曹鑫鋮，金寶宏，宋牧原，謝 鑫

(寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021)

1 研究背景

混凝土的早期塑性開裂是現(xiàn)代混凝土建設(shè)工程中一直存在的普遍現(xiàn)象，裂縫的防治同時也成為施工過程中至關(guān)重要的一點。在早期水泥水化的過程中，混凝土內(nèi)部孔隙水分減少產(chǎn)生壓力，引起混凝土自行收縮而產(chǎn)生裂縫，再生粗骨料自身強度低、表面粗糙、吸水率高等缺點，使得再生混凝土的這種收縮明顯高于普通混凝土[1]，進(jìn)而早期塑性開裂更為明顯[2]。自密實混凝土是一種低水膠比、高流動性、只需在自身重力作用下即可密實填充全部模板的混凝土，自密實再生混凝土則是利用再生粗骨料替代天然粗骨料配制的具有自密實混凝土諸多特點的新型綠色混凝土。為了改善再生粗骨料的諸多缺點對自密實再生混凝土抗開裂的影響，采用水泥漿對再生粗骨料表面進(jìn)行裹漿處理，既可彌補骨料內(nèi)部的微裂縫，也可改善骨料表面的粗糙程度，提高再生骨料的性能，進(jìn)一步抑制混凝土的早期塑性開裂。

針對提高再生混凝土的抗開裂能力，近年來國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究。聚丙烯纖維、玻璃纖維等纖維材料的適量摻入，減弱了再生混凝土的收縮，抑制裂縫的產(chǎn)生，增強抗開裂能力[3-5]；粉煤灰等礦物摻合料有效地優(yōu)化再生混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高整體密實性，延緩裂縫的產(chǎn)生[6-7]；霍俊芳等[8]通過采用等體積砂漿法配置再生混凝土，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)方法相比，裂縫開裂面積出現(xiàn)一定程度的降低，且隨著再生粗骨料替代率的增加，降低幅度更大。目前提高再生混凝土抗開裂能力的方式有很多，但在改善骨料方面的研究相對較少，因此本文研究了不同強度等級下水泥漿包裹的再生粗骨料對自密實混凝土開裂性能的影響，為抑制再生混凝土開裂提供一定的理論基礎(chǔ)。

2 試驗設(shè)計

2.1 原材料

水泥選用寧夏賽馬水泥廠生產(chǎn)的32.5R、42.5R及52.5R普通硅酸鹽水泥，粉煤灰選用寧夏錦泰新材料有限公司生產(chǎn)的一級灰，砂為人工水洗中砂，天然粗骨料為5～20 mm粒徑的人工碎石，再生粗骨料為廢棄路沿石混凝土，機械破碎后篩選出5～20 mm粒徑顆粒，水為自來水，減水劑采用北京慕湖公司生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑。

采用水膠比為0.5的不同強度等級的水泥漿對再生粗骨料進(jìn)行包漿處理，其中粉煤灰摻量為膠凝材料的30%，將包漿后的骨料置于室內(nèi)晾干，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境，待28 d后取出晾干備用，各性能指標(biāo)見表1。再生粗骨料實物如圖1所示，包漿再生粗骨料截面如圖2所示。

表1 粗骨料的基本性能Table 1 Basic properties of coarse aggregates

圖1 再生粗骨料Fig.1 Recycled coarse aggregates

圖2 包漿再生粗骨料截面Fig.2 Section of the surface-coating of recycled coarseaggregate

2.2 方案設(shè)計

正交試驗選取粉煤灰摻量、包漿水泥強度、再生粗骨料替代率及減水劑摻量4個因素(以下分別用A、B、C、D來指代)，每個因素4個水平，共16組試驗研究混凝土的抗壓與抗折強度，進(jìn)一步得出最優(yōu)配比方案。因素水平見表2。在此基礎(chǔ)上，為了詳細(xì)研究骨料包漿對混凝土早期塑性開裂的影響，以包漿水泥強度等級為變量，控制其他因素不變，設(shè)計了5組試驗，配合比見表3。其中“NSCC”代表普通自密實混凝土，為基準(zhǔn)組；“RSCC”代表未包漿自密實再生混凝土；RSCC-32.5R、RSCC-42.5R、RSCC-52.5R分別代表用強度等級32.5R、42.5R、52.5R的水泥包漿的自密實再生混凝土。

表2 因素水平Table 2 Factor levels

2.3 裂縫評價指標(biāo)

