不同骨料含量對全再生骨料混凝土性能試驗研究

完全再生骨料混凝土已經廣泛應用于道路、建筑物、地基和其他基礎設施建設中。其由再生粗骨料、細骨料和部分取代水泥的再生粉末制備而成。通過四種不同的骨料，即全天然骨料（Fully natural aggregates，FNA）、全再生粗骨料（Recycled coarse aggregate for concrete，RCAC）、全再生細骨料（Recycled fine aggregate concrete，RFAC）和全再生骨料（Fully Recycled Aggregate Concrete，FRAC），與三種不同的再生粉末（RP）含量（即總粘合劑的10%、20%和30%）作為參數變量。研究了不同骨料含量下完全再生骨料混凝土力學性能（抗壓與抗拉強度性質）和單軸抗壓應力-應變關系。試驗結果表明，再生材料的加入對混凝土強度有不利影響，但是28d強度依然滿足C30水泥標準。加入RAs或RP對全再生骨料混凝土應力-應變曲線的上升分支影響不大，但前者使曲線的下降分支更陡峭，而后者使其更平坦。由于RAs和RP的加入，使其彈性模量有所降低。

全再生混凝土; 再生粉末; 全天然骨料;力學性能

X799.1A

建筑設備與建筑材料建筑設備與建筑材料

［定稿日期］2023-03-07

［作者簡介］姜潤昱（1994—），男，碩士，工程師，從事高速公路建設與養護工作；孟楠（1988—），男，本科，高級工程師，從事高速公路建設與養護工作。

［通信作者］江登洪（1976—），男，本科，高級工程師，從事高速公路建設與養護工作。

0" 引言

隨著我國經濟快速發展，基礎設施建設日益增多，舊有建筑物翻新與拆除勢必會產生越來越多的建筑垃圾.傳統處理方式一般選擇填埋或堆放，這樣不僅浪費有限的土地資源且對環境的負面影響較大。就現階段而言，建筑垃圾的回收利用領域主要為路基墊層、再生磚、砌塊等對強度要求較低的工程，利用率普遍偏低。若能夠將建筑垃圾有效地應用于混凝土材料的制備中，可為妥善處理建筑垃圾及提高固體廢物資源轉化率提供一種新的途徑［1］。再生骨料混凝土（Recycled Aggregate Concrete，RAC）一般是指由廢棄的混凝土建筑垃圾經過破碎、篩分、清洗等步驟獲得再生骨料，依據一定的配合比制備而成［2-3］。

近年來，許多研究都集中在再生混凝土和用它制備的混凝土，即再生粗骨料混凝土（RCAC）。具體而言，包括RCA的物理性質、取代率、改性手段、攪拌和養護方法對新拌混凝土和易性、硬化混凝土力學、耐久性和長期性能的影響［4］。

近些年，一些學者的研究集中在混凝土中摻入再生粉末（RP）［5-8］。在Camp;D廢物的回收過程中，除了再生集料（RAs），還不可避免地產生粗粉，約占廢物重量的20%～30%。但這種顆粒較大的粗粉沒有活性，不能作為混凝土中的替代膠凝材料［9］。因此，有人嘗試將Camp;D廢料或粗RP研磨成細RP ［10］。由于細粒RP中SiO2和Al2O3的高含量有利于火山灰反應［11-12］，RP被合理地視為混凝土中的輔助粘結材料。同時，在混凝土制備過程中，RP的取代率和中值直徑不應分別超過30%和30 μm。

由Xiao等［12-13］提出的綠色混凝土，即完全再生骨料混凝土（Fully Recycled Aggregate Concrete，FRAC），有兩個明顯的優勢：第一，最大限度地利用Camp;D廢棄物;第二，顯著減少能源消耗和碳排放。后者是因為混凝土生產過程中最大的兩個碳排放源分別是原材料生產（尤其是水泥）和運輸。混凝土在單軸壓縮下的應力-應變行為反映了材料的承載和變形能力［14-16］，這是其安全應用和力學分析的基礎。因此，本文通過試驗研究了FRAC的基本力學性質（抗壓強度和抗拉強度）和單軸壓縮應力-應變曲線。考慮了骨料含量和RP含量對其力學性能的影響。分析了不同混合物的總體曲線和具體特征參數。

1" 材料與方法

1.1" 試驗材料

在本實驗中，粗骨料和細骨料均含有天然骨料和再生骨料。當地建筑材料廠提供的碎石和河砂分別用作天然粗骨料（NCA）和細骨料（NFA）。再生的粗骨料（RCA）和細骨料（RFA）由上海當地的Camp;D廢物回收廠生產。RCA和NCA的最大粗骨料粒徑均為25 mm。NFA和RFA的細度模量分別為3.2和3.4。由于使用了合成級配，NA和RA的級配曲線基本相同，如圖1所示。所有級配曲線均在規范限制范圍內。表1列出了根據標準中推薦的方法確定的骨料物理性質。可以看出，與NA相比，RA的密度較低，吸水率較大，這可以歸因于附著砂漿的存在。

