刘发明，刘 飞，朱陈陈

(宿州学院资源与土木工程学院，安徽 宿州 234000)

废弃混凝土试块掺合型再生混凝土抗冻性试验研究

刘发明，刘 飞，朱陈陈

(宿州学院资源与土木工程学院，安徽 宿州 234000)

采用改变粉煤灰和再生粗骨料在废弃混凝土试块掺合型再生混凝土中的取代率，对再生混凝土的抗冻性能进行了试验研究，探索不同粉煤灰和再生粗骨料取代率分别对再生混凝土质量损失率、抗压强度损失率以及相对动弹性模量的影响。试验结果表明：一方面，粉煤灰对再生混凝土在受到冻融破坏时有不同程度的改善和增强作用；另一方面，不同再生粗骨料取代率配制的再生混凝土，其质量损失率较小，然而抗压强度损失率、相对动弹性模量下降率增加明显，再生粗骨料取代率80%的抗压强度损失率比30%的提高了180.5%，再生粗骨料取代率100%比取代率为30%的相对动弹性模量降低了21.8%。

废弃混凝土试块；再生粗骨料；质量损失率；抗压强度损失率

随着经济的飞速发展、城市建设规模的不断扩大以及市政工程的不断延伸，大量的混凝土材料被用于工程建设当中，混凝土试块经过力学性能试验检测后转化为建筑垃圾。另外，建筑物的更新和道路桥梁被破碎拆除都会产生巨大的废弃混凝土。据统计，每年产生的建筑废弃物占城市垃圾总量的30%～40%，已经成为城市垃圾的主要来源[1]。传统的处理建筑垃圾的方式主要有两种：一是运往城市郊区进行简单的填埋或堆存；二是经过简单破碎之后作为回填料使用。这两种方式的处理不仅造成一系列关于占地和环境污染的问题，而且建筑垃圾资源化率很低，与国家的可持续发展战略方针不符。将这些废弃混凝土进行再生循环利用，是目前处理这些建筑垃圾最有效的措施，可以实现将废弃物的原有性能转化形成新的土木工程材料，变废为宝，这也符合构建节约型社会的发展需要。

国内外很多学者针对再生混凝土的物理性能、力学性能以及耐久性能进行了大量理论和实验研究。研究结果表明，废弃混凝土经过破碎处理后，产生的再生粗骨料存在着大量的微裂纹且表面附着残余砂浆。与天然粗骨料相比，主要表现为密度低、吸水率高、孔隙率大，导致其耐久性能差。抗冻性是衡量混凝土耐久性的一个重要指标，对于普通混凝土和再生混凝土的抗冻性能优劣，学者们持有不同意见。王武祥等[2]，S.W.Forster等[3]研究认为：再生骨料之间的空隙对再生混凝土的抗冻性起着微养护作用，再生混凝土的抗冻性能要优于普通混凝土。南京工业大学孙伟民课题组经过大量试验研究认为：经过同样次数的冻融循环后，再生混凝土和普通混凝土在质量损失率方面变化不大，再生混凝土基本可以满足D50的抗冻等级，可以运用于实际工程中[4]。

1 试验方案

1.1 原材料

试验选用安徽海螺水泥股份有限公司生产的“海螺”牌32.5#普通硅酸盐水泥；细骨料采用天然河砂；粗骨料分别采用最大粒径为20 mm的连续级配碎石和废弃粗骨料，废弃粗骨料取自淮南市建设工程质量检测中心实验室废弃的混凝土试块里检测混凝土力学性能破坏后的试块。首先用鄂式破碎机将这些试块破碎成与天然碎石粒径相近的再生粗骨料，然后经筛分机过筛后，将再生粗骨料的粒径控制在5～20 mm范围内，破碎过程中的其他粒料不得用于试验。试验用原材料的主要物理性能指标见表1。粉煤灰选自安徽淮南洛能发电有限责任公司出产的Ⅱ级灰，主要物理性能指标见表2。

表1 原材料主要物理性能指标

表2 粉煤灰物理性能指标 单位：%

1.2 配合比设计

天然碎石和再生粗骨料相比，吸水率较小，故本次试验不考虑天然碎石的附加吸水率。本试验选取水灰比为0.5，砂率均为34%，混凝土设计强度等级为C30，具体配合比见表3。

表3 废弃混凝土试块掺合型再生混凝土试验配合比

1.3 试验方法

采用100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块，共8组，每组试块6个，其中3个用于质量损失率和相对动弹性模量的测定，另外3个用于抗压强度损失的测定。依据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》规定的慢冻法，测定试件在50次冻融循环后的质量损失率、抗压强度损失率和相对动弹性模量3个指标，进而评定再生混凝土密实程度、内部与表面受到损伤的程度，据此评估和研究废弃混凝土试块掺合型再生混凝土抗冻性能。

