同掺再生粗细骨料混凝土的力学与耐久性能研究

陈鹏博，李北星，殷 实，杨宏天

(武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉 430070)

再生骨料与天然骨料最大不同之处是其表面附着大量废旧砂浆，有些再生细骨料甚至完全由砂浆破碎而成，加之再生骨料生产过程中颗粒内部又产生大量微裂纹[1]，这些因素导致了再生骨料具有密度小、吸水率大及强度低等缺点[2]，再生细骨料作为生产再生粗骨料的“副产物”，其缺点相对于再生粗骨料体现得更为显著，致使再生骨料取代天然骨料后的混凝土工作性、力学与耐久性能降低[3-5]。目前的研究普遍认为，再生粗骨料替代率低于30%(质量分数，下同)对混凝土力学性能的影响较小[6-8]，所以再生骨料在荷兰、德国、美国、日本等一些国家的混凝土中的实际应用较为普遍[9-12]，而再生细骨料由于品质较低，使用仍然非常有限，甚至一些标准明令禁止在结构混凝土中掺用再生细骨料[13-15]。虽然我国《再生骨料应用技术规程》(JGJ/T 240—2011)[16]规定II类再生粗骨料、I类再生细骨料能用于配制C40及以下强度等级的再生骨料混凝土，且替代率最高可达50%，但由于砖混建筑垃圾分选和骨料加工工艺落后的原因，我国再生粗骨料质量以II、III类为主，再生细骨料大部分为III类及以下，所以在目前的实际应用中，主要是掺用不超过30%的再生粗骨料替代天然粗骨料配制再生粗骨料混凝土，且再生混凝土强度等级多限于C30以下且主要使用于非重要结构部位。而再生细骨料由于品质较低及对同时掺入再生粗细骨料的混凝土尤其是长期性能和耐久性研究较少，未见同掺再生粗骨料和细骨料混凝土工程应用的报道。

郭樟根等[17]研究了不同水灰比(0.4、0.5、0.6)、不同粗骨料取代率(0%、75%、100%，质量分数)、细骨料取代率(0%、30%、60%、100%，质量分数)的再生粗细骨料混凝土基本力学性能，当再生粗骨料和再生细骨料取代率均为100%时，再生混凝土的抗压强度较天然骨料混凝土下降36%～42%；
当再生粗骨料取代率为75%、再生细骨料取代率为30%时，配制的再生混凝土28 d抗压强度达到最高值，但仅为28.11 MPa。栗曰峰等[18]研究了再生粗细骨料品质(I、II、III类)与掺量(0%、25%、50%)对双掺再生混凝土力学性能的影响，发现相比较单掺再生混凝土或天然骨料混凝土，双掺再生混凝土的力学性能显著降低，表现出“双重弱化”的作用，当再生粗细骨料的品质均为I类且掺量均为25%时，双掺再生混凝土的抗压强度达到最高值，为37.6 MPa，并建议双掺再生混凝土应用于成本要求和强度等级要求较低的混凝土工程中。何霞等[19]对双掺再生粗细骨料混凝土的抗碳化性能初步研究认为，当再生粗骨料取代率低于60%或再生细骨料取代率低于40%时，再生混凝土抗碳化性能较好。

上述针对同掺再生粗细骨料对混凝土性能的影响研究主要集中于力学性能研究方面，由于这些研究的再生混凝土试配过程中的总用水量或附加用水量是通过调整混凝土拌合物的坍落度来确定的，导致实际用水量过大或水灰比过高而引起再生混凝土界面的高孔隙率，由此造成同掺再生粗细骨料混凝土力学性能较天然骨料混凝土明显降低，抗压强度等级均未达到C30。本研究以C45天然骨料混凝土配合比为基础，掺用II类再生粗骨料和I类再生细骨料替代天然骨料配制了4组不同替代率的再生粗细骨料混凝土，附加用水量以再生骨料吸水至饱和面干状态所需水量的80%进行控制，测试了这些同掺再生混凝土的基本力学性能与耐久性能，分析了再生粗细骨料替代率对再生混凝土不同力学性能和耐久性指标的影响规律，旨在制备强度等级不低于C40的大掺量再生粗细骨料混凝土(再生粗细骨料综合取代率50%及以上，且再生细骨料取代率不低于30%)，探究在中等强度混凝土中同时掺用大掺量再生粗细骨料的可行性。

