王 震， 王新杰， 朱平华， 刘少峰

(常州大学 土木工程系, 江苏 常州 213164)

再生粗骨料(RCA)与天然粗骨料(NCA)的根本区别是其表面存在大量的吸附砂浆.由于吸附砂浆本身具有孔隙率高、吸水率大等缺点，因此会对再生混凝土(RAC)的力学性能和耐久性产生较强的负面影响[1].

肖建庄等[2]指出，RAC与普通混凝土(NAC)的强度发展规律大致相同，但总体上RAC的抗压强度略低于NAC，降幅在30%左右.Thomas等[3]和崔正龙等[4]则在试验中观察到了RAC的抗压强度略大于NAC的现象，这种情形的出现建立在骨料表面砂浆含量较少的基础上.郭樟根等[5]观察到RAC的劈裂抗拉破坏形态与NAC相似，且受拉破坏面相同；随着骨料表面旧砂浆含量的增加，RAC的强度降低.Pacheco等[6]认为，由于再生骨料表面砂浆的存在改善了界面过渡区(ITZ)，RAC的劈裂抗拉强度大于NAC.Duan等[7]认为，再生骨料周围的砂浆使其表面粗糙，摩擦系数增大，与水泥砂浆结合后增大了界面之间的摩擦力，改善了连接性能，补偿了骨料自身缺陷所带来的强度降低的影响，提高了RAC的强度.

对于RAC的弹性模量，杜江涛[8]发现其在很大程度上取决于所用骨料的强度.Thomas等[9]通过研究发现，RAC的弹性模量会随着RCA取代率的增大而减少，100%RCA的再生混凝土弹性模量降幅最大(31%～39%).杜文[10]认为，砂浆内部的微裂缝降低了RAC的弹性模量，砂浆含量的增加增大了RAC内部微裂缝出现的概率.但Arundeb等[11]发现，即使是同一强度等级的RAC，其弹性模量也大不相同，甚至是低强度的RAC也有很大的弹性模量.

目前，有关吸附砂浆对混凝土力学性能方面的研究大多集中于定性方面，而以吸附砂浆含量为量化分析指标，探究其与RAC性能间演化规律的研究却鲜有报道，使得RAC的应用具有一定的不确定性.若吸附砂浆含量过大，则RAC难以达到预设性能.在中国旧城改造步伐加快的背景下，将有大量再生资源产生以供应用.若能以量化方法表征RAC在不同力学性能下骨料吸附砂浆含量的最高值，将有效减少城市建设对自然资源的依赖，推进再生资源的合理应用.因此，本文以吸附砂浆含量为指标，探究RCA取代率为100%的再生混凝土力学性能演化规律并分析其作用机制，之后通过数学方法界定RAC在不同力学性能下的吸附砂浆含量门槛值.研究成果对减少骨料资源的二次浪费和促进再生粗骨料的工程应用具有一定价值.

1 试验

1.1 试验材料

天然粗骨料为石灰石碎石，粒径为4.75～20mm，级配良好；再生粗骨料由某废旧道路混凝土破碎而来，粒径为4.75～20mm；天然砂为常州河砂(中砂)，细度模数2.4；水泥采用P·O 52.5普通硅酸盐水泥，矿物掺和料为硅灰；减水剂使用聚羧酸高性能减水剂，减水率(质量分数，本文涉及的减水率、含量等均为质量分数)为20%；拌和水为洁净自来水.

1.2 试验方法

再生混凝土力学性能依据GB 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》测定，再生粗骨料表观密度、吸水率和压碎值按GB/T 14685—2011《建设用卵石、碎石》测定.

RCA吸附砂浆含量主要通过剥除骨料表面砂浆进行测定，剥除方法主要有微波加热法、酸浸侵蚀法、超声波清洗法、机械研磨法等[12].本试验RCA吸附砂浆的去除采用微波加热法，此方法操作简易，结果精确度高，原理是骨料与砂浆的热衰减系数和膨胀系数不同.

