廢棄混凝土摻合型再生混凝土的力學(xué)性能*

朱慈勉 李壇

(同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海200092)

近年來(lái)，有關(guān)環(huán)境保護(hù)和資源充分利用的問(wèn)題越來(lái)越受到國(guó)際社會(huì)的普遍關(guān)注.在建筑領(lǐng)域，全球年均因工程施工、舊建筑拆除、戰(zhàn)爭(zhēng)以及地震等原因產(chǎn)生的建筑垃圾數(shù)量驚人，其中廢棄混凝土的產(chǎn)生量占到其中的30%～50%［1］.廢棄混凝土既占用了大量土地，又污染了環(huán)境.另一方面，全球工程用混凝土粗骨料的開(kāi)采量也非常巨大，造成了自然資源的過(guò)度消耗和環(huán)境破壞.

前蘇聯(lián)學(xué)者Gluzhge［2］早在1946年就對(duì)利用廢棄混凝土制作再生骨料的可行性進(jìn)行了研究.20世紀(jì)中期，日本、美國(guó)和一些歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家先后開(kāi)始了再生混凝土的研究和開(kāi)發(fā)利用，其研究的重點(diǎn)集中在再生骨料和再生混凝土的力學(xué)性能方面［3-10］.Hansen等［11］的研究表明，再生骨料混凝土與相同配比的普通混凝土相比，抗壓強(qiáng)度約低5%～30%;文獻(xiàn)［12］的研究表明，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度比普通混凝土的約低14%～32%，且其抗壓強(qiáng)度隨再生骨料取代率的增加而明顯下降.

在再生混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力性能方面，肖建莊等［13］和胡瓊等［14］分別從不同角度對(duì)再生混凝土梁的抗彎性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究;Han等［15］和Fathifazl等［16］先后從不同的影響因素出發(fā)對(duì)再生混凝土梁的受剪性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究;吳波等［17-18］研究了將廢棄混凝土構(gòu)件破碎、分割成較大尺度的塊體或節(jié)段置入鋼管柱等形成的再生混合構(gòu)件的力學(xué)性能.

普通的再生混凝土是指在拌制混凝土?xí)r利用一定比例的從廢棄混凝土中經(jīng)破碎、碾壓清埋和篩分所提取的粗骨料.但再生粗骨料的提取和加工工藝比較復(fù)雜且成本高昂，在很大程度上限制了普通再生混凝土在實(shí)際工程中的應(yīng)用.而將較大尺度的廢棄混凝土塊體或節(jié)段適當(dāng)置入待澆筑構(gòu)件中制成再生混合構(gòu)件的做法較難適應(yīng)機(jī)械化施工要求.文中提出的廢棄混凝土摻合型再生混凝土是指將廢棄混凝土破碎至一定程度，經(jīng)濕水后按適當(dāng)比例直接摻入新拌混凝土中制成的再生混凝土，旨在適應(yīng)工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)、施工并適用于各種結(jié)構(gòu)構(gòu)件的要求.文中通過(guò)試驗(yàn)研究了廢棄混凝土摻合型再生混凝土的抗壓、抗拉強(qiáng)度及彈性模量等基本力學(xué)性能，同時(shí)研究了再生混凝土板的沖切承載力.

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)中所采用的廢棄混凝土塊是將混凝土攪拌站提供的商品混凝土在實(shí)驗(yàn)室中澆筑、養(yǎng)護(hù)成混凝土柱形試件后經(jīng)人工破碎得到，塊體分別為粒徑25～50mm和25～80mm自然級(jí)配.拌制廢棄混凝土摻合型再生混凝土所用的新鮮混凝土為商品混凝土.為確定試驗(yàn)中人工澆筑的廢棄混凝土與在真實(shí)工程中采集的廢棄混凝土力學(xué)性能是否一致，進(jìn)行了相應(yīng)試件的抗壓強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)比試驗(yàn)均針對(duì)廢棄混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30、摻量為30%的廢棄混凝土摻合型再生混凝土立方體的試件抗壓強(qiáng)度進(jìn)行，其結(jié)果如表1所示.其中真實(shí)廢棄混凝土的采集對(duì)象是一座拆除的已建成36年的工業(yè)廠房，其混凝土強(qiáng)度通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取芯后試壓獲得.由表1可見(jiàn)，在同等條件下，摻入人工廢棄混凝土和真實(shí)廢棄混凝土拌制而成的再生混凝土的抗壓性能幾乎完全一致.

