1. 引言
目前，我国混凝土用量每年持续增加，如果要节约资源，在混凝土行业中实现可持续发展，必须要逐步实现混凝土再生循环利用，从而减少天然集料的消耗，保护人类的生存环境。 [1] [2] [3]
大粒径再生粗骨料作为再生混凝土的重要组成部分，重新用于混凝土的生产，具有重要意义，在本文的研究中，找出大粒径再生粗骨料混凝土最佳掺量，并分析影响大粒径再生粗骨料混凝土工作性的机理，以期为使用大粒径再生粗骨料应用于预拌混凝土中提供参考。
2. 试验原材料与试验方案及结果
水泥为山东水泥厂P.O42.5，其主要性能指标见表1；粉煤灰为山东济南某电厂产II级粉煤灰；外加剂为华森HST-1。大粒径再生粗骨料收集混凝土搅拌站料场隔墙拆除C40强度等级的废弃混凝土，进行破碎处理，得到大粒径再生粗骨料为16~31.5 mm连续级配。16~31.5 mm大粒径再生粗骨料的吸水率见表2；16~31.5 mm大粒径再生粗骨料物理特征参数见表3；16~31.5 mm大粒径再生粗骨料粒径分布见表4。
本次混凝土的试配强度为混凝土搅拌站使用最多的普通C30泵送混凝土，水灰比A1为0.46、A2为0.45、A3为0.47、A4为0.49、A5为0.5、A6为0.51，砂率为48%，大粒径再生粗骨料浸水30 min后取出放走明水，大粒径再生粗骨料在配合比中的取代率百分比分别定为0、10、30、50、80、100 (分别对应图表中的A1、A2、A3、A4、A5、A6)，采用机械拌和，标准养护。抗压强度试验试件尺寸为100 mm × 100 mm × 100 mm，大粒径再生粗骨料试验混凝土具体配合比、拌合物和易性、含气量、初始坍落度、40 min坍落度、凝结时间、7天、28天、60天抗压强度分别见表5、表6。
Table 1. Measured performance indexes of ordinary portland cement
表1. 普通硅酸盐水泥的实测性能指标
Table 2. Water absorption of 16~31.5 mm large particle size recycled coarse aggregate
表2. 16~31.5 mm大粒径再生粗骨料的吸水率
Table 3. Relevant physical characteristic parameters of 16~31.5 mm large particle size recycled coarse aggregate
表3. 16~31.5 mm大粒径再生粗骨料的相关物理特征参数
Table 4. 16~31.5 mm particle size distribution of large size recycled coarse aggregate
表4. 16~31.5 mm大粒径再生粗骨料的粒径分布
Table 5. Mix proportion and setting time of large particle size recycled coarse aggregate concrete
表5. 大粒径再生粗骨料混凝土配合比、凝结时间
Table 6. Workability, slump, strength and air content of large particle size recycled coarse aggregate concrete
表6. 大粒径再生粗骨料混凝土和易性、坍落度、强度、含气量
3. 实验现象
从表6中的数据可知，在泵送混凝土中加入10%大粒径再生粗骨料时，混凝土的和易性良好，但大粒径再生粗骨料的掺量较低，不利于大粒径再生粗骨料的大量应用；当大粒径再生粗骨料掺量增加到30%时，混凝土和易性达到最好，此时大粒径再生粗骨料产生较大的应用价值；大粒径再生粗骨料掺量50%时，混凝土出现石子偏多现象，证明大粒径再生粗骨料本身有微细裂纹，大掺量大粒径再生粗骨料应用前应进行强化处理，从而降低大粒径再生粗骨料老界面与新界面的过渡区，从而提高再生骨料掺量。大粒径再生粗骨料掺量达到80%时，混凝土出现板结泌水现象，大粒径再生粗骨料掺量100%时，混凝土出现石子偏多现象；其主要原因是大粒径再生粗骨料存有旧的水泥砂浆，在相同的胶凝材料用量下，大粒径再生粗骨料需要更多的胶凝材料包裹，根据试验情况，不同配合比大粒径再生粗骨料的掺量应根据大粒径再生粗骨料的来源试验确定，考虑经济性的同时，适当提高胶凝材料的用量，改善再生混凝土的和易性，从而加强胶材与大粒径再生粗骨料旧水泥浆界面间的强度，最终使大粒径再生粗骨料再生混凝土形成一种均匀整体，提高其各项工作性能。
