陳海玉，徐福衛(wèi)

(湖北文理學院 土木工程與建筑學院，湖北 襄陽 441053)

自1824年波特蘭水泥問世至今，混凝土由于具有眾多的優(yōu)越性而成為建筑行業(yè)使用最廣泛和用量最大的建筑材料之一. 2015年1月在北京公布的《我國建筑垃圾資源化產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告(2014年度)》[1]顯示，2014年我國廢棄混凝土就超過了15億噸，隨著城鎮(zhèn)化進行和基本建設(shè)步伐的加快，預計到2020年廢棄混凝土將會更多，建筑垃圾圍城的現(xiàn)象日趨嚴重. 混凝土公路建設(shè)需要大量的砂石、骨料作為原料，將廢棄混凝土破碎、篩分，選取品質(zhì)好的粗骨料或細骨料摻入天然骨料中生產(chǎn)路面再生混凝土，達到廢棄混凝土的資源化利用是解決建筑垃圾圍城的有效措施.

與普通混凝土相比，再生混凝土由于摻加了再生骨料，再生骨料的性能不如天然骨料，內(nèi)部存在著不少缺陷，如吸水率大、表面附著的砂漿存在微裂紋等，所以其吸水率和孔隙率都較大，抗壓強度也較同強度普通混凝土要低，抗凍耐久性差，這些缺陷嚴重制約其推廣和應用. 我國秦嶺淮河以北廣大地區(qū)屬于典型的季節(jié)性冰凍區(qū)，占國土面積的53.5%[2]，冰凍損害是影響這些區(qū)域混凝土路面耐久性的重要原因之一，因此加強再生混凝土抗凍耐久性的研究十分必要.

試驗配置了再生骨料摻量為0、20%、30%和50%的再生混凝土，通過對比凍融試驗，分析凍融循環(huán)對再生混凝土孔結(jié)構(gòu)的影響，以及孔結(jié)構(gòu)的變化對再生混凝土強度的影響.

1 材料及方法

1.1 試驗材料

水泥選用華新堡壘牌P.C42.5R普通硅酸鹽水泥，細骨料采用標準砂，細度模數(shù)2.58，天然粗骨料為5～25mm的卵石，再生粗骨料為2.5～25mm的碎石，再生粗骨料的級配有關(guān)標準[3-4]的規(guī)定，如圖1所示.

圖1 再生粗骨料級配

1.2 配合比設(shè)計

采用對比試驗，配置再生骨料摻量為0、20%、30%和50%的再生混凝土，分別為為NCA、RC20、RC30和RC50. 根據(jù)文獻[5]相關(guān)規(guī)定，經(jīng)過多次試做試驗，最終確定再生混凝土配合比(如表1所示)，實驗中粗、細骨料都是天然含水率.

表1 再生混凝土配合比

1.3 實驗方法和步驟

實驗測定再生骨料摻量為0、20%、30%、50%再生混凝土的各項基本性能，并采用蘇州紐邁分析儀器股份有限公司生產(chǎn)的紐邁-MesoMR型核磁共振波譜儀掃描測定混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，具體步驟如下：

1.3.1 普通混凝土實驗(再生骨料摻量為0的再生混凝土)用河南鴻福機械設(shè)備有限公司生產(chǎn)的輪碾立式-TJ2000型混凝土攪拌機進行拌和混凝土15min. 按規(guī)范測定混凝土的塌落度，在標準養(yǎng)護室養(yǎng)護28d后測定孔隙率、孔徑分布和抗壓強度.

1.3.2 再生混凝土實驗將從濱江路改造中收集來的廢棄混凝土用南昌市力源礦冶設(shè)備有限公司生產(chǎn)的力源牌HPEF-125×100環(huán)保型鄂式破碎機破碎，再用2.5～25mm不同孔徑的篩篩分(篩分后的再生粗骨料級配情況如圖1所示)，保留5～25mm大顆粒，用水沖洗、晾干，作為再生粗骨料使用. 按照20%、30%和50%比例用再生骨料替代天然骨料摻入進行混凝土配置、拌和、制備后養(yǎng)護28d，測定再生混凝土的孔隙率、孔徑分布和抗壓強度.