表1 真實(shí)與人工廢棄混凝土摻合型再生混凝土立方體的試件抗壓強(qiáng)度比較Table 1 Comparison of cube compressive strength between actual and manual waste concrete-participated recycled concrete

1.2 廢棄混凝土摻合型再生混凝土的拌制

在拌制廢棄混凝土摻合型再生混凝土前需對(duì)所用的廢棄混凝土塊進(jìn)行濕水處理，以防止其較強(qiáng)的吸水性對(duì)新鮮混凝土乃至最終的再生混凝土產(chǎn)品的性能產(chǎn)生不良影響.濕水處理的方法是先將其在清水中浸泡1 h再瀝至面干備用.經(jīng)測(cè)定，此時(shí)其飽和度可達(dá)90%以上.試驗(yàn)中將經(jīng)濕水處理的廢棄混凝土塊與新鮮商品混凝土混合后人工拌制廢棄混凝土摻合型再生混凝土，并進(jìn)行試件的制作.廢棄混凝土摻量以質(zhì)量分?jǐn)?shù)(以廢棄混凝土摻合型再生混凝土的質(zhì)量為基準(zhǔn))計(jì).以上的拌制過(guò)程充分考慮了機(jī)械化大工業(yè)生產(chǎn)與施工的可能性.

2 基本力學(xué)性能

基本力學(xué)性能試件的制作、試驗(yàn)過(guò)程及強(qiáng)度換算方法等均按國(guó)家技術(shù)規(guī)程［19-20］的要求進(jìn)行.試驗(yàn)包括了立方體試件和棱柱體試件兩類.試件的尺寸是依據(jù)拌制廢棄混凝土摻合型再生混凝土?xí)r所摻入的廢棄混凝土塊的最大粒徑確定的.試驗(yàn)考慮了摻入的廢棄混凝土與新拌混凝土的強(qiáng)度以及廢棄混凝土摻入量等因素.

2.1 150 mm模數(shù)廢棄混凝土摻合型再生混凝土試件的力學(xué)性能

2.1.1 立方體試件抗壓強(qiáng)度

共制作150 mm×150 mm×150 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度試件23組.制作試件所用廢棄混凝土的強(qiáng)度和新拌混凝土的強(qiáng)度分為4種不同情況;廢棄混凝土的摻量在0～46%之間分6種情況，其中摻量為0的即為普通混凝土對(duì)照組.試件分組情況和試驗(yàn)測(cè)得的立方體試件抗壓強(qiáng)度如表2所示.

由表2可見(jiàn):廢棄混凝土摻合型再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度與普通混凝土接近;不同摻量下，相比于普通混凝土試件，再生混凝土試件的平均抗壓強(qiáng)度降幅不大于8.2%;廢棄混凝土摻量在0～46%之間時(shí)，對(duì)廢棄混凝土摻合型再生混凝土試件的抗壓強(qiáng)度影響不明顯.考慮到施工中對(duì)混凝土和易性的要求，建議使用時(shí)廢棄混凝土摻量取30%左右.

2.1.2 立方體試件抗拉強(qiáng)度

按照國(guó)家技術(shù)規(guī)程［19］，文中采用 150 mm× 150mm×150mm的混凝土立方體試件的劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，按式(1)換算得到廢棄混凝土摻合型再生混凝土的抗拉強(qiáng)度:

式中:fts為150mm×150mm×150mm混凝土立方體試件的劈裂抗拉強(qiáng)度，MPa;F為試件劈裂破壞荷載，N;A為試件劈裂面面積，mm2.

試驗(yàn)共制作邊長(zhǎng)150mm的立方體試件3組.所用的廢棄混凝土和新拌混凝土的強(qiáng)度等級(jí)均為C30，廢棄混凝土的摻量分為0(對(duì)照組)、20%和30%3種情況.由試件劈裂荷載換算得到的混凝土抗拉強(qiáng)度如表3所示，表中同時(shí)也列出了相應(yīng)的立方體試件抗壓強(qiáng)度.

