砂石是不可再生的自然资源, 混凝土的再生技术实现了建筑废弃物的循环利用, 它一方面解决了建筑材料短缺的困境, 另一方面也避免了传统建筑垃圾处置方式带来的生态环境破坏。

　　 作为一种新型绿色建材, 再生混凝土基本性能的优劣直接关系到混凝土结构的质量, 其重要性不容忽视。再生混凝土的孔隙率高、吸水率大等特点, 导致其基本性能有别于普通骨料混凝土, 对混凝土结构的质量构成隐患, 为此需要研究再生混凝土的工作性能、力学性能和耐久性能。目前的研究大多是针对再生粗骨料混凝土, 国内外学者已从最初的基本材性研究发展至结构性能方面, 并逐步应用到实际工程中^[1,2,3]。与此形成鲜明对比的是, 再生细骨料混凝土 (RFA concrete) 的研究尚处于较初步的层面^[4,5], 亟需进一步细致研究, 以便将其早日应用到工程实际中, 既能实现砂子资源再生, 又能确保工程结构质量。鉴于再生细骨料的吸水率大, 影响到再生细骨料混凝土的性能^[6], 本文基于自由水灰比的配合比设计方法^[7], 配制了再生细骨料混凝土, 试验研究了不同水灰比、取代率对再生细骨料混凝土的工作性能、力学性能和耐久性能的影响, 可供工程应用参考。

　　 试验用水泥采用某公司生产的P.O 42.5普通硅酸盐水泥, 其主要性能指标见表1。骨料中的天然粗骨料采用德清产地的粒径5～25mm连续级配天然碎石, 天然细骨料采用赣江产地的天然砂, 属2区级配的中砂, 再生细骨料由嘉兴某再生建筑资源厂家提供, 属1区级配的粗砂, 其主要物理性能指标见表2。水为自来水。

　　 有别于普通骨料混凝土, 再生细骨料混凝土配合比设计采用基于自由水灰比的配合比设计方法^[7], 它把混凝土拌合用水分成两部分:一部分为自由水, 类似于普通骨料混凝土单位用水量;另一部分为吸附水, 是再生细骨料达到饱和面干状态时在天然细骨料基础上附加的用水量, 计算公式为^[7]:

　　 $m{}_{\text{w}}=m{}_{\text{r}}(S{}_{\text{r}\text{a}}-S{}_{\text{n}\text{a}}-\omega {}_{\text{r}\text{a}})(1)$

　　 式中:m_w为单位吸附水量;m_r为单位再生细骨料用量;S_ra为再生细骨料饱和面干吸水率;S_na为天然细骨料饱和面干吸水率;ω_ra为再生细骨料含水率, 因本次试验所用骨料均处理至干燥状态, 其值取0。

　　 5种水灰比 (0.5, 0.55, 0.6, 0.65, 0.7) 、6种再生细骨料取代率 (0%, 20%, 40%, 60%, 80%, 100%) 的配合比见表3, 混凝土砂率为36%, 控制坍落度为 (80±10) mm。由表3可见, 除了组号5外, 混凝土坍落度值均满足试验设计要求, 并且试验过程中所有组号混凝土的黏聚性和保水性均表现良好, 说明了再生细骨料混凝土的工作性能基本能满足要求。

　　 各水灰比对应的再生细骨料混凝土7d, 28d立方体抗压强度随取代率的变化曲线如图1所示。可见, 对各水灰比而言, 当再生细骨料取代率从0%提高到100%, 抗压强度都有一定幅度的降低, 可能的原因有:1) 再生细骨料颗粒级配不佳, 空隙率大, 加上细度模数3.2的再生细骨料砂率偏低, 都说明再生细骨料并不能很好地填充粗骨料缝隙, 混凝土密实度偏差, 受压时内部易产生应力集中;2) 再生细骨料新旧水泥浆体界面区粘结最为薄弱^[8], 裂缝多数沿此界面开展;3) 再生细骨料自身强度不及天然砂, 裂缝可能贯穿再生细骨料。

　　 由图1 (b) 可见, 当取代率从0%提高到20%, 各水灰比对应的强度降低率都不大, 甚至个别高于普通混凝土, 可能的原因有:1) 再生细骨料自身包裹未水化的水泥颗粒, 相当于增加了水泥用量;2) 再生细骨料内部的吸附水为水泥的水化、凝结硬化供应了足够的水分, 有利于混凝土强度发展;3) 此时的再生细骨料能与天然砂形成良好的颗粒级配, 降低空隙率, 混凝土的密实度变优。但当取代率达到40%以上时, 混凝土抗压强度降低显著。当取代率达到100%时, 较普通混凝土而言, 水灰比0.5, 0.55, 0.6, 0.65, 0.7对应的抗压强度分别降低了30.1%, 29.4%, 26.6%, 26.8%, 23.7%, 且水灰比大于0.5时, 强度降低出现减小的趋势。这很可能是由于不同水灰比对应的再生细骨料混凝土内部破坏特征有明显差别所致。

　　 各水灰比对应的再生细骨料混凝土7d, 28d劈裂抗拉强度随取代率的变化曲线如图2所示。可见, 同抗压强度一样, 对各水灰比而言, 当再生细骨料取代率从0%提高到100%, 随着取代率增加, 抗拉强度呈现递减趋势。当取代率为100%时, 抗拉强度均较普通混凝土有着一定程度的降低, 主要原因仍由颗粒级配差、空隙率大、存在薄弱的界面区、自身强度低所导致。

