再生骨料混凝土的制备及抗压强度的试验研究

苏孝伟, 王安琪, 肖俊荣, 杨震怀, 付毅兵, 巫绪涛

(合肥工业大学，安徽 合肥 230009)

近年来，随着我国土木工程行业的发展，混凝土因作为工程中必不可少的原材料而需求量激增。但是，混凝土结构因改造或到达一定使用年限的拆除会产生大量的废弃混凝土，给生态环境带来了巨大的压力。因此，研究再生粗骨料对混凝土性能的影响具有重要的理论意义和应用价值。再生骨料混凝土是由废弃混凝土块经过破碎、清洗、筛分后，按照一定比例混合成骨料，用一部分或全部取代天然骨料配制而成的混凝土。但再生混凝土骨料孔隙率，吸水率较高，表观密度较低，解体破碎过程中会产生大量细微裂隙，性能不如普通骨料。近年来，国内外学者对再生骨料混凝土进行了大量的研究，但由于改善再生骨料的工艺技术及材料消耗等方面的限制，再生骨料混凝土难以普及。

通过对5种骨料替代率的再生骨料混凝土在标准养护28d后，测试其抗压强度，研究其对抗压强度的影响规律。在此基础上，采用再生骨料改性、骨料砂浆界面强化处理等复合改性工艺，改善再生骨料本身性能及其与砂浆的黏结胶合状况，分析改性工艺对混凝土抗压强度的影响。

1 试验概述

1.1 试验原材料

水泥：海螺牌普通硅酸盐水泥42.5级水泥；细骨料：中国ISO标准砂(厦门艾思欧标准砂有限公司出品)；粗骨料(粒径为4.75mm～16mm)：天然粗骨料为碎石、再生粗骨料为废弃混凝土梁，且其各项性能参考《再生骨料应用技术规程》(JGJ/T 240-2011)；拌和水：农夫山泉矿泉水；粉煤灰：一级粉煤灰，灰色或灰白色的粉末；纳米SiO：粒度为1000目，白色的粉末；模具：Φ50mm×100mm圆柱体。

1.2 试验配合比设计

为确保试验的准确性，先后进行了2次试验，完成试块的制作共161块。试验过程设置了3个对照试验，分别是再生骨料替代率对混凝土抗压强度的影响、粉煤灰替代率对混凝土抗压强度的影响、纳米SiO添加率对混凝土抗压强度的影响，且分别编号为G组、GF组、GN组。按照《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55-2011)中的相关规定，制定混凝土配合比设计参数，具体如表1～3所列。参考《粉煤灰混凝土应用技术规范》(GB/T 50146-2014)中的相关规定，粉煤灰取代水泥采用超量取代法，且选定超量系数为1.3。纳米SiO采用的是浸泡法，通过配置不同浓度的纳米SiO溶液对粗骨料进行浸泡。

表1 G组混凝土配合比

G组试样考察再生骨料替代率对混凝土抗压强度的影响，共用五种配合比，分别采用0%、25%、50%、75%和100%的骨料替代率；GF组试样探讨粉煤灰替代率对混凝土抗压强度的影响，共用四种配合比，分别采用0%、15%、30%和45%的粉煤灰替代率；GN组试样研究纳米SiO对混凝土抗压强度的影响，共用四种配合比，分别采用0%、1%、2%和3%的纳米SiO添加率。

表2 GF组混凝土配合比

表3 GN组混凝土配合比

2 试验步骤

2.1 试验准备

选用等级相同的废弃混凝土供再生粗骨料的获取，通过人工将其破碎，利用石筛分别筛选粒径为4.75mm～9mm和9mm～16mm的再生粗骨料，再通过人工筛选，去除不符合规范要求的废弃石子。将符合规范要求的再生粗骨料进行清洗，并使用农夫山泉矿泉水对再生粗骨料进行浸泡48h，随即进行翻晒。对GN组中的再生粗骨料，分别调配浓度为0%、1%、2%和3%的纳米SiO溶液对其进行浸泡48h，待其充分浸泡后进行翻晒、晾干。

2.2 试块制备

各试验组制备3个试块，按设计配合比称量各材料，将粗骨料、砂、水泥和粉煤灰人工搅拌1min，再使用混凝土搅拌机干拌2min，确保各材料充分接触且无结块的现象后，加入拌和水继续搅拌2min，随后采用振动台进行振捣、成型。为防止水分蒸发，成型后的试块使用不透水的薄膜覆盖表面，并静置于温度为20±5℃环境中72h。在灌模前，对模具内壁涂抹了适量的拆模用油，以使得混凝土试块表面光滑，同时降低拆模过程发生破损的情况。检查试块各项指标是否都符合规范要求。

2.3 试块养护

混凝土养护进行人工干预，提供适宜的湿度和温度条件，确保试块在水泥水化作用下逐步硬化且强度增长。为了使混凝土试块水化反应充分，采用保温箱对其进行储存，并使用雾状喷壶对试块进行一日三次喷洒，使其所处环境的温度稳定在20±5℃，且具有95%的湿度条件。搭配毛毡布的使用，在维持湿度的同时，防止温度的流失，按以上措施养护28d。

