再生细骨料对混凝土塑性收缩开裂性能影响

孙家瑛， 肖天翔， 陆阳升

（1.浙江大学宁波理工学院 绿色建材与废弃物资源化研究中心，浙江 宁波 315100；2.浙江弛成建设有限公司，浙江 东阳 322100）

在生产再生混凝土骨料过程中，会产生20%左右粒径小于4.75mm的细颗粒，对这些细颗粒进行深加工处理后可产生粒径为0.15～4.75mm的再生细骨料，用其替代部分天然砂可配制再生细骨料混凝土.但是再生细骨料会使混凝土性能与同配合比普通混凝土存在较大的差异.国内外学者对再生细骨料混凝土的力学性能、耐久性能等方面作了一定的研究［1－3］，提出了相应的措施，并取得了一定的成果［4－13］，然而针对再生细骨料对混凝土塑性收缩开裂影响的研究较少.由于混凝土塑性开裂会影响混凝土使用寿命，本文主要针对再生细骨料粒径、取代率以及再生细骨料混凝土水灰比、砂率等对混凝土塑性收缩应力、孔结构及塑性收缩开裂性能的影响进行系统研究.

1 试验方法

1.1 试验材料

水泥：采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥，其物理力学性质和化学组成见表1，2.拌和水：自来水.粗骨料：采用4.75～31.5mm连续级配的石灰石碎石，最大粒径31.5mm，表观密度2 620kg／m3，含泥量0.3%1）质量分数，文中涉及的含量、压碎指标等除特别说明外均为质量分数.，压碎指标9%.细骨料：天然细骨料为普通河砂，细度模数2.7；再生细骨料由某公司生产，骨料粒径有0～4.75mm，0.15～4.75mm和0.3～4.75mm 3种，分别标记为RXG1，RXG2和RXG3.

表1 水泥的物理力学性能Table 1 Physical mechanical performance of cement

表2 水泥化学组成和矿物组成Table 2 Chemical and mineral composition（by mass）of cement%

1.2 试验方案

基准混凝土配合比m水泥∶m碎石∶m细集料∶m水∶m外加剂＝388.0∶1 102.0∶735.0∶155.0∶209.5，其28d抗压强度为38.0MPa.为了研究再生细骨料粒径对混凝土塑性开裂的影响，分别用再生细骨料RXG1，RXG2和RXG3取代河砂，取代率为40%.此外，用RXG1分别取代20%，40%，60%，80%，100%的河砂，以研究再生细骨料掺量对混凝土塑性收缩的影响；用水灰比分别为0.40，0.45，0.50，0.55的再生细骨料混凝土来研究水灰比对混凝土塑性收缩的影响；用砂率分别为36%，42%，48%，54%的再生细骨料混凝土来研究砂率对混凝土塑性收缩的影响.

再生细骨料混凝土塑性收缩开裂性能测试参考ICBO标准［8］.塑性收缩平板试模尺寸560mm×360mm×114mm，用弯起的波浪形的薄钢板提供约束，混凝土填充在模具中，上表面外露，置于专用风箱中，风速为9.5m／s，相对湿度40%，持续3h，平板试验示意图见图1.

开裂评价指标：再生细骨料混凝土塑性收缩开裂性能测试常采用手持显微镜手工测量，并以开裂权重值作为评价指标，能够较准确地表征出裂缝的面积、宽度及长度等.本文选择开裂面积、宽度及长度作为塑性收缩开裂性能评价指标.

图1 混凝土塑性收缩约束试验装置Fig.1 Concrete plastic shrinkage constraint test device（size：mm）

2 结果与讨论

2.1 再生细骨料粒径对再生混凝土塑性收缩开裂性能的影响

再生细骨料粒径对混凝土塑性收缩开裂影响见图2.由图2可知，在固定用水量和固定再生细骨料掺量情况下，再生细骨料粒径对混凝土塑性收缩开裂影响较大，当所用再生细骨料粒径范围从0～4.75mm变化到0.3～4.75mm 时，试样的塑性开裂面积依次变小，这说明再生细骨料混凝土的抗塑性收缩开裂能力与骨料颗粒尺寸有关，颗粒尺寸越小，其抗塑性收缩开裂能力越差.

