再生细骨料残余浆体对混凝土流变性和强度的影响

胡 立, 詹炳根, 洪 丽, 张赵强, 李景哲, 陈语阳

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009; 2.水泥基材料低碳技术与装备教育部工程研究中心,安徽 合肥 230009)

0 引 言

随着社会的发展,建筑行业也在不断适应大众需求中稳步前进。但我国建筑业在快速发展的同时,大面积的旧城改造和新建筑开发,带来了大量的建筑垃圾和建筑材料资源不足两大难题[1]。

再生细骨料是指废弃混凝土经破碎筛分后粒径小于4.75 mm的骨料颗粒,其骨料性能差、数据离散性大是制约其高效利用的主要原因。文献[2]的研究表明,再生细骨料表面附着多孔洞、多裂纹的残余浆体,使其较天然细骨料吸水率高、密度低。残余浆体是影响再生细骨料基本性能及其混凝土制品各项性能的重要因素,其与原始骨料共同组成一个非匀质、不稳定且多变的多相体[3],这也是导致再生细骨料性质差、利用率低的根本原因。

由再生细骨料部分或全部替代天然细骨料制备的再生混凝土(recycled aggregate concrete,RAC)的性质都会劣于普通混凝土。在工作性能上,再生混凝土表现为坍落度小、流动性差,一方面取决于再生混凝土的配合比设计,另一方面由于残余浆体的高吸水性。文献[4]实验表明,与河砂砂浆相比,再生细骨料砂浆会需要更多用水量来达到相同的和易性;文献[5]研究表明,由于再生细骨料中存在微裂纹及内部损伤积累,表观密度越低,再生砂浆吸水率越高、吸水速度越快,导致保水性较差,并且再生细骨料粗糙的表面也会增大新拌再生混凝土的摩擦阻力,使得再生混凝土的屈服应力较大;文献[6]研究表明,再生细骨料的多棱角表面使得骨料空隙增大,需要更多的浆体填充空隙,导致用于润滑的浆体量减少,影响流动性;文献[7-9]研究表明,随着再生细骨料替代率的提高,再生砂浆的需水量也在增加;文献[10]研究发现,再生细骨料的细度模数对再生砂浆的耗水量有密切影响,细度模数越小,再生细骨料的比表面积越大,再生砂浆的需水量越大。从上述研究可以看出,再生细骨料的加入会降低再生混凝土的流动性。

再生细骨料物理性能的劣化也会导致再生混凝土力学性能的劣化。文献[11]研究表明这是由于再生细骨料的替代会增加再生混凝土中毛细孔和凝胶孔的数量,对其力学性能造成负面影响;文献[12-13]研究结果表明,用再生细骨料制备的再生砂浆的力学性能会变差;文献[14]研究发现,再生混凝土的抗压强度随着再生细骨料替代率的增加而趋于降低;文献[15]采用3种不同来源的再生细骨料代替天然细骨料制备再生砂浆,结果表明再生砂浆强度较天然砂浆强度都有不同程度的降低。另外微观结构分析可知,再生混凝土是一个由再生骨料和新、老砂浆以及新-老砂浆界面过渡区(interfacial transition zone,ITZ)组成的多相体。多重薄弱界面过渡区的存在也是再生混凝土力学性能差的主要原因[16]。

国内主要通过体积分数为10%的盐酸溶液腐蚀残余浆体[17]和高温劣化残余浆体[18]去除再生粗骨料表面的残余浆体,进而以再生粗骨料去除残余浆体前后质量的差值与再生粗骨料去除前质量的比值得出再生粗骨料中残余浆体的质量分数。文献[19]以加热摩擦法、机械撞击法和轻量级的粒子与水分离流法去除再生粗骨料的残余浆体,描述不同残余浆体质量分数对再生粗骨料混凝土性能的影响。

已有的研究多集中在不同掺量、不同来源再生细骨料对再生混凝土性能的影响,但对主要影响再生细骨料性能的残余浆体的研究较少。国内外的研究也多集中于对再生粗骨料残余浆体质量分数的测定,而对再生细骨料残余浆体质量分数的表征研究较少。究其原因,现阶段适用于再生粗骨料残余浆体质量分数测定方法并不适用于再生细骨料。机械剥离法[20]通过专业设备对再生骨料进行冲击和研磨,可以最大限度地松散和分离粘附在骨料表面的浆体。但此类方法无法避免再生骨料之间因碰撞、摩擦等作用而出现微裂缝,降低了再生骨料在后续使用中的质量且无法较为准确地定量残余浆体的质量分数。热处理法[21]是将再生骨料放置于30 ℃以上的温度里,加热数小时,进行数次循环,温度应力使骨料和黏附的浆体出现不同程度的膨胀,在温度应力的作用下两者之间的黏结力减弱,界面易破裂出现微裂缝且浆体在高温下脱水后易与骨料结合面脱离。但此类热处理方法只适用于大粒径骨料,因为可以轻易地分辨出脱落的浆体,而对再生细骨料并不适用。酸处理法[22]中的水泥浆体水化产物(C-S-H凝胶、Ca(OH)2、钙矾石、水化硫铝酸钙等)可以溶解于酸性溶液中,经过一系列化学反应后,再生骨料表面的残余浆体被溶解,经过清洗后可以得到表面无残余浆体的再生骨料,通过浸泡在合适的酸性溶液中可溶解绝大部分浆体,此类方法可较精准定量再生骨料残余浆体的质量分数。