2.4 试块加载

试验使用万能试验机进行加载操作，控制加荷速度为0.5mm/min，完整加载过程控制在2min左右。在试块加载初期，由于荷载较小，试样侧表面并未出现明显裂缝。随着荷载不断增加，试块表面逐渐出现细微裂缝，并呈现扩张趋势。当裂缝发展到一定程度后，试块侧面出现破坏并剥落，与此同时计算机上试验力—位移图像达到峰值，随后曲线逐渐下降直至万能试验机停止，记录试验的峰值荷载及试验力—位移图像供试验结果的分析使用。为清晰直观表明试验规律，抗压强度变化规律图像中所采用的数据均为各组试验所得平均值。

3 试验结果及分析

3.1 再生骨料替代率对混凝土抗压强度的影响

G组试样采用0%、25%、50%、75%和100%的骨料替代率，考察其对抗压强度的影响。吴木东、张丽等多位学者的研究结果表明再生混凝土的抗压强度随着替代率的增加而减小。抗压强度变化规律如图1所示。

图1 G组抗压强度变化规律

分析图1可知，随着再生骨料替代率的增加，试样的抗压强度不断上升。经分析发现，本试验采用的天然骨料为宣城市当地石材厂购买的“瓜子片”，再生骨料为人工破碎的废弃混凝土梁，并经过人工筛选所得的石子。“瓜子片”是青石利用破碎机打碎，并通过加工处理得到的碎石片，在破碎过程中骨料内部结构受到了极大地损坏，且其形状较薄，作为混凝土的粗骨料而言其抗压性能较为逊色；而再生骨料经过人工破碎，筛分和挑选，其形状更加趋于椭球状或球状，在混凝土试块内部承压的能力较强，且能更好的粘结水泥和细骨料，进一步加强抗压强度，这也是本试验得到的结论与多位学者存在异议的原因。

3.2 粉煤灰单掺对混凝土抗压强度的影响

GF组试样采用0%、15%、30%和45%的粉煤灰替代率，探讨其对抗压强度的影响。抗压强度变化规律如图2所示。

图2 GF组抗压强度变化规律

由图2分析可知，随着粉煤灰替代率的上升，抗压强度表现出先降低，后增加，达到一定添加率后再次降低的规律，且最佳粉煤灰替代率为30%。

据试验结果做如下分析：粉煤灰的火山灰效应，能使水泥的水化产物Ca(OH)与之发生二次水化反应，反应生成的水硬性胶凝物质充分填充混凝土的内部裂隙，增加密实性，进而提高混凝土强度。但是，当粉煤灰替代量较少时(即本试验中0～15%替代率)，其发挥作用的程度不及混凝土中水泥用量减少而导致的强度降低的程度大，故图像呈下降趋势；随着粉煤灰替代率的增加，其发挥的作用效应能弥补并超出水泥用量减少所造成的强度损失，进而强度会升高；但是，当粉煤灰的替代率继续提高，混凝土强度又会降低(即本试验替代率>30%的部分)。这是由于水泥含量在此时只有70%，发生水化反应产生的碱性物质过少，大量的粉煤灰没有足够的碱性物质刺激产生二次水化反应。

研究表明，在再生骨料替代率为25%时，其在最佳粉煤灰替代率下的抗压强度并未超过不加粉煤灰时的强度，而50%替代率时却可以，这与上文所分析内容有些许出入。补充分析如下：对于再生骨料较少的混凝土，水泥能相对充分的进入再生骨料中的微裂隙，相当于总体裂隙减少，对强度提升有帮助。但是，因为粉煤灰的加入，使主要胶凝材料水泥的含量减少，导致骨料间连接面强度薄弱，裂隙相比初始时增多，故替代率30%时相对于不添加粉煤灰强度要低。

3.3 纳米二氧化硅单掺对混凝土抗压强度的影响

GN组试样采用0%、1%、2%和3%的纳米SiO添加率，研究其对抗压强度的影响。抗压强度变化规律如图3所示。

图3 GN组抗压强度变化规律

由图3分析可知，纳米SiO对水泥基材料的早期水化有明显的促进效果，在加入纳米SiO后，水泥净浆流动性急剧变小，当掺量达到2%时，水泥流动性最小，此后掺量继续增加，流动性出现相反的趋势，说明SiO浓度过大时不能充分分散，以至于强度有所降低。

研究表明，纳米SiO的水化产物会包裹并阻止砂浆中水泥颗粒的水化，从而阻碍砂浆的后期强度发展。同时，由于纳米SiO的表面能大，颗粒周围大量存在的不饱和键易吸附自由水，导致新拌混凝土中自由水减少，使得混凝土的工作性显著降低。由于试验过程中采用的是浸泡法，在搅拌浸泡时，使得纳米SiO溶液的效力减弱，而出现强度降低的情况。

4 结束语

再生骨料混凝土是当前社会节约资源和实现可持续发展的必然选择，对其抗压强度的研究有助于再生混凝土的性能优化与应用扩展。通过对于试验数据的分析和总结，得到结论如下：

(1)粗骨料形状对混凝土抗压强度有显著影响，当采用椭球状或球状的再生粗骨料替代扁平原生骨料时，抗压强度随骨料替代率增加而增加；

(2)单掺粉煤灰作为添加剂时，随着粉煤灰替代率的上升，混凝土抗压强度表现为先降低后增加又降低的规律，最佳粉煤灰替代率为30%；

(3)单掺纳米SiO作为添加剂时，随着纳米SiO添加率的上升，混凝土抗压强度表现为先降低后增加又降低的规律，最佳纳米SiO添加率为2%；