机制砂再生混凝土耐磨性能研究

刘唐志，芮 捷，王 兵，刘义峰

(1.重庆交通大学 交通运输学院，重庆 400074；2.路桥建设重庆公司，重庆 400020)

0 引 言

再生混凝土和机制砂混凝土是为解决废弃混凝土堆积问题和保护天然砂资源而发展起来的混凝土技术，目前，机制砂作为细集料已经广泛应用于中低标号混凝土工程中，而再生混凝土技术还处于研究阶段，应用还不是很广泛[1]。

由于掺入再生细集料后，再生混凝土的强度和耐久性会有很大程度的降低，而且不经济[2]，所以再生混凝土主要指由再生粗骨料配制的混凝土。再生粗骨料孔隙率、吸水率都高出天然粗骨料20多倍[1]，致使再生混凝土的需水量大、强度低，目前有关再生混凝土的研究已有很多，涉及再生混凝土的强度[3]、工作性能[4]、耐久性能[5]、再生混凝土结构性能[6]、耐磨性能[7-10]等。大多有关再生混凝土耐磨性能的研究表明[7-8,10]，再生混凝土的耐磨性能低于同配比的普通混凝土，限制了其在路面工程中的应用。日本Roshikana的研究表明，随着原生混凝土强度的增大，再生粗集料的抗磨耗性能越好；R.K.Dhir，等[7]的研究指出，再生混凝土的磨损深度随再生粗集料取代率的增加而增大，与同配比普通混凝土相比，再生粗集料的取代率小于50%时，磨损深度相差不大，再生骨料取代率达到100%时，磨损深度相差34%；杨国庆，等[8]的研究表明再生混凝土的耐磨性能略高于普通混凝土；梅迎军，等[9]对改善再生混凝土耐磨性能的研究表明，聚合物乳的掺入显著改善再生混凝土的耐磨性能，采用水泥浆包裹法进行再生集料界面改性处理有利于改善再生混凝土的磨耗性能。机制砂作为天然河砂的替代品，目前已广泛应用于中低标号混凝土工程中，相关文献表明[10-11]，机制砂混凝土的耐磨性能明显优于河砂混凝土。吴隆德，等[10]的研究表明，石灰岩机制砂混凝土抗压强度比河砂混凝土高9.1%,混凝土的磨损量仅为河砂混凝土的78.1%，耐磨性较好；柯国炬[11]的研究表明，各种水灰比下机制砂混凝土的磨损量明显低于河砂混凝土，并得出石粉含量是影响路面机制砂水泥混凝土耐磨性最关键因素的结论。

目前有关再生混凝土的研究大多是以河砂为细集料，以再生粗集料和机制砂细集料的组合还鲜见报道。笔者将对机制砂能否改善再生混凝土的耐磨性能进行研究，为再生混凝土在对强度和工作性能要求不高的路面混凝土中的应用提供理论依据。随着废混凝土处理问题的日益突出和天然河砂资源的日益匮乏，机制砂再生混凝土的应用将会带来巨大的社会效益。

1 试验材料及方案

1.1 试验材料

水泥：拉法基水泥，P·O42.5R级水泥，密度为3 100 kg/m3；粗集料：5～25 mm连续级配石灰岩碎石，表观密度2 732 kg/m3；细集料：天然河砂细度模数2.9，机制砂细度模数3.2，含粉量为5.3%，MB值为1.1；再生粗集料：来源于某翻修的旧水泥混凝土路面，原设计强度为C30；减水剂：聚羧酸系高性能减水剂。

1.2 试验方案

1.2.1 试验方法

试件抗压强度、抗折强度、耐磨性能均依据现行JTG E 30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》[12]试验方法进行评价。耐磨性能以试件磨损面上单位面积的磨损量为指标，试件尺寸为150 mm×150 mm×75 mm，每个配合比制作3个试件，标准养护至27 d从养护室取出，擦干表面水分放入室内风干12 h，再以60 ℃烘12 h，第28 d测试。测试前，在200 N负荷下预磨30转，然后取下试件刷净表面粉尘称重，记下相应质量，作为试件的初始质量。然后在 200 N 负荷下磨 60 转，然后取下试件刷净表面粉尘称重，记下相应质量。计算每一试件的磨损量，以单位面积的磨损量来表示，计算如式(1)：

(1)

式中：Gc为单位面积的磨损量，kg/m2；m1为试件的初始质量，kg；m2为试件磨损后的质量，kg；0.012 5 为试件磨损面积，m2。

1.2.2 配合比设计

试验中，为消除其他因素影响，采用单因素试验方法，研究再生粗骨料掺量、机制砂取代河砂、机制砂中石粉含量对再生混凝土耐磨性的影响规律。试验配合比保持水灰比和水泥用量、砂率不变，具体配合比如表1。