1.3 配合比及试件设计

本试验采用全计算法进行配合比设计，此方法是由陈建奎等[13]针对混凝土强度提升所提出的创新设计方法.该方法能充分发挥混凝土中各材料的性能，提高混凝土性能，使用范围广泛.由于RCA表面存在吸附砂浆，搅拌再生混凝土时所需水量增加，因此，应按照Thomas等[3]和邓寿昌等[14]提出的建议，在搅拌过程中通过添加附加用水来保证有效水灰比的恒定.混凝土配合比见表1.

表1 再生混凝土配合比

混凝土目标强度等级为C40，搅拌工艺采用Tam等[15]提出的两阶段搅拌工艺；试件尺寸分别为100mm×100mm×100mm和100mm×100mm×400mm.混凝土成型后，拆模取出试件，然后将试件放入标准养护室内进行养护，28d后取出，待测.

2 试验结果及分析

2.1 再生粗骨料物理性能

再生粗骨料的物理性能试验结果见表2.由表2可知：与NCA相比，RCA的表观密度降幅为10.3%～16.2%，堆积密度降幅为6.7%～14.1%；吸水率增加了约2～4倍，压碎值增加了34.6%～57.1%.这主要是因为再生粗骨料表面存在着基体混凝土的老砂浆，而老砂浆具有较低的密度和较高的孔隙率；此外，骨料破碎时不可避免地对自身产生破坏，形成内部微裂缝，增加骨料孔隙率，加之骨料自身呈扁平状，容器内骨料堆积并不均匀，出现大量空隙，这些都会降低RCA的表观密度和堆积密度，提高RCA的吸水率和压碎值.Kisku等[16]认为，吸附砂浆的存在使RAC内部创建了一个更轻的系统，增加了RAC的吸收能力，减少了其相对密度.Yongjae等[17]首次采用背散射电子成像对再生粗骨料吸附砂浆的孔隙率进行了评价，发现吸附砂浆的孔隙率是骨料相对密度、吸水率、黏结强度发展的主要控制因素.

表2 再生粗骨料的物理性能

图1为RCA吸水率随时间的变化图.由图1可知，RCA吸水率随着时间发展逐渐增大，最终趋于定值.在前期，RCA吸水很快，其吸水率在2.5h内就达到了饱和吸水率的65%；之后骨料吸水逐渐放缓，最终在28h时达到吸水饱和.这是由于吸附砂浆的存在以及骨料内部微裂缝的发展导致RCA吸水饱和时间变长、吸水率增大，因此，本次试验RCA吸水饱和时间以30h为准.由图1还可知，RCA5因吸附砂浆最少，所以吸水率最低.

图1 不同品质再生粗骨料吸水率随时间变化关系

2.2 吸附砂浆含量与RCA表观密度、吸水率和压碎值的关系

为使再生粗骨料吸附砂浆含量与其表观密度、吸水率和压碎值的拟合关系更加准确，除本试验数据外，又引用了文献[4、7-8、18-21]的再生骨料特性数据.由于来源数据的单一性，在数据拟合时将所有文献数据作为同一系列的点.由下述可知，拟合公式的相关性良好.

图2为根据本试验数据、文献数据所作的吸附砂浆含量与RCA表观密度、吸水率和压碎值的关系图.由图2可知，RCA吸水率和压碎值高于吸附砂浆含量为0%的NCA，且随着吸附砂浆含量的增加呈增大趋势，其表观密度则相反.这是由于吸附砂浆具有多孔性、疏松性等缺点，随着吸附砂浆含量的增大，砂浆占骨料比例增大，砂浆作用开始凸显[22]；另外，随着砂浆体积的增大，其内部出现微裂缝和孔隙的概率随之增加，这都导致了RCA表观密度降低、吸水率增加.除此之外，吸附砂浆的强度较低，在加载时易被压碎成粉末，RCA的压碎值因而增加.

