預處理再生骨料混凝土的干燥收縮和彎拉強度研究

毛 喆

(中鐵十八局集團第五工程有限公司，天津 300450)

近10 a來，我國公路交通事業蓬勃發展。2020年底，我國四級及以上等級公路里程已達494.45萬km，技術等級構成為：四級公路72.8%，三級公路8.8%，二級公路8.0%，一級公路2.4%，高速公路3.1%，等外公路4.9%[1]。我國公路現有鋪裝路面約300萬km，水泥混凝土鋪裝路面占比約為71%[2]。隨著服役時間增長及交通量增加，越來越多的混凝土路面需要拆除重修；另外由于超載和規劃等因素，我國公路路面的實際使用壽命往往達不到設計使用壽命，故舊路拆除產生的廢棄混凝土量呈增大趨勢。另一方面，混凝土的生產耗費大量的能源和資源，碳排放量可觀。從經濟性、環境保護和碳排放角度考慮，將舊路拆除產生的廢棄混凝土用作新混凝土路面材料，既可解決廢棄混凝土的處置問題，也可節約能源和資源，是交通土建工程綠色化、低碳化的重要途徑。

一般情況下，由于廢棄混凝土粉碎后得到的再生骨料表面附著有砂漿，其中夾帶氣孔，導致再生骨料呈現較大的孔隙率和吸水率。使用再生混凝土骨料部分取代天然骨料后，會導致新拌混凝土的工作性降低，對強度也有不同程度的影響，因此需對再生粗骨料進行預處理。目前主要的預處理方法包括物理強化方法[3-4]和化學強化方法[5-6]。物理強化方法是通過再生粗骨料與外界或自身之間的摩擦使其表面附著砂漿脫落，進而達到骨料強化的目的?；瘜W強化法是用化學漿液填充再生粗骨料內部的孔隙，或與再生粗骨料中的成分反應，其生成物填充再生粗骨料內的孔隙，從而起到強化作用。

干燥收縮和彎拉強度是反映再生混凝土的路用性能的重要指標，是開裂控制的主要變量。本文通過引入復合膠凝材料凈漿和滲透結晶材料對再生骨料進行預處理，研究不同天然骨料取代率對再生骨料混凝土的干燥收縮和彎拉強度的影響規律。

1 試驗設計

1.1 原材料及配合比

再生粗骨料由舊混凝土路面破碎獲得，舊混凝土抗折強度為5.7 MPa(取自工程驗收資料)，各項指標滿足現行行業標準《公路水泥混凝土路面施工技術細則》(JTG/T F30-2014)。水泥為冀東P.O42.5普通硅酸鹽水泥。為了保證混凝土拌合物的工作性，使用一級低鈣粉煤灰代替20%的普通硅酸鹽水泥，并使用德瑞興DC-6006引氣型減水劑。水泥基滲透結晶材料為以硅酸鹽水泥和活性化學物質為主要成分制成的粉狀材料，型號為Durab-T1，由上海凱頓百森建筑材料科技發展有限公司生產，各項指標均符合現行國家標準《水泥基滲透結晶型防水材料》(GB18445-2012)要求。粉煤灰需水量95%；砂為中砂，細度模數2.8。碎石骨料比重2.62，吸水率1.18%；再生粗骨料比重2.54，吸水率3.16%。再生粗骨料和碎石骨料分別見圖1和圖2所示。

圖1 再生粗骨料 圖2 碎石骨料

首先將破碎后的再生粗骨料用自來水沖洗，以去除大部分附著的粉末，并在空氣中晾干。將再生粗骨料和碎石骨料篩分，并復配以使兩者的粒徑分布接近。得到的再生粗骨料和碎石骨料的粒徑分布曲線見圖3所示。

圖3 再生粗骨料和碎石骨料粒徑分布

為了增強再生粗骨料與水泥石間的界面過渡區，采取了兩種處理方式，分別為復合膠凝材料漿體預裹法和滲透結晶材料預浸法。漿體預裹法步驟如下：將水泥、粉煤灰按比例混合，在雙臥軸強制式攪拌機中攪拌1 min，加入一半水攪拌1 min；按表1加入再生粗骨料和天然粗骨料并繼續攪拌2 min；加入細骨料和剩余的一半水并攪拌1 min。滲透結晶材料預浸法步驟如下：將水泥基滲透結晶材料與水按5∶2(體積比)稱量，先把水泥基滲透結晶材料放入攪拌機，并加入水攪拌1 min；再加入再生粗骨料，攪拌2 min使再生粗骨料表面均勻覆蓋漿體；取出再生粗骨料備用(須在20 min內使用)；按比例配制混凝土?；炷僚浔葹椋核唷梅勖夯摇眉毠橇稀盟脺p水劑=268∶67∶702∶136∶4.8(kg/m3)。

