高性能再生骨料混凝土的性能與微結構

摘 要：通過制備系列配合比的普通再生骨料混凝土(recycled aggregate concrete，RAC)和高性能再生骨料混凝土(high performance recycled aggregateconcrete，HPRAC)，研究再生骨料取代量對混凝土性能和微結構的影響。結果表明：RAC 的力學性能和耐久性隨著再生骨料取代量的增加而有所降低，但HPRAC 仍具有良好的力學性能，并且抗?jié)B性較高，具有抵抗300 次凍融循環(huán)的耐久性。HPRAC 水泥石基體較為密實，界面過渡區(qū)被致密的水化產物填充，孔隙變小，氫氧化鈣和鈣礬石含量均較少。

關鍵詞：高性能再生骨料混凝土；力學性能；耐久性；微結構

中圖分類號：TU528 文獻標識碼：A 文章編號：0454–5648(2007)04–0456–05

　　再生骨料混凝土(recycled aggregate concrete,RAC)是利用舊建筑物上拆下來的廢棄混凝土塊，經過清洗、破碎、篩分和按一定比例相互配合后，作為部分或全部骨料重新拌制的混凝土。RAC 是對廢舊混凝土的再加工，使其恢復(或部分恢復)原有的性能，成為新的建材產品[1]。

　　高性能混凝土(high performance concrete，HPC)是一種新型的高技術混凝土，是在大幅度提高混凝土組分性能的基礎上，采用現在混凝土技術，在嚴格的質量管理下制成的。除了水泥、水、骨料以外，必須摻入足夠數量的細摻合料與高效減水劑。HPC 具有良好的耐久性、工作性，適宜的力學性能以及較好的經濟合理性，是混凝土未來的發(fā)展重點[2]。

　　用再生骨料(recycled aggregate, RA)配制的HPC 形成高性能再生骨料混凝土(high performancerecycled aggregate concrete, HPRAC)，同樣具有普通HPC 的優(yōu)良力學性能和耐久性，同時與我國的環(huán)境保護、生態(tài)保護政策和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略緊密地結合起來，走人與自然協(xié)調發(fā)展之路，是混凝土發(fā)展的方向[3]。

　　通過配制系列配合比的普通RAC 和HPRAC，研究RA 取代量對混凝土強度、彈性模量、極限拉伸值和耐久性等性能的影響，分析RAC 的水泥石基體和界面過渡區(qū)的微結構，建立RAC 的性能與微結構的關系。

1 試 驗

1.1 原材料

　　試驗采用的42.5 普通硅酸鹽水泥(cement, C)、硅粉(silica fume, SF)和粉煤灰(fly ash, FA) 主要化學成分如表1 所示。FA 45 μm 篩的篩余為10.4%、需水量為99%，為Ⅱ級灰。RA 與天然骨料(natureaggregate, NA)相比，具有孔隙率高、吸水性大、強度低等特征，如表2 所示。細骨料為河砂，外加劑為高效減水劑FDN。為了提高混凝土的抗凍耐久性，還需加入一定量的引氣劑[4]，試驗中為FS 引氣劑。

表1 水泥、硅粉和粉煤灰的化學成分

1.2 HPRAC 的配合比

　　為了研究HPRAC 的特性，試驗對比配制了兩個系列的配合比，分別為普通RAC 和HPRAC。HPRAC 配合比的設計參數是根據前期試驗結果得出的，水膠比為0.25，SF 和FA 摻量均為15%。具體配合比見表3。

1.3 HPRAC 的性能

　　由表3 配合比成型試件的性能測試如表4 所示。耐久性指標如表5 所示。

2 分析與討論

2.1 試驗結果分析

　　從表4 可以看出：RAC 的抗壓強度隨著RA 取代量的增加而降低，但降低幅度隨齡期的延長而有所減小，HPRAC 也有此規(guī)律，其28 d 抗壓強度最低也超過70 MPa，達到高強要求。RA 取代量對抗拉強度和抗折強度的影響與抗壓強度基本一致。隨著RA 取代量的增加，混凝土的彈性模量有所降低，而極限拉伸值有所提高。

　　從表5 可以看出：隨著RA 取代量的增加，滲透系數逐漸增大，滲透性劣化，而HPRAC 的滲透系數比普通RAC 低1 個數量級，這說明其抗?jié)B性大大提高了?？箖鲂栽囼灡砻鳎篟A 取代量越高，混凝土的抗凍性越差，普通RAC100 次凍融循環(huán)全部破壞，而HPRAC 能抵抗300 次凍融循環(huán)而不破壞，這說明RAC 也可具有優(yōu)異的抗凍耐久性。

