再生粗骨料品质和取代率对再生混凝土抗冻性能影响❋

韩 帅， 李秋义， 张修勤， 孔 哲, 莫 建

(1.青岛理工大学,山东 青岛 266033; 2.济南轨道交通集团有限公司,山东 济南 250101)

再生粗骨料品质和取代率对再生混凝土抗冻性能影响❋

韩 帅1,2， 李秋义1❋❋， 张修勤1， 孔 哲1, 莫 建1

(1.青岛理工大学,山东 青岛 266033; 2.济南轨道交通集团有限公司,山东 济南 250101)

根据《混凝土用再生粗骨料》(GB/T 25177-2010),废弃混凝土经简单破碎、一次颗粒整形和二次颗粒整形后分别制得II类再生粗骨料，准I类再生粗骨料和I类再生粗骨料。采用再生粗骨料取代(φz=0%、50%、100%)天然骨料，研究再生粗骨料品质和取代率对再生混凝土抗冻性能的影响。结果显示：二次颗粒整形再生混凝土>普通混凝土>一次颗粒整形再生混凝土>简单破碎再生混凝土。随着再生粗骨料取代率的增大，简单破碎再生粗骨料混凝土和一次颗粒整形再生粗骨料混凝土的抗冻性能均呈减小趋势；二次颗粒整形再生粗骨料混凝土的抗冻性能呈先增大后减小的趋势。

简单破碎；颗粒整形；再生粗骨料；再生粗骨料混凝土；抗冻性能;毛细吸水

冻融破坏是造成混凝土结构耐久性失效的重要因素之一，冻融循环造成混凝土结构表层剥落和内部冻胀开裂，严重影响混凝土结构的使用寿命。与普通混凝土相比，由于废弃混凝土来源广泛、组分复杂、性能差异较大，再生粗骨料品质的差异导致再生混凝土抗冻机理更为复杂。

颗粒整形能够改善了再生粗骨料的品质，提高了再生粗骨料混凝土的力学性能。力学性能的改善，相应地改善了混凝土内部的结构，这有利于混凝土的耐久性能的提高[1-6]。因此，提高骨料的品质能保证再生混凝土的抗冻性能得到改善。

本文将废弃混凝土经简单破碎、一次颗粒整形、二次颗粒整形制备出三种不同品质的再生粗骨料，测试再生粗骨料不同品质和取代率对混凝土抗冻性能的影响。

1 试验

1.1 试验原材料

试验所采用原材料及其品质如下：

水泥：山水水泥厂P.O 42.5R普通硅酸盐水泥，其物理力学性能指标和XRF分析结果见表1、2；

天然砂：河砂，Ⅱ级砂，级配良好，符合(GB/T 14684-2011)要求；

天然粗骨料：崂山产5～25 mm连续级配的花岗岩碎石，符合(GB/T 14685-2011)要求；

再生粗骨料：简单破碎再生粗骨料(SBA)，一次颗粒整形再生粗骨料(FA)，二次颗粒整形再生粗骨料(SA)具体性能指标见表3、4；

减水剂：江苏博特高效聚羧酸减水剂,减水率为30%；

水：自来水,符合(JGJ63—2006)要求。

表1 水泥的物理力学性能指标

表2 水泥XRF分析结果

表3 再生粗骨料颗粒级配

表4 再生粗骨料性能指标

1.2 试验方法

本试验根据《混凝土用再生粗骨料》(GB/T 25177-2010)、《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55-2011)和《混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082-2009),确定混凝土原材料及配合比，研究3种物理强化再生粗骨料品质和取代率对再生粗骨料混凝土碳化性能的影响。

本试验采用砂率为40%,减水剂为胶凝材料用量的1.2%，通过调整控制坍落度160～200mm确定用水量。通过测试试件的相对动弹性模量，研究化学强化再生粗骨料不同品质和取代率(φz=0%、50%、100%)对再生粗骨料混凝土抗冻性能的影响，试验配合比如表5。

表5 再生粗骨料混凝土试验配合比(以1m3计)

2 试验分析

2.1 试验过程

颗粒整形法原理及过程如图1所示。

废弃混凝土(废弃混凝土来自于青岛胶州旧城改造项目)经颚式破碎机破碎成简单破碎再生粗骨料；简单破碎再生粗骨料经颗粒整形机一次整形、二次整形制得一次颗粒整形再生粗骨料和二次颗粒整形再生粗骨料。

再生粗骨料形貌如图2所示。

图1 颗粒整形法

图2 再生粗骨料形貌图

根据《混凝土用再生粗骨料》(GB/T 25177-2010)[7]，根据颗粒级配、吸水率、针片状颗粒含量、有机物含量、压碎指标、表观密度和空隙率等作为分类依据，三类再生粗骨料的等级为：Ⅱ类、准Ⅰ类和Ⅰ类，见表6。

