再生骨料原位强化对再生混凝土及其结构性能的影响

 单玉川1，  沈  翀2，  孔德玉3，  张  材1，  章雪峰1

 （1浙江工业大学工程设计集团有限公司，杭州310014;2浙江绿城建筑设计有限公司，

 杭州310007;3浙江工业大学建筑工程学院，杭州310014）

[摘要]  在掺合料裹骨料搅拌工艺的基础上引入纳米硅溶胶，实现再生骨料原位强化，研究了原位强化对不同再生粗骨料取代率再生混凝土强度及结构性能的影响。结果表明：掺合料裹骨料工艺实现再生骨料原位强化，能有效改善再生粗骨料替换造成的强度损失，取代率较低时，28d强度甚至超过天然混凝土的；取代率为 60%时，强度仅略有下降。采用原位强化技术制作的再生混凝土梁和天然混凝土梁，裂缝发展及最终破坏的形态相似，承载力可与天然混凝土梁媲美，甚至比天然混凝土梁具有更大的刚度和极限荷载。

[关键词]  原位强化；再生骨料；界面过渡区；掺合料裹骨料搅拌工艺

中图分类号：TU375 文章编号：1002-848X(2016)12-0037-04

0  引言

 随着城市化发展速度加快，我国每年因拆除原有建筑和新建建筑工程所产生的建筑垃圾量增长速度十分惊人。从可持续发展角度出发，合理利用这些建筑垃圾中的有用资源，通过加工生产得到再生骨料，在此基础上发展再生混凝土及其结构，对于减少垃圾填埋所需场地、减少有用资源浪费和天然原材料消耗以及保护生态环境等均具有重要的意义。

 通过已有研究发现，与天然骨料混凝土相比，再生骨料混凝土抗压强度明显下降。为提高再生骨料混凝土的性能，国内外发展了多种高品质再生骨料生产工艺和再生混凝土生产工艺。研究发现，与常规搅拌工艺相比，采用水泥裹砂石和掺合料裹骨料工艺可明显改善再生骨料与水泥石界面过渡区微观结构，提高再生混凝土性能。本文在掺合料裹骨料搅拌工艺的基础上引入纳米硅溶胶，使其吸附于再生骨料内部孔隙中，利用吸人的纳米硅溶胶和表面包覆的掺合料对再生骨料内部和界面富集的氢氧化钙(CH)的吸收作用，生成水化硅酸钙凝胶，从而实现再生骨料的原位与界面强化，通过试验研究了再生骨料原位纳米强化对再生骨料混凝土及其结构性能的影响。

1  原材料与试验方法

1.1原材料

 试验所用水泥为P．0 42.5普通硅酸盐水泥，高效减水剂为HG-FDN型高效减水剂。天然粗骨料为4. 75~19. 0mm连续级配碎石，吸水率为2.5%；再生粗骨料是将实验室制备的C30混凝土，经鄂式破碎机破碎，再筛分成4. 75~19. 0mm的连续级配再生粗骨料，吸水率为4.9%；细骨料为细度模数为2. 53、级配合格的天然中砂，吸水率为1. 2%。硅粉的比表面积为16. 72m2/g;矿粉为S95级；粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰。硅溶胶为NS-30型，SiO2含量为30. 3%，pH值为9.0，粒径为8~20nm。

1.2试验方法

 混凝土基本配合比为胶凝材料：水：砂：石：减水剂：硅溶胶= 388:157:1 021：835：5.81:3.88，其中单位用水量为自由水用量，实际搅拌时按粗、细骨料的吸水率计算吸附水用量，并通过调整减水剂用量控制混凝土拌合物坍落度为220mm左右；硅溶胶掺量为其中的纳米SiO2固含量。胶凝材料中硅粉、粉煤灰和矿粉掺量分别为胶凝材料用量的10%，20%，20%。再生粗骨料取代率分别为粗骨料总量的20%，40%，60%。分别采用普通工艺和原位强化工艺制备混凝土，其工艺流程见图1。各组混凝土的配合比及其搅拌工艺见表1。采用搅拌得到的混凝土拌合物制作边长为100mm的立方体试件，按《普通混凝土力学性能试验方法》( GB/T 50081-2002)进行抗压强度试验，龄期分别为3，7，28d。

 进行再生混凝土梁结构性能测试时，采用掺合料裹骨料搅拌工艺制备再生混凝土梁，并与采用普通工艺制备的全天然粗骨料梁进行对比，其混凝土配合比及其搅拌工艺与表1中再生粗骨料取代率为40%的再生混凝土RC4-SF，RC4-SL，RC4-FA及天然混凝土N-FA 一致，编号为梁RC4-SF，梁RC4-SL，梁RC4-FA，梁N-FA。混凝土梁截面尺寸为100mm×160mm，长度为1.4m，上下各配两根ϕ12的HPB235钢筋。试件成型后24h拆模，在室内自然环境下养护，28d后对混凝土梁进行结构性能测试，测试时，采用分配梁实现两点加载，试验装置见图2。

 按《混凝土结构试验方法标准》( GB 50152-2012)的要求，在电液伺服试验机上加载，采用分级加载的形式，每级加载值按天然骨料混凝土开裂荷载值的10%递增，加载值达到开裂荷载值的90%时，按5%递增。当试件开裂后，以承载力试验荷载计算值的10%为荷载增量，直到构件破坏。加载过程中记录每级荷载下的挠度、裂缝的发展及最终裂缝宽度、开裂荷载和破坏荷载等。