1.3.3 混凝土凍融實驗采用《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中的快凍法，使用中國建筑科學研究院研制的CABR-HDK型混凝土快速凍融試驗機進行凍融實驗. 實驗開始前，將養(yǎng)護28d的混凝土試塊放入水中浸泡4d至恒重，凍融循環(huán)溫度為-20～5℃，每50次凍融循環(huán)測定一次孔隙率、孔徑分布和抗壓強度.

2 實驗結(jié)果及分析

實驗測定了養(yǎng)護28d凍融實驗前和凍融循環(huán)50次、100次、200次后試件的孔隙率、孔徑分布和抗壓強度.

2.1 孔隙率的變化對再生混凝土抗壓強度的影響

采用紐邁-MesoMR型核磁共振波譜儀掃描測定試塊的孔隙率和孔徑分布(如圖2所示). 可以看出，再生粗骨料由于骨料表面包裹了一層老砂漿，破碎時老砂漿內(nèi)部存在一定的損傷，孔隙率相對較大. 因此，再生混凝土的孔隙率隨再生粗骨料摻量的增加也隨之增加(如圖2(a)所示). 凍融條件下，隨著凍融次數(shù)的增加，混凝土的孔隙率也不斷增加(如圖2(b)所示).

(a)再生骨料摻量 (b)凍融次數(shù)

從圖3和圖4可以很清晰地看出，隨著凍融次數(shù)的增加，孔隙率不斷增大，抗壓強度也不斷降低. 不管是養(yǎng)護28d的凍融前還是凍融以后，混凝土的抗壓強度隨再生粗骨料摻量的增加而逐步降低. 普通混凝土(NCA)和再生混凝土(RC20、RC30、RC50)的抗壓強度隨凍融次數(shù)的增加而降低，但摻入了再生粗骨料的再生混凝土較沒有摻入的普通混凝土抗凍性要差，抗壓強度隨凍融次數(shù)降低更快，特別是凍融100次以后，到200次時，混凝土試件的強度降低非常明顯，幾乎全部失去了承載能力.

圖3 凍融循環(huán)再生混凝土抗壓強度隨孔隙率的變化

圖4 凍融循環(huán)對再生混凝土抗壓強度的影響

2.2 孔徑的變化對再生混凝土抗壓強度的影響

根據(jù)斷裂力學理論[7]，Griffith斷裂臨界應力的計算公式為

(1)

式中，σt為混凝土的斷裂臨界應力，C為臨界裂縫半長，E為混凝土彈性模量，γ為混凝土表面能.

由于混凝土中孔隙的存在，孔隙率P對混凝土基體的彈性模量E0一定會產(chǎn)生影響，實際混凝土的彈性模量為E(p)=E0(1-P). 考慮混凝土孔隙率和孔徑的變化對斷裂表面能的影響，γ(p)=γ0(1-P)，Griffith公式可以改寫成

(2)

(3)

1973年吳中偉院士[5]將混凝土中的孔隙根據(jù)孔徑的大小分為無害孔(0～200?)、少害孔(200～500?)、有害孔(500～2000?)和多害孔(>2000?)等四個級別，以孔的級別來區(qū)分孔隙對混凝土強度的影響.

圖5為凍融循環(huán)對普通混凝土孔徑分布和抗壓強度影響的實驗結(jié)果. 凍融循環(huán)對普通混凝土(NCA)孔徑的影響比較明顯，隨著凍融次數(shù)的增加，孔徑的直徑不斷增大(如圖5(a))，大孔的比例也逐漸增加(如圖5(b))，圖5(a)中孔徑分布規(guī)律符合2分布，等效后的孔徑也不斷增加(如圖5(c))，抗壓強度也不斷降低(如圖5(d)).

圖5 凍融循環(huán)對普通混凝土NCA孔徑分布與抗壓強度的影響

對圖5(c)的數(shù)據(jù)進行回歸分析，可以得到凍融次數(shù)與孔徑變化的擬合曲線方程：

d=2.6194n-17.34

(4)

圖6為凍融循環(huán)對再生骨料摻量為20%的再生混凝土(RC20)孔徑分布和抗壓強度影響的實驗結(jié)果. 對實驗結(jié)果進行分析，凍融循環(huán)再生通混凝土(RC20)孔徑的影響比較明顯，隨著凍融次數(shù)的增加，孔徑的直徑不斷增大(如圖6(a))，大孔的比例增加更快(如圖6(b))，圖6(a)中孔徑分布規(guī)律符合2分布，等效后的孔徑也不斷增加(如圖6(c))，抗壓強度降低更為明顯(如圖6(d)).

