干硬性混凝土是指坍落度<10mm且必须用维勃稠度表示其稠度的混凝土^[1], 具有流动性很小、硬化速度快、早期强度高的特点, 在预制构件生产领域已有广泛应用。国内对于干硬性混凝土已有部分研究:唐付林等^[2]以轻质干硬性混凝土为材料, 研究开发一种新型轻质GLY预应力空心板;刘畅等^[3]将干硬性混凝土应用于生态砌块的制备, 并对其基本性能进行了分析;郭傲等^[4,5]对普通干硬性混凝土的制备、力学和耐久性能进行了较系统的研究。

再生骨料混凝土, 简称再生混凝土, 是用再生混凝土骨料部分或全部代替天然骨料配制而成的一种新型混凝土, 其研究为废弃混凝土的处理提供了有效途径。已有研究表明:在相同用水量条件下, 再生混凝土比普通混凝土坍落度小、流动性差, 再生混凝土虽不便于构件的现场浇筑, 但可将其用于工厂预制构件的生产^[6,7,8]。

利用再生粗骨料制备的干硬性再生混凝土, 是一种绿色再生建材, 其研究可拓展再生混凝土的应用范围, 对节约资源、保护环境等方面有十分重要的意义。目前, 对于干硬性再生混凝土的配合比、工作性能和力学性能等研究仍很少, 本文通过试验探究水胶比、再生粗骨料取代率、砂率、成型压力4种因素对干硬性再生混凝土工作及力学性能的影响, 并通过掺入细钢粒优化其性能, 以期为干硬性再生混凝土的工程应用提供参考。

试验拟配置C30级别的干硬性再生混凝土, 在基准配合比基础上利用正交试验方法设计试验, 采用L₉ (3⁴) 正交表, 选取因素及水平取值如表1所示, 试件为边长100mm的立方体。

水泥采用扬州绿杨水泥厂生产的P·O42.5级普通硅酸盐水泥, 密度3.13g/cm³, 比表面积375m²/kg。天然粗骨料采用连续级配的天然碎石。再生粗骨料采用扬州惠民再生资源有限公司规模生产的商用再生粗骨料, 粒径5～16mm。细骨料采用普通河砂, 最大粒径5mm, 细度模数为2.8。拌合水采用普通自来水。

干硬性再生混凝土的流动性很小, 若采用普通混凝土的制备方法和模具将难以成型, 必须在制备时加压和振动才可满足密实成型要求。为方便研究, 设计一种专用加压成型装置, 该装置拆装方便, 可实现1kPa量级的成型压力变化, 可用于实验室制作干硬性再生混凝土试件。

试件制作过程如下:①称量再生粗骨料, 倒入搅拌机中, 搅拌30s, 搅拌过程中均匀加入附加用水;②将称量好的天然粗骨料、细骨料、水泥依次倒入搅拌机中, 搅拌1min;③将称量好的净用水量缓慢加入搅拌机中, 搅拌2min;④将混凝土拌合物装入专用加压成型装置中, 并置于振动台上加压振动成型。为提高成型质量, 采用分层加压振动方案, 即第1次装入试模的混凝土拌合物约为试模容量的80%, 振动1min, 第2次将试模加满, 再振动1min;⑤试件成型后, 自然养护3h后即用气泵拆模, 放入标准养护室养护。

实测各组混凝土拌合物的坍落度均<10mm, 试验各组混凝土拌合物均呈干硬性质。采用维勃稠度作为混凝土拌合物工作性能的评价指标, 水胶比、再生骨料取代率、砂率对维勃稠度影响规律如图1所示。由图1可知, 水胶比变大, 稠度随之降低, 水胶比由0.3增加至0.4时, 稠度降低13.8%;再生粗骨料用量增加, 稠度变大, 再生粗骨料取代率由30%增加至70%时, 稠度增大5.3%;砂率变大, 稠度减小, 砂率由40%增加至50%时, 稠度降低4.8%。水胶比对稠度影响较为明显, 各组实测维勃稠度值在19～23s。

试件养护至相应龄期 (3, 7d和28d) 后取出, 进行力学性能测试, 选择试件的抗压强度作为力学性能指标, 各组测试结果如图2所示。分析图2可知, 随龄期增加, 强度呈规律性增长, 3d强度均值可达28d强度均值的65.9%, 7d强度均值可达28d强度均值的84.1%, 说明前期强度增长较快。

设正交试验第j组 (j=1～9) 试验的3, 7d和28d强度经归一化处理后的功效系数为d_j1, d_j2和d_j3, 则根据文献[9], 第j组的总功效系数d_j可表示如式 (1) :

$d{}_j=\sqrt[3]{d{}_{j1}\times d{}_{j2}\times d{}_{j3}}(1)$

各组试验结果的归一化及总功效系数计算如表2所示, 对总功效系数进行极差分析, 结果如图3所示 (图中k_i为第i个水平各因素对应的总功效系数均值, R为极差) 。