2 抗冻性试验方法与结果

2.1 质量损失率

依据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》要求，将试验中废弃混凝土试块掺合型再生混凝土试块的质量损失率超过5%的作为破坏试件处理，不计入其中。废弃混凝土试块掺合型再生混凝土质量损失率如图1所示。从图1(a)中可以看出，未掺加粉煤灰的再生混凝土质量损失率达到了2.6%，比粉煤灰掺量为10%、20%和30%的再生混凝土质量损失率分别提高了94.6%、90.7%和43.9%。这主要是因为粉煤灰在混凝土中具有活性效应、形态效应和微集料效应，使再生混凝土中的Ca(OH)2含量降低，产生的水化复合物可以填塞再生混凝土内部空隙，使得再生混凝土的密实程度得到改善[5-6]。因此，掺加粉煤灰的再生混凝土试块完整性较好，质量损失率较未掺粉煤灰的要低。同时，随着粉煤灰取代率的增大，再生混凝土的质量损失率会有所上升，试块冻融破坏程度较严重。这是因为粉煤灰取代率的增加，相应的水泥用量和水泥水化产物Ca(OH)2就会减少。然而，粉煤灰的二次水化作用需要水泥水化产物作为激发剂，导致粉煤灰水化作用不彻底，所以，粉煤灰掺量较大的再生混凝土在冻融循环过程中容易产生剥落。

从图1(b)可以看到，随着再生粗骨料取代率的增加，废弃混凝土试块掺合型再生混凝土试块的质量损失率前期变化不大。虽然在再生粗骨料取代率为80%时，质量损失率明显出现增大现象，但是在此取代率下再生混凝土的质量损失率只达到1.12%，总体上来说质量损失率不高，这主要是因为试验用的所有试块进行冻融试验均在水里进行，加上再生粗骨料比天然碎石孔隙率大，吸水率高，从而使得再生混凝土内部含有较多水分，质量下降得较少。在试验过程中我们发现，在经历50次冻融循环后，再生粗骨料取代率达到50%以上的再生混凝土试块表面及棱角已产生较为严重的破坏，少许外裹的砂浆和粗骨料发生脱落现象，试件呈现明显的脆性特征，冻融破坏较为严重。再生粗骨料取代率为80%的再生混凝土质量损失率是取代率为30%的8.6倍，说明再生粗骨料取代率越高，再生混凝土的抗冻性越差。

(a)不同粉煤灰取代率

(b)不同再生粗骨料取代率图1 再生混凝土50次冻融循环质量损失率

2.2 抗压强度损失率

冻融循环后再生混凝土试块外观和抗压试验后的破碎试块如图2所示。

(a)冻融后的再生混凝土试块

(b)抗压后的再生混凝土试块图2 再生混凝土试块冻融后和抗压后的破坏

混凝土试块在水中冻融循环过程中，试块内部孔隙中的水达到了饱和状态，由于废弃混凝土试块掺合型再生混凝土中的水泥石渗透系数较之普通混凝土的要高，故再生混凝土内部孔隙中的水饱和程度更大。随着温度将至0 ℃以下，再生混凝土孔隙中的水分冻结膨胀对孔隙壁产生较强的拉力，混凝土本身抗拉强度很低，故再生混凝土表面会产生较多的细裂缝，试块的棱角处出现骨料脱落现象。冻融后的再生混凝土试块经抗压强度试验产生的破坏，多是源于新、旧砂浆界面处的破坏，造成四周砂浆层的剥落严重；另外，再生粗骨料没有充分起到骨架支撑作用并且参与破坏，故再生混凝土抗压破坏程度较高[7]。

废弃混凝土试块掺合型再生混凝土抗压强度损失率如图3所示。

(a)不同粉煤灰取代率

(b)不同再生粗骨料取代率图3 再生混凝土50次冻融循环抗压强度损失率

从图3(a)中可以看出，曲线变化趋势与图1(a)的曲线接近，这都说明一方面粉煤灰的三大效应可以增强再生混凝土的抗冻性，另一方面低粉煤灰取代率对于再生混凝土抗冻性的提升优于高取代率的。未掺加粉煤灰的再生混凝土冻融破坏最为严重，质量损失率亦为最高，比粉煤灰掺量为10%、20%和30%的再生混凝土质量损失率分别提高了90.1%、91.8%和32.6%。高粉煤灰取代率的再生混凝土在冻融次数50次后，呈现出较为明显的脆性，曲线急剧变化，使得再生混凝土抗冻性能有所下降。

从图3(b)可以看到，再生粗骨料取代率在50%以下时，曲线处于渐进变化的过程，抗压强度损失率增加不多；然而，随着再生粗骨料取代率的进一步增加，曲线陡然上升，说明高再生粗骨料取代率的混凝土脆性明显增加，冻融状态下的破坏很严重。从数据上来分析，可以得到：再生粗骨料取代率80%的抗压强度损失率比30%的提高了180.5%。但是从试验中的抗压强度值来看，加入粉煤灰的再生混凝土都满足强度设计值的要求。