表2 150mm×150mm×150mm廢棄混凝土摻合型再生混凝土立方體試件的抗壓強(qiáng)度Table 2 Chbe compressive strength of 150mm×150mm×150mm waste concrete-participated recycled concrete specimens

表3 150mm×150mm×150 mm廢棄混凝土摻合型再生混凝土試件的抗拉強(qiáng)度Table 3 Tensile strength of 150 mm×150 mm×150 mm waste concrete participated recycled concrete specimens

由表3所示結(jié)果可見(jiàn)，試驗(yàn)條件下的廢棄混凝土摻合型再生混凝土的平均抗拉強(qiáng)度相比于普通混凝土約降低7%.

2.1.3 棱柱體試件抗壓強(qiáng)度

按照相關(guān)規(guī)程［19］，共制作截面尺寸為150mm× 150mm、高度為300mm的棱柱體抗壓強(qiáng)度試件6組，分別對(duì)應(yīng)廢棄混凝土摻量的6種情況.試件制作所用的廢棄混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C20，新拌混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40.對(duì)應(yīng)每組棱柱體試件還各制作1組立方體試件.試驗(yàn)測(cè)得的廢棄混凝土摻合型再生混凝土棱柱體試件的抗壓強(qiáng)度如表4所示.

由表4可見(jiàn):廢棄混凝土摻合型再生混凝土棱柱體試件的抗壓強(qiáng)度隨廢棄混凝土摻量的提高而逐步降低，當(dāng)摻量達(dá)30%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度降低約15%;廢棄混凝土摻合型再生混凝土棱柱體抗壓強(qiáng)度與其立方體抗壓強(qiáng)度的比值在0.70～0.75之間，與普通混凝土的情況十分接近.

表4 150mm×150mm×300mm廢棄混凝土摻合型再生混凝土棱柱體試件的抗壓強(qiáng)度Table 4 Prism compressive strength of 150 mm×150 mm× 300 mm waste concrete-participated recycled concrete specimens

2.1.4 彈性模量

為測(cè)定廢棄混凝土摻合型再生混凝土的彈性模量，按照相關(guān)技術(shù)規(guī)程［19］制作了150mm×150mm× 300mm的廢棄混凝土摻合型再生混凝土棱柱體試件1組(共6件)，其中3件用于測(cè)定其軸心抗壓強(qiáng)度，另3件用于測(cè)定彈性模量.試件制作所用的廢棄混凝土和新拌混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C30，廢棄混凝土的摻量為30%.為與普通混凝土對(duì)照，另外制作了一組未摻廢料的普通混凝土試件.

采用上海雷韻試驗(yàn)儀器制造有限公司生產(chǎn)的TM-Ⅱ型混凝土彈性模量測(cè)定儀測(cè)試混凝土的彈性模量，結(jié)果如表5所示.由表5可見(jiàn)，當(dāng)廢棄混凝土的摻量為30%時(shí)，廢棄混凝土摻合型再生混凝土的彈性模量?jī)H比普通混凝土低9.6%，這一數(shù)值遠(yuǎn)小于一般文獻(xiàn)中所報(bào)道的普通再生混凝土彈性模量的降幅(20%～30%).

表5 廢棄混凝土摻合型再生混凝土試件的彈性模量Table 5 Elastic modulus of waste concrete-participated recycled concrete specimens

2.2 300mm模數(shù)廢棄混凝土摻合型再生混凝土試件的抗壓強(qiáng)度

在使用條件允許時(shí)，采用較大粒徑的廢棄混凝土塊拌制廢棄混凝土摻合型再生混凝土可以大大降低此類再生混凝土的生產(chǎn)成本并提高廢料的利用率.通?；炷亮⒎襟w抗壓強(qiáng)度試件的幾何尺寸應(yīng)不小于骨料最大粒徑的3倍，為此進(jìn)行了300mm模數(shù)立方體試件的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn).試驗(yàn)共制作邊長(zhǎng)300mm的立方體抗壓強(qiáng)度試件8組.試件制作所采用的廢棄混凝土和新拌混凝土強(qiáng)度等級(jí)相同，分為C30和C40兩種情況;所用的廢棄混凝土塊的最大粒徑達(dá)80 mm，摻量在0～40%之間分4種情況.由于試件的破壞荷載達(dá)3000 kN以上，試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)建筑結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用同濟(jì)大學(xué)研制、濟(jì)南試金集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的10000 kN大型多功能結(jié)構(gòu)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行.

