再生混凝土冲击磨耗性能与调控方法

段珍华，邓琪，肖建庄，刘春; DUAN Zhenhua; DENG Qi; XIAO Jianzhuang; LIU Chun

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段珍华 ¹
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邓琪 ¹
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肖建庄 ¹
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刘春 ^2,3

1. 同济大学土木工程学院，上海 200092； 2. 广东省公路建设有限公司，广东广州 510623； 3. 广深新塘立交改造项目管理处，广东广州 510765

中图分类号： TU528.59

最近更新：2022-11-30

DOI：10.3969/j.issn.1007-9629.2022.11.005

摘要

评估了再生粗集料（RCA）取代率对再生混凝土（RAC）力学性能和冲击磨耗性能的影响规律，建立了RAC的冲击磨耗时变模型，并在此基础上开展了基于纤维和再生橡胶颗粒复掺的RAC冲击磨耗性能调控方法研究.结果表明：RAC的冲击磨耗性能随RCA取代率增大呈下降趋势，并与其各项力学性能指标之间具有较高的相关性；纤维和再生橡胶颗粒的掺入能够改善RAC的冲击磨耗性能.

关键词

再生混凝土; 冲击磨耗性能; 橡胶颗粒; 纤维; 时变特征

中国每年的废混凝土排放量已近20亿t^［

1］，对环境和生态影响巨大.利用再生集料科学制备再生混凝土（RAC），是解决废弃混凝土问题的最有效措施，符合中国建筑业可持续发展战略的要求，是未来混凝土发展的必然趋势.在道路与桥梁工程领域，为满足城市负载容量的需求，近年来涌现出了一系列改扩建工程，带来了大量拆除废弃混凝土处置难题.相对于一般的建筑固废，桥梁拆除废弃混凝土具有母材强度高、杂物含量低的特点，原位填埋处置会造成严重的资源浪费，而运至固废资源厂会产生大量的运输成本和能耗，与当前的国家碳减排政策相悖.因此，开展拆除废弃混凝土在新（扩）建工程中的原位协同高附加值再生利用成为了其资源化的有效途径.

道路与桥梁工程用混凝土材料表面易受磨损和侵蚀，耐磨性能指标是关系到其使用寿命的重要因素，受水灰比、力学性能以及所采用集料基本属性的影响较大^［

2‑4］.当前针对混凝土耐磨性能的研究多集中于以下2种磨损侵蚀情景：（1）路面结构中移动交通荷载和混凝土表面的相对运动引起的摩擦^{［参考文献 5

百度学术}5］；（2）水工结构中水流携带砂石等固体颗粒对混凝土表面的作用^{［参考文献 6

百度学术}6］.考虑到混凝土路面、防撞墙、墩柱等应用场景中固体冲击荷载的磨耗侵蚀作用同样常见，为了实现改拆建协同处置场景中再生粗集料（RCA）的高附加值应用，有必要研究RAC在冲击磨耗下的耐久性及其冲击磨耗行为的时变特征.

本文旨在考察RCA取代率对RAC力学性能和冲击磨耗性能的影响，并对比分析纤维种类和再生橡胶颗粒粒度对RAC冲击磨耗性能的作用机制.

1 试验

1.1 原材料

水泥为P·O 42.5普通硅酸盐水泥；细集料（FA）为细度模数2.71的机制砂；粗集料（CA）包括天然碎石（NCA）和废混凝土破碎加工得到的RCA.废混凝土来自广州市一座旧桥改扩建的构件拆除工程，其原始抗压强度为40~60 MPa.集料的基本性能见表1，其级配曲线见图1（图中级配上下限值参照JTG/T F30—2014《公路水泥混凝土路面施工技术细则》）.高性能减水剂（减水率

）≥25%）被用于调控混凝土的工作性能；由废弃橡胶轮胎破碎加工而成的2种粒度再生橡胶颗粒（1 700~4 000、380~830 μm），炭黑含量为25.1%，表观密度为1 050 kg/cm³，拉伸强度为11 MPa；聚乙烯（PE）纤维、聚乙烯醇（PVA）纤维分别被用于改善混凝土的耐磨性能，其物理性能见表2.