图2 RCA特征值随吸附砂浆含量变化关系

2.3 吸附砂浆含量对RAC抗压强度的影响

NAC与RAC的典型受压破坏形态见图3.由图3可见，2种破坏形态存在差异.加载前期，2类试件上下面侧边都出现裂缝，然后向中部斜向发展；随着荷载的增大，试件边缘处开始破碎并逐渐剥落，最终失效.RAC试件强度失效后仍能保持一定的完整性，这主要是因为其内部RCA粗糙的外表增加了各组分之间的摩擦力[23]，使其不会破碎，并且仍然可以承受压力.这与NAC破坏形态存在差异.

图3 NAC和RAC试件的典型受压破坏形态

吸附砂浆含量与RAC抗压强度的关系见图4，其结果已乘以相应的折减系数.由图4可知，RAC抗压强度普遍低于NAC.随着吸附砂浆含量的增大，RAC抗压强度呈逐渐减小的趋势.其中，当吸附砂浆含量为55%时，RAC抗压强度下降最大，降幅约57%；当吸附砂浆含量在27%左右时，RAC与NAC的抗压强度差异不大，可视为相等.

图4 吸附砂浆含量与RAC抗压强度的关系

相较NAC而言，RAC抗压强度较低，这是因为吸附砂浆的存在导致RAC表观密度降低，从而使其抗压强度下降[24].如Lotfi等[25]指出的那样，吸附砂浆的存在影响了骨料与新砂浆的界面反应，使骨料内部的界面过渡区(ITZ)遭到削弱.随着吸附砂浆含量的增加，RCA低密度、大孔隙率、低强度等特性被放大，对混凝土的劣化作用逐渐变强，直至其强度失效.此外，RAC抗压强度变化曲线比较可靠，与RCA特性变化曲线不同.主要原因是再生混凝土的抗压强度由骨料、砂浆及新旧界面状况决定.其中，再生粗骨料因素突出，其自身状况(如残余砂浆、吸水率等)对RAC的影响至关重要.以抗压强度为自变量，吸附砂浆含量为因变量，分别对本文试验数据、文献数据和所有数据进行拟合，得到拟合公式(1)～(3).

y1=-0.039x12+1.336x1+57.6，x1∈[0%,45%],R2=0.977

(1)

y2=-0.014x22+0.287x2+58.4，x2∈[5%，62%],R2=0.884

(2)

y3=-0.017x32+0.475x3+57.5，x3∈[0%，62%],R2=0.886

(3)

本次试验制备的RAC目标抗压强度为40MPa，将因变量y=40分别代入式(1)～(3)，解得x1=-11%(舍去)或45%；x2=-27%(舍去)或47%；x3=-21%(舍去)或47%.综上所述，当吸附砂浆含量为0%～45%时，RAC的抗压强度大于40MPa；当吸附砂浆含量大于45%时，根据拟合公式，RAC抗压强度无法达到目标强度.基于C40再生混凝土的目标强度，建议的吸附砂浆界限含量为45%.

2.4 吸附砂浆含量对RAC劈裂抗拉强度的影响

NAC与RAC试件的典型劈裂抗拉破坏形态见图5.由图5可见，2种破坏形态相似.加载前期，2类试件正面都先出现1条细微的裂缝；随着荷载的增加，裂缝逐渐发展扩大；最后，随着“砰”的一声，裂缝贯穿截面，试件被破坏.由于吸附砂浆的摩擦阻力，RAC裂缝宽度小于NAC.

图5 NAC和RAC试件的典型劈裂抗拉破环形态图

吸附砂浆含量与RAC劈裂抗拉强度的关系见图6，其结果已乘以相应的折减系数.由图6可知:RAC劈裂抗拉强度小于NAC；随着吸附砂浆含量的增大，RAC劈裂抗拉强度呈逐渐减小的趋势，吸附砂浆含量为45%时降幅最大，约为60%.与抗压强度相比，同区间内RAC劈裂抗拉强度的降幅较大.