試驗采用刀口約束法來研究混凝土早期塑性開裂性能，試驗裝置為600 mm×600 mm×100 mm的鋼制平板模具，如圖3所示，內(nèi)部存在5根裂縫誘導(dǎo)器，可預(yù)測裂縫產(chǎn)生位置，方便數(shù)據(jù)處理。為了減少再生骨料吸水率高的影響，本試驗采用飽和面干法攪拌混凝土，即攪拌前在水中浸泡再生骨料到飽和后取出晾曬，待骨料表面水分晾干后立即用于混凝土的拌制。試件在溫度為(20±2) ℃、相對濕度為(60±5)%的恒溫恒濕環(huán)境下澆筑，因其為自密實混凝土，不需振搗，澆筑完抹平即可，如圖4所示。在平行試件表面和裂縫誘導(dǎo)器的方向設(shè)置風(fēng)速為(5±0.5)m/s的風(fēng)扇，記錄首條裂縫的出現(xiàn)時間，24 h后通過ZT501裂縫測寬儀觀測裂縫開展情況，如圖5所示。

表3 混凝土配合比

圖3 平板抗裂試驗?zāi)＞逨ig.3 Mold in slab test

圖4 混凝土板試件Fig.4 Concrete slab test pieces

圖5 裂縫及其觀測裝置Fig.5 Crack observation device

采用每條裂縫平均開裂面積、單位面積裂縫數(shù)目、單位面積總開裂面積及裂縫變異系數(shù)作為裂縫的評價指標(biāo)[9]，見式(1)—式(4)。

每條裂縫平均開裂面積為

(1)

單位面積裂縫數(shù)目為

b=N/A。

(2)

單位面積總開裂面積為

c=ab。

(3)

裂縫變異系數(shù)[5]為

(4)

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 正交試驗分析

混凝土的工作性能及力學(xué)性能試驗結(jié)果見表4。

表4 混凝土正交試驗結(jié)果Table 4 Result of orthogonal test of concrete

自密實混凝土工作性能規(guī)定[10]，坍落擴展度分為3個等級：Ⅰ級為550～650 mm，Ⅱ級為650～750 mm，Ⅲ級為750～850 mm。由表4可知，所有組的坍落擴展度均達(dá)到了Ⅰ級，部分組達(dá)到Ⅱ級，其中第6組擴展度最大，為735 mm，但是在試驗過程中該組出現(xiàn)了骨料中間堆積、四周泌水嚴(yán)重的現(xiàn)象。再生粗骨料替代率低，骨料吸水較弱，同時減水劑摻量最大，故導(dǎo)致泌水現(xiàn)象產(chǎn)生。出現(xiàn)此現(xiàn)象的混凝土是達(dá)不到自密實混凝土工作性能要求的。

由表5可知，各因素對混凝土抗壓強度的影響次序為：包漿水泥強度>粉煤灰摻量>再生粗骨料替代率>減水劑摻量，最優(yōu)選水平為A1B3C2D2；各因素對混凝土抗折強度的影響次序為：粉煤灰摻量>包漿水泥強度>再生粗骨料替代率>減水劑摻量，最優(yōu)選水平為A1B3C3D2。鑒于再生粗骨料自身存在諸多缺陷，選取替代率相對較少的C2(20%)為最優(yōu)選，因此混凝土的最優(yōu)配比方案為粉煤灰摻量25%、包漿水泥強度42.5R、再生粗骨料替代率20%和減水劑摻量0.9%。

表5 極差分析Table 5 Range analysis

選取包漿水泥強度因素影響下各水平的強度平均值，繪制出圖6。由圖6可知，骨料經(jīng)過32.5R、42.5R及52.5R水泥包漿后，抗壓強度分別提高了6.1%、11%、6.4%，抗折強度分別提高了5.5%、8.8%、1.9%，其中42.5R水泥的包漿效果相對最好。這是因為包漿所用的水泥漿經(jīng)過水化反應(yīng)，生成水化硅酸鈣等物質(zhì)，彌補了再生骨料內(nèi)部的微小裂縫及孔洞，優(yōu)化了孔隙結(jié)構(gòu)，增強了骨料的密實性，同時改善了骨料的表面粗糙程度，加強了其與新水泥砂漿的黏聚力，提高了混凝土強度。

圖6 骨料包漿對混凝土強度的影響Fig.6 Influence of surface-coating cement slurryof aggregate on concrete strength

