再生混凝土基本力學(xué)性能研究

□文/楊德健 高永孚

將廢棄混凝土重新運(yùn)用于建筑工程中，可以節(jié)約資源，實(shí)現(xiàn)建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。再生混凝土工程應(yīng)用，首先要了解它的基本力學(xué)性能。為此，天津市建筑設(shè)計(jì)院、天津城市建設(shè)學(xué)院土木工程系和天津市裕川環(huán)保制品有限公司進(jìn)行了再生混凝土基本力學(xué)性能的試驗(yàn)研究并取得初步成果。

再生混凝土抗壓強(qiáng)度及彈性模量試驗(yàn)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)原材料包括42.5R級(jí)普通硅酸鹽水泥；細(xì)骨料為天然河砂、中砂；天然粗骨料為天然碎石，再生粗骨料是由廢棄混凝土經(jīng)過(guò)破碎、篩分、顆粒整形之后得到的再生骨料，粗骨料的具體物理性能詳見(jiàn)表1。高效減水劑，減水率為0.75%；拌和水為普通自來(lái)水。

表1 粗骨料基本物理性能

再生混凝土的抗壓強(qiáng)度與彈性模量試驗(yàn)按照GB／T 50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試。配制3個(gè)強(qiáng)度等級(jí)（C20、C30和C40），3種不同再生骨料取代率（30%、50%和100%）的再生混凝土，抗壓強(qiáng)度試件采用邊長(zhǎng)100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，軸心抗壓強(qiáng)度采用邊長(zhǎng)100 mm×100 mm×300 mm的棱柱體試件；通過(guò)RMT-150C試驗(yàn)機(jī)來(lái)測(cè)試彈性模量，試件選用直徑50 mm、高100 mm的圓柱體試塊。

抗壓強(qiáng)度

按照普通混凝土的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法，28 d后測(cè)試再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度及棱柱體抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 再生混凝土強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

圖1和圖2是根據(jù)表2作出的抗壓強(qiáng)度與再生骨料取代率的關(guān)系。

圖1 再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度

圖2 再生骨料混凝土軸心抗壓強(qiáng)度

從表2及圖1和圖2可以看出，同一強(qiáng)度等級(jí)再生混凝土的抗壓強(qiáng)度基本大于普通混凝土，只有R30-50和 R30-100較普通混凝土略低。Yoda[1]、Ridzuan[2]、張亞梅[3]等也得出了再生混凝土強(qiáng)度有高于普通混凝土的趨勢(shì)的結(jié)論。在不摻加減水劑的情況下，再生骨料取代率為30%時(shí)，立方體抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大；當(dāng)超過(guò)30%以后，立方體抗壓強(qiáng)度降低。對(duì)于不同強(qiáng)度等級(jí)的再生混凝土，抗壓強(qiáng)度隨強(qiáng)度等級(jí)的提高而顯著提高。棱柱體抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律和立方體抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律完全相同。

從表2及圖1和圖2還可得知，摻加減水劑的再生混凝土不僅可以改善和易性，而且抗壓強(qiáng)度也大幅度提高，立方體抗壓強(qiáng)度比同取代率下不添加減水劑的再生混凝土增加了16.94%，軸心抗壓強(qiáng)度增加了13.3%。

再生混凝土強(qiáng)度高于普通混凝土的主要原因。

（1）再生粗骨料經(jīng)過(guò)顆粒整形后各項(xiàng)性能明顯改善，顯著提高了堆積密度和密實(shí)度，降低了壓碎指標(biāo)值，使之接近天然粗骨料[4]。

（2）再生骨料具有大量的微孔、微管，吸水率較大，使得再生骨料附近水灰比較大[5]。

再生混凝土取代率超過(guò)某一最佳值強(qiáng)度開(kāi)始降低，這是由于再生骨料本身強(qiáng)度低，再生骨料與新水泥石基體的界面薄弱等原因，使得負(fù)效應(yīng)占主導(dǎo)，從而降低了再生混凝土強(qiáng)度。

彈性模量

按照普通混凝土彈性模量的測(cè)試方法對(duì)再生混凝土的彈性模量進(jìn)行了試驗(yàn)分析，28 d后測(cè)試再生混凝土的彈性模量測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 再生混凝土彈性模量測(cè)試結(jié)果 MPa

由表3和圖3看出，同一強(qiáng)度等級(jí)的再生混凝土彈性模量較普通混凝土低。隨著再生粗骨料取代率的增大，再生混凝土的彈性模量逐漸降低；對(duì)于不同強(qiáng)度等級(jí)的再生混凝土，再生混凝土的彈性模量隨水灰比的降低而提高。當(dāng)再生骨料取代率為100%時(shí)，3種強(qiáng)度等級(jí)混凝土的彈性模量下降了21.2%～24.4%。在以往的彈性模量研究中，普遍認(rèn)為再生混凝土的彈性模量較普通混凝土低，降低幅度大概在15%～40%[6]，與本試驗(yàn)結(jié)論相符。