本文首先开展再生细骨料残余浆体测定实验,利用水杨酸-甲醇溶液浸泡再生细骨料粉末样品,通过抽滤、烘干、称重计算各组再生细骨料残余浆体质量分数,并依据残余浆体质量分数对再生细骨料进行分类制备再生混凝土,研究不同浆体质量分数的再生细骨料对再生混凝土流变性及力学性能的影响。

1 原材料及实验方法

1.1 原材料

实验所用的水泥是巢湖牌P·O 42.5R级水泥,主要化学成分及其质量分数见表1所列。实验所采用的再生细骨料由安徽省桐城市某高速公路拆除后,去除其中钢筋并经机械破碎、筛分而生产的再生细骨料,根据再生细骨料浆体质量分数的不同,共分为6个实验组,物理性能指标见表2所列。

表1 实验用水泥的主要化学成分

表2 再生细骨料和天然细骨料的物理性能指标

所用细骨料为安徽石强新型材料有限公司提供的天然细骨料。所用粗骨料为安徽石强新型材料有限公司提供的5～10 mm及1～20 mm 2种粒径的天然粗骨料,物理性能指标见表3所列。所采用的化学试剂为:500 mL盐酸溶液(国药集团化学试剂有限公司);250 g水杨酸固体粉末(天津市恒兴集团有限公司);500 mL甲醇溶液(成都市科隆化学品有限公司)。所用化学试剂均为分析纯。

表3 天然粗骨料的物理性能指标

1.2 配合比

再生细骨料浆体质量分数为0时对应的实验组为基准组,细骨料采用天然砂,其设计强度为C35,水灰比为0.65,粗骨料采用天然粗骨料,基准组混凝土记为NC。配合比设计见表4所列。在此基础上,所制备的再生混凝土分别记为RFC1、RFC2、RFC3、RFC4、RFC5。

1.3 实验方法

1.3.1 残余浆体质量分数的测定方法

1) 将代表性样品置于干燥箱中,在105 ℃下烘干至恒重m,均匀取样100 g作为实验样品。研磨样品直至通过0.2 mm筛网。

2) 配制0.3 g/mL水杨酸-甲醇溶液,从100 g研磨后的样品中均匀取样0.5 g浸泡在50 mL水杨酸-甲醇溶液中,搅拌1 h使其充分反应。

3) 用抽滤装置进行过滤操作,并将甲醇溶液倒入漏斗清洗滤纸上的残余物数次,直至液体变清澈,倾倒甲醇溶液的过程中注意液体溅出。

4) 将残余粉末状固体不溶物置于干燥箱,在30 ℃下烘干至恒重后称其质量m1,再生细骨料残余浆体质量分数w的计算公式为:

(1)

1.3.2 再生细骨料基本性能的测定

根据国家标准GB/T 14684—2022《建设用砂》中的相关规定进行实验,测定再生细骨料的表观密度、堆积密度、压碎指标、吸水率等基本物理性能。

1.3.3 再生细骨料混凝土流变性能的测试

实验使用的STHB-1型混凝土流变仪如图1所示。对新拌再生细骨料混凝土进行流变性能测试,测试程序如图2所示,以参数关系为τ=τ0+μγ表示的Bingham模型进行建模,得到屈服应力和塑性黏度等流变参数。由图2可知,测试程序包括20 s的预剪切期,速度恒定为0.50 r/s,然后以0.50～0.05 r/s的降序下降依次采集7个流变曲线点。

图1 STHB-1型混凝土流变仪

图2 流变仪测试程序

1.3.4 再生细骨料混凝土力学性能的测试

本性能测试的具体过程参照国家标准GB/T 50081—2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》。

