崔 鹏

（1.甘肃路桥建设集团有限公司；2.公路建设与养护技术、材料及装备交通运输行业研发中心，甘肃 兰州 730030）

随着经济发展，我国建筑垃圾及拆卸废弃物数量逐年增加，其中很大一部分废弃物来自废弃混凝土结构[1-2]，至2020 年，我国建筑垃圾预计产生30亿t，如此巨大的建筑垃圾将对自然生态环境造成严重危害，而建筑垃圾的回收利用是解决生态问题的主要途径[3]。此外，随着我国公路建设的快速发展，道路工程中混凝土的大量使用，对天然集料的需求与我国环境保护的矛盾日益突出[4]。而将建筑垃圾替代部分天然骨料，制备再生混凝土，不仅可以回收建筑垃圾、节约资源，而且可以减少对天然集料的开采、保护环境[5]。

由于RCA 骨料自身强度低、吸水率高等缺陷，使得再生骨料混凝土的各项性能较天然混凝土低，这往往导致混凝土的物理、力学和耐久性性能下降[6-7]。因此，RCA 母体混凝土强度在再生混凝土性能起到至关重要的作用，以往的研究针对再生混凝土的力学性能、收缩及微观机理等方面进行了大量研究[8-10]，但多数的研究只局限于再生混凝土的短期性能，针对其长期力学性能等方面鲜有研究[11-12]。且对RCA 母体混凝土强度对再生混凝土力学及变形的影响研究也较少。因此，针对RCA 母体混凝土强度对再生混凝土力学及变形进行了系统性研究，通过不同强度RCA 对再生混凝土抗压强度、弯拉强度、弹性模量、收缩及徐变等方面的研究分析，以期对再生骨料的应用上提供指导和借鉴。

1 原材料及试验方案

1.1 原材料

水泥采用普通硅酸盐水泥，比表面积为324m2/kg，比重为3.150g/cm3，其主要化学成分见表1。天然集料采用玄武岩破碎集料，其最大公称粒径为19mm，表观密度为2.62g/cm3，吸水率为2.0%；细集料材料公称粒径为2mm 的天然砂，表观密度为2.70g/cm3，吸水率为0.4%，细度模数为2.3。

表1 普通硅酸盐水泥化学成分

为了获取不同强度的再生骨料，制备C20 和C50 两种强度的混凝土并养生90d，然后采用集料破碎方式制备再生混凝土骨料，记为RCA-20 和RCA-50，其比重分别为2.16 g/cm3和2.36 g/cm3，吸水率分别为6.8%和5.5%。为了与天然集料进行对比研究，采用逐级筛分的方式，确保RCA 级配与天然集料一致。

1.2 再生水泥混凝土制备

采用两种RCA 等质量替代天然集料，RCA 掺量为50%，不同再生水泥混凝土配合比设计方案其结果见表2。

表2 再生混凝土配合比设计方案

从表2 中可以看出，通过对再生混凝土坍落度和密度进行测试，基准混凝土的坍落度为130mm，而再生混凝土的坍落度都为115mm，表明RCA 可降低再生混凝土的流动性；此外，不管是现浇密度还是硬化密度，基准混凝土都高于两种再生混凝土，这主要是由于再生骨料颗粒棱角多、表面粗糙，且组分中含有硬化的水泥砂浆导致表观密度低，这些使得再生混凝土流动性降低、密度也低于普通混凝土[13-15]。

所有混凝土试件成型后在标准条件下进行养护以备待测，制备完成后对不同水泥混凝土的抗压强度、抗折强度、弹性模量以及变形进行测试，其主要测试方法参照规范进行。

2 试验结果及分析

2.1 再生水泥混凝土强度分析

图1 所示为再生混凝土抗压强度和抗折强度测试结果。

图1 再生混凝土抗压强度和抗折强度测试结果

图1（a）所示为再生混凝土抗压强度测试结果，从图中可以看出，相同龄期下，RCA-20 再生混凝土的抗压强度最低，RCA-50 再生混凝土前期强度略低于基准混凝土，而90d 以后，其强度与再生混凝土强度相似。随着龄期的增长，所有混凝土的抗压强度都逐渐增加，基准混凝土前期（28d 前）强度增长较快，28d 以后，其抗压强度随龄期的增加略有增长；而再生混凝土抗压强度随养护龄期的增加而快速增长，且在后期养护过程中，其强度增长速率略高于基准混凝土，RCA 母体混凝土对再生混凝土强度的影响较大，母体混凝土强度越大，其再生混凝土的强度也越大。

图1（b）所示为再生混凝土抗折强度测试结果，从图中可以看出，三种混凝土的抗折强度随龄期的增加略有增加。三种混凝土中，RCA-20 再生混凝土的抗折强度最低，RCA-50 与基准混凝土的抗折强度相近，两者显著高于RCA-20 再生混凝土，表明RCA 母体混凝土强度对再生混凝土抗折强度起到至关重要的作用。

