再生骨料高性能混凝土耐久性能试验研究

2019-07-01韩小华项斌峰张利俊邱洪华王灵秀蔡素燕毋明飞

中国建材科技 2019年2期

韩小华项斌峰张利俊邱洪华王灵秀蔡素燕毋明飞

（1北京铁建永泰新型建材有限公司，北京 101113；2中国建材检验认证集团北京天誉有限公司，北京 100113；3 北京城建集团有限责任公司，北京 100088）

1 前言

再生骨料混凝土（Recycled Aggregate Concrete，RAC）的研究开发可以减少对砂石等天然资源的消耗，同时可以综合利用建筑垃圾固体废弃物和工业废渣，符合国家对于建筑垃圾资源化利用的发展方向。但是再生混凝土的工作性能、力学性能和耐久性能与普通混凝土相比较差[1]，对再生混凝土的推广应用造成了不利影响。如何使再生混凝土高性能化，在提高建筑垃圾再生骨料使用率的同时，材料又能满足高耐久性、高工作性、较高的强度和高体积稳定性等特征[2]，影响着未来绿色混凝土的发展[3]。

耐久性能作为再生混凝土的主要性能之一，研究已较为完备。通过研究可知，再生骨料的取代率、水灰比和胶材用量会对再生混凝土的抗氯离子渗透性能[4-6]、抗碳化性能[7-9]和抗冻性能[10-11]造成影响：再生混凝土的耐久性能会随着再生骨料取代率的增加而降低。所以，基于再生混凝土耐久性和力学性能等因素考虑，再生骨料的掺量一般在15～30%，过量则会对再生混凝土的各项性能造成影响。刘立等[12]采用工业化高品质的再生粗骨料对高性能再生混凝土的耐久性能进行了研究，发现再生混凝土的水胶比和再生骨料取代率对抗冻性影响不大，而再生集料的加入略微降低了再生混凝土的抗渗透性。通过查阅文献可知，对于再生混凝土和高性能再生混凝土的研究多集中于力学性能[13-14]或者再生骨料的改性[15-16]，耐久性能方面的研究不足，且再生骨料改性会提高再生资源利用的成本，不利于再生混凝土的推广应用。本文采用普通的再生骨料、普通硅酸盐水泥、粉煤灰、S95矿粉和聚羧酸减水剂配置再生骨料高性能混凝土，对不同胶材用量和再生粗细骨料同时取代对再生骨料高性能混凝土抗氯离子渗透、抗碳化、抗冻性能的影响进行分析。

2 实验

2.1 原材料

2.1.1 胶凝材料

本文采用42.5低碱普通硅酸盐水泥、粉煤灰、矿渣粉作为胶材制备再生骨料高性能混凝土。低碱普通硅酸盐水泥（P.O 42.5）性能指标如表1所示。

表1 低碱普通硅酸盐水泥（P.O 42.5）性能指标

试验所用粉煤灰（Fly Ash）的细度为7.8%（45µm方孔筛筛余），密度2.4g/cm3，比表面积638m2/kg，28天抗压强度比70%。试验所用矿渣粉（Ground Granulated Blast Furnace Slag）为S95级矿渣粉，密度2.91 g/cm3，烧失量1.53%，28天活性指数100%，比表面积424 m2/kg。

2.1.2 骨料

本文制备再生骨料高性能混凝土用天然细骨料为天然砂（Sand），细度模数2.6，中砂，含泥量1.9%；天然粗骨料为天然碎石（Gravel），粒径5-25mm，压碎值为4.4%，泥块含量0.2%，针、片状颗粒含量3%；

再生细骨料（Recycled fine aggregate）粒径0.01-4.75mm，细度模数2.9，需水量比为1.68%，表观密度2560kg/m3；再生粗骨料（Recycled coarse aggregate）粒径5-25mm，压碎值为18.2%，泥块含量0.3%，表观密度2490kg/m3。

2.1.3 外加剂

为改善再生骨料高性能混凝土工作性能，混凝土拌合物中加入聚羧酸高性能减水剂（Superplasticizer），减水率27.0%，固含量13.08%，PH值4.4。为补偿再生混凝土收缩，混凝土拌合物中加入高性能混凝土膨胀剂（Expand Agent），水中7天限制膨胀率0.060%，空气中21天限制膨胀率0.023%，28天抗压强度49.4MPa。

2.2 配合比设计

本文再生骨料高性能混凝土配合比设计采用容重法：在保持混凝土拌合水用量不变的情况下，分别设计胶凝材料 400kg/m3、430kg/m3、460kg/m3、490kg/m3，再生粗细骨料混合取代的情况下制备再生骨料高性能混凝土，为满足再生骨料高性能混凝土的性能要求，矿物掺合料分别取代20%的胶材，再生混凝土砂率43%，加入膨胀剂补偿再生混凝土收缩，加入聚羧酸高效减水剂改善再生混凝土工作性。通过调整胶材用量和再生材料取代率，对比其对再生骨料高性能混凝土的影响。具体配合比设计如表2所示。

2.3 样品制备与试验方法

本文中再生骨料高性能混凝土的制备采用60L单卧轴式混凝土搅拌机进行搅拌，试验环境相对湿度60%RH，温度保持在22°C左右，所用材料、试验设备、容器及辅助设备的温度与实验室温度一致。经测试，新拌混凝土的初始坍落度在230±10mm，H30=220～240mm，H60=225～235mm，新拌混凝土含气量在4.5%～5.5%之间，混凝土不泌水。

抗氯离子渗透试验：参照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中抗氯离子渗透试验的内容，分别采用快速氯离子迁移系数法（RCM法）和电通量法对混凝土抗氯离子渗透能力进行测试。

