王祥，郭培璽，謝東武

摘要：為了保證嚴(yán)寒地區(qū)建筑結(jié)構(gòu)的凍融安全性，對(duì)水灰比（W/C）為47%的?；郀t礦渣混合再生骨料混凝土進(jìn)行研究，通過多組試驗(yàn)對(duì)混合混凝土的泌水性、抗壓強(qiáng)度等進(jìn)行評(píng)估，分析混合粒化高爐礦渣的再生骨料混凝土的抗凍融性。結(jié)果表明：1）當(dāng)?；郀t礦渣摻量小于50%時(shí)，其泌水性可保持在0.1 cm3/cm2以下;2）在混凝土的空隙通過性試驗(yàn)中，摻入?；郀t礦渣后，混凝土的間隙通過性突出，抗壓強(qiáng)度低于普通混凝土，但具有足夠的抗凍融性能;3）在配合比設(shè)計(jì)為正常強(qiáng)度范圍的混凝土中，利用?；郀t礦渣取代50%以下的碎砂的再生骨料混凝土具有足夠的泌水性、抗壓強(qiáng)度，以及抗凍融性能?；旌狭；郀t礦渣的再生骨料混凝土可用于在高寒地區(qū)進(jìn)行的工程建設(shè)，研究成果可有效提高高寒地區(qū)建筑物的抗凍融性并延長其使用壽命，可為高寒地區(qū)工程項(xiàng)目中抗凍融混凝土的制備提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：混凝土與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu);再生骨料;?；郀t礦渣;泌水性;抗凍融性

中圖分類號(hào)：TU411.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.7535/hbgykj.2021yx05002

Research on freeze-thaw resistance of recycled concrete with

granulated blast furnace slag

WANG Xiang1，GUO Peixi2，XIE Dongwu3

（1.Sichuan-Tibet Railway Company Limited，Chengdu，Sichuan 610094，China;2.Shaanxi Key Laboratory of Safety and Durability of Concrete Structures，Xi′an，Shaanxi 710123，China;3.College of Civil Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China）

Abstract：In order to ensure the structural freeze-thaw safety of buildings in severe cold areas，the granulated blast furnace slag mixed recycled aggregate concrete with a W/C （water-cement ratio） of 47% was studied.Through multiple sets of tests，the bleeding and compressive strength of the mixed concrete were evaluated，and the freeze-thaw resistance of recycled aggregate concrete mixed with granulated blast furnace slag was analyzed.The results show that：1） when the granulated blast furnace slag content is less than 50%，its bleeding can be kept below 0.1 cm3/cm2;2） in the filling performance test of concrete，after adding granulated blast furnace slag，the interstitial passability of the concrete is outstanding，the compressive strength is lower than that of ordinary concrete，but it has sufficient freeze-thaw resistance;3） when the mix ratio of concrete is designed in the normal strength range，granulated blast furnace slag is used to replace the broken sand（ less than 50%），which has sufficient performance of bleeding，compressive strength，and freeze-thaw resistance.Recycled aggregate concrete mixed with granulated blast furnace slag can be used for engineering construction in high-cold areas，the results can effectively improve the freeze-thaw resistance of the building in high-cold areas and extend its service life，which also provide a certain reference for the preparation of freeze-thaw-resistant concrete in high-cold areas.

Keywords：concrete and reinforced concrete structures;recycled aggregate;granulated blast-furnace slag;bleeding;freeze-thaw resistance

隨著工程建設(shè)的快速發(fā)展，對(duì)混凝土骨料的需求量日趨增大，天然骨料開發(fā)難以滿足工程需求，同時(shí)過度開發(fā)也會(huì)帶來對(duì)生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重破壞。當(dāng)前工程上主要采用粉煤灰（FA）[1-2]、高爐礦渣（GGBS）[3]、再生細(xì)骨料（RFA）[4]等混合制備混凝土。相關(guān)研究顯示，粉煤灰可以改變混凝土的可加工性能和耐久性能[5-6]，高爐礦渣可以降低間隙率并提高混凝土的耐腐蝕性[7-8]。

