王祥，郭培玺，谢东武

摘要：为了保证严寒地区建筑结构的冻融安全性，对水灰比（W/C）为47%的粒化高炉矿渣混合再生骨料混凝土进行研究，通过多组试验对混合混凝土的泌水性、抗压强度等进行评估，分析混合粒化高炉矿渣的再生骨料混凝土的抗冻融性。结果表明：1）当粒化高炉矿渣掺量小于50%时，其泌水性可保持在0.1 cm3/cm2以下;2）在混凝土的空隙通过性试验中，掺入粒化高炉矿渣后，混凝土的间隙通过性突出，抗压强度低于普通混凝土，但具有足够的抗冻融性能;3）在配合比设计为正常强度范围的混凝土中，利用粒化高炉矿渣取代50%以下的碎砂的再生骨料混凝土具有足够的泌水性、抗压强度，以及抗冻融性能。混合粒化高炉矿渣的再生骨料混凝土可用于在高寒地区进行的工程建设，研究成果可有效提高高寒地区建筑物的抗冻融性并延长其使用寿命，可为高寒地区工程项目中抗冻融混凝土的制备提供一定的参考。

关键词：混凝土与钢筋混凝土结构;再生骨料;粒化高炉矿渣;泌水性;抗冻融性

中图分类号：TU411.7文献标识码：ADOI： 10.7535/hbgykj.2021yx05002

Research on freeze-thaw resistance of recycled concrete with

granulated blast furnace slag

WANG Xiang1，GUO Peixi2，XIE Dongwu3

（1.Sichuan-Tibet Railway Company Limited，Chengdu，Sichuan 610094，China;2.Shaanxi Key Laboratory of Safety and Durability of Concrete Structures，Xi′an，Shaanxi 710123，China;3.College of Civil Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China）

Abstract：In order to ensure the structural freeze-thaw safety of buildings in severe cold areas，the granulated blast furnace slag mixed recycled aggregate concrete with a W/C （water-cement ratio） of 47% was studied.Through multiple sets of tests，the bleeding and compressive strength of the mixed concrete were evaluated，and the freeze-thaw resistance of recycled aggregate concrete mixed with granulated blast furnace slag was analyzed.The results show that：1） when the granulated blast furnace slag content is less than 50%，its bleeding can be kept below 0.1 cm3/cm2;2） in the filling performance test of concrete，after adding granulated blast furnace slag，the interstitial passability of the concrete is outstanding，the compressive strength is lower than that of ordinary concrete，but it has sufficient freeze-thaw resistance;3） when the mix ratio of concrete is designed in the normal strength range，granulated blast furnace slag is used to replace the broken sand（ less than 50%），which has sufficient performance of bleeding，compressive strength，and freeze-thaw resistance.Recycled aggregate concrete mixed with granulated blast furnace slag can be used for engineering construction in high-cold areas，the results can effectively improve the freeze-thaw resistance of the building in high-cold areas and extend its service life，which also provide a certain reference for the preparation of freeze-thaw-resistant concrete in high-cold areas.

Keywords：concrete and reinforced concrete structures;recycled aggregate;granulated blast-furnace slag;bleeding;freeze-thaw resistance

隨着工程建设的快速发展，对混凝土骨料的需求量日趋增大，天然骨料开发难以满足工程需求，同时过度开发也会带来对生态环境的严重破坏。当前工程上主要采用粉煤灰（FA）[1-2]、高炉矿渣（GGBS）[3]、再生细骨料（RFA）[4]等混合制备混凝土。相关研究显示，粉煤灰可以改变混凝土的可加工性能和耐久性能[5-6]，高炉矿渣可以降低间隙率并提高混凝土的耐腐蚀性[7-8]。

混凝土再生骨料可分为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类，现阶段对再生骨料混凝土特性已有一定的研究[9-10]，在工程中也在不断推广和使用。JGJ/T 240-2011《再生骨料应用技术规程》规定Ⅰ类再生骨料可用于配制各种强度等级的混凝土。Ⅱ类、Ⅲ类造价相对Ⅰ类较低，制备出的混凝土抗压强度、抗冻融性等相关性能均呈现出下降趋势 [11]。目前，对再生骨料的研究主要集中在高强度混凝土（混凝土立方体抗压强度为C60及其以上），即原高强度混凝土被粉碎，除去铁屑和木屑后进行筛选，密度符合再生骨材Ⅰ类标准，其吸水率仅能达到Ⅱ类骨料标准。将粗骨料粉碎成为再生细骨料后，再混合粒化高炉矿渣，在特定水灰比（W/C）为39%下能得到较高的抗冻融性[12]。目前，对混合粒化高炉矿渣的再生骨料混凝土研究主要集中在混凝土强度方面，并没过多地对其抗冻融性进行研究。本文对混合高炉矿渣的再生骨料混凝土的泌水性、间隙通过性、抗压强度和抗冻融性等特性进行研究，以为中国严寒地带的再生骨料混凝土制备提供参考。