表1 集料的基本性能

Table 1 Basic properties of aggregates

Aggregate	Apparent density/(kg·m^-3)	Water absorption (by mass)/%	Crushing index (by mass)/%
NCA	2 651	0.76	7.8
RCA	2 631	4.18	12.3
FA	2 565	1.43

图1 集料的级配曲线

Fig.1 Gradation curves of aggregates

表2 纤维的物理性能

Table 2 Physical properties of fibers

Fiber	Length/mm	Diameter/μm	Tensile strength/MPa	Elastic modulus/GPa	Density/(kg·m^-3)
PE	6	27	2 500	117	970
PVA	6	15	1 830	40	1 290

1.2 配合比设计

基准组（RC0）全部采用NCA，不采用任何外掺料，水灰比、集灰比分别为0.43、2.58.为考察RCA取代率S对RAC性能的影响，采用RCA等体积取代NCA，设定S=0%、25%、50%、75%、100%，并记为RC0、RC25、RC50、RC75、RC100；集料按其饱和面干表观密度计算，考虑RCA的高吸水率特性，根据其实际含水率添加相应的附加水，以确保其有效水灰比保持不变.在RC50中分别加入占水泥用量3%的PE、PVA纤维，并分别记为FRC1、FRC2；在RC50中分别加入33 kg/m³的1 700~4 000、380~830 μm的橡胶颗粒，并分别记为RRC1、RRC2.RAC的配合比见表3. 试件的制备过程为：将RCA和相应的附加水置于混凝土搅拌机中静置10 min，进行预湿水，降低因RCA快速吸水引起的有效水灰比显著变化；将NCA、细集料和水泥等其他原材料加入并搅拌30 s；将水与减水剂一起加入并搅拌150 s；在30 s内将纤维分股添加到混合物中，并持续搅拌5 min.

表3 RAC的配合比

Table 3 Mix proportions of RAC ( kg/m³ )

Specimen	Cement	Water	Sand	NCA	RCA	Additional water
RC0	394.0	170.0	798.0	1 016.0	0	0
RC25	394.0	170.0	798.0	762.0	252.0	10.6
RC50	394.0	170.0	798.0	508.0	504.0	21.1
RC75	394.0	170.0	798.0	254.0	756.0	31.7
RC100	394.0	170.0	798.0	0	1 008.0	42.2

1.3 试验方法

试件拆模后置于（20±2） ℃、相对湿度RH≥95%的标准养护室养护28 d后，根据JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》，进行混凝土抗压强度、抗折强度、弹性模量的测试，其相应的试件尺寸分别为100 mm × 100 mm ×100 mm、100 mm × 100 mm×400 mm、100 mm × 100 mm × 300 mm.抗压强度和抗折强度试验的加载速率分别为0.60、0.06 MPa/s.

根据ASTM C131《Standard test method for resistance to degradation of small‑size coarse aggregate by abrasion and impact in the Los Angeles machine》，采用洛杉矶磨耗机测试混凝土试件的冲击磨耗性能.该方法用于评估粗集料的耐磨性能，其磨损机制是由摩擦、冲击和研磨等作用的组合^［

7］.钢筒旋转速率为30 r/min；当钢筒旋转次数t分别达到50、100、200、300、500、700、1 000转时，记录试件的磨耗率（质量损失率）M，并将其作为冲击磨耗性能指标.M越小，冲击磨耗性能越好；M越大，冲击磨耗性能越差.应当注意的是，当混凝土承受动态载荷时，孔隙中的游离水会产生阻止裂缝扩展的力，这被称为Stefan效应^{［参考文献 8

百度学术}8］.为了减弱该效应对试验结果的潜在影响，所有试件在试验前应烘干至恒重.

