不同骨料等级再生混凝土的收缩徐变性能

罗俊礼，徐志胜，谢宝超

(中南大学 防灾科学与安全技术研究所，湖南 长沙，410075)

摘要：在分析国内外再生骨料分类标准的基础上，建议增加Ⅳ类再生粗、细骨料等级，并给出该级别再生骨料的性能参数。总结国内外规范中不同再生粗骨料取代率对应的收缩、徐变修正系数的取值范围；系统分析骨料品质等级对再生混凝土长期变形性能的影响。采用线性回归分析法，建立同时考虑再生骨料等级、取代比例2个因素的收缩徐变修正系数的计算公式。基于该公式可以定量计算各等级再生骨料、任意骨料取代比例混凝土的收缩徐变修正系数，弥补了现行规范中仅根据取代比例单一因素取值的不足。

关键词：再生骨料等级；再生混凝土；收缩；徐变

中图分类号：TU528.09；TU528.041       文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2013)09-3815-08

Shrinkage and creep properties of different grade recycled aggregate concretes

LUO Junli, XU Zhisheng, XIE Baochao

(Institute of Disaster Prevention Science and Safety Technology, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: A comparative study of classification standards on recycled aggregates (RA) in China and abroad was carried out, a modification suggestion that adding IV level to the China grading standard of RA was proposed and the performance parameters were recommended. The value range of correction factors of shrinkage and creep corresponding to different qualities of RA were presented, while the impacts of RA quality level on shrinkage and creep of RAC were summarized systematically. On the basis of linear regression analysis, correction factor formulas of shrinkage and creep were established taking into account the RA quality grade and replacement ratio at the same time, according to the formulas proposed. The results show that shrinkage and creep correction coefficient values can be quantitatively calculated with different RA grades at any replacement levels. Furthermore, the formula is also a supplement to the existing norms, in which the correction coefficient values are only based on replacement levels.

Key words: grade of recycled aggregate; recycled aggregate concrete; shrinkage; creep

骨料是混凝土的骨架，混凝土原材料中用量最大的是砂和石骨料。随着城市建设的蓬勃发展，可利用的天然骨料(natural aggregate, NA)资源正在急剧减少；同时，天然砂石的无序开采破坏了自然生态和人类生活环境。推广使用再生骨料(recycled aggregate，RA)和实现建筑垃圾(如废旧混凝土和砌筑物)的资源化利用，不但保护自然环境，而且能促进建筑业的节能减排和可持续发展。根据再生骨料粒径可以分为再生粗骨料(recycled coarse aggregate，C-RA)和再生细骨料(recycled fine aggregate，F-RA)。由于再生骨料的特殊性，需要制定一些技术标准以保证再生骨料应用的效果和质量。西方发达国家对再生骨料的研究起步较早，制定了各自的再生骨料及再生骨料混凝土(recycled aggregate concrete，RAC)的技术标准。在借鉴国外相关标准基础上，近年来，国内也陆续编制了一些地方性和国家技术标准，但是，国内规范对再生骨料的技术要求比较保守，在一定程度上制约了再生骨料混凝土的广泛应用。迄今为止，国内外学者大多偏重于再生骨料混凝土28 d强度、弹性模量等短期力学性能的研究，虽然也有一部分学者涉足如抗渗性、抗冻性、抗碳化性、耐磨性等再生混凝土耐久性的研究，但是，由于试验周期长、费用较高、影响因素众多等原因，对于再生混凝土的收缩、徐变等长期变形性能的研究报道很少^[1]。普通混凝土的收缩徐变主要来自于水泥砂浆的收缩徐变，天然岩石骨料本身的收缩徐变很小^[2-3]。对于再生骨料，因其表面含有大量附着砂浆，所以，与普通混凝土相比, 再生混凝土的收缩徐变还更多地受到骨料本身性能的影响，尤其是再生骨料的品质等级和取代天然骨料的比例，因而，对再生混凝土收缩徐变的研究更加困难。在实际工程中，若将再生骨料混凝土用作结构混凝土，其收缩徐变性能的计算十分关键。

1  再生骨料分级标准

1.1  国外再生骨料分级标准

欧美等发达国家都各自研发了再生骨料制备技术及再生骨料混凝土应用技术，并制定了相应的技术标准。日本、荷兰由于国土面积小，天然资源相对匮乏，其废旧混凝土的再生资源有效利用率几乎达100%。

