再生骨料的吸水性对混凝土性能的影响

张明鑫,张士萍,牛龙龙,杨 慧

(1. 安徽建筑大学土木工程学院, 安徽 合肥 230601;2. 南京工程学院建筑工程学院, 江苏 南京 211167;3. 江苏双龙集团有限公司, 江苏 南京 211106)

截至2020年,全国各地仅在新建居民住宅楼过程中产生的建筑垃圾总量就将超过50亿吨,其中废弃烧结黏土砖占总数的60%[1].将废弃烧结黏土砖破碎后代替天然骨料制备成再生混凝土,可以减少天然骨料的使用量,有利于环境保护.

再生骨料是将废弃的混凝土或烧结黏土砖通过收集、破碎、洗净、筛分,按照规范中的比例与级配进行混合,部分或者全部替代天然骨料.废弃的混凝土或烧结黏土砖在破碎后取粒径0.60～4.75 mm的作为再生细骨料、粒径4.75～40.00 mm的作为再生粗骨料[2].

目前,已有许多国内外研究人员对再生混凝土展开了大量的研究,主要研究再生混凝土的力学性能、耐久性能等.工作性能是新拌混凝土的重要性能之一,直接影响混凝土硬化后抗压强度和耐久性[3-4].再生粗骨料的掺量对再生混凝土的工作性能和力学性能影响很大,选择合理的再生粗骨料掺量才能配置出满足要求的再生混凝土[5].碎砖骨料的掺入改变了混凝土的薄弱区域,但当掺入过多的碎砖时,混凝土的强度会大幅度下降[6].当碎砖作为混凝土中的粗骨料时,其高吸水性将会严重影响再生混凝土的工作性能,文献[7]通过附加水和控制预湿时间的方法改善再生混凝土的工作性能和力学性能.本文选择对碎砖骨料高吸水性的处理方法为影响因素,通过再生混凝土拌合物工作性能和强度试验揭示碎砖骨料处理方法对再生混凝土各项性能的影响.

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

1) 试验采用海螺牌P·O 42.5级普通硅酸盐水泥,强度等级为42.5,水泥的密度为3 000 kg/m3,水泥物理指标见表1.

表1 水泥物理指标

2) 采用天然河砂作为细骨料,依据规范要求对天然河砂进行性能指标检测.河砂的表观密度为2 650 kg/m3,符合规范中表观密度≥2 500 kg/m3的要求,堆积密度≥1 400 kg/m3,河砂细度模数为2.13,属于细砂,泥块含量为0.3%,含水率为3%.河砂的筛分数据见表2.

表2 河砂筛分数据

3) 采用江苏博特新材料有限公司生产的PCA(Ⅱ)聚羧酸系高效减水剂,减水率可达到25%,生产厂家指定的掺量为0.3%～2%,依据前期试验经验,本次试验掺入胶凝材料质量0.5%的减水剂.

1.2 配合比设计

1.2.1 配合比参数

本试验设计混凝土强度fcu,k为20 MPa,设计坍落度范围为35～50 mm,查得规范混凝土强度标准差σ=4.0 MPa,试验用强度等级为42.5 MPa的普通硅酸盐水泥,天然河砂的表观密度为2 650 kg/m3,河砂的含水率为3%,粗骨料为连续级配,粒径大小为4.75～16.00 mm,其中粒径4.75～9.50 mm的占70%、9.5～16.00 mm的占30%,表观密度为2 733 kg/m3,含水率为1%,减水剂记作SP,试验所需水为自来水.

1.2.2 配合比计算步骤

依据规范进行混凝土配合比计算：

1) 配置强度fcu,t=fcu,k+1.645σ=20+1.645×4=26.58 MPa;

3) 碎石最大粒径为16 mm,设计坍落度为35～50 mm,选取每立方米混凝土用水量mw0=210 kg;

5) 根据水胶比和碎石最大粒径,查规范可得砂率βs为44%;

7) 初步配合比为水泥∶水∶砂∶碎石=263∶210∶821∶1 045;C0∶W0∶S0∶G0=1∶0.80∶3.12∶3.97;

8) 考虑河砂和碎石中的含水率,除去河砂和碎石中的水,调整后的试验最终配合比为水泥∶水∶砂∶碎石=263∶175∶848∶1 058,C∶W∶S∶G=1∶0.66∶3.22∶4.02;

9) 本试验不考虑减水剂对单位用水量的影响,减水剂仅用于提高混凝土的流动性,因此每立方米混凝土的减水剂用量SP=263×0.5%=1.315 kg.