4. 大粒径再生粗骨料对混凝土用水量的影响
图1为大粒径再生粗骨料对混凝土用水量的影响。
Figure 1. The influence of large-size recycled coarse aggregate on concrete water consumption
图1. 大粒径再生粗骨料对混凝土用水量的影响
由图1可见，在大粒径再生粗骨料润湿的情况下，应用16~31.5 mm再生骨料，扣除大粒径再生粗骨料含水，掺加10%的大粒径再生粗骨料混凝土，用水量相对于基准混凝土降低1.2%；掺加30%的大粒径再生粗骨料混凝土，用水量相对于基准混凝土增加3.0%；掺加50%的大粒径再生粗骨料混凝土，用水量相对于基准混凝土增加6.0%；掺加80%的大粒径再生粗骨料混凝土，用水量相对于基准混凝土增加9.0%；掺加100%的大粒径再生粗骨料混凝土，用水量相对于基准混凝土增加12%。再生骨料混凝土用水量从掺加30%起逐步升高,再生混凝土用水量随大粒径再生粗骨料的掺量增加而增大，主要是大粒径再生粗骨料含有较多的孔结构浆体吸附外加剂较强，可以提高外加剂减水率降低再生混凝土用水量，这样在大粒径再生粗骨料旧浆体的界面结合区的水胶比降低，可以提高再生混凝土强度，同时也证明大粒径再生粗骨料混凝土应用前应根据不同来源用不同掺量大粒径再生粗骨料进行试验验证，保证大粒径再生粗骨料有稳定吸水率情况下，确定达到设计要求的水胶比；另一方面，可以在使用前将大粒径再生粗骨料充分润湿达到饱和状态，从而使再生混凝土用水量稳定。此外，大粒径再生粗骨料的多孔结构可以作为水泥水化的“存水点”，能成为Ca(OH)2的新成核位，水化产物Ca(OH)2反应生产额外的C-S-H胶凝，进而改善再生混凝土微观结构。
5. 大粒径再生粗骨料对混凝土含气量和强度的影响
图2为大粒径再生粗骨料对混凝土含气量的影响。
Figure 2. The effect of large-size recycled coarse aggregate on the air content of concrete
图2. 大粒径再生粗骨料对混凝土含气量的影响
由图2可见，掺加10%的大粒径再生粗骨料混凝土，含气量相对于基准混凝土增加10%；掺加30%的大粒径再生粗骨料混凝土，含气量相对于基准混凝土增加10%；掺加50%的大粒径再生粗骨料混凝土，含气量相对于基准混凝土增加20%；掺加80%的大粒径再生粗骨料混凝土，含气量相对于基准混凝土无变化；掺加100%的大粒径再生粗骨料混凝土，用含气量相对于基准混凝土增加5%。在外加剂掺量不变情况下，掺加50%大粒径再生粗骨料混凝土含气量增加最多，但大粒径再生粗骨料掺量变化对再生混凝土含气量整体影响不大，并未发生显著性结构突变，另一方面说明大粒径再生粗骨料对再生混凝土的孔隙率影响较小，混凝土内部填充效果较好，再生混凝土在实际应用过程中，不会因为使用大粒径再生粗骨料而出现大面积气孔，从而保证再生混凝土的变形性和耐久性经验证后可以达到相关设计要求。 [4] [5] [6]
图3大粒径再生粗骨料对混凝土强度的影响。
由图3可见，掺加10%的大粒径再生粗骨料混凝土，再生混凝土7 d强度相对于基准混凝土下降3.6%；掺加30%的大粒径再生粗骨料混凝土，再生混凝土7 d强度相对于基准混凝土下降15.4%；掺加50%的大粒径再生粗骨料混凝土，再生混凝土7 d强度相对于基准混凝土下降6.5%；掺加80%的大粒径再生粗骨料混凝土，再生混凝土7 d强度相对于基准混凝土下降30.5%；掺加100%的大粒径再生粗骨料混凝土，再生混凝土7 d强度相对于基准混凝土下降37.6%；由此可知：在相同的再生骨料来源下，再生混凝土7 d强度相对于基准混凝土普遍降低，主要原因是大粒径再生粗骨料本身存有旧的水泥浆体、粉尘，阻碍了新水泥浆体的水化反应，特别是随着大粒径再生粗骨料掺量的增大而强度降低幅度亦明显增大。
Figure 3. The effect of large-size recycled coarse aggregate on the strength of concrete