1试验设计

1.1材料及混凝土的配方

粒化高炉矿渣（以下称为BFS）采用BFS-S105和BFS-S75 2种型号。试验采用骨料的粒径分布如图1所示。再生粗骨料（以下称为RG）是将老旧基础的预应力混凝土管桩进行粉碎、清洗、筛分后采集而来，其粒径分布与普通碎石（以下称为G）相同。试验材料的物理性质如表1所示。

混凝土的混合比如表2所示，控制水灰比为47%。样品N表示仅使用普通碎石和碎砂作为骨料的混凝土样品; 样品R表示用普通碎砂和再生粗骨料（以下简称RG）作为骨料的混凝土样品;样品BFS-S75-50前面的“BFS-S75”表示粒化高炉矿渣型号，“50”表示的是粒化高炉矿渣（BFS-S75）对天然细骨料的取代率;样品BFS-S105-50R，最后一个“R”表示的是再生粗骨料。混凝土样品的制备是通过采用双轴强制式混合机将材料搅拌3 min进行制备的。

1.2试验方法

研究基于GB 50204-2015《混凝土结构工程施工质量验收规范》[13]和GB 50107-2010《混凝土强度检验评定标准》[14]对试验样品进行坍落度试验，含气量试验根据JGJ 55-2011《普通混凝土配合比设计规程》[15]进行总校正系数分析。试验发现，当采用再生粗骨料作为粗骨料，采用BFS作为细骨料进行混合时，不论混合比例如何，骨料校正系数均为1.0%。 因此，实际的再生粗骨料含气量是减去骨料校正系数1.0%而得到的含气量[15]。

1）泌水试验

泌水试验参照交通部JTG 3420-2020《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》[16]进行试验。

2）间隙通过性分析

根据GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》[17]进行间隙通过性分析，测试设备的示意图如图2所示。

試验过程如下：将箱型容器水平放置在防振垫上，样品分3层包装置于在A室中并关闭隔板。轻轻摇动箱型容器3次，使图中B室的丙烯酸板侧朝前。随后将A室的上表面材料抹平，将插入式振动器（Φ28 mm，频率为220～270 Hz）从A室底部开始上移到100 mm处，升高隔板并用棒状内部振动器进行振动，并将样品填充到B室一侧。通过目测确认样品在B室最高填充高度达到190 mm和300 mm时，分别记录时间（用T190，T300表示），并通过式（1）计算通过速度。

Vpass=300-190T300-T190。（1）

3）抗压强度试验

根据GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》[18]进行混凝土抗压强度试验。样品在水中分别固化7 d和28 d，水温为（20±2）℃。

4）液氮快速冻融试验

试验采用图3所示的测试设备。在使用液氮进行的快速冻融试验（以下简称快速冻融试验）中，将液氮喷洒到样品上使其冷冻，随后在45～50 ℃的温水中浸泡5 min进行解冻，从温水中取出试件并用布块擦拭表面，在距试件底部5 mm处安装传感器，并通过透射法测量超声波的传播时间，记录传感器之间的距离，并计算了超声波传播速度。每次试验作为一次循环，当由式（2）算出的相对动态弹性模量下降到60%以下或达到10次冻融循环次数时停止试验，由此得到用以评估抗冻融性的耐久性指标[19]：

相对动态弹性系数=（VLn）2（VL0）2×100，（2）

耐久性系数=PNc10×100，（3）

式中：VL0表示试验前的超声波传输速度，km/s;VLn表示第n个周期的超声波传播速度，km/s;Nc为相对动态弹性系数到60%以下时的循环次数;P表示Nc循环时的相对动态弹性系数，如果在10个周期内相对动态弹性系数不低于60%，则Nc=10。

整个试验过程中需要注意的是，在间隙通过试验结束后，从图4所示的位置收集混凝土进行混合，由此制备用于快速冻融试验的柱状试件。并将试件浸入水中（20±2）℃固化直到28 d后取出进行液氮喷雾。