2.2 RAC 水泥石基體的微結構

　　對比28 d 普通RAC 和HPRAC 水泥石基體的微結構(見圖1、圖2)可知：普通RAC 結構疏松，空隙較大較多，孔結構級配很差，而且有大量的氫氧化鈣和鈣礬石結晶，顯然這將對混凝土的力學性能和耐久性構成不利影響；HPRAC 水泥石基體盡管也有空隙，但孔徑基本上都很小。從圖2 可以看出：FA 球形顆粒表面已經被侵蝕，其周圍的水化反應產物致密，因而極大地提高了混凝土的性能。

2.3 RAC 界面過渡區(qū)的微觀分析

　　在骨料、水泥石和界面過渡區(qū)3 相中，普通混凝土與RAC 最大的差異是界面過渡區(qū)，界面過渡區(qū)在很大程度上決定著兩者的性能差異[5]。

　　由圖3 與圖4 可知：RA 取代量為0 時，28 d普通混凝土的界面過渡區(qū)有大量的氫氧化鈣定向結晶，且尺寸較大；28 d HPC 的界面過渡區(qū)非常密實，沒有氫氧化鈣和鈣礬石晶體(圖3 和圖4 中出現的裂縫可能是由于取樣時敲擊造成的)。顯然，相對于普通混凝土，HPC 的界面過渡區(qū)有了極大的改善，從而也提高了其強度和耐久性能。

　　當RA 完全取代NA 時，28 d 普通RAC 和HPRAC 的界面過渡區(qū)(見圖5、圖6)差異更為明顯。普通RAC 界面過渡區(qū)有大量氫氧化鈣的定向結晶和鈣礬石晶體，空隙較大，結構疏松；而HPRAC盡管也有少量的氫氧化鈣晶體，絕大部分空間還是被致密的水化產物填充。由于水化產物非常密實，從形貌上很難將它們區(qū)分開來，但能清晰地看出有些FA 已經開始二次水化了。

2.4 RAC 性能與微結構的關系

　　與普通混凝土相比，RAC 中最大的差別在于界

面過渡區(qū)。

　　由圖3～圖6 可以發(fā)現：普通混凝土的界面過渡區(qū)結構相對更密實，孔縫相對較小且少，氫氧化鈣和鈣礬石結晶也較少。雖然普通混凝土的界面過渡區(qū)結構優(yōu)于RAC，但試驗配制的HPRAC 界面過渡區(qū)仍具有致密的結構。

　　RAC 的微結構與性能之間是緊密相關的。如果混凝土中的孔縫較多，氫氧化鈣和鈣礬石結晶較大，則該混凝土的性能也較差，試驗中RAC–1～RAC–4試件的微結構分析證實了這一點，經100 次凍融循環(huán)，試件即破壞(見表5)。也正是由于微結構(包括界面過渡區(qū)微結構)的改善，HPRAC(HPRAC–1～HPRAC–4)試件不但具有較高的力學性能，而且其耐久性也非常優(yōu)異。

3 結 論

　　(1) RAC 的抗壓強度隨著RA 取代量的增加而降低，但降低幅度隨齡期的延長而有所減小，抗拉強度和抗折強度有著與抗壓強度基本一致的規(guī)律。隨著RA 取代量的增加，混凝土的彈性模量有所降低，而極限拉伸值有所提高。

　　(2) 隨著RA 取代量的增加，混凝土的抗?jié)B性和抗凍耐久性均有所降低，但HPRAC 的滲透系數比普通RAC 低1 個數量級，并能抵抗300 次凍融循環(huán)而不破壞。

　　(3) HPRAC 水泥石基體較為密實，空隙很小，在界面過渡區(qū)盡管也有少量的氫氧化鈣晶體，但絕大部分空間還是被致密的水化產物占據，孔縫相對較小且較少，氫氧化鈣和鈣礬石結晶也較少。因而試驗配制的HPRAC 具有良好的力學性能和耐久性。

參考文獻：

　　[1] LIN Y–H, TYAN Y–Y, CHANG T–P, et al. An assessment of optimalmixture for concrete made with recycled concrete aggregates [J]. CemConcr Res, 2004, 34(8): 1 373–1 380.

　　[2] AÏTCIN P C. The durability characteristics of high performance concrete:a review [J]. Cem Concr Compos, 2003, 25(6): 409–420.

　　[3] LEVY S M, HELENE P. Durability of recycled aggregates concrete: asafe way to sustainable development [J]. Cem Concr Res, 2004, 34(11):1 975–1 980.

　　[4] GOKCE A, NAGATAKI S, SAEKI T, et al. Freezing and thawingresistance of air-entrained concrete incorporating recycled coarse aggregate:the role of air content in demolished concrete [J]. Cem ConcrRes, 2004, 34(5): 799–806.

　　[5] POON C S, SHUI Z H, LAM L. Effect of microstructure of ITZ oncompressive strength of concrete prepared with recycled aggregates [J].Constr Build Mater, 2004, 18(3): 461–468.