圖7 平板開裂示意圖Fig.7 Schematic diagram of cracks in plates

3.2 混凝土抗開裂性能分析

試件在約2 h后開始產(chǎn)生裂縫，24 h后觀測各試件的裂縫開展情況，圖7為3個試件的平板開裂示意圖。根據(jù)平板模具的5根誘導(dǎo)器，將裂縫編號No.1—No.5，具體裂縫的長度、最大寬度及裂縫評價指標(biāo)見表6、表7。

由圖8(a)可知，摻有再生骨料的RSCC、RSCC-32.5R、RSCC-42.5R、RSCC-52.5R 4組混凝土的初裂時間明顯低于基準(zhǔn)組NSCC，分別減少了33.1%、21.8%、15.0%、25.6%，這說明再生骨料降低了混凝土的早期塑性抗裂能力，使得混凝土更易產(chǎn)生開裂。但是再生骨料經(jīng)過水泥漿包裹處理之后的RSCC-32.5R、RSCC-42.5R、RSCC-52.5R三組，與未包裹的RSCC組相比，初裂時間有不同程度的增加，分別增加16.9%、27.0%、11.2%，這說明再生骨料表面包裹水泥漿后，骨料性能得到改善，增強了混凝土的抗裂能力，雖然達(dá)不到天然骨料的效果，但是相比未包裹的再生骨料，顯著地抑制了混凝土開裂。同時未包裹的RSCC組混凝土板的裂縫最大寬度明顯寬于其他組(見圖8(b))，這也說明了上述結(jié)論。

表6 裂縫尺寸Table 6 Size of cracks

表7 裂縫評價指標(biāo)(平均值)Table 7 Evaluating indicators of cracks (average values)

圖8 包漿水泥強度對混凝土抗開裂性能的影響Fig.8 Effect of the strength of the surface-coating slurry cement on cracking resistance of concrete

由圖8(c)可知，摻有再生骨料的4組混凝土每條裂縫的平均開裂面積和單位面積總開裂面積較基準(zhǔn)組均存在明顯增加的現(xiàn)象，RSCC組增加最為明顯，二者均增加48%左右，RSCC組達(dá)到了NSCC組的1.5倍。經(jīng)過包漿處理的RSCC-32.5R、RSCC-42.5R、RSCC-52.5R 3組較未包漿的RSCC組，平均開裂面積分別減少了21.0%、25.1%、30.5%，單位面積總開裂面積分別減少了11.1%、25.1%、13.1%。這也同樣說明了再生骨料經(jīng)過包漿后，增強了骨料性能，進(jìn)而提高了混凝土的抗裂能力。而每組試驗的單位面積裂縫數(shù)目變化不是很明顯，無法由此分析各組混凝土板的抗裂能力，這是因為試驗采用的刀口約束法的模具只存在5根裂縫誘導(dǎo)器，誘導(dǎo)的裂縫數(shù)量較少，局限性較大。

變異系數(shù)可用來反映數(shù)據(jù)的離散程度，是概率分布離散程度的歸一化量度。本試驗將同組的平板上10條裂縫的每條開裂面積作為樣本，計算裂縫的變異系數(shù)，在一定程度上反映裂縫在平板上的分布情況，如圖8(d)所示?？梢钥闯鯮SCC-42.5R組的變異系數(shù)最低，為0.6；RSCC組變異系數(shù)最高，為0.86。這說明前者平板上的裂縫開裂面積及分布較為均勻，離散程度小，后者離散程度較大。從圖7(制圖時裂縫寬度均為每條裂縫的最大寬度)也可看出，RSCC組的No.2裂縫開裂寬度明顯大于其他裂縫，離散性較大，而另外2組的裂縫開裂寬度相差不大，離散程度較小。因此說明骨料包漿可降低混凝土板裂縫開裂的離散程度，有利于裂縫均勻分布，間接提高了混凝土板的抗開裂能力。

綜上所述，從裂縫的初裂時間、最大寬度、評價指標(biāo)以及變異系數(shù)進(jìn)行整體分析，骨料包漿確實可以不同程度地提高板的抗開裂能力，其中效果最顯著的為采用42.5R水泥包漿的再生骨料。

