再生骨料取代率對混凝土抗壓性能的影響

陳寶璠

(1.黎明職業(yè)大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，福建泉州362000；2.黎明職業(yè)大學(xué)實用化工材料福建省高等學(xué)校應(yīng)用技術(shù)工程中心，福建泉州362000)

再生骨料取代率對混凝土抗壓性能的影響

陳寶璠1,2

(1.黎明職業(yè)大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，福建泉州362000；2.黎明職業(yè)大學(xué)實用化工材料福建省高等學(xué)校應(yīng)用技術(shù)工程中心，福建泉州362000)

以再生骨料、天然骨料、河砂、P·O42.5R普通硅酸鹽水泥、粉煤灰、S95?；郀t礦渣粉、自研的MPEGAA-AA-AMPS三元共聚聚羧酸類高效減水劑為主要原料，通過再生骨料不同取代率制作了520個再生骨料混凝土試塊，運用普通混凝土力學(xué)性能試驗方法，對再生骨料混凝土的抗壓強度、回彈值、彈性模量和單軸受壓進行綜合試驗。結(jié)果顯示:再生骨料混凝土抗壓強度的發(fā)展規(guī)律與普通混凝土存在一些差異；再生骨料取代率直接影響著再生骨料混凝土各齡期的抗壓強度、單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、彈性模量以及再生骨料混凝土修正后回彈值。通過加入自研的MPEGAA-AA-AMPS三元共聚聚羧酸類高效減水劑，以50％再生骨料取代率，配制設(shè)計強度為30 MPa的再生骨料混凝土是最切合實際的。

再生骨料混凝土；再生骨料取代率；抗壓強度；彈性模量；回彈值

再生骨料混凝土是利用舊建筑物上拆下來的廢棄混凝土塊，經(jīng)過清洗、破碎、篩分和按一定比例相互配合后，作為部分或全部骨料重新拌制的混凝土[1]。它是對廢舊混凝土的再加工，使其恢復(fù)(或部分恢復(fù))原有的性能，成為新的建材產(chǎn)品。

近年來，我國城鄉(xiāng)建設(shè)飛速發(fā)展，大量房屋及基礎(chǔ)建設(shè)不斷更新，隨之產(chǎn)生的建筑垃圾也越來越多，利用建筑垃圾生產(chǎn)再生骨料應(yīng)用于再生骨料混凝土及再生骨料混凝土砌塊，對于節(jié)約資源、保護環(huán)境和實現(xiàn)建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[2-5]。再生骨料混凝土的應(yīng)用是將來綠色混凝土技術(shù)發(fā)展的一個方向[6]。目前，許多學(xué)者已經(jīng)對再生混凝土的力學(xué)性能進行大量研究[7-11]，但得出的結(jié)論差異卻很大。大部分研究人員研究的成果普遍認為：再生骨料混凝土的抗壓強度大致比普通混凝土低，但也有研究人員試驗研究的結(jié)果與上述結(jié)論截然相反，認為再生骨料混凝土的強度可能高于普通混凝土。

為實現(xiàn)廢棄混凝土的有效利用，考慮到混凝土的區(qū)域性、再生骨料自身的復(fù)雜性等特點，本文以當?shù)貜U棄混凝土為主要原料，通過兩次顎式破碎等加工手段以獲得再生骨料，并制作不同再生骨料取代率的再生骨料混凝土試塊，養(yǎng)護一定齡期后，對再生骨料混凝土的抗壓強度、單軸受壓、彈性模量和回彈值等抗壓性能進行綜合試驗，重點考察了不同再生骨料取代率對再生骨料混凝土抗壓性能的影響以及再生骨料混凝土抗壓強度的發(fā)展規(guī)律，為進一步研究高性能再生骨料混凝土打下堅實基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究材料

試驗所采用的材料有水泥、天然細骨料、天然粗骨料、再生骨料、粉煤灰、粒化高爐礦渣、自研的MPEGAA-AA-AMPS三元共聚聚羧酸類高效減水劑和拌合水等。

1.1.1 水泥(C)

安徽海螺牌P·O42.5R普通硅酸鹽水泥，其基本性能的測試按GB 175—2007/XG1—2009《通用硅酸鹽水泥》進行，指標如表1所示。

表1 P·O42.5R普通硅酸鹽水泥的基本性能指標

1.1.2 粉煤灰(FA)

Ⅱ級粉煤灰，其基本性能的測試按GB/T 1596—2005[12]《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的要求進行，指標見表2。

表2 Ⅱ級粉煤灰的基本性能指標

1.1.3 ?；郀t礦渣粉(GBFS)