表6 颗粒整形法再生粗骨料品质

2.2 物理强化对再生混凝土抗冻性能影响

参照《混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082-2009)，测试试件的相对动弹性模量。

2.2.1 不同品质物理强化再生粗骨料对再生混凝土抗冻性能影响 不同品质再生粗骨料对再生混凝土抗冻性能影响如图3～6所示。

再生粗骨料混凝土抗冻性能为：SA再生粗骨料混凝土>普通混凝土>FA再生粗骨料混凝土>SBA再生粗骨料混凝土。当再生混凝土相对动弹性模量低于60%或冻融次数达到300次时，其质量损失率均未超过5%。

图3 水泥用量为350 kg/m3再生粗骨料混凝土相对动弹性模量变化曲线

图4 水泥用量为400 kg/m3再生粗骨料混凝土相对动弹性模量变化曲线

图5 水泥用量为450 kg/m3不同品质再生粗骨料混凝土相对动弹性模量变化曲线

图6 水泥用量为500kg/m3不同品质再生粗骨料混凝土相对动弹性模量变化曲线

以图5为例，与SBA再生粗骨料混凝土相比，当φz=50%时，FA再生粗骨料混凝土的冻融循环次数增大了25次，SA再生粗骨料混凝土的冻融循环次数增大了50次；当φz=100%时，FA再生粗骨料混凝土的冻融循环次数增大了25次，SA再生粗骨料混凝土的冻融循环次数增大了75次。

混凝土冻融破坏机理主要是可冻水在结冰时，体积膨胀产生静水压、渗透压和水的迁移，导致混凝土在冻融循环过程中，内部的孔隙和裂缝逐渐的增大、扩展、连通，最终混凝土冻胀开裂和表面剥蚀。由冻融破坏机理可知，影响混凝土抗冻性的主要因素是平均气泡间距、骨料品质、强度、水泥品种和用量等。

当粗骨料吸水饱和后，在受冻的过程中，不断的排出水分所产生的压力使得骨料—水泥浆界面破坏；如果受冻骨料接近混凝土表面，就会发生剥落[8]。硬化的再生混凝土存在两个界面：新界面过渡区(集料与新水泥浆的界面)和老界面过渡区(再生集料与老水泥石之间的界面)。老界面过渡区包括旧水泥石与新水泥石界面、旧骨料与旧水泥石界面和新骨料与新水泥石界面。这三个界面结合处的显微硬度值：旧水泥石与旧骨料界面>新骨料与新水泥石界面>旧水泥石与新水泥石界面处[9]。

简单破碎再生粗骨料混凝土的新旧水泥石界面处显微硬度普遍偏低和新旧砂浆两者的相容性存在较大差异，这些因素都可能降低再生混凝土的抗拉强度，这无疑更不利于再生混凝土的抗冻性；在生产过程中，简单破碎再生骨料受外力冲击存在大量微细裂纹，其吸水率明显高于天然骨料，骨料的冻胀效应更加明显。

颗粒整形处理将再生粗骨料的老界面过渡区剥除，使再生粗骨料表面微裂缝减少，外观圆滑，剥离了表面的水泥砂浆，克服了简单破碎再生混凝土新旧界面区显微硬度低和骨料的冻胀效应的缺陷；颗粒整形显著降低了再生混凝土的毛细吸水量，从而优化了再生混凝土的孔结构并减小了孔隙率，有效地抵御水的侵入，显著提高了再生混凝土的抗冻性。由图7可知，二次颗粒整形再生混凝土的毛细吸水量远远低于简单破碎再生混凝土。

再生混凝土毛细吸水量如图7所示。

2.2.2 不同再生粗骨料取代率对再生混凝土抗冻性能影响 不同再生粗骨料取代率对再生混凝土抗冻性能影响如图8～10所示。

图7 再生混凝土毛细吸水量

图8 SBA再生粗骨料取代率对再生混凝土抗冻性能影响

图9 FA再生粗骨料取代率对再生混凝土抗冻性能影响

图10 SA再生粗骨料取代率对再生混凝土抗冻性能影响

随着再生粗骨料取代率的增大，简单破碎再生粗骨料混凝土的抗冻性能呈减小趋势；一次颗粒整形再生粗骨料混凝土的抗冻性能呈减小趋势；二次颗粒整形再生粗骨料混凝土抗冻性能呈先增大后减小的趋势。

影响混凝土抗冻性的最主要因素是平均气泡间距，平均气泡间距越大，在冻融循环过程中，在毛细孔和裂缝中将产生更大的静水压和渗透压，混凝土的抗冻性越低。

平均气泡间隔系数：

本试验采用相同的引气剂质量和工艺水平，因此气泡平均半径相同；根据许丽萍等人得到的不同水胶比下含气量与平均气泡间隔系数的关系：当混凝土含气量相同时，随着水胶比的减小，浆体内的可冻水含量减小，形成的气泡结构会更好，气泡数量会越多，则气泡间隔系数越小，对于混凝土抗冻越有利[10]。

由图11a可知，随着φz的增大，简单破碎再生粗骨料混凝土的水胶比呈增大趋势，随着水胶比的增大，浆体内的可冻水含量增大，形成的气泡结构会越差，气泡数量会越少，则气泡间隔系数增大。如表7所示，与普通混凝土相比，简单破碎再生粗骨料混凝土的抗拉强度降低了5.4%～11.2%。随着φz的增大，简单破碎再生粗骨料混凝土的强度逐渐减小，毛细吸水量逐渐增加，这些因素导致其冻性能呈减小趋势。