2.2 再生细骨料取代率对再生混凝土塑性收缩开裂性能的影响

图2 再生细骨料粒径对混凝土塑性收缩开裂的影响Fig.2 Effect of recycled fine aggregate grain size on plastic shrinkage cracking of concrete

图3 再生细骨料取代率对混凝土塑性收缩开裂的影响Fig.3 Effect of recycled fine aggregate replacement rate on plastic shrinkage cracking of concrete

再生细骨料取代率对再生细骨料混凝土塑性收缩开裂性能的影响如图3所示.由图3可知，当再生细骨料取代天然细骨料≤40%时，再生细骨料混凝土抗塑性收缩开裂能力与基准混凝土相近，各项指标如裂缝最大宽度、裂缝长度以及裂缝面积均与基准混凝土基本相同，但是当再生细骨料取代天然细骨料＞40%时，混凝土的抗塑性收缩开裂能力出现明显的下降，而且随着再生细骨料掺量的增加，抗塑性收缩开裂能力下降更为明显.

2.3 水灰比对再生细骨料混凝土塑性收缩开裂性能的影响

在保持其他条件不变，采用不同水灰比（mW／mC＝0.40，0.45，0.50，0.55）的再生细骨料混凝土的塑性收缩开裂情况见图4.在本试验范围内混凝土单方用水量分别为155，175，194，213kg.由图4可知，在单方用水量较小或较大情况下，再生细骨料混凝土的开裂面积等各项塑性收缩开裂性能评价指标均较大，抗塑性开裂性能降低.因此再生细骨料混凝土存在一个最佳水灰比，当水灰比小于或大于此值时，再生细骨料混凝土有增大塑性收缩开裂的趋势，这主要与再生细骨料结构特征有关.

图4 水灰比对再生细骨料混凝土塑性收缩开裂的影响Fig.4 Effect of water－cement ratio on plastic shrinkage cracking of recycled fine aggregate concrete

2.4 砂率对再生细骨料混凝土塑性收缩开裂性能的影响

在再生细骨料掺量、水泥用量以及减水剂掺量固定不变的条件下，研究不同砂率再生细骨料混凝土塑性收缩开裂情况.试验配合比如表3所列.试验结果见图5.

表3 不同砂率再生细骨料混凝土的配合比Table 3 Mix proportion of different sand ratio of recycled fine aggregate concrete

由图5可知，在本试验范围内，混凝土塑性收缩裂缝最大宽度、裂缝长度、裂缝面积随砂率变化有1个最佳砂率42%.砂率36%的再生细骨料混凝土塑性裂缝最大宽度、裂缝长度、裂缝面积较大的原因可能是混凝土拌和物中粗骨料相对过多，水泥砂浆相对较小，塑性阶段时砂浆不足以包裹粗骨料表面，从而造成再生细骨料混凝土密实度下降，加快了混凝土中水分沿着毛细孔向外部迁移的速度，降低了再生细骨料混凝土抗塑性收缩开裂能力.此外由于再生细骨料混凝土密实度下降更是弱化了水泥浆与骨料结合区域的强度，在混凝土失水塑性收缩时体系的不稳定和结合面强度增长缓慢促使混凝土塑性收缩裂缝增多.而砂率过大时，由于再生细骨料混凝土粗骨料比例降低，使混凝土体积稳定性下降，也会造成再生细骨料混凝土抗塑性收缩开裂能力降低.

图5 砂率对再生细骨料混凝土塑性收缩开裂的影响Fig.5 Effect of sand ratio on plastic shrinkage cracking of recycled fine aggregate concrete

2.5 再生细骨料混凝土塑性收缩开裂机理分析

由以上的研究结果发现，随着再生细骨料取代量增加或再生细骨料粒径尺寸减小，再生细骨料混凝土的抗塑性收缩开裂能力有所下降.这是由于再生细骨料在破碎过程中产生的裂缝，表层旧水泥砂浆的孔隙率，以及再生骨料中的老界面都将改变再生细骨料混凝土内部的孔结构，增大再生细骨料混凝土的孔隙率和孔径，从而增大其失水速率.混凝土的抗塑性收缩开裂能力与其孔隙率或密实度直接相关.试验表明掺40%且粒径0.3～4.75mm再生细骨料砂浆硬化体的孔隙率为0.024 2，平均孔径5.94nm，而同样掺40%粒径0～4.75mm再生细骨料砂浆硬化体的孔隙率为0.043 9，平均孔径8.97nm，同配合比普通混凝土硬化体的孔隙率为0.012 7，平均孔径5.23nm.此外，在相同水灰比、再生细骨料掺量条件下各种粒径再生细骨料混凝土收缩应力测试结果如图6所示.由图6可见，再生细骨料混凝土的塑性收缩应力随再生细骨料粒径减小而增加，说明再生细骨料混凝土的抗塑性收缩开裂能力随粒径尺寸减小而下降，因此再生细骨料混凝土不仅抗塑性收缩开裂能力低于普通混凝土，同时与裂缝有关的耐久性能均可能有所下降.