本試驗中，采用普通硅酸鹽水泥（P.O 42.5）作為主要膠結材料。通過進一步研磨RFA制成的再生粉末（RP）被用于部分替代水泥。具體來說，將RFA放入小型球磨機中，并通過研磨介質的自重研磨成細粉。為了使RP的顆粒盡可能細，以提高其活性，但不會過度增加研磨過程的能耗，將RP的研磨時間設置為30 min。通過X射線熒光（XRF）測試了粘合劑的化學成分。表2列出了粘合劑的基本特性。

1.2" 制樣與試驗方法

在保持相同的水膠比（0.45）的情況下，本試驗共設計了七種混凝土混合物，包括四種骨料系統和三種RP含量。前者是指由各種細骨料和粗骨料制備的混凝土混合物，包括NFA和NCA（天然骨料混凝土，NAC），NFA和RCA（全粗再生骨料混凝土，FCRAC），RFA和NCA（全細再生骨料混凝土，FFRAC），RFA和RCA（全再生骨料混凝土，FRAC）。為了確保不同的混凝土混合物具有相同的體積，按體積將NAs替換為RAs。后者表示FRAC加入不同含量的RP以代替水泥（按重量計），包括10%（FRAC-10）、20%（FRAC-20%）和30%（FRAC-30%）。

由于RAs由于多孔性而具有高吸水性，因此通常需要在RAs預飽和或額外混合水的情況下生產RAC，以滿足新鮮混合物的可加工性。考慮到RAs的高含量和預飽和RFA的困難，在空氣干燥條件下用骨料制備RAC。為了獲得一致且合適的和易性（坍落度100 mm±20 mm），對每種混合物的高效減水劑含量進行了調整。估計混凝土混合物的空氣含量約為1.5%。

建筑設備與建筑材料姜潤昱， 江登洪， 孟楠： 不同骨料含量對全再生骨料混凝土性能試驗研究

在本試驗中，制備混凝土混合物的程序參考了兩階段攪拌法。首先是在混合器中混合粗骨料和細骨料30 s，然后添加一半所需的水并與骨料混合，攪拌60 s后，加入水泥和高效減水劑，攪拌30 s，最后加入剩余的一半水，攪拌時間設定為120 s。將新拌混凝土澆筑在相應的塑料模具中，并通過振動臺壓實。在室溫下儲存1天后，樣品在飽和氫氧化鈣溶液中脫模并固化。

在每批中，分別鑄造12個立方體（100 mm×100 mm×100 mm）和3個棱柱體（100 mm×100 mm×300 mm），以測量抗壓強度和抗拉強度，并進行單軸抗壓應力-應變測試。通過在2 000 kN液壓試驗機上以5 kN/s的速率加載試樣（無伺服控制）來測量抗壓強度。對于劈裂拉伸試驗，在上下壓板和試樣之間填充弧形鋼墊塊和墊條，然后在100 kN電子萬能試驗機上以0.78 kN/s的速度加載試樣。

2" 結論與分析

2.1" 試樣的抗壓強度

每種混凝土混合物在第7天和第28天的立方體抗壓強度fcu如圖2所示，與NAC的28d fcu相比，FCRAC、FFRAC和FRAC的fcu分別減少了約19.0%， 25.9%和28.6%。強度下降的主要原因是：（1）具有RAs的混凝土混合物中的自由水含量較高，需要獲得與NAC相似的和易性，從而增加混合物的有效水膠比；（2） RAs中粘附的砂漿和更多孔的微觀結構，導致界面過渡區較差。以壓裂的28d fcu為參考強度，FCRAC和FFRAC的強度降低了13.3%和3.7%。這表明RFA對fcu的削弱作用大于RCA。

如圖2所示，隨著RP含量從10%增加到30%，28d fcu約減少分別為4.3%， 6.9%和11%。這表明，加入低含量RP對混凝土強度的影響有限，但隨著RP含量的增加，強度下降更為明顯。這可以歸因于通過添加RP而不是水泥來減少水化產物。在所有研究的混凝土配合比中，28 d fcu基本滿足C30（38 MPa）的制備強度要求，這考慮了混凝土強度的標準偏差。如果RP含量大于30%，則強度將不再滿足要求。

