混合?；郀t礦渣再生骨料混凝土的抗凍融性研究

王祥，郭培璽，謝東武

摘要：為了保證嚴寒地區建筑結構的凍融安全性，對水灰比（W/C）為47%的?；郀t礦渣混合再生骨料混凝土進行研究，通過多組試驗對混合混凝土的泌水性、抗壓強度等進行評估，分析混合?；郀t礦渣的再生骨料混凝土的抗凍融性。結果表明：1）當?；郀t礦渣摻量小于50%時，其泌水性可保持在0.1 cm3/cm2以下;2）在混凝土的空隙通過性試驗中，摻入?；郀t礦渣后，混凝土的間隙通過性突出，抗壓強度低于普通混凝土，但具有足夠的抗凍融性能;3）在配合比設計為正常強度范圍的混凝土中，利用?；郀t礦渣取代50%以下的碎砂的再生骨料混凝土具有足夠的泌水性、抗壓強度，以及抗凍融性能?；旌狭；郀t礦渣的再生骨料混凝土可用于在高寒地區進行的工程建設，研究成果可有效提高高寒地區建筑物的抗凍融性并延長其使用壽命，可為高寒地區工程項目中抗凍融混凝土的制備提供一定的參考。

關鍵詞：混凝土與鋼筋混凝土結構;再生骨料;?；郀t礦渣;泌水性;抗凍融性

中圖分類號：TU411.7文獻標識碼：ADOI： 10.7535/hbgykj.2021yx05002

Research on freeze-thaw resistance of recycled concrete with

granulated blast furnace slag

WANG Xiang1，GUO Peixi2，XIE Dongwu3

（1.Sichuan-Tibet Railway Company Limited，Chengdu，Sichuan 610094，China;2.Shaanxi Key Laboratory of Safety and Durability of Concrete Structures，Xi′an，Shaanxi 710123，China;3.College of Civil Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China）

Abstract：In order to ensure the structural freeze-thaw safety of buildings in severe cold areas，the granulated blast furnace slag mixed recycled aggregate concrete with a W/C （water-cement ratio） of 47% was studied.Through multiple sets of tests，the bleeding and compressive strength of the mixed concrete were evaluated，and the freeze-thaw resistance of recycled aggregate concrete mixed with granulated blast furnace slag was analyzed.The results show that：1） when the granulated blast furnace slag content is less than 50%，its bleeding can be kept below 0.1 cm3/cm2;2） in the filling performance test of concrete，after adding granulated blast furnace slag，the interstitial passability of the concrete is outstanding，the compressive strength is lower than that of ordinary concrete，but it has sufficient freeze-thaw resistance;3） when the mix ratio of concrete is designed in the normal strength range，granulated blast furnace slag is used to replace the broken sand（ less than 50%），which has sufficient performance of bleeding，compressive strength，and freeze-thaw resistance.Recycled aggregate concrete mixed with granulated blast furnace slag can be used for engineering construction in high-cold areas，the results can effectively improve the freeze-thaw resistance of the building in high-cold areas and extend its service life，which also provide a certain reference for the preparation of freeze-thaw-resistant concrete in high-cold areas.

Keywords：concrete and reinforced concrete structures;recycled aggregate;granulated blast-furnace slag;bleeding;freeze-thaw resistance

隨著工程建設的快速發展，對混凝土骨料的需求量日趨增大，天然骨料開發難以滿足工程需求，同時過度開發也會帶來對生態環境的嚴重破壞。當前工程上主要采用粉煤灰（FA）[1-2]、高爐礦渣（GGBS）[3]、再生細骨料（RFA）[4]等混合制備混凝土。相關研究顯示，粉煤灰可以改變混凝土的可加工性能和耐久性能[5-6]，高爐礦渣可以降低間隙率并提高混凝土的耐腐蝕性[7-8]。

混凝土再生骨料可分為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類，現階段對再生骨料混凝土特性已有一定的研究[9-10]，在工程中也在不斷推廣和使用。JGJ/T 240-2011《再生骨料應用技術規程》規定Ⅰ類再生骨料可用于配制各種強度等級的混凝土。Ⅱ類、Ⅲ類造價相對Ⅰ類較低，制備出的混凝土抗壓強度、抗凍融性等相關性能均呈現出下降趨勢 [11]。目前，對再生骨料的研究主要集中在高強度混凝土（混凝土立方體抗壓強度為C60及其以上），即原高強度混凝土被粉碎，除去鐵屑和木屑后進行篩選，密度符合再生骨材Ⅰ類標準，其吸水率僅能達到Ⅱ類骨料標準。將粗骨料粉碎成為再生細骨料后，再混合?；郀t礦渣，在特定水灰比（W/C）為39%下能得到較高的抗凍融性[12]。目前，對混合?；郀t礦渣的再生骨料混凝土研究主要集中在混凝土強度方面，并沒過多地對其抗凍融性進行研究。本文對混合高爐礦渣的再生骨料混凝土的泌水性、間隙通過性、抗壓強度和抗凍融性等特性進行研究，以為中國嚴寒地帶的再生骨料混凝土制備提供參考。