混凝土再生骨料可分為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類，現(xiàn)階段對(duì)再生骨料混凝土特性已有一定的研究[9-10]，在工程中也在不斷推廣和使用。JGJ/T 240-2011《再生骨料應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》規(guī)定Ⅰ類再生骨料可用于配制各種強(qiáng)度等級(jí)的混凝土。Ⅱ類、Ⅲ類造價(jià)相對(duì)Ⅰ類較低，制備出的混凝土抗壓強(qiáng)度、抗凍融性等相關(guān)性能均呈現(xiàn)出下降趨勢(shì) [11]。目前，對(duì)再生骨料的研究主要集中在高強(qiáng)度混凝土（混凝土立方體抗壓強(qiáng)度為C60及其以上），即原高強(qiáng)度混凝土被粉碎，除去鐵屑和木屑后進(jìn)行篩選，密度符合再生骨材Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)，其吸水率僅能達(dá)到Ⅱ類骨料標(biāo)準(zhǔn)。將粗骨料粉碎成為再生細(xì)骨料后，再混合?；郀t礦渣，在特定水灰比（W/C）為39%下能得到較高的抗凍融性[12]。目前，對(duì)混合?；郀t礦渣的再生骨料混凝土研究主要集中在混凝土強(qiáng)度方面，并沒過多地對(duì)其抗凍融性進(jìn)行研究。本文對(duì)混合高爐礦渣的再生骨料混凝土的泌水性、間隙通過性、抗壓強(qiáng)度和抗凍融性等特性進(jìn)行研究，以為中國嚴(yán)寒地帶的再生骨料混凝土制備提供參考。

1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1材料及混凝土的配方

?；郀t礦渣（以下稱為BFS）采用BFS-S105和BFS-S75 2種型號(hào)。試驗(yàn)采用骨料的粒徑分布如圖1所示。再生粗骨料（以下稱為RG）是將老舊基礎(chǔ)的預(yù)應(yīng)力混凝土管樁進(jìn)行粉碎、清洗、篩分后采集而來，其粒徑分布與普通碎石（以下稱為G）相同。試驗(yàn)材料的物理性質(zhì)如表1所示。

混凝土的混合比如表2所示，控制水灰比為47%。樣品N表示僅使用普通碎石和碎砂作為骨料的混凝土樣品; 樣品R表示用普通碎砂和再生粗骨料（以下簡(jiǎn)稱RG）作為骨料的混凝土樣品;樣品BFS-S75-50前面的“BFS-S75”表示?；郀t礦渣型號(hào)，“50”表示的是?；郀t礦渣（BFS-S75）對(duì)天然細(xì)骨料的取代率;樣品BFS-S105-50R，最后一個(gè)“R”表示的是再生粗骨料?；炷翗悠返闹苽涫峭ㄟ^采用雙軸強(qiáng)制式混合機(jī)將材料攪拌3 min進(jìn)行制備的。

1.2試驗(yàn)方法

研究基于GB 50204-2015《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》[13]和GB 50107-2010《混凝土強(qiáng)度檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》[14]對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行坍落度試驗(yàn)，含氣量試驗(yàn)根據(jù)JGJ 55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[15]進(jìn)行總校正系數(shù)分析。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用再生粗骨料作為粗骨料，采用BFS作為細(xì)骨料進(jìn)行混合時(shí)，不論混合比例如何，骨料校正系數(shù)均為1.0%。 因此，實(shí)際的再生粗骨料含氣量是減去骨料校正系數(shù)1.0%而得到的含氣量[15]。

1）泌水試驗(yàn)

泌水試驗(yàn)參照交通部JTG 3420-2020《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[16]進(jìn)行試驗(yàn)。

2）間隙通過性分析

根據(jù)GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[17]進(jìn)行間隙通過性分析，測(cè)試設(shè)備的示意圖如圖2所示。

試驗(yàn)過程如下：將箱型容器水平放置在防振墊上，樣品分3層包裝置于在A室中并關(guān)閉隔板。輕輕搖動(dòng)箱型容器3次，使圖中B室的丙烯酸板側(cè)朝前。隨后將A室的上表面材料抹平，將插入式振動(dòng)器（Φ28 mm，頻率為220～270 Hz）從A室底部開始上移到100 mm處，升高隔板并用棒狀內(nèi)部振動(dòng)器進(jìn)行振動(dòng)，并將樣品填充到B室一側(cè)。通過目測(cè)確認(rèn)樣品在B室最高填充高度達(dá)到190 mm和300 mm時(shí)，分別記錄時(shí)間（用T190，T300表示），并通過式（1）計(jì)算通過速度。

Vpass=300-190T300-T190。（1）

3）抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

根據(jù)GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[18]進(jìn)行混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。樣品在水中分別固化7 d和28 d，水溫為（20±2）℃。

4）液氮快速凍融試驗(yàn)