2试验结果及讨论

2.1新拌混凝土的性能

1）泌水性能分析

泌水量与泌水时间之间的关系如图5所示。研究发现：BSF-S75-100样品从0～60 min的泌水量急剧增加，达到0.8 cm3/cm2，泌水量在240 min达到0.9 cm3/cm2，材料离析现象严重，说明BFS不能完全取代细骨料; BSF-S75-50样品的泌水量在60 min后开始增加，但相比BSF-S75-100的上升趋势较缓，最终泌水率大致为0.2 cm3/cm2，其余样品的泌水量上升趋势基本一致，最终泌水量均在0.05 cm3/cm2以下。

试验样品最终泌水量如图6所示。结果发现混合BSF后的样品会明显增加泌水量。GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》 [18]规定泌水量需小于0.3 cm3/cm2，BSF-S75-50样品的泌水量符合此要求，但是BSF-S75-100样品的泌水量远远超过了规范的规定。当使用BSF-S105取代细骨料时，即使取代率达到50%（BSF-S105-50），样品最终的泌水量也与样品N大致相同，能够达到规范要求。

在使用再生粗骨料（RG）的样品配比中，无论高炉矿渣（BFS）的种类和混合比如何，泌水量均小于0.1 cm3/cm2。研究认为由于再生粗骨料表面呈现凹凸形状以及附着在骨料表面的胶结物可以抑制水的流动。因此，在采用BSF-S105或BSF-S75作为细骨料取代率在50%的时候，其泌水性能达到规范的要求。

2）间隙通过性

间隙通过性试验中B室的填充高度达到190 mm和300 mm所需的激振时间如图7所示，间隙通过速度（Vpass）如图8所示。结果发现：样品R在所有样品中间隙通过速度最慢，其原因可能是激振作用导致砂浆和再生粗骨料（RG）產生分离;当采用BSF-S75取代细骨料的样品时，不管粗骨料是天然粗骨料还是再生粗骨料，取代率是50%还是100%，其通过速度也较缓慢，其原因在于BSF-S75的粒径较粗，充填较容易发生，间隙通过速度出现缓慢状态;当采用BSF-S105取代天然细骨料时，样品的间隙通过速度明显增加，其原因是BSF-S105比BSF-S75粒径小，容易进入粗骨料之间，缓和了粗骨料之间的碰撞，有助于提高间隙通过性;当采用RG和BSF-S105混合的样品时，其间隙通过速度比使用普通粗骨料和BSF-S105混合的样品更快，主要原因在于通过BSF-S105填充再生粗骨材使其表面的凹凸部分变得光滑，同时由于在混合过程中再生粗骨料表面与BSF-S105的碰撞磨损也会使得结构面变得平滑，从而增加了间隙通过性。

间隙通过速度与泌水量之间的关系如图9所示，两者之间的相关性并不显著。间隙通过性主要决定因素是砂浆和粗骨料的分离，而泌水性是水和骨料的分离。结果发现：当泌水量大于0.2 cm3/cm2时，在使用天然粗骨料和BFS混合时，间隙通过速度趋于缓慢， 因此，泌水量大的样品往往容易发生砂浆和粗骨料的分离;另一方面，即使对于R和BSF-S75-50R等泌水量特别小的样品，间隙通过速度也可能非常缓慢，因此泌水量小的混合物并不总是具有良好的间隙通过性。

2.2硬化混凝土的性能

1） 抗压强度

试验样品在第7天和第28天的抗压强度如图10所示。对比样品N和R的抗压强度，在第7天时R抗压强度降低约5 N/mm2，在第28天时R降低约10 N/mm2。将普通粗骨料的抗压强度与RG和BFS的混合材料进行比较，RG和BFS的混合材料在第7天时降低5～10 N/mm2，在第28天时降低15～20 N/mm2。

比较样品R和RG-BFS混合试样的抗压强度时发现，两样品在第7天时抗压强度基本相同，但混合使用RG和BFS的样品在第28天时减小5～10 N/mm2。研究发现当混合BFS时，无论粗骨料如何，第28天时的抗压强度均较低，原因可能是BFS自身的强度低以及BFS与水泥浆之间的黏合性弱导致样品强度降低。HIRATA[12]研究样品的材料与本试验基本相同，他发现，当采用RG和BFS混合时其抗压强度等于或高于没有BFS混合的样品，因此BFS自身的强度不太可能是影响样品抗压强度的决定性因素。本研究与HIRATA的研究主要区别在于单位水泥用量，单位水泥的量越大，水泥浆的黏合力越强，并且水泥浆与BFS之间会保持足够的黏合力，在本研究中，单位水泥量为350 kg/m3，与普通混凝土大致相同，对于具有玻璃表面和水泥浆弱黏结性的BFS可能具有一定的改善效果。BSF-S75-100的抗压强度特别低是因为其泌水量较大，研究认为可能是过水通道形成了空隙而导致材料的密闭性降低以及骨料结构面的黏附性降低，从而导致样品抗压强度下降。