關于fcu的發展，從圖2中可以看出，僅含有RAs的混凝土的7 d到28 d fcu比率（約91.3%）明顯大于NAC（約83.6%），表明RAC具有高早期強度的特點。然而，如圖2所示，對于具有不同RP含量的所有混合物，與28 d的 fcu相比添加RP可以顯著減少7 d 的fcu。這可以解釋為，存在一些惰性粒子在RP中，導致RP的反應性低，混合物的早期強度較低。隨著養護時間的增加，在較小RP摻入量下，具有填充和火山灰效應的SiO2含量增加對混凝土強度起到積極作用。因此，在本研究中，在置換率范圍內，RP對混凝土28 d的 fcu的影響有限，需要進一步研究。

2.2" 試樣的抗拉（劈裂）強度

圖3顯示了每種骨料含量混凝土在第7天和第28天的劈裂抗拉強度ft，除NAC的較高值外，所有混合物的7 d的 ft幾乎相同。然而，考慮到測試結果的離散性，FCRAC、FFRAC和FRAC的28 d的 ft與NAC相似，而FRAC-10、FRAC-20和FRAC-30的28 d ft較低。這表明RAs的加入對混凝土的 ft影響有限，而RP的加入具有不利影響。這可能是因為在含有RP的混合物中存在有害的RP顆粒-水泥漿界面區，該界面區由裂縫和多孔骨架組成，因此對拉伸性能有負面影響。此外，與抗壓強度相比，混凝土的抗拉強度和彎曲強度損失對摻入RA的敏感性較低。

2.3" 骨料含量對特征指數的影響

根據試驗結果，圖4顯示了每種混合物的應力-應變曲線的特征指數，包括峰值應力（σcp）、峰值和極限應變（εcp和εcu）、割線和彈性模量（eSec和Ec）。將峰值應力和峰值應變作為峰值處的軸向應力和相應的應變。峰值后50%峰值應力水平的軸向應變為極限應變。割線和彈性模量分別是從原點到峰點的直線和從原點到對應40%峰值應力點的直線的斜率。

如圖4（a）所示，峰值應力（即平均軸向抗壓強度FCM）隨著回收原材料的加入而降低。與NAC的FCM相比，FCRAC、FFRAC和FRAC的FCM分別降低了約18.5%、26.2%和28.5%，表明摻加RFA對混凝土強度的影響比摻RCA更不利。與FRAC-10、FRAC-20和FRAC-30相比，FRAC-10、FRAC-20和FRAC-30的FCM分別降低了10.2%、17.4%和20.2%。

從圖4（b）可以看出，所有混凝土混合料的峰值應變幾乎等于0.002左右。然而，極限應變隨著RAS的加入而略有下降，隨著RP的加入而增加。NAC的極限應變最高（約0.003 2），FRAC的峰值應變最小（約0.002 9），這表明摻加RAS會降低混凝土對變形的適應能力。除NAC的極限應變與峰值應變之比約為1.54外，其余混凝土的極限應變與峰值應變之比約為1.33。

圖4（c）顯示了所有混合料的割線和彈性模數，這是反映混凝土材料變形能力的重要指標。在添加不同的再生骨料時，兩者具有相似的變化規律。

3" 結論

本文進行了一項實驗研究分析了不同骨料含量對全再生骨料混凝土壓裂的力學性能和單軸壓縮應力-應變行為的影響。該研究主分析了RA系統和RP含量的不同對FRAC性能的影響。根據研究結果，可以得出幾點結論。

（1）FCRAC、FFRAC和FRAC的fcu比NAC分別減少約19.0%，25.9%和28.6%。RAs的加入降低了混凝土的fcu，RFA比RCA有更不利的影響。隨著RP含量從10%增加到30%，劈裂試樣的fcu降低約4.3%，6.9%和11%。與fcu相比，RAs的加入對混凝土的ft影響較小，而RP的加入具有不利影響。

（2）隨著再生骨料的加入，σcp降低，而εcp和εcu幾乎保持不變（分別約為0.002和0.003）。Esec和Ec在不同類型的混凝土中具有相似的變化規律。與NAC的Ec相比，FCRAC、FFRAC和FRAC的Ec降低了約24.5%，27.2%和33%。隨著RP含量從10%增加到30%，劈裂試樣的Ec分別降低了5.3%，10.3%和21.6%。

該研究分析了全再生骨料混凝土骨料含量對其力學性能的影響。表明，再生骨料降低混凝土的fcu，RP含量的增加對混凝土抗拉強度降低效果顯著。目前的研究重點是不同骨料含量的影響。該研究有待進一步展開對混凝土的耐久性、穩定性及溫度響應的探究。此外，研究因素的作用機理以及本構關系也需要進一步研究。

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