图6 吸附砂浆含量与RAC劈裂抗拉强度的关系

由试件劈裂抗拉破坏特征可知，试件破坏时主要是骨料与砂浆分离，即ITZ破坏，骨料本身并未发生破坏.Pacheco等[6]认为，混凝土劈裂抗拉强度主要取决于ITZ的质量.Kho等[26]和Monalisa等[27]发现，吸附砂浆的存在使得混凝土内部存在2种ITZ.RAC劈裂破坏时，主要是新界面(骨料-新砂浆)和旧界面(骨料-吸附砂浆)的破坏，而旧界面由于承受外力作用，内部存在微裂缝和疏松孔洞，界面黏结强度变弱，断裂能减小，所以旧界面在再生混凝土劈裂抗拉破坏过程中起控制作用.当吸附砂浆含量增加时，会进一步降低RAC劈裂抗拉强度.分别对试验数据和所有数据进行拟合(因文献数据较少，故图6(a)不对文献数据进行拟合)，拟合公式如下：

y4=-0.007x42+0.222x4+5.838，x4∈[0%，45%],R2=0.935

(4)

y5=-0.003x52+0.065x5+5.662，x5∈[0%，45%],R2=0.780

(5)

由此可见，针对所有数据进行拟合得到的拟合公式相关系数出现下降.将C40混凝土的抗拉强度标准值按照过镇海[28]建议的转换关系换算成劈裂抗拉强度为2.37MPa.吸附砂浆含量的区间为[0%，45%]，将因变量y=2.37代入式(4)、(5)，解得x4=-12%(舍去)或43%；x5=-24%(舍去)或46%.因此，当吸附砂浆含量为0%～43%时，RAC劈裂抗拉强度符合要求；当吸附砂浆含量大于43%时，RAC劈裂抗拉强度预计无法达到要求.基于C40再生混凝土的目标劈裂抗拉强度，建议的吸附砂浆界限含量为43%.

2.5 吸附砂浆含量对RAC弹性模量的影响

吸附砂浆含量与RAC弹性模量的关系见图7.由图7(a)可见，RAC弹性模量要普遍小于NAC.随着吸附砂浆含量的增加，RAC弹性模量逐渐减小，吸附砂浆含量为44%时降幅最大，约为39.5%.这与Thomas[9]研究中所得出的RCA取代率为100%的再生混凝土弹性模量降幅最大为39.0%的结论一致.由图7(b)可见，吸附砂浆含量为35%左右时，RAC弹性模量出现了负降幅.

图7 吸附砂浆含量与RAC弹性模量的关系

相对于强度而言，RAC弹性模量的试验数据波动更大.骨料本身的低弹性模量使得混凝土整体弹性模量降低[29-30]；骨料内部及ITZ周围的微裂缝会导致骨料-砂浆这一复合体系刚度降低[9]；吸附砂浆的多孔结构会使混凝土受压时变形增大；应变速率的不同也会影响混凝土弹性模量的变化.

若针对文献数据和所有数据进行拟合，则得到的拟合公式相关系数都低于0.4.考虑到试验批次的不同和试验数据间的相关性，基于RAC弹性模量的吸附砂浆界限含量来源于本次试验数据.由于混凝土强度和弹性模量具有一定的对应性[28]，故对试验结果先进行二次函数拟合.由最终得到的拟合曲线(见图7)可以发现，采用Boltzmann拟合公式的相关系数最高，公式如下：

(6)

虽然Boltzmann拟合公式相关系数较高，但曲线水平段的变化还需通过细化吸附砂浆含量的分布得到进一步确定；而曲线下降段与强度曲线变化相似，因而由下降段确定的吸附砂浆界限含量是合理的.整体来看，该段曲线大致符合吸附砂浆含量增加、弹性模量下降的趋势.本次试验RAC弹性模量以大于试验结果中NAC的弹性模量为准，即大于31.4GPa，与按强度确定的吸附砂浆界限含量相比，此处确定的吸附砂浆界限含量较保守.吸附砂浆含量的区间为[0%，44%]，将因变量y6=31.4代入公式(6)，解得x6=0.39.因此，当吸附砂浆含量为0%～39%时，强度等级C40的RAC弹性模量符合要求；当吸附砂浆含量大于39%时，强度等级C40的RAC弹性模量无法达到要求.基于C40再生混凝土的弹性模量，建议的吸附砂浆界限含量为39%.