　　 由图2 (b) 可知, 当取代率从0%提高到20%, 除水灰比0.6外 (强度降低率异常偏大) , 其余水灰比对应的抗拉强度降低都不显著, 甚至出现高于普通混凝土的情形。这一特征的出现, 除了可能有抗压强度的1) , 2) , 3) 点原因外, 还可能包括再生细骨料中适宜的微粉含量能够提高水泥砂浆体粘结能力的因素。但当取代率提高到40%以上, 混凝土抗拉强度迅速降低, 比如当取代率提高到100%时, 水灰比0.5, 0.55, 0.6, 0.65, 0.7对应的抗拉强度依次共降低了18.6%, 19.2%, 24.2%, 23.7%, 19.2%, 而强度降低率大小与水灰比变化之间并不存在像抗压时的明显规律。

　　 水灰比0.5, 0.6, 0.7对应的再生细骨料混凝土28d抗折强度随取代率的变化曲线如图3所示。混凝土的抗折强度和劈裂抗拉强度均是表征抗拉性能的指标, 前人研究表明二者具有高度的一致性。

　　 对比图2、图3可知, 再生细骨料混凝土的抗折强度与劈裂抗拉强度也基本符合这一规律。再生细骨料混凝土抗折强度随取代率变化的规律及原因分析同抗拉强度, 此处不再赘述。

　　 采用逐级加压法测定了水灰比0.55, 0.65分别对应的28d龄期再生细骨料混凝土抗渗等级, 抗渗等级随取代率的变化曲线如图4所示。可见, 对两种水灰比而言, 再生细骨料混凝土的抗渗等级总体趋势随着取代率增加而降低, 即抗水渗透性能在逐步降低, 这主要是由于再生细骨料自身颗粒级配差、空隙率大、存在微裂缝等因素共同造成混凝土密实度变差而引起。此外, 水灰比0.65再生细骨料混凝土的抗渗等级总是不高于水灰比0.55, 即水灰比越大, 抗水渗透性能稍差。这主要因为水灰比越大促使水泥水化速度越慢, 相应水化过程中产生更多的毛细孔, 同样造成混凝土密实度变差而引起。

　　 水灰比0.55时取代率0%, 20%, 40%及水灰比0.65时取代率0%, 20%的再生细骨料混凝土的抗渗性能基本能达到P6等级, 符合工程一般要求。

　　 采用电通量法测定了水灰比0.55, 0.65分别对应28d龄期再生细骨料混凝土的6h总电通量, 电通量随取代率的变化曲线如图5所示。可见, 随着取代率增加, 再生细骨料混凝土的电通量总体上呈现出不断增大的规律, 即说明抗氯离子渗透性能逐渐减弱 (水灰比0.55取代率100%再生细骨料混凝土的电通量偏高异常, 应是试验操作偏差所致) 。这主要是因为取代率提高引起吸附水量增加, 引起单位总用水量增加, 致使电通量增大。此外, 不难发现水灰比越大, 相同取代率再生细骨料混凝土的抗氯离子渗透性能略差, 主要原因同抗水渗透。

　　 水灰比0.55时取代率0%, 20%, 40%及水灰比0.65时取代率0%, 20%的再生细骨料混凝土抗氯离子渗透性能达到《混凝土质量控制标准》 (GB 50164—2011) Ⅲ级及以上, 说明其氯离子渗透性低。

　　 水灰比0.65时取代率20%, 40%的再生细骨料混凝土7d, 14d, 28d碳化龄期对应的碳化深度随取代率的变化曲线如图6所示。可见, 再生细骨料混凝土的碳化深度均随着碳化龄期增长而增加。对不同碳化龄期而言, 取代率40%时再生细骨料混凝土的碳化深度略大于取代率20%情形, 这是由于再生细骨料混凝土密实度随取代率增加不断变差, 抗碳化性能变差所致。

　　 取代率20%的再生细骨料混凝土28d碳化龄期的碳化深度小于20mm, 说明其抗碳化性能较好, 可满足大气环境下50年的耐久性要求。

　　 (1) 再生细骨料混凝土配合比设计时把混凝土拌合用水分成自由水和吸附水两部分, 解决了再生细骨料吸水率大从而影响坍落度这一难题, 试验所配的再生细骨料混凝土的工作性能基本满足要求。

　　 (2) 对不同水灰比而言, 随着再生细骨料取代率不断增加, 再生细骨料混凝土抗压强度、抗拉强度、抗折强度都有不同程度的降低。当再生细骨料取代率不大于20%时, 水灰比0.7的再生细骨料混凝土的抗压强度、抗拉强度、抗折强度均不低于普通骨料混凝土, 说明该情况下混凝土中天然细骨料可由再生细骨料进行取代, 但取代率不应超过20%。

　　 (3) 当再生细骨料取代率不大于20%时, 再生细骨料混凝土的抗渗性能达到P6等级, 其氯离子渗透性低, 且其抗碳化性能较好, 说明了再生细骨料混凝土的耐久性符合工程一般要求。

　　 (4) 当再生细骨料取代率不大于20%时, 其基本性能安全可靠, 完全能够替代普通骨料混凝土。为了确保工程实践中再生细骨料混凝土的力学性能和耐久性能, 不同配合比混凝土中再生细骨料的取代率应由相应的配合比试验进行确定, 除进行工作性能、力学性能检验外, 还应结合设计要求对其抗水渗透、抗氯离子渗透和碳化等耐久性能进行试验。