1試驗設計

1.1材料及混凝土的配方

?；郀t礦渣（以下稱為BFS）采用BFS-S105和BFS-S75 2種型號。試驗采用骨料的粒徑分布如圖1所示。再生粗骨料（以下稱為RG）是將老舊基礎的預應力混凝土管樁進行粉碎、清洗、篩分后采集而來，其粒徑分布與普通碎石（以下稱為G）相同。試驗材料的物理性質如表1所示。

混凝土的混合比如表2所示，控制水灰比為47%。樣品N表示僅使用普通碎石和碎砂作為骨料的混凝土樣品; 樣品R表示用普通碎砂和再生粗骨料（以下簡稱RG）作為骨料的混凝土樣品;樣品BFS-S75-50前面的“BFS-S75”表示?；郀t礦渣型號，“50”表示的是?；郀t礦渣（BFS-S75）對天然細骨料的取代率;樣品BFS-S105-50R，最后一個“R”表示的是再生粗骨料?；炷翗悠返闹苽涫峭ㄟ^采用雙軸強制式混合機將材料攪拌3 min進行制備的。

1.2試驗方法

研究基于GB 50204-2015《混凝土結構工程施工質量驗收規范》[13]和GB 50107-2010《混凝土強度檢驗評定標準》[14]對試驗樣品進行坍落度試驗，含氣量試驗根據JGJ 55-2011《普通混凝土配合比設計規程》[15]進行總校正系數分析。試驗發現，當采用再生粗骨料作為粗骨料，采用BFS作為細骨料進行混合時，不論混合比例如何，骨料校正系數均為1.0%。 因此，實際的再生粗骨料含氣量是減去骨料校正系數1.0%而得到的含氣量[15]。

1）泌水試驗

泌水試驗參照交通部JTG 3420-2020《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》[16]進行試驗。

2）間隙通過性分析

根據GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》[17]進行間隙通過性分析，測試設備的示意圖如圖2所示。

試驗過程如下：將箱型容器水平放置在防振墊上，樣品分3層包裝置于在A室中并關閉隔板。輕輕搖動箱型容器3次，使圖中B室的丙烯酸板側朝前。隨后將A室的上表面材料抹平，將插入式振動器（Φ28 mm，頻率為220～270 Hz）從A室底部開始上移到100 mm處，升高隔板并用棒狀內部振動器進行振動，并將樣品填充到B室一側。通過目測確認樣品在B室最高填充高度達到190 mm和300 mm時，分別記錄時間（用T190，T300表示），并通過式（1）計算通過速度。

Vpass=300-190T300-T190。（1）

3）抗壓強度試驗

根據GB 50010-2010《混凝土結構設計規范》[18]進行混凝土抗壓強度試驗。樣品在水中分別固化7 d和28 d，水溫為（20±2）℃。

4）液氮快速凍融試驗

試驗采用圖3所示的測試設備。在使用液氮進行的快速凍融試驗（以下簡稱快速凍融試驗）中，將液氮噴灑到樣品上使其冷凍，隨后在45～50 ℃的溫水中浸泡5 min進行解凍，從溫水中取出試件并用布塊擦拭表面，在距試件底部5 mm處安裝傳感器，并通過透射法測量超聲波的傳播時間，記錄傳感器之間的距離，并計算了超聲波傳播速度。每次試驗作為一次循環，當由式（2）算出的相對動態彈性模量下降到60%以下或達到10次凍融循環次數時停止試驗，由此得到用以評估抗凍融性的耐久性指標[19]：

相對動態彈性系數=（VLn）2（VL0）2×100，（2）

耐久性系數=PNc10×100，（3）

式中：VL0表示試驗前的超聲波傳輸速度，km/s;VLn表示第n個周期的超聲波傳播速度，km/s;Nc為相對動態彈性系數到60%以下時的循環次數;P表示Nc循環時的相對動態彈性系數，如果在10個周期內相對動態彈性系數不低于60%，則Nc=10。