2  结果分析与讨论

2.1再生骨料界面强化对混凝土强度的影响

 图3所示为不同再生粗骨料取代率对再生混凝土强度的影响，其中天然混凝土采用普通搅拌工艺，而再生混凝土采用原位强化搅拌工艺。

 由图3可见，与采用普通工艺制备的掺硅粉、矿粉和粉煤灰的天然骨料混凝土相比，采用原位强化工艺制备的掺20%再生粗骨料的再生混凝土的3，7，28d强度均明显较高；掺40%再生粗骨料时，掺10%硅粉的再生混凝土强度仍较高，但掺矿粉的再生混凝土强度略有减小，而掺粉煤灰的再生混凝土强度仍略有提高。掺60%再生粗骨料时，除掺10%硅粉的再生混凝土强度仍略有提高外，掺20%矿粉和掺20%粉煤灰的再生混凝土强度均略有下降。可见，采用再生骨料原位强化工艺可在一定程度上弥补由于掺再生骨料所导致的混凝土强度下降，其中掺硅粉时，其改善效果最佳，掺粉煤灰时次之，而掺矿粉效果最差。其原因可能与粉煤灰具有较高的细度有关，采用粉煤灰包覆处理时，粉煤灰微细粒子可渗透进入再生骨料表面的孔隙中，因而对再生骨料具有更好的原位强化效果；矿渣微粉虽然活性较高，其对再生骨料，水泥石界面粘结效果的改善更为明显，对再生骨料的原位强化效果却明显较差。而采用硅粉进行处理时，由于硅粉颗粒粒径较小且活性较高，因此采用硅粉进行处理对再生骨料的原位与界面强化效果均最显著。可见，通过原位强化工艺有助于弥补因掺加再生骨料而导致的混凝土强度下降。

2.2再生混凝土梁裂缝发展及破坏状态

 考虑到再生粗骨料取代率为40%时，采用原位强化工艺制备的再生混凝土与采用普通工艺制备的天然混凝土强度基本相当，因此进一步研究再生混凝土梁的结构性能时，所用混凝土的再生骨料取代率设定为40%。试验过程中发现，采用原位强化工艺制作的再生混凝土梁和天然混凝土梁裂缝发展形态相似。以掺硅粉的再生混凝土梁（梁RC4-SF）为例，在静力加载阶段，当加载到(0.4~0.5)P u（P u为极限荷载理论值）的过程中，混凝土梁开始在纯弯段受拉区出现轻微弯曲裂缝；继续加载时，梁的加载点两侧和梁跨中均新增竖向短裂缝；继续加载，混凝土梁上几乎所有的裂缝均以较快的速度发展，裂缝宽度较先前有所增加，斜裂缝附近开始出现少许短裂缝，但梁两端斜裂缝的发展不十分明显。当加载到破坏荷载时，梁的挠度急剧增大，其裂缝长度和宽度急剧增加，发生了典型的正截面破坏。梁RC4-SF最终在静载下破坏时的裂缝情况如图4所示。破坏时，原位强化工艺处理的再生混凝土和天然混凝土梁的裂缝宽度数值相近，在1.0~2. 0mm左右。

2.3再生混凝土梁开裂荷载及破坏荷载

 表2所示为原位强化工艺制作的再生混凝土梁的开裂荷载及破坏荷载。由表3可见，再生粗骨料取代率为40%时，与掺粉煤灰的天然混凝土梁(梁N-FA)相比，经硅粉裹骨料工艺处理的再生混凝土梁开裂荷载和破坏荷载均明显较高，提高幅度分别达到15%，24%左右；经矿粉裹骨料工艺制作的再生混凝土梁与天然混凝土梁开裂荷载相当，而破坏荷载略有提高；粉煤灰裹骨料工艺处理的再生混凝土梁开裂荷载较低，比天然混凝土梁开裂荷载约低15%，破坏荷载与掺粉煤灰的天然混凝土梁相当。由此可见，经粉煤灰裹骨料工艺处理的掺40%再生粗骨料的再生混凝土梁破坏荷载承载力与天然混凝土相当，但其开裂荷载略低。

 此外，对比图3和表3可见，虽然与掺粉煤灰的再生混凝土相比，采用原位强化工艺制备的掺矿粉再生混凝土强度略低，但开裂和破坏荷载均较高，其原因可能与掺矿粉再生混凝土试件一直在水中养护，其养护条件较好，而掺粉煤灰的再生混凝土在空气中养护，其养护湿度较差有关。而掺粉煤灰的混凝土在湿度较小时，其强度发展不如掺矿粉的混凝土。总体而言，采用掺合料裹骨料工艺可有效弥补因掺加再生粗骨料导致的再生混凝土梁开裂和破坏荷载的明显下降。

2.4再生混凝土梁抗弯性能

 图5所示为原位强化工艺制作的再生混凝土梁的荷载一跨中挠度曲线。由图5可见，经过原位强化工艺处理的再生混凝土梁相比天然混凝土梁具有更大的刚度和极限荷载，其中，硅粉裹骨料工艺对再生混凝土梁工作性能的提升要略好于其他两种处理方式的。

3  结论

 研究了引入纳米硅溶胶并采用掺合料裹骨料工艺实现再生骨料原位与界面强化对再生混凝土及其结构性能的影响，结果表明：

 (1)采用原位强化工艺可有效弥补因掺加再生粗骨料而导致的混凝土强度损失，取代率为60%时，掺硅粉再生混凝土强度仍高于普通工艺天然混凝土；而掺粉煤灰和矿粉再生混凝土，取代率为40%时，强度与天然混凝土相当；取代率为60%时，强度略低于天然混凝土。

 (2)采用原位强化工艺制作的再生混凝土梁和天然混凝土梁裂缝发展及最终破坏的形态相似，采用原位强化工艺制作的再生混凝土梁承载力与天然混凝土梁相当，甚至比天然混凝土梁具有更大的刚度和极限荷载。