RCM试验采用直径（100±1）mm，高度（100±2）mm的圆柱体试件，试件在标养室水中养护49d时将试件延高度方向切成两部分作为试验用试件，用水砂纸和细锉刀打磨光滑，继续养护至指定龄期56d取出，擦干水分测试尺寸，并在真空容器中真空处理，3h后加入饱和Ca（OH）2溶液浸没试件继续真空1h，恢复常压浸泡20h，擦干表面后置于RCM试验装置内测量，结束后记录每一侧点氯离子渗透值计算DRCM，以3个试件的算术平均值为测定值，精确至0.1×10-12m2/s。

电通量试验的试件尺寸和过程与RCM试验相同，测量结束后计算通过试件的总电通量，精确至1C，换算成直径95mm试件的电通量为Qs，取三个试件的算术平均值为测定值。

碳化试验：参照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中碳化试验的内容，采用100mm×100mm×100mm的立方体试件，以三块为一组，养护28d取出在60°C下烘48h，留下一个侧面外其余表面采用加热石蜡密封，置于碳化箱内碳化28d，分别取出测定碳化深度（从暴漏侧面中间劈开），以三个试件碳化28d的碳化深度算术平均值作为碳化测定值，精确至0.1mm。

冻融试验：参照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中抗冻试验的内容，依据快冻法中的相关要求，采用100mm×100mm×400mm的试件，采用标准养护室内养护24d，随后放在20±2°C水中浸泡4d，然后进行抗冻实验，将抗冻试件表面擦干水分测量初始质量和横向基频初始值，然后将试件置于注满水的试件盒内一起放于冻融箱中心位置，每次冻融循环4h，温度范围为-20°C至5°C，冻融转换时间为5min，每冻融循环50次后测试质量和表面损伤情况，抗冻等级以质量损失率不超过5%或相对动弹模量下降不到60%时的最大冻融循环次数来确定，每组试件以三个试件试验结果的算术平均值为测定值，精确至0.1-0.01。

表2 再生骨料高性能混凝土配合比设计

3 结果与讨论

3.1 高性能再生混凝土抗氯离子渗透性能

再生骨料高性能混凝土的56天龄期氯离子渗透试验结果如图1和图2所示。

图1 氯离子迁移系数与再生骨料和胶材用量的关系

图2 电通量与再生骨料和胶材用量的关系

图1和图2分别为RCM法和电通量法测得的氯离子渗透性与再生骨料和胶材用量之间的关系：从图中可以看出，各不同胶材用量和再生骨料的再生骨料高性能混凝土56天的氯离子迁移系数均小于2.0×10-12m2/s，电通量小于700C，胶材用量达到490kg/m3的配比抗氯离子渗透性能最强，为0.5×10-12m2/s，电通量348C，随着胶材的增加（水胶比降低），再生骨料高性能混凝土抗氯离子渗透性能逐渐增强，且再生粗细骨料的取代会提高氯离子渗透30%左右，这主要是因为再生粗骨料孔隙率大于普通骨料，而本试验通过加入混凝土掺合料、降低水胶比、混凝土膨胀剂等措施可以提高再生骨料高性能混凝土的抗氯离子渗透性，满足混凝土耐久性的要求。

3.2 再生骨料高性能混凝土抗碳化性能

图3所示为再生骨料高性能混凝土的碳化深度与再生骨料和胶凝材料用量的关系。通过掺入矿物掺合料和膨胀剂，再生骨料高性能混凝土的28天碳化深度均在3.5mm以下，空白组普通混凝土的在同条件下碳化深度可以达到3.0mm以下，加入再生骨料50%取代后会导致混凝土碳化深度的增加，这是因为再生骨料在生产过程中产生微裂缝和自身内部存在孔隙，为CO2的扩散提供了通道，增大了再生混凝土的物质透过性，降低了抗碳化性能。而胶凝材料的增加，水胶比降低会增强再生骨料混凝土抗碳化能力，碳化深度降低15%左右，这可能是因为水胶比降低，再生骨料高性能混凝土中胶材水化后残余的孔隙减小，阻碍了CO2的扩散和与再生骨料高性能混凝土内部碱性物质的反应腐蚀，提高了再生骨料高性能混凝土的抗碳化性能。

图3 再生骨料高性能混凝土碳化深度与再生骨料和胶材用量的关系

3.3 再生骨料高性能混凝土抗冻融性能

不同胶凝材料用量的再生骨料高性能混凝土冻融循环300次的质量损失率和相对动弹模量如表3所示。试验结果表明：再生粗细骨料替代50%时，改变水胶比或增加水泥用量对再生混凝土的抗冻性影响不明显，经过300此冻融循环，再生骨料高性能混凝土的质量损失率小于2.5%，没有明显的规律，相对动弹模量均大于80%，维持在80%～83%之间。与普通高性能混凝土相比，再生粗细骨料取代50%会降低再生混凝土的抗冻性，质量损失从1.5%上升到了2.4%。通过查阅的文献可知，再生混凝土经过一定冻融循环后的质量损失和相对动弹模量下降幅度均小于普通混凝土，所以认为以上两种评价方法对于再生混凝土抗冻性评判不太准确。而本试验中，采用质量损失和相对动弹模量下降评价高性能再生混凝土中，质量损失率评价方法没有明显规律，原因是因为随着冻融循环的增多，再生混凝土中再生骨料吸水会抵消掉试件表面因冻融循环引起的剥落和掉角，所以采用相对动弹模量下降幅度评价高性能再生混凝土的抗冻性能较为合适。