2 结果与讨论

2.1 再生混凝土的力学性能

2.1.1 RCA取代率的影响

RCA取代率对RAC力学性能的影响见图2（图中纵坐标为RAC力学性能与基准组RC0力学性能的比值）.由图2可见：当RCA取代率为25%时，RAC抗压强度、抗折强度、弹性模量均无明显劣化，较基准组仅分别下降了3.8%、3.1%、1.4%，说明低取代率RCA与NCA级配的相容性较好；随着RCA取代率的不断增加，RAC的抗压强度、抗折强度和弹性模量均呈下降趋势，且当RCA取代率为100%时，其下降幅度分别达到了27.3%、17.9%、19.4%.这主要是因为RCA表面附着疏松多孔的老砂浆，导致RAC基体中存在大量薄弱的界面过渡区^［

9‑10］，对混凝土的力学性能存在不利影响.Silva等^{［参考文献 11

百度学术}11］的统计结果显示，当RCA取代率为100%时，RAC弹性模量的降幅在40%以内，且RAC的弹性模量与抗压强度具有相关性^{［参考文献 12

百度学术}12］，而本文RC100的弹性模量相对抗压强度的降幅较低，可能是因为本文使用的RCA品质较高，其表观密度大、吸水率低和压碎值较低.

图2 RCA取代率对RAC力学性能的影响

Fig.2 Effect of R of RCA on mechanical properties of RAC

2.1.2 纤维种类的影响

纤维种类对RAC力学性能的影响见图3（图中纵坐标为RAC力学性能与RC50力学性能的比值）.由图3可见：与RC50相比，PE和PVA纤维的掺入对RAC的抗压强度影响不大，但其抗折强度分别提高了8.76%、2.60%，弹性模量分别提高了5.80%、3.20%.一般来说，纤维对RAC力学性能的增强作用可归因于纤维与微裂纹之间的相互作用，当微裂纹在纤维附近发展时，由于促使微裂纹发展的拉应力方向与其潜在的发展路径垂直，纤维的桥接作用导致裂纹尖端发展变缓和发展路径变化.相较于PVA纤维，掺入PE纤维的FRC1具有较高的拉伸强度和弹性模量，但由于PE纤维的疏水性使FRC1界面黏结强度较低，在裂纹扩展过程中PE纤维倾向于被拔出而非断裂，PE纤维的这些特性有利于纤维桥接能力的互补，从而增强砂浆基体的韧性^［

13‑14］.PVA纤维具有较强的界面附着力，在界面剥离后很快被拔出，增强效果较弱.另外，2种纤维对RAC抗压强度的提升效果不明显，可归因于其降低了混凝土试件的密实程度，这与前期的一些研究结论相似^{［参考文献 15‑16}15‑16］.

图3 纤维种类对RAC力学性能的影响

Fig.3 Effect of fiber type on mechanical properties of RAC

2.1.3 再生橡胶颗粒粒径的影响

再生橡胶颗粒粒径对RAC力学性能的影响见图4（图中纵坐标为RAC力学性能与RC50力学性能的比值）.由图4可见：RRC1、RRC2的抗压强度、抗折强度和弹性模量均低于RC50；RRC2的抗压强度、抗折强度及弹性模量降低幅度较大.橡胶颗粒和砂浆基体的弹性模量差异显著，其界面过渡区是导致橡胶混凝土试件破坏的原因之一^［

17］.相同掺量下粒度较细的再生橡胶颗粒比表面积更大，界面过渡区的薄弱区域较多，这可能是RRC2力学性能劣化更为明显的原因.