3.3 微觀分析

圖9為普通混凝土NSCC、再生混凝土RSCC和包漿再生混凝土RSCC-42.5R掃描電鏡下的微觀結(jié)構(gòu)。熟料礦物C3S經(jīng)過水化后生成的層狀Ca(OH)2晶體、未水化的球狀粉煤灰顆粒，以及二者在水化過程中反應(yīng)生成的不規(guī)則膠狀物質(zhì)水化硅酸鈣C-S-H。從圖9(a)可見，骨料與漿體的界面結(jié)合緊密，孔洞較少，其原因為Ca(OH)2晶體和C-S-H等水化產(chǎn)物相互粘結(jié)，彌補了孔隙，形成較為密實的整體結(jié)構(gòu)。相比之下，RSCC組再生骨料表面殘留的舊水泥漿體與新水泥漿體粘結(jié)能力差，導(dǎo)致界面區(qū)出現(xiàn)明顯的裂縫，且裂縫中水化產(chǎn)物較少，如圖9(b)所示。這種界面區(qū)即為再生混凝土中最常見的再生骨料與漿體界面薄弱區(qū)，往往是混凝土受力時裂縫的發(fā)源地。從圖9(c)可見，骨料與漿體的界面區(qū)不存在明顯裂縫，只是骨料自身存在一些微小裂縫，這是再生骨料機械破碎作用下產(chǎn)生的，但是裂縫中充滿了Ca(OH)2晶體和C-S-H等水化產(chǎn)物，其原因為再生骨料經(jīng)過事先包漿處理，水泥漿的水化產(chǎn)物對骨料內(nèi)部的微裂縫進(jìn)行了彌補，同時覆蓋再生骨料表面，改善了其粗糙程度，使其與砂漿的結(jié)合更加緊密。綜上所述，從微觀層面可以得出，RSCC組的抗裂性能差主要是因為骨料與漿體界面過渡區(qū)薄弱，存在微小裂縫，更易受到破壞。再生骨料經(jīng)過包漿處理后，改善了骨料與砂漿的界面過渡區(qū)，進(jìn)而達(dá)到了提高混凝土抗裂性能的效果。

圖9 不同混凝土的微觀結(jié)構(gòu)Fig.9 Micro-structure of different concretes

4 機理分析

正常情況下，再生骨料在混凝土中與膠凝材料的界面過渡區(qū)存在2種形式[11]：一種為再生骨料與表面殘留水泥漿體的舊界面過渡區(qū)，再生骨料在制備的過程中通常采用機械破碎的方法，因此會造成骨料內(nèi)部及舊界面過渡區(qū)產(chǎn)生微小裂縫，導(dǎo)致再生骨料孔隙率大，吸水率高，相較于天然骨料更易造成混凝土開裂；另一種為再生骨料表面殘留砂漿與新膠凝材料的過渡區(qū)，這種新過渡區(qū)粘結(jié)能力差，比較薄弱，容易產(chǎn)生裂縫，造成混凝土開裂。

骨料經(jīng)過水泥漿包裹處理后，一方面可以在一定程度上修補再生骨料內(nèi)部及舊過渡區(qū)的微小裂縫，另一方面水泥水化生成大量的水化硅酸鈣和鋁酸鈣，增強粘結(jié)力，使得再生骨料的表面更加致密，達(dá)到改善骨料性能的效果，進(jìn)而提高混凝土的抗開裂能力。但不同強度等級水泥包漿的骨料，性能是有一定差別的。在本試驗中52.5R水泥因比表面積相對較大，導(dǎo)致水泥凈漿黏稠，在骨料包漿時，容易造成包漿厚度不均；32.5R水泥漿相對稀薄，骨料表面的包裹層較?。幌啾容^之下42.5R水泥漿包裹效果更好，故從試驗數(shù)據(jù)也可看出RSCC-42.5R組混凝土的抗開裂能力最優(yōu)。

5 結(jié) 論

(1)再生骨料經(jīng)過水泥包漿后，混凝土的抗壓與抗折強度均得到不同程度的提高，其中42.5R水泥包漿的再生骨料混凝土強度提高最大。

(2)再生混凝土相較于普通混凝土，縮短了裂縫的初裂時間，加快了混凝土的開裂，且RSCC組單位面積總開裂面積達(dá)到了NSCC組的1.5倍。

(3)骨料包漿可以有效地抑制自密實再生混凝土的開裂，不同強度水泥包漿，效果也有差別。經(jīng)過32.5R、42.5R、52.5R水泥包裹處理的3組混凝土相較于未包裹的RSCC組，單位面積總開裂面積分別減少了11.1%、25.1%、13.1%，其中42.5R水泥的包漿效果最好。

(4)通過掃描電鏡可以得出：再生骨料經(jīng)過包漿后，水泥的水化產(chǎn)物一方面彌補了骨料內(nèi)部裂縫，另一方面改善了表面粗糙程度，使骨料與砂漿的界面過渡區(qū)更加密實，進(jìn)而提高了混凝土的抗開裂能力。