試驗(yàn)采用圖3所示的測(cè)試設(shè)備。在使用液氮進(jìn)行的快速凍融試驗(yàn)（以下簡(jiǎn)稱快速凍融試驗(yàn)）中，將液氮噴灑到樣品上使其冷凍，隨后在45～50 ℃的溫水中浸泡5 min進(jìn)行解凍，從溫水中取出試件并用布?jí)K擦拭表面，在距試件底部5 mm處安裝傳感器，并通過透射法測(cè)量超聲波的傳播時(shí)間，記錄傳感器之間的距離，并計(jì)算了超聲波傳播速度。每次試驗(yàn)作為一次循環(huán)，當(dāng)由式（2）算出的相對(duì)動(dòng)態(tài)彈性模量下降到60%以下或達(dá)到10次凍融循環(huán)次數(shù)時(shí)停止試驗(yàn)，由此得到用以評(píng)估抗凍融性的耐久性指標(biāo)[19]：

相對(duì)動(dòng)態(tài)彈性系數(shù)=（VLn）2（VL0）2×100，（2）

耐久性系數(shù)=PNc10×100，（3）

式中：VL0表示試驗(yàn)前的超聲波傳輸速度，km/s;VLn表示第n個(gè)周期的超聲波傳播速度，km/s;Nc為相對(duì)動(dòng)態(tài)彈性系數(shù)到60%以下時(shí)的循環(huán)次數(shù);P表示Nc循環(huán)時(shí)的相對(duì)動(dòng)態(tài)彈性系數(shù)，如果在10個(gè)周期內(nèi)相對(duì)動(dòng)態(tài)彈性系數(shù)不低于60%，則Nc=10。

整個(gè)試驗(yàn)過程中需要注意的是，在間隙通過試驗(yàn)結(jié)束后，從圖4所示的位置收集混凝土進(jìn)行混合，由此制備用于快速凍融試驗(yàn)的柱狀試件。并將試件浸入水中（20±2）℃固化直到28 d后取出進(jìn)行液氮噴霧。

2試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1新拌混凝土的性能

1）泌水性能分析

泌水量與泌水時(shí)間之間的關(guān)系如圖5所示。研究發(fā)現(xiàn)：BSF-S75-100樣品從0～60 min的泌水量急劇增加，達(dá)到0.8 cm3/cm2，泌水量在240 min達(dá)到0.9 cm3/cm2，材料離析現(xiàn)象嚴(yán)重，說明BFS不能完全取代細(xì)骨料; BSF-S75-50樣品的泌水量在60 min后開始增加，但相比BSF-S75-100的上升趨勢(shì)較緩，最終泌水率大致為0.2 cm3/cm2，其余樣品的泌水量上升趨勢(shì)基本一致，最終泌水量均在0.05 cm3/cm2以下。

試驗(yàn)樣品最終泌水量如圖6所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)混合BSF后的樣品會(huì)明顯增加泌水量。GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》 [18]規(guī)定泌水量需小于0.3 cm3/cm2，BSF-S75-50樣品的泌水量符合此要求，但是BSF-S75-100樣品的泌水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了規(guī)范的規(guī)定。當(dāng)使用BSF-S105取代細(xì)骨料時(shí)，即使取代率達(dá)到50%（BSF-S105-50），樣品最終的泌水量也與樣品N大致相同，能夠達(dá)到規(guī)范要求。

在使用再生粗骨料（RG）的樣品配比中，無論高爐礦渣（BFS）的種類和混合比如何，泌水量均小于0.1 cm3/cm2。研究認(rèn)為由于再生粗骨料表面呈現(xiàn)凹凸形狀以及附著在骨料表面的膠結(jié)物可以抑制水的流動(dòng)。因此，在采用BSF-S105或BSF-S75作為細(xì)骨料取代率在50%的時(shí)候，其泌水性能達(dá)到規(guī)范的要求。

2）間隙通過性

間隙通過性試驗(yàn)中B室的填充高度達(dá)到190 mm和300 mm所需的激振時(shí)間如圖7所示，間隙通過速度（Vpass）如圖8所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：樣品R在所有樣品中間隙通過速度最慢，其原因可能是激振作用導(dǎo)致砂漿和再生粗骨料（RG）產(chǎn)生分離;當(dāng)采用BSF-S75取代細(xì)骨料的樣品時(shí)，不管粗骨料是天然粗骨料還是再生粗骨料，取代率是50%還是100%，其通過速度也較緩慢，其原因在于BSF-S75的粒徑較粗，充填較容易發(fā)生，間隙通過速度出現(xiàn)緩慢狀態(tài);當(dāng)采用BSF-S105取代天然細(xì)骨料時(shí)，樣品的間隙通過速度明顯增加，其原因是BSF-S105比BSF-S75粒徑小，容易進(jìn)入粗骨料之間，緩和了粗骨料之間的碰撞，有助于提高間隙通過性;當(dāng)采用RG和BSF-S105混合的樣品時(shí)，其間隙通過速度比使用普通粗骨料和BSF-S105混合的樣品更快，主要原因在于通過BSF-S105填充再生粗骨材使其表面的凹凸部分變得光滑，同時(shí)由于在混合過程中再生粗骨料表面與BSF-S105的碰撞磨損也會(huì)使得結(jié)構(gòu)面變得平滑，從而增加了間隙通過性。