由图11b可知，随着φz的增大，一次颗粒整形再生粗骨料混凝土的水胶比先减小后增大，但是由于其变化幅度较小，气泡间隔系数变化不大。如表7所示，与普通混凝土相比，一次颗粒整形再生粗骨料混凝土的抗拉强度降低了1.5%～6.4%。随着φz的增大，一次颗粒整形再生粗骨料混凝土的强度逐渐减小，毛细吸水量逐渐增加，导致其冻性能呈减小趋势。

由图11c可知，随着φz的增大，二次颗粒整形再生粗骨料混凝土的水胶比呈减小的趋势，其气泡间隔系数会逐渐减小。如表7所示，二次颗粒整形再生粗骨料混凝土的强度高于普通混凝土，这些因素使得二次颗粒整形再生粗骨料混凝土抗冻性能增大；当φz=100%，二次颗粒整形再生粗骨料混凝土的强度低于普通混凝土，这些因素使得二次颗粒整形再生粗骨料混凝土抗冻性能又减小，最终呈现出二次颗粒整形再生粗骨料混凝土的抗冻性能呈先增大后减小的趋势。不同再生粗骨料取代率对再生混凝土水胶比影响如图11所示。再生混凝土抗拉强度如表7所示。

图11 再生粗骨料取代率对再生混凝土水胶比的影响

水泥用量/kg·m-3Cementdosage取代率/%Replacementratio28d抗拉强度/MPaTensilestrengthSBAFASA35003．133．133．13502．963．083．161002．782．933．0140003．303．303．30503．123．253．331002．943．143．3045003．473．473．47503．343．373．531003．143．263．3650003．703．703．70503．503．613．651003．293．473．44

3 结论

(1)简单破碎再生粗骨料混凝土抗冻性能最差，劣于普通混凝土；一次颗粒整形再生粗骨料混凝土抗冻性能接近普通混凝土；二次颗粒整形再生粗骨料混凝土抗冻性能最好，优于普通混凝土。

(2)随着再生粗骨料取代率的增大，简单破碎再生粗骨料混凝土的抗冻性能呈减小趋势；一次颗粒整形再生粗骨料混凝土的抗冻性能呈减小趋势；二次颗粒整形再生粗骨料混凝土的抗冻性能呈先增大后减小的趋势。

(3)与简单破碎再生粗骨料混凝土相比，颗粒整形再生粗骨料混凝土用水量较小，保水性和黏聚性较好,这些都有利于提高再生粗骨料混凝土的抗冻性能。

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责任编辑 徐 环

Influence of Quality and Substitution Rate of Recycled Coarse Aggregate on Anti-Freeze Performance of Recycled Concrete

HAN Shuai1, 2, LI Qiu-Yi1, ZHANG Xiu-Qin1, KONG Zhe1, MO Jian1

(1.Qingdao University of Technology, Qingdao 266033, China; 2.Ji′nan Rail Transit Group Co. Ltd. Jinan 250101, China)

According to《 Recycled coarse aggregate in concrete 》(GB/T 25177-2010), the waste concrete is simply crushed to II class recycled coarse aggregate, firstly particle-reshaped to I class-to-be recycled coarse aggregate in physical strengthening and twice particle-reshaped to I class recycled coarse aggregate. The influence of quality and substitution rate (substitution rate: 0%，50%，100%) of recycled coarse aggregate of physical and chemical enhancement on anti-freeze performance of recycled concrete were studied. The results show that anti-freeze performance of recycled coarse aggregate concrete is I class recycled coarse aggregate concrete>nature concrete> I class-to-be recycled aggregate concrete > II class recycled coarse aggregate concrete . with the increase of the substitution rate, cycle of freezing and thawing of II class and I class-to-be recycled coarse aggregate concrete reduces; Cycle of freezing and thawing of I class recycled concrete first increase and then decrease.

simple crushed; particle shaping; recycled coarse aggregate; recycled coarse aggregate concrete; anti-freeze performance; capillary absorption

国家自然科学基金项目(51378270,51208272)；山东省高校优秀科研创新团队计划项目资助 Supported by the National Natural Science Fund (51378270,51208272);Project Funding for Outstanding Scientific Research Innovation Team of Universities in Shandong Province

2015-07-09；

2015-09-06

韩 帅(1990-)，男，硕士生，主要从事混凝土材料与结构研究工作。E-mail: hs_lff@163.com

❋❋ 通讯作者：E-mail: lqyyxn@163.com

P528

A

1672-5174(2017)01-096-09

10.16441/j.cnki.hdxb.20150248

韩帅， 李秋义， 张修勤， 等. 再生粗骨料品质和取代率对再生混凝土抗冻性能影响[J]. 中国海洋大学学报(自然科学版), 2017, 47(1): 96-104.

HAN Shuai, LI Qiu-Yi, ZHANG Xiu-Qin， et al. Influence of quality and substitution rate of recycled coarse aggregate on anti-freeze performance of recycled concrete[J]. Periodical of Ocean University of China, 2017, 47(1): 96-104.