圖6 凍融循環(huán)對再生混凝土RC20孔徑分布的變化

對圖6(c)的數(shù)據(jù)進行回歸分析，可以得到凍融次數(shù)與孔徑變化的擬合曲線方程：

d=3.7n-123.335

(5)

圖7為凍融循環(huán)對再生骨料摻量為30%的再生混凝土(RC30)孔徑分布和抗壓強度影響的實驗結(jié)果. 對實驗結(jié)果進行分析，與RC20的再生混凝土相似，凍融循環(huán)再生通混凝土(RC30)孔徑的影響規(guī)律相差不大，隨著凍融次數(shù)的增加，孔徑的直徑不斷增大(如圖7(a))，大孔的比例增加更快(如圖7(b))，圖7(a)中的孔徑分布規(guī)律符合2分布，等效后的孔徑也不斷增加(如圖7(c))，抗壓強度降低更為明顯(如圖7(d)).

圖7 凍融循環(huán)對再生混凝土RC30孔徑分布的變化

對圖7(c)的數(shù)據(jù)進行回歸分析，可以得到凍融次數(shù)與孔徑變化的擬合曲線方程：

d=4.18n-123.57

(6)

圖8為凍融循環(huán)對再生骨料摻量為30%的再生混凝土(RC30)孔徑分布和抗壓強度影響的實驗結(jié)果. 對實驗結(jié)果進行分析，與RC20、RC30的再生混凝土相比，凍融循環(huán)再生通混凝土(RC50)孔徑的影響更為明顯，隨著凍融次數(shù)的增加，孔徑的直徑增大的幅度更大(如圖8(a))，大孔的比例增加較RC20、RC30的更快(如圖8(b))，圖8(a)中孔徑分布規(guī)律也符合2分布，等效后的孔徑同樣增加更明顯(如圖8(c))，抗壓強度降低幅度更快(如圖8(d)).

圖8 凍融循環(huán)對再生混凝土RC50孔徑分布的變化

對圖8(c)的數(shù)據(jù)進行回歸分析，可以得到凍融次數(shù)與孔徑變化的擬合曲線方程：

d=5.04n-102.88

(7)

從圖5—圖8可以看出，不論是普通混凝土還是再生混凝土，在凍融條件下，混凝土在水不斷凍結(jié)和融化的循環(huán)過程中，小孔不斷被破壞、連通，孔徑在不斷變大，混凝土的孔徑分布符合2分布(如圖5—圖8的圖(a)所示)，孔徑分布的均值隨凍融次數(shù)的增加不斷后移，大孔的比例在不斷增加；圖5—圖8的圖(b)中孔徑的分布比例顯示，無害孔和少害孔的比例都在不斷減少，有害孔和多害孔的比例在不斷增加；圖5—圖8的圖(c)中等效孔徑的直徑都在不斷增加，圖5—圖8的圖(d)中抗壓強度隨著等效孔徑不斷增大而不斷降低. 相比普通混凝土，再生混凝土各項指標的變化更為明顯，再生骨料摻量增加，凍融循環(huán)的影響就更為顯著，特別是凍融200次后，試件里的空隙基本上只剩下有害孔和多害孔了.

3 結(jié)果與討論

綜上所述，再生粗骨料的摻入和凍融循環(huán)對再生混凝土的孔隙率、孔徑分布和抗壓強度都有較大影響，1)隨再生粗骨料摻入量的增加，再生混凝土的抗壓強度逐漸降低，孔隙率逐漸增大，等效孔徑也越來越大，抗壓強度也越來越低；2)隨凍融次數(shù)的增加，再生混凝土的抗壓強度逐步降低，再生粗骨料摻量越大，強度降低的幅度越大；混凝土的孔隙率隨之逐步增大，無害孔和少害孔的比例逐漸減少，有害孔和多害孔的比例逐步增加，等效孔徑增大速度更快，抗壓強度降低也更明顯.

從試驗結(jié)果來看，再生粗骨料的摻入和凍融循環(huán)對再生混凝土的力學性能都有影響，凍融循環(huán)影響更為明顯. 若對再生粗骨料不進行強化處理，建議再生混凝土不作為受力結(jié)構(gòu)的混凝土使用，也不建議在凍害比較明顯的環(huán)境中使用，研究結(jié)果可為再生混凝土的研究和推廣使用提供參考.