附着砂浆含量是区分再生粗骨料与天然粗骨料的最根本因素，然而，由于测定砂浆含量成本较高，工序繁琐，不便于实际工程操作，因而，一般不直接以砂浆含量作为分级的标准。因为再生粗骨料的附着砂浆含量与表观密度、吸水率之间存在较好的相关性，所以，各国再生粗骨料技术标准一般将表观密度和吸水率二者作为再生粗骨料分级的主要参数^[4-5]。表1和表2所示分别为日本和RILEM(国际结构材料试验室和联合会)关于再生骨料的等级分类要求。

1.2  国内再生骨料分级标准

国内在20世纪90年代开始再生混凝土的相关研究。借鉴国外相关标准，近年来，我国建筑科学研究院等单位陆续编制了国家标准GB/T 25177—2010(《混凝土用再生粗骨料》)^[6]、GB/T 25176—2010(《混凝土和砂浆用再生细骨料》)^[7]以及行业标准JGJ/T 240—20119(《再生骨料应用技术规程》)^[8]；此外，还有一些地方规范如上海市地方规程J08-2018—2007(《再生混凝土应用技术规程》)^[9]和北京市地方规程DB11/T-803—2011(《再生混凝土结构设计规程》)^[10]。

GB/T 25177—2010规定再生粗骨料按性能要求分为3个等级，见表3。GB/T 25176—2010规定再生细骨料按性能要求也分为3个等级，见表4；JGJ/T 240—2011规定了3类再生粗骨料和再生细骨料允许配制混凝土的最高强度等级。由于再生细骨料的应用实践较少，对其应用的限制比粗骨料更加严格。国内有些工程采用再生细骨料部分取代天然细骨料，但取代率一般都限制在50%以下。而实际上，再生细骨料取代天然骨料的比例还可以进一步提高。

国内标准对再生骨料的品质要求比较高，最低等级再生骨料的品质(表观密度大于2.250 t/m³)相当于一些国外高等级骨料，而高等级骨料的各项指标已与普通混凝土用的天然骨料各项指标接近。高标准保证了其配制的再生混凝土具有优良的性能，然而，另一方面，相对保守的要求也制约了再生骨料在实际工程中的广泛应用。

1.3  建议等级分类标准

提出一套与国际接轨的再生骨料分类标准，将有利于共享国际先进成果，促进我国再生骨料产品技术进步，逐步提高建筑垃圾的再生利用率。低品质再生骨料混凝土在公路工程、水工结构等领域均有应用，国内外有部分研究针对于低品质再生骨料混凝土，并得出了一些有价值的规律。

表1  日本标准中再生骨料等级分类要求

Table 1  Classification of RA in Japan

表2  RILEM标准再生粗骨料等级分类要求

Table 2  Classification of RA in RILEM

表3  GB/T 25177—2010再生粗骨料等级分类要求

Table 3  Classification of C-RA in GB/T 25177—2010

表4  GB/T 25176—2010再生细骨料等级分类要求

Table 4  Classification of F-RA in GB/T 25176—2010

为了便于分析研究低品质再生骨料混凝土，参照RILEM和日本标准，建议在国内分类标准的基础上增加Ⅳ类再生骨料。以表观密度和吸水率二者作为分级参数，将表观密度大于2.000 t/m³、但不满足国家标准中Ⅲ类再生骨料要求的再生骨料统一归为Ⅳ类再生骨料。表5所示为Ⅳ类再生粗骨料和再生细骨料的性能指标。由于国内再生骨料标准要求较高，实际上，Ⅳ类再生骨料的性能基本相当于RILEM标准中Ⅱ类再生骨料的性能。

表5  建议Ⅳ类再生骨料的性能参数

Table 5  Parameters of recommended Ⅳ grade RA

2  不同品质等级再生骨料混凝土的收缩徐变

2.1  规范中再生混凝土收缩徐变的修正系数

目前，计算再生混凝土长期变形比较通用的方法是：在同强度等级普通混凝土收缩、徐变计算值的基础上乘以1个修正系数。该修正系数是再生混凝土与普通混凝土收缩、徐变的相对值，一般是通过总结以往试验结果从而给定的经验值。国内外一些规范给出了不同再生粗集料取代率下的再生混凝土收缩、徐变相对值，见表6和表7。