1.2.3 用水量的调整

文献[8]通过研究发现,相较天然骨料而言,再生骨料由于其裂缝多、吸水率大、吸水速度快,用普通混凝土配合比设计方法配置的再生混凝土的工作性能大大降低,若以普通混凝土配合比为基础,在处理再生骨料时,将再生骨料进行预吸水,可使再生混凝土的强度和工作性能同时满足要求;文献[9]通过添加附加水的方法来解决再生骨料吸水率大的问题,通过拟合曲线的方法得出额外用水量计算公式为：

WF=再生骨料质量×[(再生骨料吸水率-再生粗骨料含水率)-(天然骨料吸水率-天然骨料含水率)]

本文为了解再生碎砖骨料的高吸水性对混凝土性能的影响,设定三组试验配比:NC组为空白对照组,再生骨料取代率为0%;RC1组再生碎砖骨料的取代率为50%,对再生碎砖骨料进行预吸水处理;RC2组再生碎砖骨料的取代率为50%,对再生碎砖骨料进行附加水处理.通过额外用水量计算公式计算出附加用水量为再生粗骨料质量的17%,查阅文献可知[10-11],试验时的实际附加用水量要小于计算出的附加用水量.为保证本试验混凝土工作性能符合要求,试验时逐步添加附加水,最终确定RC1组和RC2组附加水用量为再生碎砖骨料质量的14%.混凝土配合比见表3,表3中WF为附加水,SP为减水剂,r为再生粗骨料取代率.

表3 混凝土配合比

1.3 试块制作与测试

试验时参照规范对新拌混凝土进行常规混凝土工作性能测试,包括坍落度和坍落度经时损失.

工作性能测试结束后,按照每组配合比各浇筑6组100 mm×100 mm×100 mm的混凝土试块,用于测量不同碎砖骨料处理方法和不同龄期时试块的抗压强度和劈裂抗拉强度,抗压强度测试时荷载加载速度控制为0.5 MPa/s;劈裂抗拉强度测试时荷载加载速度控制为0.05 MPa/s;养护温度为(20±2) ℃,养护龄期为3、7、28 d.

2 试验结果与讨论

2.1 碎砖骨料性能分析

本试验所用的碎砖骨料为某处拆迁民用住宅已拆除的废弃黏土砖,随机挑选一些砖块,人工去除砖块表面的一些残余砂浆,用锤子对砖块初次破碎为大小合适的碎砖,使用PSC60×100型号的鄂式破碎机进行破碎,收集破碎后的碎砖骨料,再用筛分机筛分,按照相同的粒径收集.

本试验按照《建筑用卵石、碎石》(GB/T14685—2011)规范中测试天然碎石骨料的方法测试再生碎砖骨料性能,包括碎砖的颗粒级配、连续级配松散堆积空隙率、表观密度、含水率、吸水率、堆积密度和压碎指标等.混凝土的粗骨料宜选用连续级配的粗骨料,由于本试验碎砖骨料再生混凝土的试块尺寸均为100 mm×100 mm×100 mm,因此选取粒径为4.75～16 mm的连续级配,粗骨料级配比例见表4;卵石、碎石的表观密度应≥2 600 kg/m3,本试验采用广口瓶法测定天然碎石骨料和再生碎砖骨料的表观密度.试验测得的天然骨料和再生骨料的各项性能指标如表5所示.

表4 粗骨料级配比例

表5 天然碎石骨料与再生碎砖骨料各项性能指标

2.2 碎砖骨料对再生混凝土性能的影响

2.2.1 工作性能的影响

再生混凝土坍落度对比见图1,坍落度经时损失百分比见图2.从图1、图2中可知,碎砖骨料对新拌再生混凝土的坍落度和坍落度损失有较大的影响,RC1组和RC2组的1 h坍落度、经时损失都要大于NC组的,且RC2组1 h坍落度达40 mm.这是由于RC1组采用将碎砖骨料预先在水里浸泡24 h,达到饱和面干后,再进行混凝土搅拌,碎砖骨料在搅拌前达到吸水饱和,搅拌时拌合物内总体湿度小于碎砖骨料湿度,使得碎砖骨料孔隙内的一些自由水由高湿度流向低湿度,从而新拌合物中的水含量比设计配合比中的水含量要多,影响到坍落度.