采用S95級粒化高爐礦渣粉，其基本性能按GB/T 18046—2008[13]《用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》進行測定，指標見表3。

表3 S95?；郀t礦渣粉的基本性能指標

1.1.4 細骨料(S)

河砂，級配良好，屬于中砂，其基本性能的測定按GB/T14684—2011[14]《建筑用砂》的要求進行，指標見表4。

表4 河砂的基本性能指標

1.1.5 天然粗骨料(NA)

泉港普通碎石，粒徑5～20 mm，其基本性能的測試按GB/T 14685—2011[15]《建筑用卵石、碎石》的規(guī)定進行，指標見表5。

表5 天然粗骨料的基本性能指標

1.1.6 高效減水劑(MPEGAA-AA-AMPS)

自研的MPEGAA-AA-AMPS三元共聚聚羧酸類高效減水劑[16]，其基本性能按GB 8076—2008[17]《混凝土外加劑》進行測試，指標見表6。

表6 MPEGAA-AA-AMPS三元共聚聚羧酸類高效減水劑的基本性能指標

1.1.7 再生骨料(RCA)

采用強度等級為C30的廢棄混凝土，經(jīng)破碎、篩分得到的粒徑為5～20 mm的骨料，其基本性能按GB/T 14685—2011《建筑用卵石、碎石》的要求進行測試，指標如表7所示。

表7 再生骨料的基本性能指標

1.1.8 水

普通自來水。

1.2 試驗配合比

為了研究再生骨料混凝土(RAC)的抗壓性能，試驗設(shè)計了RAC-0、RAC-25、RAC-50、RAC-75及RAC-100系列配合比。其中，水膠比(W/B，其中B為膠凝材料用量，即水泥C、粉煤灰FA和粒化高爐礦渣粉GBFS總用量)為0.42，粉煤灰FA和?；郀t礦渣粉GBFS總摻量占膠凝材料總用量的為25％(福建省建設(shè)廳強制性規(guī)定)，再生骨料取代率依次為0、25％、50％、75％和100％。具體配合比如表8所示。

表8 RAC配合比

1.3 試塊制作

將混凝土在攪拌機中充分攪拌后，準備好試模，按試驗要求進行試塊澆筑。立方抗壓試驗試件和單軸受壓試驗試件尺寸分別為150 mm×150 mm×150 mm和150 mm×150 mm×300 mm?；炷涟韬衔锓秩龑幼⒛v實，再放到振動臺上振實成型，1d后脫模，放入養(yǎng)護室[溫度(20±2)℃，相對濕度95％以上中，按照試驗齡期要求進行養(yǎng)護。

1.4 RAC立方體抗壓強度的測試

RAC的立方體抗壓強度按GB 50081—2002[18]《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準》進行測試。對試件采取連續(xù)、均勻加荷，加荷速度取0.5～1.0 MPa/s。

1.5 RAC回彈法的測試

RAC回彈法的測定按JGJ/T 23—2011[19]《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術(shù)規(guī)程》的要求進行。試塊尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，每組3塊。

1.6 RAC彈性模量的測試

RAC彈性模量按GB 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準》的規(guī)定進行測試。采用150 mm×150 mm×300 mm的棱柱體試件。

1.7 RAC界面過渡區(qū)微觀結(jié)構(gòu)表征

將標準養(yǎng)護28 d后的普通混凝土(NC即RAC-0)和RAC分別敲成片狀小塊，采用LEO-1530型掃描電鏡測試儀分別對NC和RAC界面過渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)進行表征。

2 結(jié)果與討論

2.1 RAC試塊的破壞形態(tài)

圖1是RAC試塊的典型破壞形態(tài)。從圖1可知，加載初期，RAC試塊表面未發(fā)現(xiàn)有裂縫出現(xiàn)。隨著加荷的增大，試塊內(nèi)的應(yīng)力不斷增加，試塊開始出現(xiàn)裂縫。起初產(chǎn)生的裂縫是出現(xiàn)在試塊側(cè)表層上，在試塊高度中央表現(xiàn)為垂直方向，然后沿著斜向往上下端發(fā)展，至加載面處轉(zhuǎn)向試塊角部，形成正、倒相連的八字型。隨著加荷的繼續(xù)增加，新的裂縫逐漸由表及里的發(fā)展，試塊表面凸起，中間膨脹，最后壓碎而剝落。至于裂紋的產(chǎn)生時間早晚和發(fā)展快慢，則主要取決于新老界面處應(yīng)力集中的程度和微觀結(jié)構(gòu)抵抗壓力作用的薄弱程度。無論再生骨料取代率多大，RAC最終破壞形態(tài)與NC基本相同，均為典型的中心抗壓破壞。但臨近斷裂時，NC破壞前沒有任何征兆，而RAC試塊可聽見細微的劈裂聲，而且還有少許變形，說明RAC的延性好于NC。