2.2 再生水泥混凝土弹性模量分析

图2 所示为再生水泥混凝土弹性模量测试结果。

图2 再生混凝土弹性模量测试结果

从图2 中可以看出，与再生混凝土强度测试结果相似，RCA-20 再生混凝土的弹性模量最差，且随着龄期的增加，其弹性模量增长率较低，28d 时再生混凝土的弹性模量为26.7GPa，至180d 时，其弹性模量为28.1GPa，增长了5.2%。RCA-50 再生混凝土和基准混凝土的弹性模量显著高于RCA-20 再生混凝土，且前期基准混凝土的弹性模量略高于RCA-50，后期两者弹性模量基本保持一致，这与前述再生混凝土的强度测试结果一致，表明高强度再生混凝土骨料可制备与天然集料性能相似的混凝土。

2.3 干缩性能分析

为研究不同再生混凝土的干缩性能，对基准混凝土、RCA-20 和RCA-50 再生混凝土的干缩性能进行测试，其结果如图3 所示。

图3 再生混凝土干缩性能测试结果

从图3 中可以看出，三种再生混凝土的干缩性能表现出相似的变化规律，即随着养护龄期的增加，前期再生混凝土干缩应变均较大，后期（90d 以后）其收缩应变增长速率减缓。三种混凝土中，RCA-20 再生混凝土的干缩应变最大，90d 后的干缩应变是基准混凝土的55%以上；RCA-50 与基准混凝土的干缩应变变化趋势接近，其值略高于基准混凝土的干缩应变，进一步说明再生骨料母体混凝土强度越高，所制备再生混凝土的性能也就越好。

2.4 徐变性能分析

图4 所示为不同龄期下再生混凝土徐变系数的测试结果，其中徐变系数定义为最大徐变应变与弹性应变的比值，该系数是估算持续荷载作用下的水泥混凝土结构的挠度的重要参数。

图4 再生混凝土徐变系数随时间的变化

从图4 中可以看出，同前述强度等测试结果一致，三种再生混凝土中RAC-20 再生混凝土的徐变系数最大，在相同养护龄期下，含有降低强度再生骨料的混凝土的徐变系数显著高于其他两种混凝土。与前述性能测试结果不同的是，RCA-50 再生混凝土的徐变系数略低于基准混凝土，表明其性能略优于基准混凝土，再次证明了采用强度较高的再生骨料可制备与天然集料性能相似的水泥混凝土。

2.5 再生混凝土微观机理分析

因再生骨料复杂的结构，使得其制备的再生混凝土也存在复杂的内部结构，主要包括再生骨料与新砂浆界面区、旧砂浆与新砂浆接触面、再生骨料与旧砂浆界面区、新骨料与新砂浆界面区等，如图5所示，其中ITZ 指再生混凝土集料与砂浆界面过渡区。这些复杂的内部结构使得再生混凝土内部存在多个薄弱区，如再生骨料与新砂浆界面区、旧砂浆与新砂浆接触面、再生骨料与旧砂浆界面区，在外力的作用下，这些薄弱区率先产生微观缺陷，使得混凝土的力学性能和耐久性下降。

图5 再生混凝土内部微观结构

采用扫描电镜（SEM）对不同RCA 表面形貌进行观测，其结果如图6 所示。从图中可以看出，低强度RCA 表面具有较多的孔洞和裂缝结构，而高强度RCA 的孔洞数量和裂缝明显较少，使得高强度RCA再生混凝土的内部结构的密实性明显得到改善。此外，由于高强度表面砂浆层的强度也较高，其抵抗外部荷载的能力强于低强度RCA 再生混凝土。因此，采用高强度RCA 制备的再生混凝土其抗压强度、弹性模量及变形性能显著优于低强度RCA 制备的再生混凝土。

图6 再生骨料表面微观结构

3 结语

本文针对RCA 母体强度对再生混凝土力学与变形性能的影响进行研究，其中主要包括再生混凝土抗压、抗折强度、弹性模量及变形性能，得到如下结论：

（1）RCA 母体混凝土强度越高，所制备再生混凝土的性能越好，其抗压、抗折强度和弹性模量越高，抗变形能力也越好。

（2）再生骨料整个龄期内的抗压强度呈明显递增的趋势，且后期强度的增长趋势显著高于基准混凝土，RCA-50 再生混凝土前期强度和弹性模量略低于基准混凝土，但其后期的强度和弹性模量与基准混凝土相似。

（3）再生混凝土的变形测试结果表明，采用高强度的再生骨料可制备与天然骨料变形性能相似的混凝土。

（4）针对再生混凝土微观机理分析结果表明，再生骨料强度越高，其微观表面缺陷越少、砂浆强度也越高，所制备的再生混凝土性能也越好。