測試拌合物流動性。Sasanipour等[31]通過坍落度及J環(huán)試驗(yàn)(見圖4)對RCA體積取代率為25%、50%、75%及100%的SCRC工作性能進(jìn)行了研究，試驗(yàn)結(jié)果見表1(ΔHJ-ring指J-ring測試從拌合物中心點(diǎn)到外邊界的內(nèi)外高差值)。研究發(fā)現(xiàn)，隨著再生粗骨料體積替代率的增加，拌合物的流動性能呈增強(qiáng)趨勢，這可能是由于RCA粒徑比天然粗骨料小，從而更有利于拌合物填充模板并通過鋼筋間隙。

Mohseni等[32]通過坍落度及V形漏斗試驗(yàn)獲得不同纖維摻量自密實(shí)再生混凝土拌合物流動性的試驗(yàn)結(jié)果，如表2所示。由此可見，RCA及纖維的摻入顯著降低了SCRC流動性，特別是在摻入1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的鋼纖維及聚丙烯纖維后，SCRC拌合物坍落度值由未摻加纖維前的710 mm分別降低至651 mm和613 mm，在摻加RCA后,SCRC拌合物坍落度直徑大約降低了1%～7%。這表明，加入纖維及RCA后會吸收拌合物中的水分，并且纖維能夠在SCRC中均勻分布并在其內(nèi)部形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而增加了SCRC的塑性粘度，減弱了SCRC流動性。Behera等[33]對不同RFA取代率(0%、50%、100%，即SCO、SC50和SC100)和僅摻入40%粉煤灰取代水泥(SC0F40、SC100F40)的SCRC流動性進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，由于RFA多孔的表面結(jié)構(gòu)及其吸水性較強(qiáng)，從而SCRC拌合物顆粒間的摩擦力增加，對SCRC的流動性能造成不利影響(見圖5)。

圖4 再生粗骨料摻量100%的自密實(shí)再生混凝土流動性測試[31]Fig.4 Flowability tests of SCRC with the replacement ratio of 100% RCA[31]

表1 新拌SCC流動性[31]Table 1 Flow properties of fresh SCC[31]

表2 新拌SCC坍落度與V型漏斗試驗(yàn)結(jié)果[32]Table 2 Results of slump flow and V-funnel tests of fresh SCC[32]

圖5 不同類型自密實(shí)混凝土的坍落擴(kuò)展度 及T50時間[33]Fig.5 Slump flow and T50 time of different types of SCC[33]

由于RFA具有較高的吸水率，其多孔結(jié)構(gòu)在混合過程中起到了儲水作用，在攪拌過程中釋放水分，所以RFA摻量增加能夠使SCRC拌合物的坍落度相應(yīng)增大[34]。Chakkamalayath等[35]通過混凝土流變儀同樣發(fā)現(xiàn)RA的摻入會增加拌合物的流動性。由此可知，RA較大的吸水率是制約SCRC流動性能的主要因素。通過物理及化學(xué)方法強(qiáng)化其表面結(jié)構(gòu)，可以有效改善混凝土拌合物的流動性能[36]。王懷亮等[37]和Güneyisi等[38]分別研究了不同的骨料強(qiáng)化方法對SCRC拌合物流動性能的影響。結(jié)果表明，水玻璃分散法降低了RA的吸水性能，且增加了SCRC中游離水，進(jìn)而能夠顯著提高拌合物流動性能。綜合上述，RA粒徑較小的特點(diǎn)會在一定程度上改善混凝土拌合物的流動性能，但RA較大的吸水率又會對拌合物的流動性產(chǎn)生負(fù)面影響。目前已有較多學(xué)者對SCRC流動性進(jìn)行了相關(guān)研究，但對SCRC配合比與其流動性相關(guān)性的研究相對較少。