圖1 再生骨料混凝土破壞形態(tài)

2.2 RAC立方體抗壓強度與再生骨料取代率之間的關(guān)系

圖2是在水膠比為0.42情況下，養(yǎng)護90 d后實測的RAC立方抗壓強度與不同再生骨料取代率之間的關(guān)系。由圖2可知，當再生骨料取代率為50％時，養(yǎng)護28d后的RAC立方抗壓強度較NC降低了23.6％；當再生骨料取代率為100％時，其立方抗壓強度則降低了41.1％，說明當再生骨料取代率超過50％時，RAC的立方抗壓強度降幅明顯。主要是由于RAC中的新舊砂漿界面所形成的大量孔隙和微裂紋，不但降低了再生骨料與新舊砂漿之間的粘接強度，而且在軸向應(yīng)力作用下容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的原因所造成的。

2.3 RAC立方體抗壓強度與齡期之間的關(guān)系

圖3是在水膠比為0.42情況下，不同再生骨料取代率的RAC立方抗壓強度隨齡期的發(fā)展規(guī)律。由圖3可知，RAC立方抗壓強度隨齡期的發(fā)展規(guī)律與NC的發(fā)展規(guī)律有所不同。當齡期小于28 d時，NC立方抗壓強度的增長速度較RAC快；齡期超過28 d后，RAC立方抗壓強度增長速度則明顯快于NC。原因是再生骨料在混凝土攪拌過程中吸收一定水份，這些水份隨著水泥水化的進行，將不斷釋放出來，以保證RAC在較長時段內(nèi)保持一定的濕度；再者是由于配制RAC時摻入的自研MPEGAA-AA-AMPS三元共聚聚羧酸類高效減水劑具有內(nèi)養(yǎng)護的作用，從而促進了RAC立方抗壓強度的發(fā)展。從圖3還可看出，當再生骨料取代率小于50％時，養(yǎng)護28 d后的RAC立方抗壓強度可達30 MPa以上，當取代率大于50％時，養(yǎng)護28 d后的RAC立方抗壓強度低于30 MPa。由此可見，配制強度為30 MPa的RAC，再生骨料取代率可取50％。

圖2 RAC抗壓強度與再生骨料取代率之間的關(guān)系

圖3 RAC立方抗壓強度與齡期之間的關(guān)系

2.4 RAC修正后回彈值與再生骨料取代率之間的關(guān)系

圖4是實測RAC修正后回彈值與再生骨料取代率之間的關(guān)系。由圖5可知，RAC修正后回彈值比NC低，而且RAC修正后回彈值隨著再生骨料取代率的增大而降低，當再生骨料取代率為50％時，RAC的修正后回彈值較NC降低了22.7％；當取代率達100％時，其修正后回彈值則減小了42.2％。原因是隨著再生骨料取代率的增大，水泥砂漿相對數(shù)量增多，造成RAC表面硬度的降低，從而導(dǎo)致RAC修正后回彈值的下降。

圖4 RAC修正后回彈值與再生骨料取代率之間的關(guān)系

圖5 RAC彈性模量與再生骨料取代率之間的關(guān)系

2.5 RAC彈性模量與再生骨料取代率之間的關(guān)系

圖5是實測RAC彈性模量與不同再生骨料取代率之間的關(guān)系。由圖5可知，RAC彈性模量總體上低于NC彈性模量，而且隨著再生骨料取代率的不斷增大，RAC彈性模量將逐漸降低。原因是再生骨料孔隙多、密度小，而且再生骨料本身表面粘附著較多的舊水泥砂漿，內(nèi)部存在著先天的微裂紋，從而導(dǎo)致RAC彈性模量的下降。

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010[20])中采用下式計算混凝土的彈性模量：

其中：Ec為混凝土彈性模量，MPa；fcu為混凝土立方體抗壓強度，MPa。

由公式(1)計算的5種RAC彈性模量值均高于試驗實際得到的結(jié)果，誤差都比較大。因此筆者在式(1)的基礎(chǔ)上對其中部分參數(shù)進行調(diào)整，提出RAC彈性模量計算公式為：