2 实验结果与分析

2.1 质量分数对混凝土流变性能的影响

STHB-1型混凝土流变仪采集的实验结果如图3所示,并依据Bingham模型计算再生细骨料混凝土的屈服应力和塑性黏度。

图3 流变曲线测试结果

再生细骨料浆体质量分数对混凝土屈服应力τ0的影响如图4所示。由图4可知,NC组的屈服应力普遍低于RFC各组,再生细骨料残余浆体质量分数为24.8%时制备的混凝土的屈服应力最高,达到877.08 Pa,约为NC组的1.34倍。在RFC各组中,残余浆体质量分数越高,再生混凝土屈服应力越大。这是再生细骨料吸水率高、吸水速度快导致的。新拌再生混凝土中自由水不断被再生细骨料表面的残余浆体吸收,使得拌合物中自由水随之降低,导致其屈服应力迅速增大。同时,由于残余浆体的存在,再生细骨料的表面具有棱角、更粗糙,与天然细骨料相比导致其动态屈服应力较大[23]。随着再生细骨料残余浆体质量分数逐渐增大,使得新拌再生细骨料混凝土中自由水的含量减小,最终表现为屈服应力的升高[24]。

图4 再生细骨料浆体质量分数对混凝土屈服应力的影响

再生细骨料浆体质量分数对混凝土塑性黏度的影响如图5所示。

图5 再生细骨料浆体质量分数对混凝土塑性黏度的影响

由图5可知,NC组的塑性黏度值普遍高于RFC各组,这是由于塑性黏度μ主要受浆体中水泥分子间的相互引力影响。因为RFC各组的附加水含量均高于NC组,所以其拌合物中水泥颗粒更加分散,加大了水泥分子间的距离,导致水泥分子间的相互引力减小,最终使得RFC各组的塑性黏度值低于NC组。

综上所述,再生混凝土的流变性与再生细骨料浆体质量分数呈负相关。

2.2 质量分数对混凝土强度的影响

再生细骨料混凝土强度的实验结果见表5所列。再生细骨料浆体质量分数对混凝土强度的影响如图6所示。

图6 再生细骨料浆体质量分数对混凝土强度的影响

由图6可知,随着再生细骨料残余浆体质量分数的升高,用其制备的再生混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度也随之减小。残余浆体质量分数为24.8%时,再生细骨料混凝土的3、7、28 d抗压强度分别为15.9、22.8、25.1 MPa,相较于天然细骨料混凝土的抗压强度,只有其强度的67.8%、76.5%、78.2%;再生细骨料混凝土的3、7、28 d劈裂抗拉强度分别为1.19、1.41、1.52 MPa,相较于天然细骨料混凝土的抗压强度,只有其强度的49.2%、51.6%、51.4%。其原因在于再生细骨料表面附着的残余浆体会阻碍再生细骨料与水泥浆体之间的粘结[25-27]。随着再生细骨料表面的残余浆体逐渐减少,骨料性能明显改善,经处理后的再生细骨料与再生混凝土中的新水泥浆之间界面区域的接触更加紧密。因为水泥浆与骨料之间的界面结合在混凝土结构中至关重要,并且是支配混凝土强度发展的一个重要因素[28-29],所以界面区的增强反映了经处理的再生细骨料混凝土强度的提高。同时再生细骨料混凝土具有新旧双界面,在劈裂破坏时,新旧双界面均发生断裂[30]。并且旧界面断裂能比新界面低,对再生细骨料混凝土的劈裂抗拉强度影响更大[31]。再生细骨料由于残余浆体的存在,再生混凝土在承受轴向应力时,其较高的孔隙率容易使旧界面形成应力集中现象,从而导致再生混凝土抗拉强度下降[32]。结合前人研究成果可知[33-35],对于再生细骨料混凝土而言,浆体质量分数减小可以减少再生细骨料混凝土双界面的数量,从而使得劈裂破坏薄弱区减少,表现为劈裂抗压强度的增大。

3 结 论

1) 再生细骨料残余浆体的高吸水率会使新拌混凝土的坍落度和扩展度损失加快,屈服应力增大,塑性黏度降低。在RFC各组中,再生细骨料残余浆体质量分数为24.8%时制备的混凝土的屈服应力最高,能够达到877.08 Pa,约为NC组的1.34倍。随着残余浆体质量分数逐渐减少,再生细骨料表面棱角减少,吸水率下降,再生细骨料混凝土的屈服应力逐渐减小,塑性黏度值逐渐增大。

2) 随着再生细骨料残余浆体质量分数的减小,用其制备的再生混凝土抗压强度和劈裂抗拉随之增大。当残余浆体质量分数为14.9%时,骨料水泥浆体界面过渡区粘结紧密,再生细骨料混凝土的28 d抗压强度、劈裂抗拉强度分别为28.5、2.30 MPa,约为普通混凝土的89%、77%。