間隙通過速度與泌水量之間的關(guān)系如圖9所示，兩者之間的相關(guān)性并不顯著。間隙通過性主要決定因素是砂漿和粗骨料的分離，而泌水性是水和骨料的分離。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)泌水量大于0.2 cm3/cm2時(shí)，在使用天然粗骨料和BFS混合時(shí)，間隙通過速度趨于緩慢， 因此，泌水量大的樣品往往容易發(fā)生砂漿和粗骨料的分離;另一方面，即使對(duì)于R和BSF-S75-50R等泌水量特別小的樣品，間隙通過速度也可能非常緩慢，因此泌水量小的混合物并不總是具有良好的間隙通過性。

2.2硬化混凝土的性能

1） 抗壓強(qiáng)度

試驗(yàn)樣品在第7天和第28天的抗壓強(qiáng)度如圖10所示。對(duì)比樣品N和R的抗壓強(qiáng)度，在第7天時(shí)R抗壓強(qiáng)度降低約5 N/mm2，在第28天時(shí)R降低約10 N/mm2。將普通粗骨料的抗壓強(qiáng)度與RG和BFS的混合材料進(jìn)行比較，RG和BFS的混合材料在第7天時(shí)降低5～10 N/mm2，在第28天時(shí)降低15～20 N/mm2。

比較樣品R和RG-BFS混合試樣的抗壓強(qiáng)度時(shí)發(fā)現(xiàn)，兩樣品在第7天時(shí)抗壓強(qiáng)度基本相同，但混合使用RG和BFS的樣品在第28天時(shí)減小5～10 N/mm2。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)混合BFS時(shí)，無論粗骨料如何，第28天時(shí)的抗壓強(qiáng)度均較低，原因可能是BFS自身的強(qiáng)度低以及BFS與水泥漿之間的黏合性弱導(dǎo)致樣品強(qiáng)度降低。HIRATA[12]研究樣品的材料與本試驗(yàn)基本相同，他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用RG和BFS混合時(shí)其抗壓強(qiáng)度等于或高于沒有BFS混合的樣品，因此BFS自身的強(qiáng)度不太可能是影響樣品抗壓強(qiáng)度的決定性因素。本研究與HIRATA的研究主要區(qū)別在于單位水泥用量，單位水泥的量越大，水泥漿的黏合力越強(qiáng)，并且水泥漿與BFS之間會(huì)保持足夠的黏合力，在本研究中，單位水泥量為350 kg/m3，與普通混凝土大致相同，對(duì)于具有玻璃表面和水泥漿弱黏結(jié)性的BFS可能具有一定的改善效果。BSF-S75-100的抗壓強(qiáng)度特別低是因?yàn)槠涿谒枯^大，研究認(rèn)為可能是過水通道形成了空隙而導(dǎo)致材料的密閉性降低以及骨料結(jié)構(gòu)面的黏附性降低，從而導(dǎo)致樣品抗壓強(qiáng)度下降。

2）抗凍融性

試驗(yàn)樣品的快速凍融測(cè)試結(jié)果如圖11所示。圖12表示在間隙通過性試驗(yàn)中在A室和B室中標(biāo)準(zhǔn)樣品的平均耐久性指數(shù)（圖4中A1和A2的平均值以及B1和B2的平均值）。研究發(fā)現(xiàn)由于樣品滲水和夾帶空氣量增加會(huì)導(dǎo)致抗凍融性降低，混合BFS可以使樣品的抗凍融性得到改善。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)混合BFS的樣品可以在滲水量和殘留空氣少的范圍內(nèi)提高混凝土的抗凍融性，隨著BFS混合比的增加，夾帶的空氣也相應(yīng)增加。

從圖11可發(fā)現(xiàn)，除BSF-S75-100外，樣品N與BFS混合試樣的相對(duì)動(dòng)態(tài)彈性模量是漸進(jìn)的，耐久性指數(shù)為85%～90%。在BSF-S75-100中，由于水和骨料的離析導(dǎo)致耐久性產(chǎn)生明顯降低。間隙通過性試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：BSF-S75-100的耐久性指數(shù)在室A和室B均大于其他樣品，研究推測(cè)是由于長時(shí)間的振動(dòng)使材料的空氣含量減少的原因，但是需要通過測(cè)量氣泡間隔系數(shù)等來驗(yàn)證。