表1 再生骨料和天然粗骨料用量

1.2 試驗方法

(1)干燥收縮測試：按表1所示配合比成型尺寸為100 mm×100 mm×515 mm的棱柱體試件，每個配合比制作3個試件，拆模后放到標準養護室養護至28 d。從標準養護室取出后，放到室溫為(20±2)℃、相對濕度(60±5)%的恒溫恒濕室中，測量28、32、40、60、90、120及180 d的干燥收縮應變。

(2)彎折強度測試：按上述配合比成型尺寸為150 mm×150 mm×550 mm的棱柱體試件，每個配合比制作3個試件，拆模后放到標準養護室養護至28 d進行測試。加荷速度為0.06 MPa/s。

2 結果分析和討論

2.1 干縮應變

測得的各配比干燥收縮應變隨齡期的發展曲線見圖4所示。

圖4 試件干燥收縮應變變化規律

從圖4(a)可以看出，總體上隨著齡期增長，與碎石骨料混凝土類似，經復合膠凝材料漿體預裹處理的再生骨料混凝土的干燥收縮應變持續增大，但增長趨勢漸漸平緩。從標養室移到相對濕度60%環境中后，45%替代率的混凝土的干燥收縮應變急劇增大，這種趨勢在其他替代率的混凝土中沒有出現；另外在120 d齡期，干縮應變增大了31%。再生骨料內部多孔，彈性模量比碎石的彈性模量低，故對變形的約束作用較低，所以在高替代率下干縮應變較大。較低替代率下(指<30%替代率)的干縮應變與碎石骨料混凝土的干縮應變基本相當，差值小于10%。值得注意的是，60 d齡期后，30%替代率下的干縮應變反而小于碎石骨料混凝土的干縮應變，這表明再生骨料的使用對干燥收縮有影響，但混凝土的其他性質可能比再生骨料使用率對干燥收縮的影響相對更大。新拌混凝土含氣量測試表明，該混凝土的含氣量為4.0%，小于碎石骨料混凝土的含氣量(4.4%)。這意味著在無抗凍性要求時，可以從降低混凝土含氣量入手，降低再生骨料混凝土的干燥收縮。從圖4(b)可以看出，與復合膠凝材料漿體預裹處理相比，滲透結晶材料預浸處理對干燥收縮的降低作用更明顯。45%替代率的干燥收縮小于30%替代率下的干燥收縮，也是因為前者的含氣量小于后者。對干縮應變而言，在原材料、水膠比相同的前提下，控制因素是再生骨料替代率和含氣量。

2.2 彎拉強度

圖5示出了不同預處理方法對再生骨料混凝土28 d彎拉強度的影響?？梢娊涍^預處理，各替代率下的彎拉強度均大于5.0 MPa。我國現行行業標準《公路水泥混凝土路面設計規范》(JTGD40-2011)表3.0.8規定，交通荷載等級為“極重、特重、重”時，彎拉強度需大于5.0 MPa；交通荷載等級為“中等”時，彎拉強度需大于4.5 MPa；交通荷載等級為“輕”時，彎拉強度需大于4.0 MPa。本文中再生骨料經過預處理，各替代率下的彎拉強度均大于5.0 MPa，滿足相關規范要求。

圖5 不同預處理試件彎拉強度

高替代率下(指45%替代率)，滲透結晶材料預浸處理效果更好，其彎拉強度甚至超過了碎石骨料混凝土的彎拉強度。與碎石骨料混凝土相比，各替代率下彎拉強度降低程度均低于6%。一般認為，砂漿和粗骨料間的界面過渡區孔隙較多，其混凝土力學性能和耐久性能均弱于其他區域。水泥基滲透結晶材料與再生骨料表面的殘留砂漿以及新的凈漿發生化學反應，生成水化硅酸鈣等物質，填補界面過渡區中的孔隙，使界面過渡區強化，故提高了其力學性能。另外，由于骨料和砂漿的熱膨脹系數不同，彈性模量也不同，導致混凝土在溫度變化、發生收縮或承受荷載時容易產生變形不協調，導致微裂縫產生。此時，未反應完的水泥基滲透結晶材料與再生骨料中的水發生水化反應，其產物對微裂縫產生自修補作用，這將對混凝土的長期服役性能產生有益影響。混凝土的彎拉強度受骨料與硬化漿體間的界面過渡區影響較大，再生骨料經過水洗及預處理后，有效降低了表面的孔隙率和吸水率，增強了界面過渡區的力學性質，使彎拉強度得到了有效保證。

3 結論

本文通過試驗發現，再生骨料經過復合膠凝材料漿體預裹處理和滲透結晶材料預浸處理，在不大于30%替代率下，均可使混凝土干縮應變增大值和彎拉強度降低值控制在10%以內。在原材料和配合比一定的情況下，調整再生骨料使用率和再生混凝土含氣量，是控制干縮應變的有效途徑。再生骨料滲透結晶材料預處理優于復合膠凝材料凈漿預處理。