图1 再生混凝土坍落度对比

图2 再生混凝土坍落度经时损失百分比对比

在坍落度试验过程中,RC1组在第一次坍落度测量时坍落度桶底出现一些泌水、泌浆的情况.由此可知,在对碎砖骨料进行预吸水处理时,应控制其吸水时间,减少因过量吸水影响混凝土的工作性能.RC2组在进行坍落度试验时,新拌混凝土没有出现泌水和泌浆的现象,说明新拌混凝土的保水性良好.当使用捣棒在已经发生坍落的新拌混凝土椎体表面轻轻敲击时,RC1组和RC2组均发生部分坍塌,说明碎砖骨料再生混凝土的黏聚性一般.

2.2.2 抗压强度

试验中混凝土各个龄期(3、7、28 d)抗压强度变化如图3所示.再生粗骨料相较天然粗骨料而言有较低的表观密度,在破碎时内部可能出现裂缝,因此,再生混凝土的抗压强度通常比普通混凝土要低.当NC组作为空白对照组时,再生混凝土各个龄期(3、7、28 d)的抗压强度均比普通混凝土要低;RC1组和RC2组处理碎砖骨料的方法不同，对混凝土的抗压强度有一定的影响,预吸水法对混凝土强度的不利影响要大于附加水法.试验相较基准组的抗压强度保留率如图4所示.从图3中可知, RC2组7 d到28 d混凝土抗压强度增长为6 MPa,与NC组增幅大致相同;RC1组3 d抗压强度最低,但3 d 到7 d抗压强度增幅最快,说明在前7 d,RC1组混凝土中碎砖骨料含水率较高,使得其有效水灰比较高,但是在其强度增大过程中,骨料中多出的水被完全反应,从而增大了混凝土的有效水灰比,使该组混凝土前7 d抗压强度增加较快.

图3 混凝土各龄期抗压强度变化

图4 混凝土抗压强度保留情况

2.2.3 劈裂抗拉强度

试验中混凝土各个龄期(3、7、28 d)劈裂抗拉强度变化如图5所示.由图5可知,用碎砖替代天然粗骨料会降低混凝土的劈裂抗拉强度;不同碎砖骨料的处理方法会影响再生混凝土的劈裂抗拉强度,且附加水法的强度要略高于预吸水法.试验相较基准组的劈裂抗拉强度保留率如图6所示.由图6可知,RC1组7 d到28 d劈裂抗拉强度增幅与NC组增幅相差不大.RC1组和RC2组试块发生劈裂破坏时,破坏界面中的粗骨料破坏大多为碎砖骨料发生破坏,这是因为碎砖骨料相较天然骨料而言,强度较弱,在发生破坏时,先于天然骨料破坏,导致再生混凝土劈裂抗拉强度低于普通混凝土.

图5 各龄期劈裂抗拉强度变化

图6 劈裂抗拉强度保留情况

3 结论

本文讨论了不同处理碎砖骨料高吸水性的方法对再生混凝土常规工作性能、力学性能的影响,基于试验得出结论：

1) 当碎砖骨料吸水饱和面干时,用预吸水法处理的再生混凝土的实际有效水灰比要大于试验设定水灰比,使得混凝土保水性较差;

2) 预吸水法再生混凝土在早期养护龄期时抗压强度增加较普通混凝土快,但其抗压强度较低,综合考虑混凝土的各项性能指标,在制备碎砖骨料再生混凝土前,建议对碎砖骨料采用附加水法进行处理;

3) 在使用附加水法处理碎砖骨料时,由文献[9]的公式可以大致计算出附加水的用量,但是因为附加水在混凝土拌和时并不能完全被碎砖骨料吸收,故试验时应选择较低的附加水用量,并根据搅拌的实际情况来决定附加水的最终用量.