1.1 原材料

试验用水泥为P·O 42.5普通硅酸盐水泥，28 d抗折、抗压强度分别为9.0 MPa、47.1 MPa；
粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，其细度(45 μm筛筛余)为17.7%，烧失量为3.0%，需水量比为101%；
矿渣粉为S95级磨细矿渣粉，比表面积为418 m2/kg，流动度比为98%，活性指数为99%。

天然粗骨料为5～31.5 mm连续级配石灰岩碎石，由粒级5～10 mm、10～20 mm、16～31.5 mm的碎石按质量比2 ∶6 ∶2搭配而成；
天然细骨料采用河砂，2区中砂。再生砂石骨料由北京都市绿源环保科技有限公司提供，是由废弃的C50混凝土盾构管片通过粗碎、中碎和立轴冲击破碎机整形制得，废弃混凝土所用粗骨料为石灰石碎石，细骨料为河砂。天然砂和再生砂主要性能指标见表1，级配曲线如图1所示，再生碎石和天然碎石主要性能指标见表2，级配曲线如图2所示。其中，再生砂细度模数为3.2，为1区粗砂，其他性能指标满足《混凝土和砂浆用再生细骨料》(GB/T 25176—2010)I类再生细骨料标准；
再生石由粒级5～16 mm、16～31.5 mm的碎石按质量比4 ∶6搭配而成，性能满足《混凝土用再生粗骨料》(GB/T 25177—2010)II类再生粗骨料标准，两个粒级的再生粗骨料压碎值较小，分别为7.7%、7.5%。另外，由图3两种粒径的再生石的吸水率随吸水时间的测试结果可知，再生粗骨料前15 min吸水迅速，5～16 mm、16～31.5 mm粒径的再生骨料前15 min吸水量分别达到了其24 h吸水量的90.0%、88.9%，随后吸水速度放缓，且粒径较小的5～16 mm再生石吸水率较16～31.5 mm的再生石吸水率要高得多。

减水剂为江苏博特提供的再生混凝土流变调控专用外加剂，由高适应高减水型、长效流动性保持型和高稳健型三种组分按一定比例复配而成，固含量为25%。

表1 细骨料性能指标Table 1 Performance index of fine aggregates

表2 粗骨料性能指标Table 2 Performance index of coarse aggregates

图1 细骨料级配曲线Fig.1 Grading curves of fine aggregates

图2 粗骨料级配曲线Fig.2 Grading curves of coarse aggregates

图3 再生粗骨料吸水率与时间关系Fig.3 Relationship between water absorption and time of coarse recycled aggregates

1.2 混凝土配合比

试验设计了如表3所示的5个混凝土配合比。首先，参考《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2011)设计强度等级C45的天然骨料基准混凝土配合比，在此基础上，再生粗骨料(以C代表)和再生细骨料(以F代表)对天然粗骨料和天然细骨料进行等质量替代，同掺再生粗细骨料替代率(C/F)分别是：25%/25%、50%/50%、75%/75%、100%/100%。为了表达方便，替代率25%/25%、50%/50%、75%/75%、100%/100%在本文中也简称为25%、50%、75%和100%。其中，再生粗骨料对天然粗骨料的替代是基于等粒级等质量法进行替代，砂率固定42%。上述所有配合比中的胶凝材料用量为430 kg/m3，胶材中掺入10%粉煤灰和15%矿渣粉。鉴于再生骨料吸水率大的特点，再生骨料混凝土在设计用水量时，除了按普通混凝土配合比设计方法计算得出的净用水量外，还需额外加入再生骨料在混凝土拌合物中吸收的水量即设计时考虑附加用水量。本研究中，所有混凝土的净用水量均固定为155 kg/m3，即净水胶比恒定为0.35，附加用水量参照文献[20]按再生粗细骨料分别吸水达到饱和面干状态吸水量的80%取值。试验中，所用再生砂石骨料均为自然含水状态(含水率见表1和表2)，拌和时的附加水量需扣除再生粗细骨料自然状态下带入的水量。