整個試驗過程中需要注意的是，在間隙通過試驗結束后，從圖4所示的位置收集混凝土進行混合，由此制備用于快速凍融試驗的柱狀試件。并將試件浸入水中（20±2）℃固化直到28 d后取出進行液氮噴霧。

2試驗結果及討論

2.1新拌混凝土的性能

1）泌水性能分析

泌水量與泌水時間之間的關系如圖5所示。研究發現：BSF-S75-100樣品從0～60 min的泌水量急劇增加，達到0.8 cm3/cm2，泌水量在240 min達到0.9 cm3/cm2，材料離析現象嚴重，說明BFS不能完全取代細骨料; BSF-S75-50樣品的泌水量在60 min后開始增加，但相比BSF-S75-100的上升趨勢較緩，最終泌水率大致為0.2 cm3/cm2，其余樣品的泌水量上升趨勢基本一致，最終泌水量均在0.05 cm3/cm2以下。

試驗樣品最終泌水量如圖6所示。結果發現混合BSF后的樣品會明顯增加泌水量。GB 50010-2010《混凝土結構設計規范》 [18]規定泌水量需小于0.3 cm3/cm2，BSF-S75-50樣品的泌水量符合此要求，但是BSF-S75-100樣品的泌水量遠遠超過了規范的規定。當使用BSF-S105取代細骨料時，即使取代率達到50%（BSF-S105-50），樣品最終的泌水量也與樣品N大致相同，能夠達到規范要求。

在使用再生粗骨料（RG）的樣品配比中，無論高爐礦渣（BFS）的種類和混合比如何，泌水量均小于0.1 cm3/cm2。研究認為由于再生粗骨料表面呈現凹凸形狀以及附著在骨料表面的膠結物可以抑制水的流動。因此，在采用BSF-S105或BSF-S75作為細骨料取代率在50%的時候，其泌水性能達到規范的要求。

2）間隙通過性

間隙通過性試驗中B室的填充高度達到190 mm和300 mm所需的激振時間如圖7所示，間隙通過速度（Vpass）如圖8所示。結果發現：樣品R在所有樣品中間隙通過速度最慢，其原因可能是激振作用導致砂漿和再生粗骨料（RG）產生分離;當采用BSF-S75取代細骨料的樣品時，不管粗骨料是天然粗骨料還是再生粗骨料，取代率是50%還是100%，其通過速度也較緩慢，其原因在于BSF-S75的粒徑較粗，充填較容易發生，間隙通過速度出現緩慢狀態;當采用BSF-S105取代天然細骨料時，樣品的間隙通過速度明顯增加，其原因是BSF-S105比BSF-S75粒徑小，容易進入粗骨料之間，緩和了粗骨料之間的碰撞，有助于提高間隙通過性;當采用RG和BSF-S105混合的樣品時，其間隙通過速度比使用普通粗骨料和BSF-S105混合的樣品更快，主要原因在于通過BSF-S105填充再生粗骨材使其表面的凹凸部分變得光滑，同時由于在混合過程中再生粗骨料表面與BSF-S105的碰撞磨損也會使得結構面變得平滑，從而增加了間隙通過性。

間隙通過速度與泌水量之間的關系如圖9所示，兩者之間的相關性并不顯著。間隙通過性主要決定因素是砂漿和粗骨料的分離，而泌水性是水和骨料的分離。結果發現：當泌水量大于0.2 cm3/cm2時，在使用天然粗骨料和BFS混合時，間隙通過速度趨于緩慢， 因此，泌水量大的樣品往往容易發生砂漿和粗骨料的分離;另一方面，即使對于R和BSF-S75-50R等泌水量特別小的樣品，間隙通過速度也可能非常緩慢，因此泌水量小的混合物并不總是具有良好的間隙通過性。

2.2硬化混凝土的性能

1） 抗壓強度

試驗樣品在第7天和第28天的抗壓強度如圖10所示。對比樣品N和R的抗壓強度，在第7天時R抗壓強度降低約5 N/mm2，在第28天時R降低約10 N/mm2。將普通粗骨料的抗壓強度與RG和BFS的混合材料進行比較，RG和BFS的混合材料在第7天時降低5～10 N/mm2，在第28天時降低15～20 N/mm2。