图3. 大粒径再生粗骨料对混凝土强度的影响
当掺加10%的大粒径再生粗骨料混凝土，再生混凝土28 d强度相对于基准混凝土增加1.9%；掺加30%的大粒径再生粗骨料混凝土，再生混凝土28 d强度相对于基准混凝土下降4.4%；掺加50%的大粒径再生粗骨料混凝土，再生混凝土28 d强度相对于基准混凝土下降13%；掺加80%的大粒径再生粗骨料混凝土，再生混凝土28 d强度相对于基准混凝土下降34.2%；掺加100%的大粒径再生粗骨料混凝土，再生混凝土28 d强度相对于基准混凝土下降36.2%；由此可知：在相同的再生骨料来源下，再生混凝土28d强度在大粒径再生粗骨料掺量为10%时，再生混凝土28 d强度高于基准混凝土，充分证明存在最佳的大粒径再生粗骨料掺量，并且在此掺量下，大粒径再生粗骨料吸附水可以参与到新的水泥浆水化，从而加快再生混凝土硅酸二钙和硅酸三钙的水化反应，加快了再生混凝土强度发展。
掺加10%的大粒径再生粗骨料混凝土，再生混凝土60 d强度相对于基准混凝土增加5.3%；掺加30%的大粒径再生粗骨料混凝土，再生混凝土60 d强度相对于基准混凝土下降4.9%；掺加50%的大粒径再生粗骨料混凝土，再生混凝土60 d强度相对于基准混凝土下降5.5%；掺加80%的大粒径再生粗骨料混凝土，再生混凝土60 d强度相对于基准混凝土下降26%；掺加100%的大粒径再生粗骨料混凝土，再生混凝土60 d强度相对于基准混凝土下降27.2%。由此可知：再生混凝土60 d强度持续增长，说明延长再生混凝土养护龄期，可以提高再生混凝土强度，并且再生混凝土60 d强度增长幅度大多高于基准混凝土，水化反应后期，大粒径再生粗骨料中的吸附游离水进一步得到释放，促进粉煤灰与Ca(OH)2发生化学反应，混凝土胶凝产物C-S-H结构得到进一步加强，从而降低了孔隙和毛细管道通道，使得再生混凝土60 d强度发展较快。
6. 微观结构分析
再生凝混凝土28天的SEM照片见图4。
由图4可知，再生混凝土中大粒径再生粗骨料新水泥浆体水化产物主要为致密的钙矾石，再生混凝土中大粒径再生粗骨料存有旧水泥浆体则存有部分裂缝，局部存在结晶程度较差的凝胶状钙矾石和少量的Ca(OH)2富集，使界面粘结强度降低，如果要提高再生混凝土强度，应降低水灰比，掺加更细的火山灰质矿物掺合料，使其在水化反应过程中有效填充孔隙，使得界面过渡区更加致密，消除大的缝隙。 [7] [8] [9]
Figure 4. SEM photo of recycled concrete specimen in 28 days
图4. 再生混凝土试件28天SEM照片
7. 实验结论
1) 在本次试验中，掺加润湿后的16~31.5 mm级配的30%大粒径再生粗骨料，大粒径再生粗骨料混凝土和易性达到最佳状态，当大粒径再生粗骨料混凝土掺量增加到50%~100%时，混凝土出现石子偏多现象，废弃再生混凝土流变性受到一定影响，但混凝土的和易性和坍落度基本能达到施工技术要求，各掺量下的大粒径再生粗骨料混凝土40 min坍落度损失，均能达到混凝土施工技术要求。
2) 大粒径再生粗骨料混凝土用水量，只有在大粒径再生粗骨料掺量为10%时，相对于基准混凝土降低，但总体上大粒径再生粗骨料混凝土用水量增加的趋势并没有完全改善，再生料取代率越大，同时要求混凝土具有相同的工作性能时，需适当提高外加剂用量。
3) 在泵送混凝土加入大粒径再生粗骨料，不考虑外加剂的变化，混凝土含气量呈无规律增加。
4) 随着大粒径再生粗骨料混凝土的掺量增加，大粒径再生粗骨料混凝土的7 d强度相对于基准混凝土整体下降，但大粒径再生粗骨料的掺量为10%、30%、50%时，大粒径再生粗骨料混凝土的7 d强度降低幅度并不大；大粒径再生粗骨料混凝土的28 d强度相对于基准混凝土整体下降，但大粒径再生粗骨料的掺量为10%、30%、50%时，大粒径再生粗骨料混凝土的28 d强度能达到混凝土的设计强度要求；大粒径再生粗骨料混凝土的60 d强度相对于基准混凝土整体下降，但大粒径再生粗骨料的掺量为10%、30%、50%、80%时，大粒径再生粗骨料混凝土的60 d强度能达到混凝土的设计强度要求，大粒径再生粗骨料的掺量为100%时，大粒径再生粗骨料混凝土的60 d强度并不理想。