由表3混凝土工作性结果可以看出，在净用水量和减水剂掺量固定的条件下，随着再生骨料掺量的增加，混凝土的坍落度和扩展度呈轻微下降趋势，但4组同掺再生粗细骨料混凝土仍维持较高的工作性，坍落度在(200±20) mm，扩展度在(450±50) mm，说明伴随再生骨料掺量的增加的同时，再生混凝土配合比按本试验取值的附加用水量，在采用流变调控专用减水剂的基础上，基本可以弱化再生骨料的吸水对混凝土工作性的不利影响。

表3 同掺再生粗细骨料混凝土的配合比Table 3 Mix proportion of concrete with simultaneous incorporation of fine and coarse recycled aggregates

1.3 试验方法

(1)混凝土搅拌工艺

再生混凝土采用二次搅拌工艺进行拌和。研究[21-23]表明，二次搅拌工艺通过控制投料顺序与搅拌时间的方式能改善再生混凝土的界面过渡区微结构，不仅能显著提高混凝土强度，对相关耐久性也有很大提升。针对再生骨料的高吸水特性，本试验采用改良过的二阶段搅拌工艺[24],首先将天然与再生粗细骨料及部分拌合水(2/3的净用水量)投入搅拌机内进行搅拌120 s，让再生粗细骨料得到一定程度“预湿”，其次投入胶凝材料(水泥+掺和料)继续搅拌90 s，最后加入剩余拌合水和减水剂继续搅拌60 s出机。具体工艺流程如图4所示。

图4 二次搅拌工艺流程图Fig.4 Flow chart of two-stage mixing process for concrete

(2)力学性能试验

依据《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)规定的方法进行混凝土立方体抗压强度、轴心抗压强度、弹性模量和劈拉强度测试。抗压强度和劈拉强度采用尺寸150 mm×150 mm×150 mm的立方体试件，轴心抗压强度、弹性模量采用100 mm×100 mm×300 mm的棱柱体试件。

(3)耐久性能试验

按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)规定的方法，进行混凝土抗氯离子渗透性、碳化和抗冻等试验。混凝土抗氯离子渗透性采用快速氯离子迁移系数法评价，养护龄期为28 d、56 d。碳化试验采用尺寸100 mm×100 mm×100 mm立方体试件，后碳化至3 d、7 d、14 d、28 d龄期测定碳化深度。采用快速冻融法来测定混凝土的抗冻性，试件标准养护28 d后开始冻融试验，每冻融循环50次测试一次混凝土动弹性模量，当循环次数达到300次时停止试验。

2.1 抗压强度

表4是再生混凝土7 d、28 d、56 d立方体抗压强度(fcu)及由再生骨料掺入引起的抗压强度损失(Δfcu)，与基准混凝土相比，再生粗细骨料掺量25%、50%、75%和100%的同掺再生混凝土7 d龄期抗压强度损失3.9%～23.5%，28 d龄期抗压强度损失3.4%～23.2%，56 d龄期抗压强度损失3.5%～4.2%，可见56 d龄期抗压强度损失显著低于7 d和28 d龄期的。再生混凝土抗压强度的降低主要由再生骨料表面附着的砂浆引起，新、旧双界面的引入导致混凝土强度降低[25]；
另外，附着砂浆的再生粗骨料颗粒孔隙率高，微裂纹多，强度低，在荷载时不利于应力的传递。再生骨料替代率越高，上述情况将越加严重，混凝土抗压强度也将进一步降低。尽管如此，本试验的再生混凝土抗压强度降低率还是低于大多数文献[3,17-18]报道的结果，有些即使是单掺再生细骨料的混凝土有更高的抗压强度损失[26]，其原因除了本试验使用的再生粗细骨料品质优良外，还得益于试验采用的二次搅拌工艺与再生骨料附加水量的有效控制。就混凝土28 d抗压强度绝对值而言，本研究的半再生骨料混凝土(C50F50)和再生粗细骨料掺量75%的再生骨料混凝土(C75F75)分别达到了C45、C40强度等级(相应的配制强度要求≥54.9 MPa、49.9 MPa)，即使是全再生骨料混凝土(C100F100)其28 d抗压强度仍然达到天然骨料混凝土(C0F0)的76.8%，且满足C35强度等级配制强度(44.9 MPa)要求。