表6  再生混凝土收缩相对值

Table 6  Relative shrinkage of RAC

表7  再生混凝土徐变相对值

Table 7  Relative creep value of RAC

然而，以上规范中收缩、徐变相对值都是按再生粗骨料取代率不同来取值，很少考虑不同骨料品质对该值的影响，仅荷兰规范中有提及。但是，实际上，再生骨料品质在很大程度上决定了再生混凝土的收缩徐变性能，不同骨料品质等级的再生混凝土不能一概而论。

另外，需要指出的是：用再生骨料取代天然骨料时，有些规范是按等体积比例取代，而国内的标准则是按等质量取代，作法不一致。由于再生骨料密度一般都较小，等体积取代必然会使再生混凝土中的骨料总质量小于天然骨料混凝土的质量，这也造成各研究者的成果存在差异。

2.2  再生骨料品质等级对收缩徐变的影响

一直以来，人们认为随着再生骨料取代天然骨料比例的增加，再生混凝土的各种性能都会持续劣化，在一定程度上忽略了再生骨料品质对再生混凝土性能的影响。但通过研究发现：高品质再生骨料由于附着的废旧水泥砂浆较少，孔隙率降低，有效水灰比减小；同时，骨料与新水泥砂浆的黏结较好，因此，高品质再生骨料混凝土的各种性能均显著提高，基本上与普通混凝土的性能相近；而低品质再生骨料会降低混凝土的各种性能。可见：再生混凝土的长期变形性能不能一概而论，再生骨料取代比例不是唯一影响因素，也应该同时考虑再生骨料品质等级的影响。以下总结了近年来国内外再生混凝土收缩和徐变试验成果(水灰比为0.36~0.60)，并按建议等级标准，分成4类进行对比研究。

2.2.1  Ⅰ类再生粗骨料

全洪珠等^[11]研究了高品质再生粗骨料(Ⅰ类)和低品质再生粗骨料(Ⅲ类)对再生混凝土的工作性能、力学性能及收缩性能的影响。结果表明：Ⅰ类高品质再生粗骨料混凝土的强度与普通混凝土的强度基本相同，而弹性模量随再生粗骨料取代率增加而增大。这是由于试验所用Ⅰ类再生骨料的性能参数都与天然骨料的接近，而再生骨料较大的吸水性又降低了再生混凝土的有效水灰比。受强度和弹性模量的影响，Ⅰ类再生混凝土90 d的收缩率比普通混凝土还减小了约15%，如图1(a)所示。叶禾^[12]的试验结果显示：Ⅰ类高品质再生粗骨料混凝土的强度和弹性模量与同条件下的普通混凝土基本持平，180 d收缩和徐变较普通混凝土都增加约10%。Fathifazl等^[13]的试验证明：传统方法配制的Ⅰ类再生粗骨料混凝土224 d的收缩和245 d的徐变比同条件普通混凝土均高约11%，如图1(a)和1(b)所示。

图1  Ⅰ类再生粗骨料混凝土的收缩和徐变

Fig.1  Shrinkage and creep of ⅠC-RA concrete

2.2.2  Ⅱ类再生粗骨料

Fathifazl等^[13]还进行了Ⅱ类再生粗骨料混凝土的试验，结果证实Ⅱ类再生粗骨料混凝土的收缩和徐变分别高出普通混凝土约26%和29%；Kimura等^[14]经实验发现Ⅱ类再生粗骨料混凝土100 d的收缩和徐变较普通混凝土均高约20%；小山明男等^[15]发现Ⅱ类再生混凝土365 d的收缩比普通混凝土高10%；Limbachiya等^[16]发现Ⅱ类再生混凝土90 d的收缩比普通混凝土高9%，徐变高34%；寇世聪证实Ⅱ类再生混凝土112 d的收缩比普通混凝土高33.3%，徐变高24.6%。Sagoe-Crentsil等^[17]经试验发现Ⅱ类再生粗骨料混凝土365d的收缩较普通混凝土高25%。如图2所示。