图4 再生橡胶颗粒粒径对RAC力学性能的影响

Fig.4 Effect of recycled rubber particles size on mechanical properties of RAC

2.2 RAC的冲击磨耗性能

2.2.1 破坏形貌

经历不同旋转次数后RAC的破坏形貌见图5.由图5可见：经历100 转的冲击载荷作用后，圆柱形试件的棱边逐渐剥落，但形状的轮廓仍较为清晰；随着旋转次数的增加，磨耗继续发生，试件的轮廓逐渐发生变化，当t=500 转时，圆柱体试件的棱边基本消失，侧表面开始出现孔洞形的磨耗；t=500~1 000 转过程中，磨耗进一步加剧，除砂浆碎块外，粗集料（以RCA为主）的剥离逐渐出现在试件边缘的磨耗中.

图5 经历不同旋转次数后RAC的破坏形貌

Fig.5 Failure morphologies of RAC at different revolutions

2.2.2 RCA取代率的影响及冲击磨耗时变模型

RCA取代率对RAC冲击磨耗时变曲线的影响见图6.由图6可见，在前200 转冲击载荷作用后，以RC50为代表的试件冲击磨耗时变曲线波动较大，这表明早期冲击磨耗具有较大的随机性.在洛杉矶冲击磨耗的早期阶段，磨耗表现为新砂浆或附着在RCA上旧砂浆的剥离.由于粗集料分布的随机性，试件边缘砂浆层的厚度分布具有差异性，经历相同旋转次数冲击载荷作用后，具有较厚砂浆保护层的试件往往表现出较高的磨耗率.经过500 转冲击载荷作用后，试件逐渐呈现为椭球形，试件磨耗的增速略有下降.在1 000 转冲击载荷作用后，RAC磨耗率随着RCA取代率的增加而降低.这是因为随着RCA取代率的增加，一方面，粗集料与新砂浆的薄弱界面过渡区增大，导致在冲击载荷作用下RCA附近的新砂浆相比NCA附近的更易剥落；另一方面，附着在RCA上疏松多孔的老砂浆也是磨耗区的重要组成部分.

图6 RCA取代率对RAC冲击磨耗时变曲线的影响

Fig.6 Effect of R of RCA on abrasion resistance time‑varying curves of RAC

随着磨耗的不断累积，RAC试件边缘逐渐变得平滑，磨耗速率逐渐减小.图6的拟合结果显示，RAC的冲击磨耗时变曲线服从二次函数：

M = A t^{2} + B t

（1）

式中：A、B为待定系数.

RAC冲击磨耗时变拟合曲线参数见表4.由表4可见：各拟合曲线相关系数R²均高于0.980 0，尤其当RCA取代率在50%以上时，拟合效果最为理想；随着RCA取代率的增加，系数A、B分别呈递增、递减趋势，可将其表示为关于RCA取代率S的函数：

M = A (S) t^{2} + B (S) t

（2）

表4 RAC冲击磨耗时变拟合曲线的参数

Table 4 Parameters of abrasion resistance time-varying fitting curves of RAC

Specimen	A×10⁶	B×10²	R²by equation (1)	R² by Pearson function
RC0	-8.39	1.91	0.987 2	0.997 2
RC25	-7.35	1.76	0.987 3	0.996 6
RC50	-7.11	1.61	0.995 3	0.996 7
RC75	-6.23	1.60	0.992 1	0.993 0
RC100	-6.08	1.49	0.994 0	0.993 6

系数A、B的函数表达式A（S）和B（S）可简单认为服从一次函数关系，即系数A、B随RCA取代率S的增加呈线性变化.采用Pearson函数进行模型验证，结果也列于表4.由表4还可见，基于Pearson函数的相关系数R²均在0.990 0以上，可见将系数A、B表示为RCA取代率的一次函数有较好的拟合效果.因此，在无需进行冲击磨耗试验的前提下，本文提出的冲击磨耗时变模型表达式可有效预测RAC冲击磨耗性能随RCA取代率和磨耗次数的演化规律.