其中δ為再生骨料取代率。

2.6 RAC單軸受壓應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系

圖6是不同再生骨料取代率的RAC單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€。由圖6可知，RAC單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€與NC相似，均由上升段和下降段組成，都具有比例極限點、臨界應(yīng)力點、峰值點、反彎點和收斂點5個特征點。但再生骨料取代率對混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€有較大影響。隨著再生骨料取代率的不斷增加，單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段的曲率逐漸增加，應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€上升段的斜率逐漸減小，表明RAC彈性模量在不斷降低；再生骨料取代率越高，下降段越陡，表明RAC材質(zhì)越脆，延性降低。

圖6 RAC應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€

2.7 RAC界面過渡區(qū)的微觀分析

圖7為NC和RAC界面過渡區(qū)微觀結(jié)構(gòu)的SEM圖。由圖7(a)可知，養(yǎng)護28 d后的RAC-0界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)相對RAC-50的更密實，孔隙、微裂紋小且少，氫氧化鈣[Ca(OH)2]和鈣礬石(AFt)晶體含量少。從圖7(b)可知，養(yǎng)護28 d后的RAC-50界面過渡區(qū)不但存在著大量的Ca(OH)2定向結(jié)晶，而且還存在大量的AFt晶體，空隙大，結(jié)構(gòu)疏松。由此可見，在水泥石、骨料和界面過渡區(qū)三相中，RAC-0和RAC-50的最大差異是在界面過渡區(qū)上，界面過渡區(qū)在很大程度上決定著RAC-0和RAC-50的性能差異。隨著再生骨料取代率的提高，混凝土中的孔隙和微裂紋數(shù)量增多，Ca(OH)2和AFt晶體發(fā)育大、含量高，故抗壓性能隨之降低。

圖7 混凝土界面過渡區(qū)微觀結(jié)構(gòu)

3 結(jié)論

(1)RAC的破壞特征與NC基本相同，是微裂紋的發(fā)展、匯合和貫穿的過程。

(2)再生骨料取代率是RAC抗壓性能最主要影響因素之一，RAC抗壓性能隨著再生骨料取代率的增加而降低，但降低幅度隨齡期的延長而有所減小。修正后回彈值有著與抗壓強度基本一致的規(guī)律。隨著再生骨料取代率的提高，混凝土的彈性模量有所降低。

(3)RAC抗壓性能好壞主要決定于界面過渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)。隨著再生骨料取代率的提高，孔隙與微細裂縫相對較大且較多，氫氧化鈣和鈣礬石晶體含量相對提高。

(4)以50％再生骨料取代率，配制設(shè)計強度為30 MPa的RAC，從RAC抗壓性能的技術(shù)層面上看，是最切合實際的。這一結(jié)果將為今后研究RAC結(jié)構(gòu)承載力和變形提供主要依據(jù)，對分析構(gòu)件極限狀態(tài)時截面的應(yīng)力分布、彈塑性全過程以及抗震結(jié)構(gòu)和抗爆結(jié)構(gòu)的延性和恢復(fù)力特性的研究將具有重要的指導(dǎo)意義。

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The Influence of the Replacement of Recycled Aggregate on Compressive Properties of Concrete

CHEN Bao-fan1,2
(1.College of Civil Engineering,Liming Vocational University,Quanzhou 362000,China; 2.Applied Technology Engineering Center of Fujian Provincial High Education for Practical Chemical Material, Liming Vocational University,Quanzhou 362000,China)

By using recycled aggregate,natural aggregate,river sand,ordinary portland cement grade P·O42.5R,fly ash,S95 granulated blast-furnace slag and homemade polycarboxylate terpolymer superplasticizer of MPEGAA-AA-AMPS as main raw materials,520 concrete samples by RAC with different replacement rate are made,and the comprehensive comparison test about compressive strength,uniaxial compression,elastic modulus and rebound value of RAC is carried out.The results show that the development law between RAC and ordinary concrete is different.The replacement of recycled aggregate is the main influencing factors of the compressive strength in each ages,uniaxial compressive stress-strain relationship elastic modulus and revised rebound value of RAC.With the 50％replacement rate of recycled aggregate,it is the most practical to obtain the RAC whose design strength reached 30 MPa by taking in homemade polycarboxylate terpolymer superplasticizer of MPEGAA-AA-AMPS.

RAC；replacement of recycled aggregate；compressive strength；elastic modulus；rebound value

TU528

A

1673-4343（2013）04-0094-07

2013-04-16

福建省教育廳科研計劃項目（JA11329，JA12412）；福建泉州市技術(shù)研究與開發(fā)重點資助項目（2010G7）

陳寶璠，男，福建泉州人，副教授；研究方向:主建筑廢渣綜合利用、高性能混凝土外加劑研發(fā)。