高性能再生骨料混凝土的性能与微结构

摘 要：通过制备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对混凝土性能和微结构的影响。结果表明：RAC 的力学性能和耐久性随着再生骨料取代量的增加而有所降低，但HPRAC 仍具有良好的力学性能，并且抗渗性较高，具有抵抗300 次冻融循环的耐久性。HPRAC 水泥石基体较为密实，界面过渡区被致密的水化产物填充，孔隙变小，氢氧化钙和钙矾石含量均较少。

关键词：高性能再生骨料混凝土；力学性能；耐久性；微结构

中图分类号：TU528 文献标识码：A 文章编号：0454–5648(2007)04–0456–05

　　再生骨料混凝土(recycled aggregate concrete,RAC)是利用旧建筑物上拆下来的废弃混凝土块，经过清洗、破碎、筛分和按一定比例相互配合后，作为部分或全部骨料重新拌制的混凝土。RAC 是对废旧混凝土的再加工，使其恢复(或部分恢复)原有的性能，成为新的建材产品[1]。

　　高性能混凝土(high performance concrete，HPC)是一种新型的高技术混凝土，是在大幅度提高混凝土组分性能的基础上，采用现在混凝土技术，在严格的质量管理下制成的。除了水泥、水、骨料以外，必须掺入足够数量的细掺合料与高效减水剂。HPC 具有良好的耐久性、工作性，适宜的力学性能以及较好的经济合理性，是混凝土未来的发展重点[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)，同样具有普通HPC 的优良力学性能和耐久性，同时与我国的环境保护、生态保护政策和可持续发展战略紧密地结合起来，走人与自然协调发展之路，是混凝土发展的方向[3]。

　　通过配制系列配合比的普通RAC 和HPRAC，研究RA 取代量对混凝土强度、弹性模量、极限拉伸值和耐久性等性能的影响，分析RAC 的水泥石基体和界面过渡区的微结构，建立RAC 的性能与微结构的关系。

1 试 验

1.1 原材料

　　试验采用的42.5 普通硅酸盐水泥(cement, C)、硅粉(silica fume, SF)和粉煤灰(fly ash, FA) 主要化学成分如表1 所示。FA 45 μm 筛的筛余为10.4%、需水量为99%，为Ⅱ级灰。RA 与天然骨料(natureaggregate, NA)相比，具有孔隙率高、吸水性大、强度低等特征，如表2 所示。细骨料为河砂，外加剂为高效减水剂FDN。为了提高混凝土的抗冻耐久性，还需加入一定量的引气剂[4]，试验中为FS 引气剂。

表1 水泥、硅粉和粉煤灰的化学成分

1.2 HPRAC 的配合比

　　为了研究HPRAC 的特性，试验对比配制了两个系列的配合比，分别为普通RAC 和HPRAC。HPRAC 配合比的设计参数是根据前期试验结果得出的，水胶比为0.25，SF 和FA 掺量均为15%。具体配合比见表3。

1.3 HPRAC 的性能

　　由表3 配合比成型试件的性能测试如表4 所示。耐久性指标如表5 所示。

2 分析与讨论

2.1 试验结果分析

　　从表4 可以看出：RAC 的抗压强度随着RA 取代量的增加而降低，但降低幅度随龄期的延长而有所减小，HPRAC 也有此规律，其28 d 抗压强度最低也超过70 MPa，达到高强要求。RA 取代量对抗拉强度和抗折强度的影响与抗压强度基本一致。随着RA 取代量的增加，混凝土的弹性模量有所降低，而极限拉伸值有所提高。

　　从表5 可以看出：随着RA 取代量的增加，渗透系数逐渐增大，渗透性劣化，而HPRAC 的渗透系数比普通RAC 低1 个数量级，这说明其抗渗性大大提高了。抗冻性试验表明：RA 取代量越高，混凝土的抗冻性越差，普通RAC100 次冻融循环全部破坏，而HPRAC 能抵抗300 次冻融循环而不破坏，这说明RAC 也可具有优异的抗冻耐久性。

2.2 RAC 水泥石基体的微结构

　　对比28 d 普通RAC 和HPRAC 水泥石基体的微结构(见图1、图2)可知：普通RAC 结构疏松，空隙较大较多，孔结构级配很差，而且有大量的氢氧化钙和钙矾石结晶，显然这将对混凝土的力学性能和耐久性构成不利影响；HPRAC 水泥石基体尽管也有空隙，但孔径基本上都很小。从图2 可以看出：FA 球形颗粒表面已经被侵蚀，其周围的水化反应产物致密，因而极大地提高了混凝土的性能。

2.3 RAC 界面过渡区的微观分析

　　在骨料、水泥石和界面过渡区3 相中，普通混凝土与RAC 最大的差异是界面过渡区，界面过渡区在很大程度上决定着两者的性能差异[5]。

　　由图3 与图4 可知：RA 取代量为0 时，28 d普通混凝土的界面过渡区有大量的氢氧化钙定向结晶，且尺寸较大；28 d HPC 的界面过渡区非常密实，没有氢氧化钙和钙矾石晶体(图3 和图4 中出现的裂缝可能是由于取样时敲击造成的)。显然，相对于普通混凝土，HPC 的界面过渡区有了极大的改善，从而也提高了其强度和耐久性能。

　　当RA 完全取代NA 时，28 d 普通RAC 和HPRAC 的界面过渡区(见图5、图6)差异更为明显。普通RAC 界面过渡区有大量氢氧化钙的定向结晶和钙矾石晶体，空隙较大，结构疏松；而HPRAC尽管也有少量的氢氧化钙晶体，绝大部分空间还是被致密的水化产物填充。由于水化产物非常密实，从形貌上很难将它们区分开来，但能清晰地看出有些FA 已经开始二次水化了。

2.4 RAC 性能与微结构的关系

　　与普通混凝土相比，RAC 中最大的差别在于界

面过渡区。

　　由图3～图6 可以发现：普通混凝土的界面过渡区结构相对更密实，孔缝相对较小且少，氢氧化钙和钙矾石结晶也较少。虽然普通混凝土的界面过渡区结构优于RAC，但试验配制的HPRAC 界面过渡区仍具有致密的结构。

　　RAC 的微结构与性能之间是紧密相关的。如果混凝土中的孔缝较多，氢氧化钙和钙矾石结晶较大，则该混凝土的性能也较差，试验中RAC–1～RAC–4试件的微结构分析证实了这一点，经100 次冻融循环，试件即破坏(见表5)。也正是由于微结构(包括界面过渡区微结构)的改善，HPRAC(HPRAC–1～HPRAC–4)试件不但具有较高的力学性能，而且其耐久性也非常优异。

3 结 论

　　(1) RAC 的抗压强度随着RA 取代量的增加而降低，但降低幅度随龄期的延长而有所减小，抗拉强度和抗折强度有着与抗压强度基本一致的规律。随着RA 取代量的增加，混凝土的弹性模量有所降低，而极限拉伸值有所提高。

　　(2) 随着RA 取代量的增加，混凝土的抗渗性和抗冻耐久性均有所降低，但HPRAC 的渗透系数比普通RAC 低1 个数量级，并能抵抗300 次冻融循环而不破坏。

　　(3) HPRAC 水泥石基体较为密实，空隙很小，在界面过渡区尽管也有少量的氢氧化钙晶体，但绝大部分空间还是被致密的水化产物占据，孔缝相对较小且较少，氢氧化钙和钙矾石结晶也较少。因而试验配制的HPRAC 具有良好的力学性能和耐久性。

参考文献：

　　[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.