图5是再生混凝土抗压强度随再生骨料替代率变化趋势。由图5可见，随着再生粗细骨料替代率的增大，再生混凝土的抗压强度不断下降。另外，不同再生骨料掺量的混凝土抗压强度随养护龄期的延长而增长，这一点在再生粗细骨料掺量更高的再生混凝土中表现更为明显，再生混凝土在28 d以后强度持续增加，其增幅较基准混凝土更为显著。因为再生骨料在拌和阶段吸收的水分在后期水化过程中释放出来起到内养护作用，提高了水泥的水化程度[27]，从而有利于再生混凝土后期强度的提高。

表4 再生混凝土抗压强度与劈拉强度Table 4 Results of compressive strength and splitting tensile strength of recycled concrete

2.2 劈拉强度

表4给出了再生混凝土劈裂抗拉强度(fts)及由再生骨料掺入引起的劈拉强度损失(Δfts)的结果。基准混凝土的28 d劈拉强度为4.2 MPa，再生混凝土28 d劈拉强度为3.3～4.0 MPa，劈拉强度损失4.8%～21.4%。相比前述的抗压强度降幅，劈拉强度的降幅略微轻微一点。图6是再生粗细骨料掺量对再生混凝土劈拉强度影响结果，随着替代率的增加，劈拉强度呈线性降低。再生混凝土抗拉强度劣化主要是由于再生骨料颗粒表面具有新、旧双界面，相比天然骨料与水泥浆体的界面结合强度要低，且再生骨料具有多孔结构，颗粒强度较低。

图5 抗压强度与再生粗细骨料替代率关系Fig.5 Relationship between compressive strength and replacement ratio of coarse and fine recycled aggregates

图6 劈裂抗拉强度与再生粗细骨料替代率关系Fig.6 Relationship between splitting tensile strength and replacement ratio of coarse and fine recycled aggregates

2.3 轴心抗压强度

表5给出了再生混凝土轴压强度(fcp)及其相对于基准混凝土轴压强度的损失率(Δfcp)。图7是轴压强度随再生骨料替代率的变化结果。随着再生粗细骨料替代率的增加，再生混凝的轴压强度呈线性下降趋势，替代率25%、50%、75%、100%的再生混凝土28 d轴压强度分别下降4.5%、11.6%、17.1%、22.9%，可见轴压强度损失率随再生骨料替代率增加逐步增大趋势较为明显。

表5 再生混凝土轴心抗压强度与弹性模量Table 5 Results of axial compressive strength and elastic modulus of recycled concrete

图7 轴心抗压强度与再生粗细骨料替代率关系Fig.7 Relationship between axial compressive strength and replacement ratio of coarse and fine recycled aggregates

图8 弹性模量与再生粗细骨料替代率关系Fig.8 Relationship between elastic modulus and replacement ratio of coarse and fine recycled aggregates