2.2.3 冲击磨耗性能与力学性能的相关性

RAC的磨耗率与力学性能的相关性见图7.在比较了线性、多项式和指数3种拟合曲线的效果后，多项式函数用于RAC冲击磨耗性能与力学性能相关性的描述最优.由图7可见：t=500、700、1 000 转后的磨耗率与抗压强度、抗折强度、弹性模量拟合曲线的相关系数R²分别为0.928 0~0.996 0、0.942 1~0.999 4、0.932 3~0.980 8，可见抗折强度最适合作为预测RAC冲击磨耗性能的参数，其次为抗压强度，弹性模量的相关性最差.在洛杉矶冲击磨耗过程中，圆柱形RAC试件随着钢筒旋转反复滚动、落体和撞击，其磨耗机制是受压、受弯、受剪及冲击作用的综合结果.相较于抗折强度，RAC的抗压强度和弹性模量2项指标并不能反映除受压外其他荷载的作用，因此与冲击磨耗性能的相关性较小.总体来看，3项力学性能与磨耗率相关系数R²均高于0.900 0，且1 000 转下RAC的力学性能与磨耗率的相关系数R²均高于0.980 0，表明抗压强度、抗折强度和弹性模量均能够有效预测RAC的冲击磨耗性能.

图7 RAC磨损率与力学性能的相关性

Fig.7 Correlation between abrasion rate and mechanical properties of RAC

2.3 RAC冲击磨耗性能调控方法

2.3.1 纤维种类的影响

纤维种类对RAC冲击磨耗时变曲线的影响见图8.由图8可见：纤维的掺入对RAC在500、700、1 000 转冲击载荷下的磨耗率具有显著的改善效果；在前100 转内，纤维的增强作用不明显，这归结于早期冲击磨耗的随机性；与RC50相比，FRC1和FRC2在1 000 转冲击载荷作用时的磨耗率分别降低了31.19%、16.92%，这表明RAC的磨耗率在500 转冲击载荷作用后随旋转次数的增加呈近似线性增加，纤维的增强作用趋于稳定.

图8 纤维种类对RAC磨耗时变曲线的影响

Fig.8 Effect of fiber type on time‑varying abrasion curve of RAC

2.3.2 再生橡胶颗粒粒径的影响

再生橡胶颗粒粒径对RAC冲击磨耗性能的影响见图9（纵坐标降低率以RC50为基准）.由图9可见：由于RAC冲击磨耗性能与力学性能具有高度相关性，再生橡胶颗粒的掺入将会同时降低RAC的力学性能和冲击磨耗性能；与RC50相比，RRC1、RRC2的冲击磨耗性能分别降低了4.52%、9.62%，粒径较大的橡胶颗粒对冲击磨耗性能的不利影响较小；再生橡胶颗粒使得RAC抗压强度降低幅度均高于冲击磨耗性能的降幅，这是因为橡胶颗粒和砂浆基体弹性模量差异较大，橡胶颗粒取代集料可改善混凝土在冲击载荷作用下的吸能能力^［

18‑19］.

图9 再生橡胶颗粒粒径对RAC冲击磨耗性能的影响

Fig.9 Effect of recycled rubber particle size on abrasion resistance of RAC

3 结论

（1）再生混凝土（RAC）的力学性能随再生粗集料（RCA）取代率增加均呈下降趋势；纤维掺入可有效提高RAC的抗折强度和弹性模量，但对抗压强度的增强效果不显著；掺加粒径较小再生橡胶颗粒的RAC力学性能劣化明显.

（2）随着RCA取代率的增加，RAC冲击磨耗性能呈下降趋势；聚乙烯（PE）、聚乙烯醇（PVA）纤维的掺入使RAC冲击磨耗性能分别提升了31.19%和16.92%；再生橡胶颗粒掺入后，RAC的冲击磨耗性能降幅相较于抗压强度和抗折强度略低.

（3）RAC的冲击磨耗性能与力学性能指标均具有较好的相关性，其中与抗折强度相关性最高；提出了基于RCA取代率的RAC冲击磨耗时变模型，可有效预测RAC冲击磨耗性能随RCA取代率和磨耗次数的演化规律.

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