通过分析废弃混凝土试块掺合型再生混凝土质量损失率和抗压强度损失率两个指标可以看出，再生混凝土的抗冻性能比普通混凝土要差，主要原因是由于再生粗骨料存在孔隙率大、吸水易饱和、初始损伤、先于新水泥砂浆破坏等因素，在冻融过程中形成较多的贯通通道，降低了混凝土密实度，适量的掺加粉煤灰可以弥补再生混凝土在抗冻性能方面的不足[8-9]。

2.3 相对动弹性模量

从图4(a)中可以看出，曲线呈现先下降后持续上升的态势，这说明在冻融过程中，再生混凝土的动弹性模量会有所下降，然而随着粉煤灰取代率的增加，再生混凝土的相对动弹性模量的下降率在逐渐减少，粉煤灰对于改善再生混凝土的密实程度有着很好的促进作用。在再生粗骨料掺量一定的情况下，粉煤灰取代率在30%时，再生混凝土的相对动弹性模量为初始动弹性模量的97.2%，粉煤灰的活性效应可以有效地填塞再生粗骨料与新拌砂浆之间的空隙。

从图4(b)中可以看出，曲线呈明显下降趋势，这说明随着再生粗骨料取代率逐渐增大，再生混凝土相对动弹性模量一直处于降低状态并且后期变化急剧，这是由于再生粗骨料上残留的旧砂浆增加导致疏松结构的不断增多，再生混凝土密实度下降。再生粗骨料取代率在50%以内，取代率为50%时，相对动弹性模量为初始动弹性模量的93.8%，下降率较少。然而当取代率达到100%时，相对动弹性模量下降最多，比取代率为30%的相对动弹性模量降低了21.8%，再生混凝土相对动弹性模量随再生粗骨料取代率增加而下降的特性与抗压强度损失率变化类似，在实际工程中，要考虑增添外加剂来改善再生混凝土的密实度和抗冻性。

(a)不同粉煤灰取代率

(b)不同再生粗骨料取代率图4 再生混凝土50次冻融循环相对动弹性模量

3 结语

通过不同粉煤灰取代率和再生粗骨料取代率对废弃混凝土试块掺合型再生混凝土质量损失率和抗压强度损失率的影响进行试验研究，可以得到：

1)将一定质量的粉煤灰掺入再生混凝土中，对于再生混凝土在受到冻融破坏时有不同程度的改善和增强作用。当粉煤灰取代率在20%以下时，可以有效地改善其抗冻融耐久性能。

2)不同再生粗骨料取代率掺入配制的再生混凝土，经过50次冻融循环后，质量损失率变化较小，然而抗压强度损失率和相对动弹性模量下降率增加明显，建议控制再生粗骨料取代率在50%以下。

3)单独从抗压强度值上来看，废弃混凝土试块掺合型再生混凝土满足强度要求。但由于再生粗骨料存在孔隙率大、吸水易饱和、初始损伤等缺陷，总体上来说，废弃混凝土试块掺合型再生混凝土抗冻性较差，需要采取一定的改善措施，如优化配合比、掺活性材料、减水剂等。

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An Experimental Study on Frost Resistance of Waste Concrete Cube-Participated Recycled Concrete

LIU Fa-ming，et al.

(SchoolofResourcesandCivilEngineering，SuzhouUniversity，SuzhouAnhui234000，China)

By changing substitution rate of fly ash and recycled coarse aggregate in waste concrete cube-participated recycled concrete，frost resistance experiment to recycled concrete has been made to explore the substitution rates of different fly ashes and recycled coarse aggregates impacting on mass loss rate of recycled concrete，compressive strength loss rate，and relative dynamic elastic modulus.The experimental results show that，on the one hand，fly ash has different degrees of improvement and enhancement to recycled concrete when subjected to freezing and thawing；on the other hand，the mass loss rate will be small in the recycled concrete with different substitution rates of recycled coarse aggregates.However，compressive strength loss rate and the decreasing rate of relative dynamic elastic modulus are increased significantly.The compressive strength loss rate with recycled coarse aggregate substitution rate of 80% has increased 180.5% compared with 30%.The relative dynamic elastic modulus has decreased 21.8% with recycled coarse aggregate substitution rate of 100% compared with 30%.

waste concrete cube；recycled coarse aggregate；mass loss rate；compressive strength loss rate

2017-04-17

安徽省教育厅自然科学基金重点项目(KJ2016A773) 安徽省高等学校省级质量工程大学生创客实验室建设计划项目(2016ckjh200) 宿州学院校级虚拟仿真实验教学中心项目(szxy2016xnfz01) 国家级大学生创新创业训练计划项目(201710379032)

刘发明(1981-)，男(汉)，安徽六安，硕士，讲师 主要研究新型建筑材料、混凝土结构。

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.02.004

TU528

A

1009-8984(2017)02-0014-05