图2  Ⅱ类再生粗骨料混凝土的收缩和徐变

Fig.2  Shrinkage and creep of ⅡC-RA concrete

2.2.3  Ⅲ类再生粗骨料

全洪珠等^[11]的试验表明：Ⅲ类低品质再生骨料混凝土的强度和弹性模量均随取代率增加而显著下降，Ⅲ类再生混凝土的收缩随取代率增加而增大，当再生粗骨料100%取代时天然骨料时，收缩增加了约35%。叶禾^[12]的研究表明：Ⅲ类低品质骨料混凝土的强度比普通混凝土降低约10%，弹性模量降低20%，收缩和徐变较普通混凝土大大增加，分别高40%和50%，见图3(a)和图3(b)。Domingo-Cabo等^[18]测试了Ⅲ类再生粗骨料混凝土180 d的收缩和徐变，发现比普通混凝土高约70%和32%；朱磊^[19]研究了Ⅲ类再生粗骨料混凝土60 d的收缩比普通混凝土高约60%；等^[20-21]发现Ⅲ类再生粗骨料混凝土270 d的总收缩比普通混凝土高约25%，总徐变高47%，如图3(a)所示。

图3  Ⅲ类再生粗骨料混凝土的收缩和徐变

Fig.3  Shrinkage and creep of Ⅲ C-RA concrete

2.2.4  Ⅳ类再生粗骨料和细骨料

废弃砖块砌筑物生产的再生骨料，其性能如密度、吸水性、孔隙率等都普遍比废混凝土再生骨料的低，是Ⅳ类再生粗、细骨料的一个主要来源。由于废砖骨料中含有不等数量可与水泥发生火山灰反应的SiO₂和Al₂O₃，所以，不同来源的废砖再生混凝土的长期变形性能也有一定差异。Debieb等^[22]将废弃砖块破碎后，按粒径分别用作再生粗骨料(Ⅳ类)、再生细骨料(Ⅳ类)，以质量分数25%，50%，75%和100%等取代天然粗、细骨料，制作再生混凝土，塌落度均控制在60~80 mm。碎砖粗、细骨料同时100%取代天然骨料时，再生混凝土90 d的收缩最大，为普通骨料混凝土的1.8倍。Khatib^[23]用废砖细骨料(Ⅳ类)等质量取代天然砂，制作了再生细骨料混凝土(粗骨料为天然骨料)。试验结果显示：取代比例100%的废砖再生混凝土90 d强度降低不到10%，受强度的影响，废砖混凝土的收缩随取代率变化也比较小，见图4和图5。这是由于试验所用废砖再生骨料中含较大量的SiO₂和Al₂O₃，与水泥水化反应产物发生了火山灰反应, 生成水化硅酸钙、水化铝酸钙或水化硫铝酸钙等反应产物，对促进砂浆和混凝土强度的增长起了重要作用(与粉煤灰的作用机理相似)。

已报道的文献中，有关再生细骨料混凝土长期变形性能的试验研究不多，尤其是用品质较高的再生细骨料生产混凝土的相关研究很少，本文搜集的基本上都是Ⅳ类再生骨料混凝土的相关研究。Kou等^[24]用Ⅳ类再生细骨料取代天然砂制备混凝土(粗骨料为天然骨料)发现：当取代率分别为50%和100%时，再生细骨料混凝土112 d的收缩约为天然河砂混凝土收缩的1.1和1.3倍，约为人工砂混凝土收缩的1.3和1.5倍。Khatib^[23]将废弃混凝土粉碎作细骨料(Ⅳ类)，制作不同取代比例的再生混凝土(等质量取代，粗骨料为天然骨料)，发现再生混凝土的收缩随取代比例增大而增大，当取代比例为25%，50%，75%和100%时，再生混凝土的收缩分别为普通混凝土的1.23，1.27，1.50和1.56倍。郝彤等^[25]的试验结果表明：再生细骨料(Ⅳ类)替代率30%，50%，70%和100%的混凝土 90 d干燥收缩率分别是普通混凝土的1.13，1.21，1.41 和 2.19倍。取代率为100%时收缩突然增大，可能与其水灰比(为0.23)太小、水泥未完全水化有关，见图5。

在已掺入再生粗骨料的混凝土中再掺入再生细骨料，通常会使再生混凝土孔隙率和吸水性进一步增大，密度和强度进一步减小，进而导致再生混凝土收缩和徐变进一步增大。小山明男^[15]的试验还表明：再生粗骨料(Ⅱ类)、再生细骨料(Ⅳ类)同时100%取代天然骨料的再生混凝土的收缩为仅再生粗骨料100%取代的混凝土的1.3倍，可见再生细骨料的掺量对干燥收缩有明显影响。Hasaba^[26]也进行了相似试验，发现Ⅳ类再生粗骨料100%取代天然粗骨料的再生混凝土的收缩是普通混凝土的1.5倍；再掺入100%Ⅳ类再生细骨料时，收缩是普通混凝土的1.8倍。邹超英等^[27]研究了再生细骨料(Ⅳ类)取代比例对再生混凝土徐变的影响(100%再生粗骨料)，发现再生细骨料取代比例为66%，100%的再生混凝土90 d的徐变分别为天然骨料混凝土的1.427和1.865倍，见图4和图5。