2.6 基于力学性能的吸附砂浆界限含量

由上述结果可知，根据抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量确定的吸附砂浆界限含量分别为45%、43%和39%.Marta等[18]对实验室记录和文献综述数据进行整理分析后，根据西班牙规范中的磨损值限值，确定了来自抗压强度为25MPa母体混凝土的再生骨料吸附砂浆含量应小于44%.Duan等[7]发现，随着再生混凝土目标强度的增大，同等材料、配合比和试验步骤的NAC和RAC的强度差值逐渐增大.Pacheco等[6]发现，当再生混凝土被设计成比母体混凝土强度更高时，RCA的不利影响被放大.本次试验所设计的RAC目标强度为C40，强度等级较一般混凝土高，因此根据力学性能所得吸附砂浆界限含量都应低于Marta等的推荐含量.本试验基于力学性能确定的最终吸附砂浆界限含量为39%.

2.7 吸附砂浆含量对RAC力学性能影响的微观机理分析

混凝土破坏时的破裂面都经过内部的界面过渡区.为了进一步研究吸附砂浆对RAC力学性能的影响，本文从微观角度观察NAC和RAC的界面结构状况，以探究吸附砂浆对其力学性能的影响.NAC和RAC界面结构的SEM图如图8所示.

分析图8(a)、(b)可知:NAC界面虽然存在较为明显的层状氢氧化钙，使其强度略微降低，但界面分界线比较明显，两端结合非常紧密，在加载时不易被破坏；RAC中旧界面层状结构不显著，并且由于界面存在微小孔隙，大量水化硅酸钙填充其间，导致界面分界线不明显，但界面周围状态较为疏松，存在大量孔隙，加载时会在界面周围产生新的裂纹并加速新旧裂缝的发展；RAC中新界面由于骨料粗糙外表和成型时的二次水养，骨料、新砂浆间的嵌固与黏结强度增加，与NAC中的ITZ相比，其质量略微增强[6-7].随着吸附砂浆含量的增加，RAC界面周围的缺陷区域增加，对界面的削弱作用会逐渐超过水化物填充和骨料嵌固的增强作用，从而使其界面过渡区强度整体降低.

由图8(c)可以看出，RAC中新砂浆与NAC中砂浆的微观图相似，这说明附加用水的加入能减少RCA吸水的影响，保证水泥水化过程正常进行，不会对吸附砂浆界限含量的确定造成影响.由图8(d)可以看出，RCA周围存在着较多的裂缝，并有向中间发展的趋势.这对RAC的力学性能造成了负面影响.

图8 NAC和RAC界面结构的SEM图

3 结论

(1)RCA取代率为100%的再生混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度随着吸附砂浆含量的增大而逐渐降低，最大降幅分别约57%(吸附砂浆含量0%～62%)和60%(吸附砂浆含量0%～45%)；吸附砂浆含量对再生混凝土劈裂抗拉强度的影响比抗压强度大；吸附砂浆含量与RAC抗压强度、劈裂抗拉强度的拟合曲线均符合二次函数关系，基于C40混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度建议的吸附砂浆界限含量分别为45%和43%.

(2)RAC弹性模量与吸附砂浆含量的拟合曲线符合Boltzmann公式，与强度拟合公式存在着差异；由RAC弹性模量试验数据确定的吸附砂浆界限含量为39%.综合考虑基于RAC抗压强度、劈裂抗拉强度确定的吸附砂浆界限含量，应将弹性模量作为使用再生混凝土时的主要控制因素.

(3)吸附砂浆表面孔隙会使水化硅酸钙填充其间，一定程度上增强了ITZ的强度.随着吸附砂浆含量的增加，界面周围缺陷区域扩大，RAC的强度逐渐下降.最终，基于C40混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量，建议的吸附砂浆界限含量为39%.