2.4 弹性模量

再生混凝土的弹性模量(EC)及由再生骨料的掺入引起的弹性模量损失率(ΔEC)结果也列于表5中。基准混凝土的28 d弹性模量达到36.8 GPa，而4组同掺再生粗细骨料的混凝土的弹性模量在32.4～34.7 GPa。由图8弹性模量与再生粗细骨料替代率关系可见，随着再生粗细骨料掺量的增加，再生混凝土的弹性模量几乎呈线性下降趋势(决定系数R2=0.90)，但下降幅度并不大，其中半再生骨料混凝土(C50F50)较基准混凝土的28 d弹性模量降低8.4%，即便全再生骨料混凝土(C100F100)的28 d弹性模量相对于基准混凝土仅降低12%，显著低于相关文献[28-29]报道的再生骨料混凝土弹性模量降低率，这主要与本试验所用再生骨料具有较高的强度和致密性有关，(见表1、表2)，再生粗细骨料的压碎值和吸水率均处在较低水平，其压碎值达到了I类再生粗骨料和再生细骨料相应技术要求。

整体上，C25F25再生混凝土力学性能损失很小，其抗压、轴压和劈拉强度损失率均小于5%，弹性模量损失也不到6%，C50F50、C75F75两个大掺量再生骨料混凝土配合比具有较高的力学性能，达到了C45和C40抗压强度等级，符合本研究的制备要求。全再生粗细骨料C100F100混凝土的28 d龄期抗压强度、轴压强度、劈拉强度、弹性模量相对于天然骨料混凝土C0F0的损失分别为23.2%、22.9%、21.4%、12.0%，损失率最高值不到25%，再生混凝土四个力学性能指标之中，抗压强度和轴压强度降幅最大，劈拉强度次之，弹性模量降幅最小，这与Hassan等[30]得到的再生骨料替代率不同的混凝土抗压强度降低幅度要大于抗折强度和劈拉强度研究结果类似。

2.5 抗碳化性能

图9 碳化深度与再生粗细骨料掺量关系Fig.9 Relationship between carbonation depth and replacement ratio of coarse and fine recycled aggregates

图9是同掺再生粗细骨料混凝土的碳化深度测试结果。可以看出，四组再生混凝土配比的碳化深度(d)均高于基准样。28 d龄期，C0F0的碳化深度是4.4 mm，而C25F25、C50F50、C75F75、C100F100再生混凝土的碳化深度分别为4.6 mm、5.0 mm、6.0 mm、7.6 mm，增大4.5%、13.6%、36.4%、72.7%，再生粗细骨料同掺替代率超过75%后，碳化深度显著增加。再生骨料的掺入降低混凝土的抗碳化性能与再生骨料本身的裂纹和孔隙率高有关，再生骨料使混凝土内部更易形成连通孔隙，增加了CO2扩散通道。总体而言，各组同掺再生混凝土28 d碳化深度均小于10 mm，抗碳化性能达到T-IV级要求(0.1 mm≤d<10 mm)[31]。

从图9可以看出，随着再生粗细骨料的同时掺入，混凝土碳化深度有明显的线性增加趋势。再生混凝土碳化系数列于表6，根据Fick第一定律，通过碳化系数对混凝土的抗碳化性能进行评价。

(1)

式中：d为碳化深度，mm；
Kc为碳化系数，mm/a0.5;t为碳化时间，a。从表6可以看出，回归模型的决定系数(R2)均高于0.95，说明式(1)对于再生骨料混凝土仍然适用。由于再生粗细骨料同时掺入的影响，再生混凝土的碳化系数Kc随再生骨料替代量的增加而增大，当掺量大于50%后，碳化系数的降低速度增大，掺量从75%到100%变化最为显著，与基准样相比，替代率25%、50%、75%、100%同掺再生骨料混凝土Kc增加2.7%、18.0%、34.7%和80.0%。