根据图3b分析可知, 影响干硬性再生混凝土强度因素的主次顺序是:A→D→C→B。根据图3a分析可知:①随因素A增大, 总功效系数随之减小。胶凝材料用量减少会减弱填充作用, 试件致密度降低, 同时骨料表面包裹的水泥浆体变薄, 黏结力减小, 导致混凝土强度降低。②随因素B增大, 总功效系数先增大后减小。再生骨料本身的固有损伤对强度发展不利, 再生骨料含量过多时, 会引起强度大幅降低;同时再生骨料预先蓄含的一定水分可在前期起到内养护作用, 利于早期强度发展;再生和天然骨料等量配置时级配较好, 性能较优。③随因素C增大, 总功效系数先增大后减小。适当提高砂率, 可产生更多的水泥砂浆用以填充粗骨料间的空隙, 混凝土内部更加密实, 强度提高;但砂率超过一定水平, 细骨料过量, 反而会破坏粗骨料之间的机械咬合力, 混凝土密实性下降, 强度降低。④随因素D增大, 总功效系数先增大后减小。增大成型压力可在一定程度上促进水泥浆的流动, 使之充分填满骨料间空隙, 同时排出内部空气, 提高密实成型效果;但成型压力超过一定水平, 水泥浆流动和混凝土液化程度过大, 反而使混凝土试件内部骨料间的有效水泥浆减少, 骨料间的黏结强度降低, 对强度发展不利。

综合以上分析, 影响干硬性再生混凝土力学性能的各因素较优取值为A₁B₂C₂D₂。

试验中实测各组混凝土拌合物的稠度值较高, 在加压和振动共同作用下混凝土拌合物成型效果还有待进一步提升, 所以其工作性能需进一步改善。实际工程中, 常通过添加外加剂, 如减水剂等来达到改善混凝土性能的目的, 但引入外加剂后发生的是化学作用, 改善混凝土性能的同时也会产生其他影响, 若添加不当, 会引发混凝土质量问题^[10]。

为改善干硬性再生混凝土性能, 配制试件时尝试以细钢粒 (基本指标如表3所示) 代替部分细骨料, 因细钢粒在混凝土土中仅起机械作用, 可按前述相同的方法制作试件 (投料时注意细钢粒应先与细骨料干拌均匀) , 相关参数取前述试验中的较优值, 即取水胶比0.3、再生粗骨料取代率50%、砂率45%、成型压力10kPa。

设计并制作4组试件, 细钢粒分别按0%, 5%, 10%, 20% 4种不同的质量百分比代替部分细骨料, 测试每组试件的维勃稠度和28d抗压强度, 试验结果如图4, 5所示。图4表达了相对稠度 (掺加细钢粒与未掺细钢粒的混凝土拌合物维勃稠度的比值) 与细钢粒掺量的关系, 图5表达了相对抗压强度 (掺加细钢粒与未掺细钢粒的混凝土28d抗压强度的比值) 与细钢粒掺量的关系。

由图4分析可知, 随细钢粒掺量增大, 干硬性再生混凝土拌合物的稠度明显变小。以细钢粒掺量0%作为参照, 掺量5%, 10%, 15%时的稠度分别降低18.2%, 31.8%, 40.9%。这是因为细钢粒具有不吸水性, 代替细骨料后, 拌合物实际可用的用水量变多, 且细钢粒可以对拌合物起到一定的“滚珠润滑”作用, 这使再生混凝土拌合物的稠度降低, 工作性能得到明显改善。

由图5分析可知, 细钢粒掺量不超过10%时, 干硬性再生混凝土28d抗压强度随细钢粒掺量增加而增大。细钢粒掺量5%, 10%相比掺量0%时, 试件的抗压强度分别提高17.4%, 25.1%, 但当细钢粒掺量达20%时, 抗压强度相比掺量10%时出现一定程度降低。究其原因是再生混凝土的强度取决于水泥浆和再生粗骨料两部分, 当细钢粒掺量适当时, 可在一定程度上提高细骨料强度和水泥砂浆强度, 并与粗骨料起到互补作用, 形成提高抗压强度的合力;但当细钢粒掺量过大时, 细钢粒使水泥砂浆强度远高于再生粗骨料, 在压力的作用下, 强度较低的再生粗骨料将首先发生破坏, 引起强度降低。

综合以上分析, 为有效提高干硬性再生混凝土的工作性能和力学性能, 细钢粒的较优掺量可取10%。

1) 干硬性再生混凝土拌合物的稠度值较大, 水胶比对稠度的影响明显;同时干硬性再生混凝土的 前期强度增长较快, 具有快硬早强的特点, 可应用于混凝土预制构件的工业化生产, 为废弃混凝土处理提供新的途径, 对保护环境有积极意义。

2) 水胶比对干硬性再生混凝土各龄期强度的影响最大, 成型压力其次, 配置干硬性再生混凝土时应谨慎选择水胶比, 并严格控制成型压力。本试验中, 各因素的较优取值为:水胶比0.3、再生粗骨料取代率50%、砂率45%、成型压力10kPa。

3) 掺入适量细钢粒可有效降低干硬性再生混凝土拌合物的稠度, 改善工作性能, 同时提高混凝土的抗压强度, 提升力学性能。试验表明, 细钢粒的合理掺量可取为细骨料质量的10%。