比較樣品R和RG-BFS混合試樣的抗壓強度時發現，兩樣品在第7天時抗壓強度基本相同，但混合使用RG和BFS的樣品在第28天時減小5～10 N/mm2。研究發現當混合BFS時，無論粗骨料如何，第28天時的抗壓強度均較低，原因可能是BFS自身的強度低以及BFS與水泥漿之間的黏合性弱導致樣品強度降低。HIRATA[12]研究樣品的材料與本試驗基本相同，他發現，當采用RG和BFS混合時其抗壓強度等于或高于沒有BFS混合的樣品，因此BFS自身的強度不太可能是影響樣品抗壓強度的決定性因素。本研究與HIRATA的研究主要區別在于單位水泥用量，單位水泥的量越大，水泥漿的黏合力越強，并且水泥漿與BFS之間會保持足夠的黏合力，在本研究中，單位水泥量為350 kg/m3，與普通混凝土大致相同，對于具有玻璃表面和水泥漿弱黏結性的BFS可能具有一定的改善效果。BSF-S75-100的抗壓強度特別低是因為其泌水量較大，研究認為可能是過水通道形成了空隙而導致材料的密閉性降低以及骨料結構面的黏附性降低，從而導致樣品抗壓強度下降。

2）抗凍融性

試驗樣品的快速凍融測試結果如圖11所示。圖12表示在間隙通過性試驗中在A室和B室中標準樣品的平均耐久性指數（圖4中A1和A2的平均值以及B1和B2的平均值）。研究發現由于樣品滲水和夾帶空氣量增加會導致抗凍融性降低，混合BFS可以使樣品的抗凍融性得到改善。結果發現，當混合BFS的樣品可以在滲水量和殘留空氣少的范圍內提高混凝土的抗凍融性，隨著BFS混合比的增加，夾帶的空氣也相應增加。

從圖11可發現，除BSF-S75-100外，樣品N與BFS混合試樣的相對動態彈性模量是漸進的，耐久性指數為85%～90%。在BSF-S75-100中，由于水和骨料的離析導致耐久性產生明顯降低。間隙通過性試驗結果發現：BSF-S75-100的耐久性指數在室A和室B均大于其他樣品，研究推測是由于長時間的振動使材料的空氣含量減少的原因，但是需要通過測量氣泡間隔系數等來驗證。

圖12使用RG的樣品中，相對動態彈性模量從第3個循環開始呈現顯著降低趨勢，并且耐久性指數降低到64%。與單獨使用RG的情況相比，在RG和BFS混合時，無論BFS的類型和取代率如何，耐久性指數均得到改善。研究認為是因為混合了BFS而使混凝土中的水分減少，吸水率降低，從而抑制了骨料結構面的氫氧化鈣的析出。

圖13和圖14顯示在間隙通過性測試中A2和B1的振動時間與耐久性指標之間的關系。A2的相關系數為R2=0.80， B1的相關系數為R2=0.52，關聯性并不顯著。研究認為可能是因為在A2區域受振動影響較大，振動能量傳遞顯著而促使材料產生分離，所以激振時間和耐久性系數相關性更強。

圖15顯示A室的耐久性指數的平均值（A1和A2的平均值）與B室的耐久性指數的平均值（B1和B2的平均值）之間的關系。圖15中的實線表示傾斜度等于1，虛線表示偏差度為±5%。間隙通過性試驗前后的耐久性指數波動為±5%，但樣品R和BSF-S75-100的偏差為8%～10%，比其他樣品偏差大。因此，實際工程中如果間隙性通過良好，則會受到鋼筋振動，產生局部影響，但總體而言抗凍融性波動不會很大。因此，在使用RG和BFS混合時，重要的是保證其間隙通過性良好。

3結語

試驗在固定水灰比（W/C）為47%條件下，將不同規格的BFS取代天然細骨料，再混合再生粗骨料或天然粗骨料，制備不同樣本混凝土，通過對樣本進行泌水性試驗、間隙通過性試驗、抗壓強度試驗以及快速抗凍融性試驗，研究混合BFS的再生粗骨料混凝土的抗凍融性，研究結果如下。

1）同時混合BFS和再生粗骨料的混凝土泌水量均小于0.1 cm3/cm2，顯著低于普通混凝土。因此，在采用BSF-S105或BSF-S75作為細骨料取代率在50%的時候，其泌水性均能達到規范的要求。

2）當采用BSF取代天然細骨料時，因粒徑小易進入粗骨料之間，緩和了粗骨料之間的碰撞，樣品的間隙通過速度明顯增加，因此混合BSF的再生粗骨料混凝土能提高間隙通過性。

3）采用BFS混合再生粗骨料的混凝土與普通混凝土的抗壓強度相比，第7天時的抗壓強度降低了5～10 N/mm2，第28天時降低了15～20 N/mm2，研究認為抗壓強度的降低主要是過水通道形成了空隙而導致材料的密閉性降低以及骨料結構面的黏附性降低，從而導致樣品抗壓強度下降。