圖3 再生骨料取代率和彈性模量的關(guān)系

再生混凝土彈性模量降低的原因是由于大量的砂漿附著于再生骨料上，而這些砂漿的彈性模量相對(duì)較低，同時(shí)再生骨料孔隙率較大，也會(huì)降低再生混凝土的彈性模量。再生混凝土的彈性模量降低，導(dǎo)致其在荷載的作用下變形增加。所以再生混凝土在用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件時(shí)，需要考慮其引起的結(jié)構(gòu)構(gòu)件變形增大問(wèn)題。

彈性模量與立方體抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

對(duì)于普通混凝土的彈性模量，在ACI規(guī)范和GB 50010-2002《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中，分別用式（1）和式（2）表示

為了更好地反映彈性模量和立方體抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，在試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，綜合國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究成果總結(jié)出關(guān)系曲線，見(jiàn)圖4。

圖4 再生混凝土抗壓強(qiáng)度與彈性模量的關(guān)系

就圖4所列數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸分析，得出再生混凝土彈性模量計(jì)算公式

應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€試驗(yàn)研究

實(shí)測(cè)應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€

按再生粗骨料取代率不同將試驗(yàn)分為4組，每組取6個(gè)試件。試驗(yàn)所得的每條曲線均取自6塊圓柱體全曲線的平均值。圖5給出了實(shí)測(cè)的不同再生粗骨料取代率下再生混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€。

圖5 再生混凝土應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€

由圖5可以看出，再生粗骨料取代率對(duì)混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€有較大影響，但均由上升段和下降段組成且存在比例極限點(diǎn)、臨界應(yīng)力點(diǎn)、峰值點(diǎn)、反彎點(diǎn)和收斂點(diǎn)。隨著再生粗骨料取代率的增加，應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€上升段的斜率逐漸減小，表明再生混凝土的彈性模量降低；下降段變陡，表明材質(zhì)變脆。當(dāng)再生粗骨料的取代率增大時(shí)，再生混凝土的峰值應(yīng)力逐漸增大，其原因是再生骨料與新拌水泥砂漿之間有很好的相容性，彼此存在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的可能；再生骨料表面粗糙，界面咬合力強(qiáng)；再生骨料吸水率大，能吸收新拌水泥砂漿中多余的水分，既降低了粗骨料表面的水灰比，也降低了混凝土拌和物的有效水灰比。

由圖5還可看出，再生混凝土的峰值應(yīng)變較普通混凝土略微增加，在達(dá)到峰值應(yīng)力之前再生混凝土的變形能力較普通混凝土略好。峰值應(yīng)變和混凝土的彈形模量有關(guān)，再生骨料的性質(zhì)決定了再生混凝土的彈形模量比普通混凝土變形模量小。因此，再生混凝土峰值應(yīng)變比普通混凝土的峰值應(yīng)變大。

應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€方程

以σ/fc和ε/εp為坐標(biāo)的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€見(jiàn)圖6，其中σ為應(yīng)力，ε為應(yīng)變。

圖6 再生混凝土無(wú)量綱的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€

將試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)用最小二乘法計(jì)算擬合，分別得到再生骨料替代率為R=30%和R=100%時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€方程及全曲線與實(shí)測(cè)的全曲線對(duì)比，見(jiàn)圖7和圖8。

圖7 R=30%時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變擬合全曲線與實(shí)測(cè)的全曲線

圖8 R=100%時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變擬合全曲線與實(shí)測(cè)的全曲線

結(jié)論

（1）再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度及棱柱體抗壓強(qiáng)度基本大于普通混凝土，再生骨料取代率為30%時(shí)為最佳狀態(tài)，強(qiáng)度最高。再生混凝土的強(qiáng)度隨水灰比的減小而增加。

（2）混凝土減水劑可明顯改善再生混凝土的和易性并提高混凝土強(qiáng)度，建議C40以上強(qiáng)度等級(jí)的再生混凝土添加減水劑。

（3）本文提出了再生混凝土抗壓強(qiáng)度與彈性模量的關(guān)系式。研究表明，再生混凝土的彈性模量較普通混凝土低，而且隨著再生粗骨料取代率的增加而降低，對(duì)于取代率為100%的再生混凝土，彈性模量下降了21.2%～24.4%。

（4）再生混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€與普通混凝土應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€類似，分上升段和下降段且峰值應(yīng)變和峰值應(yīng)力隨再生粗骨料取代率的增加而增加，但下降段曲線較普通混凝土陡，說(shuō)明再生混凝土的材質(zhì)變脆。

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