图4  Ⅳ类再生粗骨料混凝土的收缩

Fig.4  Shrinkage of Ⅳ C-RA concrete

图5  Ⅳ类再生细骨料混凝土的收缩

Fig.5  Shrinkage of ⅣF-RA concrete

2.3  再生混凝土收缩徐变的计算公式

表8所示为以上试验研究中Ⅰ~Ⅳ类再生粗骨料混凝土和Ⅳ类再生细骨料混凝土的收缩、徐变相对值。尽管受配合比、试验条件、混凝土龄期、测试时间等因素的影响，各研究者的试验结果存在一定离散性，但通过分类比较，仍然清晰地展示出再生骨料品质等级对混凝土收缩徐变的影响规律：再生骨料品质越高，对混凝土收缩徐变性能的不利影响越小；反之，骨料品质越低，对混凝土收缩徐变性能的不利影响越大。

为了定量计算各类别再生骨料、任意取代比例的混凝土收缩徐变，用式(1)的线性函数对各组试验数据进行回归分析，如图1~5所示，得到拟合参数k见表9。由图1~5可知：各组拟合直线的相关系数0.670≤R²≤1.000。根据文献[28]中的评判标准，相关系数R²≥0.650便可以接受，所以，文中的线性拟合直线都是可以接受的。

                (1)

式中：参数k为直线的斜率；变量x为再生骨料取代比例。

根据表9、式(2)和(3)，可计算不同等级再生骨料、任意取代比例的混凝土的收缩、徐变。

          (2)

           (3)

式中：S_RAC为RAC的收缩率；S_NAC为NAC的收缩率；C_RAC为RAC的徐变率；C_RAC为NAC的徐变率； k_sh为收缩回归分析直线斜率；k_C为徐变回归分析直线斜率；r_RA/NA为RA取代NA的比例。

影响再生混凝土收缩徐变的因素众多，各种因素同时作用给再生混凝土收缩、徐变的研究带来很大困难，因此，再生混凝收缩徐变的计算一般是在普通混凝土的基础上用相对值进行修正。这种方法简便易行，但是，不能全面真实地反映再生混凝土收缩徐变随时间的变化特性。要实现对再生混凝土收缩徐变的准确计算，应该从收缩徐变的机理出发，合理地引入再生骨料影响因素，对收缩徐变的预测模型进行调整。但目前相关研究很少。

表8  混凝土收缩和徐变相对值的范围(取代比例为100%时)

Table 8  Range of relative shrinkage and creep of concrete

表9  回归分析直线的斜率(k)

Table 9  Slope (k) of linear regression lines

3  结论

(1) 在分析国内外再生骨料分类标准的基础上，建议将表观密度大于2 t/m³但低于国家标准中Ⅲ类再生骨料要求的再生骨料归为Ⅳ类再生骨料，并给出了相应的技术参数。

(2) 总结了国内外相关规范中不同再生粗骨料取代率相应的收缩、徐变修正系数的取值。按建议的标准等级进行分类，比较研究了Ⅰ~Ⅳ类再生粗骨料和Ⅳ类再生细骨料对混凝土收缩和徐变的影响规律，并提出了不同再生骨料类别对应的收缩、徐变修正系数的取值范围，揭示出再生粗骨料品质对混凝土收缩和徐变的影响规律：再生骨料品质越高，对收缩徐变性能的不利影响越小；反之，削弱程度越大。

(3) 通过线性回归分析法，提出了同时考虑再生骨料等级、取代比例2个因素的收缩和徐变修正系数的计算公式，基于该公式可以定量计算不同等级再生骨料、任意取代比例的混凝土的收缩和徐变。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2012-12-13；修回日期：2013-02-12

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51208525)；浙江省科技厅科技计划项目(2008C13041-2)

通信作者：罗俊礼(1983-)，女，湖南花垣人，博士，从事土木工程材料研究；电话：15116257785；E-mail: luojunli@foxmail.com