不同粗骨料取代率再生混凝土力學(xué)性能試驗研究

王占鋒，王社良，翁光遠(yuǎn)

(1.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西西安710055;2.陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院公路工程系，陜西西安710018)

0 引言

隨著城市改造廢棄混凝土引發(fā)的環(huán)境問題日益突出，直接丟棄不僅要占用大量的耕地污染環(huán)境，而且還要花費大量運費.有效回收利用廢棄混凝土形成再生混凝土，對于保護環(huán)境、節(jié)約資源具有重要意義［1］.近年來國內(nèi)外學(xué)者進行了相關(guān)研究，取得了很多成果.但是，以往的研究中大多采用再生粗骨料全部替代天然粗骨料，未能充分反映不同再生粗骨料取代率對再生混凝土力學(xué)性能的影響［2－3］.再生混凝土與天然骨料混凝土相比，組成成分復(fù)雜，在破碎過程中，兩種混凝土的基本性能相差較大.若要將再生混凝土用到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，對其強度指標(biāo)和彈性模量進行測試非常重要.因此，筆者對再生混凝土的基本力學(xué)性能進行研究，并將不同再生粗骨料取代率的混凝土試驗結(jié)果與天然骨料混凝土進行對比分析，找出強度指標(biāo)之間的變化規(guī)律，為再生混凝土的后續(xù)研究提供參考依據(jù).

1 再生混凝土配合比設(shè)計

為研究不同再生粗骨料取代率對再生混凝土力學(xué)性能的影響，選定0%、30%、50%、70%和100%5種不同取代率進行試驗，測定其立方體抗壓強度、棱柱體抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度和彈性模量，試驗方法按照GB/T50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進行［4］.再生混凝土配合比設(shè)計［5］如表1，拌合投料順序如圖1.

表1 再生混凝土配合比Tab.1 Recycled concrete mix

圖1 再生混凝土投料流程Fig.2 Transverse and longitudinal

2 再生混凝土的力學(xué)性能

2.1 再生混凝土立方體抗壓強度

觀察再生混凝土立方體抗壓強度試件破壞的全過程，發(fā)現(xiàn)其破壞形態(tài)與普通混凝土相似，如圖2.試驗結(jié)果如圖3.分析圖3可知：隨著再生粗骨料取代率的增加，再生混凝土立方體抗壓強度逐漸提高.當(dāng)再生粗骨料取代率為0%時，再生混凝土立方體抗壓強度為32.70 MPa，當(dāng)再生粗骨料取代率為30%、50%、70%和100%時，再生混凝土立方體抗壓強度比普通混凝土分別提高了10%、6%、20%和20%，平均值為14%.

2.2 再生混凝土棱柱體抗壓強度

觀察再生混凝土棱柱體抗壓強度試件破壞的全過程，發(fā)現(xiàn)其破壞形態(tài)與普通混凝土相似，見圖4.試驗結(jié)果如圖5.分析圖5可知：隨著再生粗骨料取代率的增加，再生混凝土棱柱體抗壓強度逐漸提高.當(dāng)再生粗骨料取代率為30%、50%、70%和100%時，再生混凝土棱柱體抗壓強度比普通混凝土分別提高了33%、28%、46%和45%，平均值為38%.出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因與再生粗骨料的性能有關(guān)，再生混凝土棱柱體抗壓強度隨著再生混凝土立方體抗壓強度的增加而提高，這與普通混凝土的變化規(guī)律一致［6］.

2.3 再生混凝土抗拉強度

觀察再生混凝土劈裂抗拉強度試件破壞的全過程，發(fā)現(xiàn)其破壞形態(tài)與普通混凝土相似，見圖6.試驗結(jié)果如圖7.分析圖7可知：隨著再生骨料取代率的不斷增加，再生混凝土劈裂抗拉強度均有所降低，但總體來說，其劈裂抗拉強度變化不大.分析原因可能是再生粗骨料的多孔結(jié)構(gòu)所決定的，多孔結(jié)構(gòu)改變了界面過渡區(qū)水化產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致劈裂抗拉強度降低.在結(jié)構(gòu)逐漸密實以后，再生混凝土的強度將會得到提高.

