再生混凝土是指将废弃的混凝土块经过破碎、清洗、分级加工后,部分或者全部替代天然集料配制而成的新混凝土. 一些发达国家在第一次世界大战之后就开始对废弃混凝土的再生利用研究^[1]. 再生混凝土可以充分利用废弃混凝土,实现变废为宝的目的,有利于保护环境和资源持续利用. 再生混凝土的开发利用不仅可以从根本上解决废混凝土的处理问题,还能节约天然集料资源,其社会、经济及环境效益显著^[2-3].

相关研究^[4-8]表明,与普通集料相比,以废混凝土加工破碎成的集料具有表观密度低、吸水率高和压碎值大的显著特点. 用废混凝土再生集料配制的再生混凝土需水量大、强度和弹性模量低、收缩大,抗冻性差.以往针对再生混凝土强度的研究大多集中在全部或部分采用再生粗集料的情况,研究结果表明,与配合比相同的普通混凝土相比,再生混凝土的抗压强度较低,降低幅度一般为5%～32%^[9-15].

由于再生细集料(粒径<5 mm)中含有大量的水化水泥浆体和二水石膏,较少用于再生混凝土. 为实现再生集料的充分利用,本研究结合湖北省宜昌市东山大道改建工程,在对废弃混凝土加工再生集料基本性能测试的基础上,对采用再生粗、细集料配制的混凝土抗压强度和抗折强度进行试验,测试了不同养生龄期再生混凝土的强度,得到了再生混凝土的强度增长规律.

经取样检测,东山大道混凝土路面抗劈裂强度为2.42 MPa,弯拉强度为5.86 MPa,弯拉弹性模量标准值为36.34 GPa. 现场采用挖掘机辅助小型破碎锤将混凝土路面破碎成粒径为50～80 cm的小块,然后运输到碎石加工场,经破碎和筛分后的集料分为10～30、5～10 和5 mm以下3个粒径区间.

参照《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)^[16],对再生集料的针片状颗粒含量、表观密度和吸水率等指标进行测试,再生粗、细集料的主要性质指标分别见表1和表2,再生集料的筛分试验结果见表3,压碎值试验见图1.试验结果表明,废弃混凝土再生粗集料的针片状含量、吸水率和洛杉矶磨耗值等主要性质指标达到路用性能要求. 再生粗集料的压碎值为18.53%,坚固性满足规范要求,针片状颗粒含量、含泥量和吸水率均满足要求,表观密度小于规范要求值. 与天然集料相比,再生粗集料的压碎值、坚固性、含泥量和吸水率均偏大,表观密度偏小; 再生细集料的最大压碎值、坚固性和表观密度均能达到规范要求,含泥量大于规范要求. 再生集料的粒径分布满足规范要求,通过对3种粒径进行筛分,集料的级配可达到规范要求.

表1 再生粗集料的主要性质指标
Table 1 The main properties of recycled coarse aggregate index

表2 再生细集料的主要性质指标
Table 2 The main property index of recycled fine aggregate

表3 再生集料的筛分结果
Table 3 Recycled aggregate screening results

图1 压碎值试验
Fig.1 (Color online)Crushing value test

再生混凝土的坍落度为30 mm,表观密度为2 350 g/cm³,和易性及保水性较好. 分别养生3、7、14、21和28 d的再生混凝土抗压与抗折强度试验结果见表8.试验结果表明:

1)再生混凝土的坍落度偏小,这是因为再生集料的吸水性较大; 再生混凝土的保水性及和易性较好,可知其工作性能较好,施工可操作性良好.

2)在立方体抗压试验中,当荷载增大到一定程度时,试件表面开始出现细小裂缝; 当荷载继续增大时,裂缝沿着受力方向发展,裂缝主要集中于试件的边角部位,少量裂缝出现在试件的中部,荷载进一步增大,裂缝开始向试件中部发展,使试件表面鼓起、剥落,试件边角处出现很宽的裂缝; 再增加荷载,混凝土开始大块剥落,试件边角完全破损,最终形成倒四角椎. 在长方体抗折试验中,随着荷载的增加,试件底部开始出现裂缝.荷载继续增加,裂缝开始向上延伸,最终沿着薄弱面断裂. 试件破坏形态如图5和图6. 从试件的外在破坏形态来看,再生混凝土的破坏形态和天然集料制作的混凝土相似.

3)由表8可知,再生混凝土养生28 d的抗压强度没有达到设计要求(>30 MPa),但相差很小; 抗折强度达到了设计要求(>4.5 MPa). 再生混凝土强度较低的原因:一是再生集料的强度小于天然集料的强度,二是混凝土的强度与集料和水泥浆的交接面强度、水灰比等因素有关. 当交接面的强度较低时,混凝土的强度也较低. 再生集料的交接面部分由水泥砂浆组成,强度较低.

4)根据《公路水泥混凝土路面施工技术规范》(JTG F30—2003)^[17],再生混凝土的抗压强度和抗折强度指标达到轻交通路面强度等级要求. 因此,再生混凝土可用于轻交通等级公路的路面层.

表8 再生混凝土的强度试验结果
Table 8 Strength test results of recycled concrete

图5 抗压试件破坏形态
Fig.5 (Color online)Compressive failure mode

图6 抗折试件破坏形态
Fig.6 (Color online)Flexural failure mode

根据不同养护龄期再生混凝土的强度试验结果,以养生龄期为横坐标,分别以抗压强度值和抗折强度值为纵坐标,绘制龄期与再生混凝土强度指标的关系曲线,如图7.

图7 不同龄期的再生混凝土强度指标
Fig.7 (Color online)Strengths of recycled concrete at different ages

从图7可知,再生混凝土的强度随着养生龄期的增长而逐渐增大,且强度增大的幅度随着龄期的增长先快后慢,当养生龄期>7 d后,强度增大的幅度逐渐变缓,表明再生混凝土的强度增长主要在前7 d完成. 养生3 d的混凝土的抗压强度和抗折强度均能达到设计强度的60%,养生7 d的混凝土的抗压强度和抗折强度均能达到设计强度的80%,已经达到拆模时的强度要求.

大量试验研究证明,普通混凝土的抗压强度增长情况大致与龄期的对数成正比^[19-25],表现为

f_n=f₂₈(lg n)/(lg 28)(1)

其中, f_n表示养生龄期n的混凝土抗压强度; f₂₈表示养生龄期为28 d的混凝土抗压强度.

经试算,再生混凝土的抗压强度增长情况与龄期的对数不成正比例关系,这与普通混凝土的强度增长规律不同.

1)采用废弃混凝土面板再生粗、细集料配制的混凝土强度能达到轻交通等级公路面层对强度的要求,初步表明再生混凝土用于水泥混凝土路面技术上可行.

2)再生集料的压碎值、颗粒级配和坚固性等主要指标达到水泥混凝土路面材的要求. 吸水率和细集料的含泥量偏大,通过预吸水和筛细可使其达到路面材料的要求.

3)再生混凝土的坍落度偏小,保水性及和易性较好,能满足现场施工要求. 养生3 d再生混凝土的抗压强度达到设计强度的60%,养生7 d时达到80%. 养生28 d再生混凝土的抗压强度略小于设计值,抗折强度达到设计要求.

4)再生混凝土的强度随着龄期的增长逐渐增大,且增大的趋势逐渐变缓; 再生混凝土的强度在养生7 d内增加较快,可达到设计强度的80%以上; 当龄期>7 d后,强度增长的幅度较小.

5)再生混凝土的破坏特征与普通混凝土相似,但再生混凝土的抗压强度增长值与龄期的对数不成正比例关系.