4）混合BFS促使混凝土中的水分減少，吸水率降低，從而抑制了骨料結構面的氫氧化鈣的析出，進而提高混合混凝土的抗凍融性，研究發現采用BFS混合再生粗骨料的混凝土抗凍融性比單獨采用再生粗骨料混凝土更好。

綜上所述，當BFS對天然細骨料取代率為50%時，可以提高BFS混合再生混凝土的抗凍融性。另一方面，有必要進一步研究BFS混合再生混凝土的強度特性，今后還將探討使用再生粗骨料所引起的堿骨料反應和干燥收縮的抑制方法，希望能改進BFS混合再生混凝土的實用性，提高廢舊建筑材料的循環利用，并為高寒地區抗凍融混凝土的發展提供一定的參考。

參考文獻/References：

[1]GHOLAMPOUR A，OZBAKKALOGLU T.Performance of sustainable concretes containing very high volume class-F fly ash and ground granulated blast furnace slag[J].Journal of Cleaner Production，2017，162：1407-1417.

[2]TANG Z，LI W G，TAM V W Y，et al.Advanced progress in recycling municipal and construction solid wastes for manufacturing sustainable construction materials[J].Resources，Conservation & Recycling：X，2020，6：100036.

[3]TANG Z，LI W G，TAM V W Y，et al.Investigation on dynamic mechanical properties of fly ash/slag-based geopolymeric recycled aggregate concrete[J].Composites Part B-Engineering，2020，185：107776.

[4]葛智，劉相陽，李秋義，等.再生細骨料自密實混凝土性能研究[J].建筑結構，2019，49（sup1）：672-676.

GE Zhi，LIU Xiangyang，LI Qiuyi，et al.Study on properties of self-compacting concrete with recycled fine aggregate[J].Building Structure，2019，49（sup1）：672-676.

[5]SAHA A K，SARKER P K.Sustainable use of ferronickel slag fine aggregate and fly ash in structural concrete：Mechanical properties and leaching study[J].Journal of Cleaner Production，2017，162：438-448.

[6]LESOVIK V，VORONOV V，GLAGOLEV E，et al.Improving the behaviors of foam concrete through the use of composite binder[J].Journal of Building Engineering，2020，31：101414.

[7]LIU G，FLOREA M V A，BROUWERS H J H.Characterization and performance of high volume recycled waste glass and ground granulatedblast furnace slag or fly ash blended mortars[J].Journal of Cleaner Production，2019，235：461-472.

[8]DURANATI 瘙 塁C，BILIM C.Wet and dry cured compressive strength of concrete containing ground granulated blast-furnace slag[J].Building and Environment，2007，42（8）：3060-3065.

[9]岳公冰，李秋義，高嵩.再生細骨料的品質及取代率對混凝土抗凍性能的影響[J].自然災害學報，2015，24（5）：223-228.

YUE Gongbing，LI Qiuyi，GAO Song.Influence of quality and replacement rate of recycled fine aggregate on antifreeze performance of concrete[J].Journal of Natural Disasters，2015，24（5）：223-228.

[10]王晨霞，楊宇豪，曹芙波，等.生態修復再生混凝土抗凍性能試驗研究[J].建筑結構，2020，50（15）：80-84.

WANG Chenxia，YANG Yuhao，CAO Fubo，et al.Experimental study on anti-freezing performance of ecological restoration regenerated concrete[J].Building Structure，2020，50（15）：80-84.

[11]JGJ/T 240-2011，再生骨料應用技術規程[S].

[12]HIRATA D.Research on improvement of frost damage resistance of low-grade recycled coarse aggregate concrete by using a large amount of fly ash and blast furnace slag fine aggregate[J].Annual Proceedings of Concrete Engineering，2016，38（1）：1785-1790.

[13]GB 50204-2015，混凝土結構工程施工質量驗收規范[S].

[14]GB/T 50107-2010，混凝土強度檢驗評定標準[S].

[15]JGJ 55-2011，普通混凝土配合比設計規程[S].

[16]JTG 3420-2020，公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程[S].

[17]GB/T 50080-2016，普通混凝土拌合物性能試驗方法標準[S].

[18]GB 50010-2010，混凝土結構設計規范[S].

[19]YUBA A.Comparison of JIS freeze-thaw test method （A method） using recycled aggregate concrete and simple quick freeze-thaw test method using liquefied nitrogen[J].Annual Proceedings of Concrete Engineering，2011，33（1）：941-946.