表6 再生混凝土碳化系数Table 6 Carbonation coefficient of recycled concrete

2.6 抗氯离子渗透性

图10是测得的不同再生粗细骨料替代量的混凝土28 d和56 d龄期非稳态氯离子扩散系数(DRCM)。由图10可以看出，在28 d龄期，基准混凝土的DRCM为2.2×10-12m2/s，四组再生混凝土的DRCM为(2.3～3.0)×10-12m2/s；
56 d龄期，基准混凝土的DRCM为2.0×10-12m2/s，四组再生混凝土的DRCM为(2.1～2.3)×10-12m2/s。上述结果显示，随着养护龄期的增长，混凝土氯离子扩散系数逐渐降低，随着再生粗细骨料替代率的增加，氯离子扩散系数增加。再生骨料给混凝土带来的孔隙同样增加了氯离子的渗透性[32]。再生粗细骨料替代率为25%、50%、75%、100%时，56 dDRCM分别增加5.2%、6.8%、11.1%、16.4%，增加并不显著，与力学性能下降不明显的原因类似，二次搅拌工艺等手段对骨料-浆体界面过渡区的改善作用降低了再生骨料带来的不利影响。各组再生混凝土抗氯离子渗透性能均表现良好，即使全再生骨料混凝土C100F100的抗氯离子渗透性能等级(56 d)也达到了RCM-IV级要求(1.5≤DRCM<2.5)[31]。

2.7 抗冻性

图11是混凝土经300次冻融循环后的相对动弹性模量测定结果。经300次冻融循环后，替代率25%、50%、75%、100%的混凝土相对动弹模分别为73.9%、72.5%、70.1%、66.8%，较基准混凝土RDME的78.6%有所降低，且随着再生粗细骨料替代率的增加，相对动弹模呈缓慢降低趋势，说明掺用再生粗细骨料后混凝土的抗冻性下降。再生骨料对混凝土抗冻性的劣化主要是由于再生骨料黏附的砂浆使其具有多孔结构[33-34]，从而导致再生混凝土孔隙率高而吸水率大[35]。所配制的四组同掺再生混凝土均达到了很高的抗冻性能，即使全再生骨料混凝土C100F100冻融循环300次后，其相对动弹模仍达到66.0%，表明该配比混凝土的抗冻等级达到了F300。

图10 氯离子扩散系数与再生粗细骨料替代率关系Fig.10 Relationship between chloride diffusion coefficient and replacement ratio of coarse and fine recycled aggregates

图11 抗冻性能与再生粗细骨料替代率关系Fig.11 Relationship between frost resistance and replacement ratio of coarse and fine recycled aggregates

综上所述，通过使用高品质再生粗细骨料和较低的附加用水量设计，采用流变调控专用外加剂以降低混凝土的净水胶比，以及采用二次搅拌工艺拌和混凝土等措施，可以制备出C40及以上强度等级且具有较高耐久性能的大掺量同掺再生粗细骨料混凝土。

研究了同时掺用大掺量II类再生碎石和I类再生砂制备强度等级C40及以上再生结构混凝土的可行性，分析了再生粗细骨料掺量对混凝土力学和耐久性能的影响规律及程度，可以得出以下结论：

(1)随着再生粗细骨料替代率的增加，同掺再生混凝土的力学性能指标呈下降趋势，且不同力学性能指标降幅不同，其中抗压和轴压强度降幅较大，劈拉强度次之，弹性模量降幅最小。

(2)由于本试验所使用的再生骨料品质较高、采用流变调控专用外加剂降低水胶比、混凝土配合比的附加用水量得到有效精准控制及采用二次搅拌工艺拌和再生混凝土等措施，配制的大掺量再生粗细骨料同掺混凝土的力学性能达到较高水平。再生粗细骨料替代率50%、75%的同掺再生混凝土抗压强度分别达到C45、C40等级，替代率100%的全再生骨料混凝土28 d龄期各项力学性能相较天然骨料混凝土降低12.0%～23.2%，抗压强度仍达到C35等级。

(3)随着再生粗细骨料替代率的增加，同掺再生混凝土的耐久性呈现小幅降低，但即使全再生粗细骨料混凝土仍可获得高的耐久性，其抗碳化性能、抗氯离子渗透性、抗冻性能分别能达到T-IV、RCM-IV和F300等级，即大掺量再生粗细骨料混凝土的耐久性能可以满足较高的应用需求。