图6 3种粒径再生细骨料对混凝土收缩力变化的影响Fig.6 Effect of 3sorts of recycled fine aggregate grain size on contraction force of concrete

3 结论

（1）再生细骨料混凝土塑性收缩开裂风险比同配合比普通混凝土大.当再生细骨料取代率低于40%时，再生细骨料混凝土的抗塑性收缩开裂能力降幅较小，但高于40%时的抗塑性收缩开裂能力降幅明显加大.再生细骨料粒径对混凝土抗塑性收缩开裂能力影响较大.

（2）水灰比对再生细骨料混凝土抗塑性收缩开裂能力影响存在一个最佳值，当水灰比在0.45～0.50时，再生细骨料混凝土抗塑性收缩开裂能力最佳.

（3）提高砂率可使再生细骨料混凝土需水量显著增大，从而加大再生细骨料混凝土塑性收缩开裂风险.

（4）再生细骨料混凝土塑性收缩开裂风险比同配合比普通混凝土大的原因在于再生细骨料增大了混凝土的孔隙率和孔径，加快了其失水速率.

［1］ 李秋义，李艳美，毛高峰，等.再生细骨料种类和取代量对混凝土强度的影响［J］.青岛理工大学学报，2008，29（3）：10－15.LI Qiuyi，LI Yanmei，MAO Gaofeng，et al.Influence on concrete compressive strength by type and replaced amount of recycled fine aggregate［J］.Journal of Qingdao Technological U－niversity，2008，29（3）：10－15.（in Chinese）

［2］ EVANGELISTA L，de BRITO J.Mechanical behavior of concrete made with fine recycled concrete aggregates［J］.Cement and Concrete Composites，2007，29（5）：397－401.

［3］ 周明辉，李连君.再生骨料混凝土强度的试验研究与分析［J］.混泥土，2011（5）：99－101.ZHOU Minghui，LI Lianjun.Test and analysis of strength of recycled aggregate concrete［J］.Concrete，2011（5）：99－101.（in Chinese）

［4］ 孙家瑛，蒋华钦.再生粗骨料特性及对混凝土性能的影响研究［J］.新型建筑材料，2009，30（1）：30－32.SUN Jiaying，JIANG Huaqin.Study on properties of reclaimedcoarse aggregate and its influence on properties of concrete［J］.New Building Materials，2009，30（1）：30－32.（in Chinese）

［5］ 曾尤，卢桂霞，赵丽佳，等.颗粒整形再生胶砂需水量和强度研究［J］.沈阳建筑大学学报：自然科学版，2011，27（2）：302－305.ZENG You，LU Guixia，ZHAO Lijia，et al.Study on the influence of particle shaping on water demand and strength of recycled mortars［J］.Journal of Shenyang Jianzhu University：Natural Science，2011，27（2）：302－305.（in Chinese）

［6］ KOU Shicong，POON Chisun.Properties of concrete prepared with crushed fine stone，furnace bottom ash and fine recycled aggregate as fine aggregates［J］.Construction and Building Materials，2009，23（8）：2877－2886.

［7］ CHEN Meizhu，LIN Juntao，WU Shaopeng.Potential of recycled fine aggregates powder as filler in asphalt mixture［J］.Construction and Building Materials，2011，25（10）：3909－3914.

［8］ ICCES—2003 Acceptance criteria for concrete with synthetic fibres AC32［S］.

［9］ 孙家瑛，车乘乘.再生细集料对水泥混凝土物理力学性能的影响［J］.土木建筑与环境工程，2011，33（3）：143－146.SUN Jiaying，CHE Chengcheng.Influence of fine recycled aggregate on physical and mechanical properties of concrete［J］.Journal of Civil，Architectural ＆Environmental Engineering，2011，33（3）：143－146.（in Chinese）

［10］ CORINALDESI V，MORICONI G.Influence of mineral additions on the performance of 100%recycled aggregate concrete［J］.Construction and Building Materials，2009，23（8）：2869－2876.

［11］ 白国良，张锋剑，安昱峰，等.再生混凝土砌块抗压强度和配合比试验研究［J］.建筑结构，2010，40（12）：127－130.BAI Guoliang，ZHANG Fengjian，AN Yufeng，et al.Experimental study on the compressive strength and mixture ratio of recycled concrete hollow blocks［J］.Building Structure，2010，40（12）：127－130.（in Chinese）

［12］ KOU S C，POON C S.Properties of self－compacting concrete prepared with coarse and fine recycled concrete aggregates［J］.Cement and Concrete Composites，2009，31（1）：622－627.

［13］ EVANGELISTA L，de BRITO J.Durability performance of concrete made with fine recycled concrete aggregates［J］.Cement and Concrete Composites，2010，32（1）：9－14.