2.1.2 抗離析性

混凝土拌合物的離析性是指拌合物材料間的粘聚力不足以抵抗粗集料下沉，導(dǎo)致拌合物內(nèi)成分相互分離，造成混凝土的內(nèi)部組分及結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不均勻的現(xiàn)象[39]。目前主要通過濕篩試驗(yàn)測試SCC的抗離析能力。抗離析性對SCC的工作及力學(xué)性能具有重要作用，抗離析性差會導(dǎo)致硬化混凝土變形能力變差,造成拌合物在鋼筋周圍堵塞以致硬化后混凝土產(chǎn)生非均勻性[40]。吳春楊等[41]認(rèn)為當(dāng)RCA體積替代率為50%時，SCRC拌合物的抗離析性最好，當(dāng)RCA取代率超過50%時，拌合物中的附加水進(jìn)一步增加，使其塑性粘度降低，從而導(dǎo)致拌合物流動性能、抗離析性能等工作性能降低。王懷亮等[37]研究了高溫(RA-H)、低濃度鹽酸溶液浸泡(RA-HCl)、水玻璃分散(RA-WG)及水泥-粉煤灰裹漿(RA-CFS)對SCRC拌合物抗離析性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，未改性處理的再生骨料(RA-U)制備的混凝土拌合物抗離析系數(shù)最小，這是由于未經(jīng)處理的RA制備的SCRC拌合物中自由水較少、黏度較大，從而拌合物不易產(chǎn)生離析現(xiàn)象。

2.2 硬化混凝土力學(xué)性能

2.2.1 抗壓強(qiáng)度

圖6 不同再生骨料改性方法對其抗壓強(qiáng)度的影響[37]Fig.6 Effects of different modified methods of RA on its compressive strength[37]

由于RA生產(chǎn)來源、原生混凝土強(qiáng)度等級的不同，SCRC力學(xué)性能有較大的不確定性。目前多數(shù)研究[42-43]認(rèn)為RA表面粗糙的紋理會增強(qiáng)骨料與砂漿間的粘結(jié)強(qiáng)度，從而抵消部分不規(guī)則外形及高吸水率所帶來的負(fù)面影響，所以RA摻入對SCRC抗壓強(qiáng)造成略微的影響，甚至合適的RA摻量會增強(qiáng)其抗壓強(qiáng)度。Tang等[44]發(fā)現(xiàn)SCRC抗壓強(qiáng)度隨著RCA摻量的增加呈先上升后下降的趨勢，這表明RCA的高吸水率能夠提高SCRC的抗壓強(qiáng)度，在RCA體積摻量為50%時，存在一個最佳吸水量，從而改善了界面過渡區(qū)的結(jié)構(gòu)；當(dāng)摻量為100%時，再生粗骨料吸水過多，導(dǎo)致RCA周圍的水泥水化程度較低。Pereira-De-Oliveira等[45]制備了RCA體積含量為20%、40%和100%的SCRC，并研究其抗壓強(qiáng)度隨RCA摻量增加的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)再生骨料摻量對SCRC的抗壓強(qiáng)度幾乎沒有影響。Abed等[46]對一次循環(huán)的RCA及二次循環(huán)的再生骨料(reused recycled concrete aggregate， RRCA)制備的SCRC抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了對比分析，發(fā)現(xiàn)由于RAC和RRAC形狀及粗糙的紋理增強(qiáng)了骨料間的咬合力，增加了再生骨料與砂漿間的粘結(jié)強(qiáng)度，所以SCRC抗壓強(qiáng)度幾乎沒有影響。王懷亮等[37]研究了不同強(qiáng)度等級(R1表示原生混凝土強(qiáng)度為C40～C80，R2表示原生混凝土強(qiáng)度小于等于C30)原生混凝土及不同的改性再生骨料制備的SCRC的抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律(見圖6)。RA1組的抗壓強(qiáng)度明顯高于RA2組，這是由于強(qiáng)度較高的附著砂漿使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密，從而有效地改善了RA與新砂漿的界面過渡區(qū)微觀強(qiáng)度；對于同一原生混凝土強(qiáng)度骨料所制備的SCRC，除RA-CFS，其他的處理方法都提高了SCRC抗壓強(qiáng)度。這是由于RA-H處理使附著砂漿脆化，其更易從RA表面脫落；RA-HCl處理可以除去RA表面的松散粘附砂漿和某些松散物質(zhì)；RA-WG處理可以堵住RA的毛細(xì)孔和微裂縫，以上三種處理方法均可使RA與新砂漿的界面過渡區(qū)具有更少的多孔性、更致密和連接的微觀結(jié)構(gòu)。而RA-CFS處理的RA與新的水泥砂漿之間的黏結(jié)性能比較弱，界面過渡區(qū)微觀上依舊屬于多孔疏松結(jié)構(gòu)。