圖12使用RG的樣品中，相對(duì)動(dòng)態(tài)彈性模量從第3個(gè)循環(huán)開始呈現(xiàn)顯著降低趨勢(shì)，并且耐久性指數(shù)降低到64%。與單獨(dú)使用RG的情況相比，在RG和BFS混合時(shí)，無論BFS的類型和取代率如何，耐久性指數(shù)均得到改善。研究認(rèn)為是因?yàn)榛旌狭薆FS而使混凝土中的水分減少，吸水率降低，從而抑制了骨料結(jié)構(gòu)面的氫氧化鈣的析出。

圖13和圖14顯示在間隙通過性測(cè)試中A2和B1的振動(dòng)時(shí)間與耐久性指標(biāo)之間的關(guān)系。A2的相關(guān)系數(shù)為R2=0.80， B1的相關(guān)系數(shù)為R2=0.52，關(guān)聯(lián)性并不顯著。研究認(rèn)為可能是因?yàn)樵贏2區(qū)域受振動(dòng)影響較大，振動(dòng)能量傳遞顯著而促使材料產(chǎn)生分離，所以激振時(shí)間和耐久性系數(shù)相關(guān)性更強(qiáng)。

圖15顯示A室的耐久性指數(shù)的平均值（A1和A2的平均值）與B室的耐久性指數(shù)的平均值（B1和B2的平均值）之間的關(guān)系。圖15中的實(shí)線表示傾斜度等于1，虛線表示偏差度為±5%。間隙通過性試驗(yàn)前后的耐久性指數(shù)波動(dòng)為±5%，但樣品R和BSF-S75-100的偏差為8%～10%，比其他樣品偏差大。因此，實(shí)際工程中如果間隙性通過良好，則會(huì)受到鋼筋振動(dòng)，產(chǎn)生局部影響，但總體而言抗凍融性波動(dòng)不會(huì)很大。因此，在使用RG和BFS混合時(shí)，重要的是保證其間隙通過性良好。

3結(jié)語

試驗(yàn)在固定水灰比（W/C）為47%條件下，將不同規(guī)格的BFS取代天然細(xì)骨料，再混合再生粗骨料或天然粗骨料，制備不同樣本混凝土，通過對(duì)樣本進(jìn)行泌水性試驗(yàn)、間隙通過性試驗(yàn)、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)以及快速抗凍融性試驗(yàn)，研究混合BFS的再生粗骨料混凝土的抗凍融性，研究結(jié)果如下。

1）同時(shí)混合BFS和再生粗骨料的混凝土泌水量均小于0.1 cm3/cm2，顯著低于普通混凝土。因此，在采用BSF-S105或BSF-S75作為細(xì)骨料取代率在50%的時(shí)候，其泌水性均能達(dá)到規(guī)范的要求。

2）當(dāng)采用BSF取代天然細(xì)骨料時(shí)，因粒徑小易進(jìn)入粗骨料之間，緩和了粗骨料之間的碰撞，樣品的間隙通過速度明顯增加，因此混合BSF的再生粗骨料混凝土能提高間隙通過性。

3）采用BFS混合再生粗骨料的混凝土與普通混凝土的抗壓強(qiáng)度相比，第7天時(shí)的抗壓強(qiáng)度降低了5～10 N/mm2，第28天時(shí)降低了15～20 N/mm2，研究認(rèn)為抗壓強(qiáng)度的降低主要是過水通道形成了空隙而導(dǎo)致材料的密閉性降低以及骨料結(jié)構(gòu)面的黏附性降低，從而導(dǎo)致樣品抗壓強(qiáng)度下降。

4）混合BFS促使混凝土中的水分減少，吸水率降低，從而抑制了骨料結(jié)構(gòu)面的氫氧化鈣的析出，進(jìn)而提高混合混凝土的抗凍融性，研究發(fā)現(xiàn)采用BFS混合再生粗骨料的混凝土抗凍融性比單獨(dú)采用再生粗骨料混凝土更好。

綜上所述，當(dāng)BFS對(duì)天然細(xì)骨料取代率為50%時(shí)，可以提高BFS混合再生混凝土的抗凍融性。另一方面，有必要進(jìn)一步研究BFS混合再生混凝土的強(qiáng)度特性，今后還將探討使用再生粗骨料所引起的堿骨料反應(yīng)和干燥收縮的抑制方法，希望能改進(jìn)BFS混合再生混凝土的實(shí)用性，提高廢舊建筑材料的循環(huán)利用，并為高寒地區(qū)抗凍融混凝土的發(fā)展提供一定的參考。

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