表1 混凝土配合比Table 1 Mix proportion of concrete /(kg ·m-3)

2 试验结果及分析

不同配合比下抗压强度、抗折强度、磨损量试验的结果如表2。

表2 不同配合比下的试验结果Table 2 Test results of different mixture ratio

2.1 不同再生粗集料取代量下的耐磨性能

2.1.1 再生粗集料取代量对混凝土耐磨性能影响

再生粗集料取代量对混凝土耐磨性能的影响规律如图1。由图1可以看出，细集料为天然河砂和机制砂时，混凝土耐磨性能随再生粗集料取代量的增加而降低。粗集料全部为再生集料时与粗集料全部为天然集料相比，河砂与机制砂混凝土单位面积磨损量分别增加约24%和20%。再生粗集料使混凝土耐磨性能降低，一方面是由于再生混凝土的强度较低;另一方面，再生粗骨料表面黏有耐磨性能较差的砂浆和水泥浆，这部分黏着砂浆和水泥浆在磨损过程中容易被磨损掉而成为磨损物的来源。而相关研究[8]表明再生混凝土的耐磨性能略高于普通混凝土，分析原因认为，可能与再生粗集料的使用年限不同有关。

图1 不同再生粗集料取代量下的磨损量示意Fig.1 Abrasion loss of different recycled coarse aggregate

2.1.2 河砂与机制砂混凝土耐磨性能比较

由图1可以看出，无论再生粗集料取代量多少，机制砂混凝土的磨损量都小于河砂混凝土。在普通混凝土和再生混凝土中，机制砂作为细集料取代河砂时，混凝土的耐磨性能都有所改善，但改善效果随着再生粗集料取代量的增加而减小，再生粗集料取代量为0%和100%时，机制砂混凝土的磨损量分别为河砂混凝土的89%和93%。机制砂混凝土的耐磨性能优于河砂混凝土主要由于机制砂颗粒表面粗糙、多棱角，粗糙的表面增强了混凝土的界面[11]，机制砂的强棱角性使其与混凝土中其他成分的机械啮合力较大。界面黏结力增大，颗粒之间啮合增强，混凝土强度也就越高;同时随着界面黏结力的增强，磨损区域孔结构的改善，混凝土耐磨性变好。但随着再生粗骨料的加入，机制砂对混凝土耐磨性能的改善效应要抵消因再生集料缺陷带来的混凝土磨损量的增加，改善效果有所降低。

2.2 石粉含量对机制砂再生混凝土耐磨性能影响

由于原材料和生产工艺的限制，机制砂中不可避免地含有一定量石粉，一般生产过程中会有10%～20%的石粉颗粒[13]，采用不同除粉方式处理后，石粉含量为3%～17%。试验采用再生粗集料取代量为100%的机制砂混凝土配合比(RC2-100)，取石粉含量为3.0%，5.3%，7.5%，10.0%，12.7%，15.0%，17.0%，研究机制砂中石粉含量对再生混凝土耐磨性能的影响试验结果图2。

图2 不同石粉含量下磨损量示意Fig.2 Abrasion loss of different stone powder content

由图2可以看出，随着石粉含量的增加，机制砂再生混凝土的磨损量呈先减小后增加的趋势。石粉含量在7.0%以内时对再生混凝土的耐磨性能有改善作用，石粉含量超过7.0%后再生混凝土耐磨性能降低。石粉含量在一定范围内能够提高再生混凝土耐磨性能，是由于石粉在一定范围内能够改善集料的级配[11]，并起到润滑及填充作用，改善了混凝土的黏聚性及保水性，增加了混凝土的密实度，磨损区域的孔结构得到改善，从而再生混凝土的强度和耐磨性能得到提高。随着石粉含量的继续增加，再生混凝土的耐磨性能并没有像普通混凝土那样出现趋于稳定状态[11]，而是呈现降低趋势，分析原因认为，再生粗骨料本身附着有大量旧砂浆和水泥净浆，其与石粉的黏结能力不如天然骨料和新拌水泥砂浆，当石粉含量超过一定范围，在混凝土中表现出游离态，对混凝土强度和耐磨性能的改善效应消失，混凝土内粉体成分增加，也就是易磨成分增加。

3 结 论

1)随再生粗集料取代量的增加，河砂和机制砂混凝土的磨损量都呈增加趋势，河砂混凝土的增加幅度比机制砂混凝土大。

2)无论再生粗集料取代量多少，机制砂混凝土的磨损量都小于河砂混凝土，机制砂对混凝土耐磨性能的改善作用随再生粗集料取代量的增加而减弱。

3)石粉含量在7.0%以内时，对再生混凝土耐磨性能有改善作用，石粉含量超过7.0%，再生混凝土的耐磨性能明显降低。因此，从提高混凝土耐磨性能的角度来讲，机制砂再生混凝土应控制石粉含量在7.0%以内。

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