從以上研究發(fā)現(xiàn)，再生骨料摻量對SCRC抗壓強(qiáng)度影響不大的原因主要分為以下三個方面：(1)再生骨料的高吸水率能夠在一定程度上降低RA周圍界面過渡區(qū)的水灰比，增強(qiáng)了界面過渡區(qū)強(qiáng)度，從而增強(qiáng)了SCRC抗壓強(qiáng)度；(2)RA表面存在部分未水化的水泥顆粒，隨著RA表面水泥顆粒水化，RA表面的結(jié)構(gòu)得到了改善;(3)RA的粗糙表面提高了骨料與砂漿間的粘結(jié)力。基于以上方面綜合考慮，再生骨料的摻入對SCRC抗壓強(qiáng)度的影響呈先上升后下降的趨勢。但是通過增強(qiáng)原生混凝土強(qiáng)度等再生骨料改進(jìn)措施會明顯提高SCRC抗壓強(qiáng)度。

2.2.2 抗拉強(qiáng)度

RA的摻入會使再生粗骨料與新砂漿之間形成較弱的界面過渡區(qū)，降低SCRC抗拉強(qiáng)度。目前由于受到試驗(yàn)條件限制等的影響，研究者往往通過劈裂抗拉強(qiáng)度或抗折強(qiáng)度間接衡量混凝土抗拉性能[47]。Kou等[34]研究SCRC劈裂抗拉強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)水灰比為0.53的SCRC劈裂抗拉強(qiáng)度隨著RA取代率的增加而略有下降。同樣，Tuyan等[48]也發(fā)現(xiàn)SCRC劈裂抗拉強(qiáng)度隨著RA摻量的增加而降低，但通過降低混凝土的水灰比可以明顯提高SCRC劈裂抗拉強(qiáng)度，當(dāng)水灰比從0.53減小到0.43時，劈裂抗拉強(qiáng)度最高大約可提高25%。Rajhans等[49]以再生粗骨料取代率及硅灰含量為變量，研究了SCRC劈裂抗拉強(qiáng)度的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著再生粗骨料的摻量增加，SCRC劈裂抗拉強(qiáng)度呈下降趨勢，并且在同一再生骨料取代率下，隨著硅灰含量的增加，SCRC劈裂抗拉強(qiáng)度有所增強(qiáng)。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是隨著RCA摻量的增加，混凝土內(nèi)部的孔隙及微裂縫逐漸增加，增加的孔隙及裂縫能夠吸收更多的水分，再生骨料界面附近的水化反應(yīng)不完全，從而降低了SCRC劈裂抗拉強(qiáng)度，而硅灰的加入填充了RCA的裂縫及孔隙，增強(qiáng)了混凝土力學(xué)性能。