2）抗冻融性

试验样品的快速冻融测试结果如图11所示。图12表示在间隙通过性试验中在A室和B室中标准样品的平均耐久性指数（图4中A1和A2的平均值以及B1和B2的平均值）。研究发现由于样品渗水和夹带空气量增加会导致抗冻融性降低，混合BFS可以使样品的抗冻融性得到改善。结果发现，当混合BFS的样品可以在渗水量和残留空气少的范围内提高混凝土的抗冻融性，随着BFS混合比的增加，夹带的空气也相应增加。

从图11可发现，除BSF-S75-100外，样品N与BFS混合试样的相对动态弹性模量是渐进的，耐久性指数为85%～90%。在BSF-S75-100中，由于水和骨料的离析导致耐久性产生明显降低。间隙通过性试验结果发现：BSF-S75-100的耐久性指数在室A和室B均大于其他样品，研究推测是由于长时间的振动使材料的空气含量减少的原因，但是需要通过测量气泡间隔系数等来验证。

图12使用RG的样品中，相对动态弹性模量从第3个循环开始呈现显着降低趋势，并且耐久性指数降低到64%。与单独使用RG的情况相比，在RG和BFS混合时，无论BFS的类型和取代率如何，耐久性指数均得到改善。研究认为是因为混合了BFS而使混凝土中的水分减少，吸水率降低，从而抑制了骨料结构面的氢氧化钙的析出。

图13和图14显示在间隙通过性测试中A2和B1的振动时间与耐久性指标之间的关系。A2的相关系数为R2=0.80， B1的相关系数为R2=0.52，关联性并不显著。研究认为可能是因为在A2区域受振动影响较大，振动能量传递显著而促使材料产生分离，所以激振时间和耐久性系数相关性更强。

图15显示A室的耐久性指数的平均值（A1和A2的平均值）与B室的耐久性指数的平均值（B1和B2的平均值）之间的关系。图15中的实线表示倾斜度等于1，虚线表示偏差度为±5%。间隙通过性试验前后的耐久性指数波动为±5%，但样品R和BSF-S75-100的偏差为8%～10%，比其他样品偏差大。因此，实际工程中如果间隙性通过良好，则会受到钢筋振动，产生局部影响，但总体而言抗冻融性波动不会很大。因此，在使用RG和BFS混合时，重要的是保证其间隙通过性良好。

3结语

试验在固定水灰比（W/C）为47%条件下，将不同规格的BFS取代天然细骨料，再混合再生粗骨料或天然粗骨料，制备不同样本混凝土，通过对样本进行泌水性试验、间隙通过性试验、抗压强度试验以及快速抗冻融性试验，研究混合BFS的再生粗骨料混凝土的抗冻融性，研究结果如下。

1）同时混合BFS和再生粗骨料的混凝土泌水量均小于0.1 cm3/cm2，显著低于普通混凝土。因此，在采用BSF-S105或BSF-S75作为细骨料取代率在50%的时候，其泌水性均能达到规范的要求。

2）当采用BSF取代天然细骨料时，因粒径小易进入粗骨料之间，缓和了粗骨料之间的碰撞，样品的间隙通过速度明显增加，因此混合BSF的再生粗骨料混凝土能提高间隙通过性。

3）采用BFS混合再生粗骨料的混凝土与普通混凝土的抗压强度相比，第7天时的抗压强度降低了5～10 N/mm2，第28天时降低了15～20 N/mm2，研究认为抗压强度的降低主要是过水通道形成了空隙而导致材料的密闭性降低以及骨料结构面的黏附性降低，从而导致样品抗压强度下降。

4）混合BFS促使混凝土中的水分减少，吸水率降低，从而抑制了骨料结构面的氢氧化钙的析出，进而提高混合混凝土的抗冻融性，研究发现采用BFS混合再生粗骨料的混凝土抗冻融性比单独采用再生粗骨料混凝土更好。

综上所述，当BFS对天然细骨料取代率为50%时，可以提高BFS混合再生混凝土的抗冻融性。另一方面，有必要进一步研究BFS混合再生混凝土的强度特性，今后还将探讨使用再生粗骨料所引起的碱骨料反应和干燥收缩的抑制方法，希望能改进BFS混合再生混凝土的实用性，提高废旧建筑材料的循环利用，并为高寒地区抗冻融混凝土的发展提供一定的参考。

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