2.4 再生混凝土抗折強度

觀察再生混凝土抗折強度試件破壞的全過程，發(fā)現(xiàn)其破壞形態(tài)與普通混凝土相似，見圖8.試驗結(jié)果如圖9.分析圖9可知：隨著再生粗骨料取代率的增加，再生混凝土的抗折強度呈先降低后提高的變化趨勢.隨著再生粗骨料取代率的增加，其吸水率也就增加，水泥漿體中的實際水灰比增大，砂漿強度隨著降低，所以再生混凝土抗折強度會降低，當(dāng)再生粗骨料取代率增加到100%，再生混凝土抗折強度完全取決于再生粗骨料的強度.

2.5 再生混凝土彈性模量

再生混凝土彈性模量的測試方法和試驗結(jié)果分別見圖10和圖11.分析圖11可知，再生混凝土的彈性模量隨著再生粗骨料取代率的增加而降低.產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因有兩個方面，一是再生粗骨料的孔隙率大，二是再生粗骨料中含有大量廢棄水泥砂漿，為多孔物質(zhì)，對彈性模量產(chǎn)生的負(fù)效應(yīng)遠(yuǎn)大于正效應(yīng).

圖8 再生混凝土抗折破壞形態(tài)圖Fig.8 Failure of flexural strength of RAC

3 再生混凝土力學(xué)性能指標(biāo)間換算關(guān)系

綜合分析國內(nèi)外對于混凝土立方體抗壓強度與棱柱體抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度和之間的彈性模量換算關(guān)系［6－9］，得出它們之間的關(guān)系方程為結(jié)合本試驗的數(shù)據(jù)結(jié)果，通過非線性回歸得出以下關(guān)系式，如表2.經(jīng)分析，發(fā)現(xiàn)所得到的關(guān)系式的擬合精度很高，分別為90%、93%、97%和90%，能較好地反映實測數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，更貼近真實情況.

表2 再生混凝土力學(xué)性能指標(biāo)間的換算關(guān)系Tab.2 Conversion relationship of mechanical property

4 結(jié)論

(1)再生混凝土立方體抗壓強度和棱柱體抗壓均隨著再生粗骨料取代率的增加而逐漸提高，且棱柱體抗壓強度隨著立方體抗壓強度的提高而提高，而彈性模量是隨著再生粗骨料取代率的提高而降低.產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因有兩個方面，一是再生粗骨料的表面粗糙程度比較大，二是再生粗骨料表面包裹著水泥砂漿.

(2)隨著再生粗骨料取代率的不斷增加，再生混凝土劈裂抗拉強度均有一定程度的降低，但總體來說，其劈裂抗拉強度變化不大;而抗折強度是先降低后提高.再生粗骨料的多孔結(jié)構(gòu)改變了界面過渡區(qū)水化產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)，是其主要影響因素也是需要我們進一步研究的問題.

(3)結(jié)合試驗數(shù)據(jù)采用非線性回歸方法，建立再生混凝土立方體抗壓強度與棱柱體抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗折強度以及彈性模量的換算公式，這對以后再生混凝土的試驗研究和強度預(yù)測有一定的借鑒作用.

［1］張雷順，張曉磊，閆國新.再生混凝土無腹筋梁斜截面受力性能試驗研究［J］.鄭州大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2006，27(2)：18 －23.

［2］邢振賢，周曰農(nóng).再生混凝土基本性能研究［J］.華北水利水電學(xué)院學(xué)報，1998，6(6)：30－32.

［3］LIMBACHIY M C，LEELAWAL T，DHIRR K.Use of recyeled conerete aggregate in high-strength conerete［J］.Materials and Struetores，2000，33(233)：5 －8.

［4］中國建筑科學(xué)研究院.GB/T 50081—2002，普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社.2003.

［5］中國建筑科學(xué)研究院.JGJ 55—2011，普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社.2011.

［6］過鎮(zhèn)海，時旭東.鋼筋混凝土原理和分析［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2003：30 －42.

［7］中國建筑科學(xué)研究院.GB 50010—2011，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社.2011.

［8］李佳彬.再生混凝土基本力學(xué)性能研究［D］.上海：同濟大學(xué)建筑工程系，2004.

［9］RIRUAL A R M.The influence of recycled aggregate concrete on the early compressive strength and drying shrinkage of conctere［C］.Proceedings of the international conference on strucrural engineering，Mechanics and Computation.Cape Town，South Africa，2001，8(8)：1415 －1421.