許多研究[50-53]認(rèn)為，纖維的橋接作用能夠抑制纖維-基體界面裂紋的形成和斷裂，從而顯著增強(qiáng)混凝土的延性、韌性及抗拉強(qiáng)度。Mohseni等[50]研究了鋼纖維及聚丙烯纖維對SCRC劈裂強(qiáng)度的影響規(guī)律，與未摻纖維的SCRC相比，SCRC劈裂抗拉強(qiáng)度隨著纖維摻量的增加而顯著提升。Singh等[54]對玄武巖纖維摻量為0 kg/m3、2 kg/m3、4 kg/m3的SCRC力學(xué)性能開展了相關(guān)研究，結(jié)果表明，玄武巖纖維對SCRC抗壓強(qiáng)度的影響不大，但能顯著提高SCRC劈裂抗拉強(qiáng)度。摻入RA影響SCRC抗拉強(qiáng)度主要是RA強(qiáng)度低于天然骨料、RA高吸水率及RA加入導(dǎo)致混凝土內(nèi)弱界面區(qū)域增加這三個方面綜合造成的。通過降低水灰比、摻加適量的鋼渣及硅灰能夠改善SCRC的孔結(jié)構(gòu)，提高界面過渡區(qū)的密實(shí)度，從而提高SCRC抗拉強(qiáng)度，而摻加纖維則能夠起到抑制纖維-基體界面開裂的作用，大大提高SCRC抗拉強(qiáng)度。但目前，提升SCRC抗拉強(qiáng)度的方法主要集中在改變水灰比、摻入纖維等方面，并未從SCRC抗拉強(qiáng)度下降問題的本質(zhì)上出發(fā)，而有關(guān)再生骨料界面強(qiáng)化對自密實(shí)再生混凝土抗拉強(qiáng)度影響的研究相對較少。

2.2.3 彈性模量

彈性模量是混凝土重要的力學(xué)性能指標(biāo)之一，對于控制混凝土結(jié)構(gòu)的變形、裂縫開展具有十分重要的作用。吳春楊等[41]認(rèn)為非連續(xù)級配再生粗骨料自密實(shí)混凝土的彈性模量低于普通混凝土，但高于傳統(tǒng)再生混凝土，并對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析得到了立方體抗壓強(qiáng)度(fcu)與彈性模量(Ec)的關(guān)系表達(dá)式：

Ec=105/(1.7+66.2/fcu)

(5)

Tuyan等[48]根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)RCA的摻加顯著降低自密實(shí)混凝土的動彈性模量，并認(rèn)為這是由RCA的剛度較低及附著在RCA上舊砂漿的變形能力較低引起的。Ortiz等[55]同樣認(rèn)為RCA的摻加會降低SCRC的彈性模量，并對RCA體積替代率為100%SCRC彈性模量試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法分析：

(6)

(7)

式中：Ecm為SCRC的彈性模量；CAR為再生骨料體積替代率；fcm表示混凝土抗壓強(qiáng)度。Rajhans等[49]測得了不同RCA體積摻量及硅灰含量的SCRC彈性模量，隨著RCA摻量的增加，SCRC的靜態(tài)彈性模量略有下降，但摻入硅灰后會明顯提高SCRC的彈性模量。另外，不同鋼渣摻量對SCRC彈性模量的影響并得到摻鋼渣的SCRC的彈性模量低于普通混凝土，但高于再生混凝土且隨鋼渣摻量增加而逐漸降低的結(jié)論。這說明鋼渣的弱凝膠性使周圍結(jié)構(gòu)相對疏松，從而導(dǎo)致混凝土的壓縮變形增大，彈性模量降低。

綜上所述，SCRC彈性模量較低的原因主要是材料組成中的砂率大并且粗骨料相對較少，另外RA及其附著的舊砂漿剛度較低導(dǎo)致其變形能力較差，以及RA多孔性導(dǎo)致SCRC中的缺陷較多。通過摻加硅灰能夠改善SCRC的孔結(jié)構(gòu)，從而顯著提高SCRC的彈性模量，但鋼渣弱凝膠性導(dǎo)致其對SCRC的彈性模量造成不利影響。RA的多孔性及SCC的材料組成導(dǎo)致SCRC彈性模量普遍低于普通混凝土，所以，目前相關(guān)規(guī)范中彈性模量計(jì)算公式已不適用于SCRC，而現(xiàn)階段研究者得到的彈性模量經(jīng)驗(yàn)公式受到RA較大的離散性影響，不具有普遍適用性。所以，建立考慮再生骨料各項(xiàng)物理性能的彈性模量計(jì)算公式以綜合評價SCRC力學(xué)性能，控制結(jié)構(gòu)變形及裂縫發(fā)展具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

2.2.4 超聲波脈沖速度

超聲波脈沖速度(ultrasonic pulse velocity， UPV)在混凝土中傳播速度的快慢，與混凝土的密實(shí)度密切相關(guān)。在測試距離一定時，混凝土越密實(shí)，超聲波在混凝土內(nèi)的傳播路徑越短，而當(dāng)混凝土內(nèi)部的孔隙及裂縫越多時，超聲波必須繞過孔隙才能到達(dá)接收器，所以實(shí)際的傳播路徑增大導(dǎo)致超聲波的傳播速度變慢[56]。基于超聲波的這一特點(diǎn)，許多研究通過UPV來反映混凝土內(nèi)部密實(shí)性。多數(shù)研究者[31,48]認(rèn)為，再生骨料存在較多的孔隙及微裂縫，增大了SCRC的孔隙率及弱界面性能，從而增加超聲波傳播路徑導(dǎo)致UPV較小。Sasanipour等[31]研究了不同硅灰摻量自密實(shí)再生混凝土UPV的變化規(guī)律(見圖7，R和SR分別為未摻及摻入硅灰的SCRC)，與RA體積替代率為0%的SCC相比，RA替代率為25%、50%、75%及100%的SCRC的UPV分別降低了5.56%、5.63%、9%和10%，而摻入硅灰后SCRC的UPV變快，這表明硅灰摻入可填充孔隙，顯著提升了SCRC內(nèi)部的密實(shí)度。

圖7 不同再生骨料替代率對自密實(shí)再生混凝土超聲波脈沖速度的影響[31]Fig.7 Effects of different replacement ratios of RA on UPV of SCRC[31]

3 結(jié)語與展望

(1)再生骨料與天然骨料存在較大的差異，導(dǎo)致SCC的配合比設(shè)計(jì)方法不適用于SCRC。所以，SCRC配合比設(shè)計(jì)要在統(tǒng)一基礎(chǔ)上，根據(jù)RA的物理性能(形狀系數(shù)、模量、附著砂漿含量)實(shí)現(xiàn)多樣化發(fā)展。

(2)關(guān)于RA對SCRC工作性能的影響存在較大分歧。多數(shù)研究者認(rèn)為，RA的高吸水性能降低了SCRC拌合物的流動性、抗離析性能等工作性能，但也有研究認(rèn)為RA的多孔結(jié)構(gòu)能夠起到儲水作用，在拌和過程中釋放水分，從而起到潤滑作用。所以，導(dǎo)致SCRC工作性能與SCC差異的主要原因是RA的孔隙率、吸水率、粒徑等物理指標(biāo)，通過對骨料進(jìn)行強(qiáng)化可以增強(qiáng)SCRC的物理性能，進(jìn)而提高SCRC的流動性能。

(3)RA的摻入會影響SCRC力學(xué)性能。由于SCRC材料組成中骨料含量較少，RA對SCRC抗壓強(qiáng)度僅有略微的影響。但摻入RA增加了混凝土中弱界面的數(shù)量，從而導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)性能下降。

(4)目前針對SCRC的長期耐久性能的研究仍然缺乏，多數(shù)研究仍集中于SCRC的工作性能與物理性能方面，今后應(yīng)加強(qiáng)對SCRC長期耐久性等方面的研究，從而推進(jìn)SCRC的廣泛應(yīng)用。