按照相關(guān)技術(shù)規(guī)程［20］，對(duì)300 mm模數(shù)試件的立方體抗壓強(qiáng)度乘以1.15的增大系數(shù)后得到的折算抗壓強(qiáng)度如表6所示.由表6可見(jiàn)，摻入較大粒徑廢棄混凝土塊拌制的再生混凝土依然具有較好的抗壓強(qiáng)度，與150mm模數(shù)再生混凝土試件相比，其立方體抗壓強(qiáng)度僅降低約6%.

表6 300mm模數(shù)廢棄混凝土摻合型再生混凝土立方體試件的抗壓強(qiáng)度Table 6 Cube compressive strength of 300 mm module waste concrete-participated recycled concrete specimens

3 廢棄混凝土摻合型再生混凝土板的沖切承載力

房屋建筑的基礎(chǔ)底板是廢棄混凝土摻合型再生混凝土的宜用場(chǎng)合，因其設(shè)計(jì)通常是由沖切承載力所控制，所以文中對(duì)廢棄混凝土摻合型再生混凝土板的沖切承載力進(jìn)行了研究.

3.1 廢棄混凝土摻合型再生混凝土板試件的制作

共制作混凝土板抗沖切試件3件，其尺寸與配筋情況如圖1所示.其中廢棄混凝土摻合型再生混凝土板抗沖切試件2件，制作時(shí)所采用的廢棄混凝土和新拌混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級(jí)均為C30，廢棄混凝土塊的最大粒徑為50 mm，廢棄混凝土摻量為30%;另一件則為相同混凝土強(qiáng)度等級(jí)和配筋的普通混凝土板對(duì)照試件.

圖1 混凝土板抗沖切試件(單位:mm)Fig.1 Concrete slab specimens for punching test(Unit:mm)

由于抗沖切試件的制作、就位與設(shè)備安裝工作較為復(fù)雜和耗時(shí)，實(shí)際試驗(yàn)時(shí)摻入的廢棄混凝土的齡期已達(dá)114d，相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)立方體試件抗壓強(qiáng)度已由原設(shè)計(jì)值增高至36.33MPa.

3.2 試驗(yàn)加載過(guò)程

試驗(yàn)荷載由千斤頂施加于板中央處的加載短柱上.加載過(guò)程分為預(yù)加載階段(加載至板預(yù)估開(kāi)裂荷載的70%，持續(xù)10 min后卸載，并將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)初始化)、正式加載階段(在達(dá)到板預(yù)估沖切承載力的90%前每級(jí)加載值為預(yù)估沖切承載力的15%～20%，此后每級(jí)加載不超過(guò)預(yù)估沖切承載力的5%，每級(jí)荷載持續(xù)10min)、破壞后加載階段(在板發(fā)生沖切破壞后拆除板面布置的儀器儀表，繼續(xù)對(duì)其加載，此時(shí)加載量由位移控制，最大位移行程為50～90mm)3個(gè)階段.

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在廢棄混凝土摻合型再生混凝土板沖切承載力試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)荷載達(dá)到板沖切承載力的60%時(shí)，板上表面圍繞加載柱頭四邊出現(xiàn)環(huán)形裂紋.破壞后加載階段板沖切破壞錐體繼續(xù)被推出，板上表面出現(xiàn)徑向裂縫，如圖2所示.

圖2 沖切破壞后板上表面的裂縫Fig.2 Cracks on upper surface of slab after punching failure

試驗(yàn)測(cè)得的板沖切承載力如表7所示.為便于比較，表7中列出的廢棄混凝土摻量為30%的板的沖切承載力是根據(jù)廢棄混凝土的實(shí)際強(qiáng)度(36.33MPa)折算得到的，即

由表7可見(jiàn)，試驗(yàn)條件下的廢棄混凝土摻合型再生混凝土板的沖切承載力相比于普通混凝土板僅降低1.2%.

表7 廢棄混凝土摻合型再生混凝土板沖切承載力Table 7 Punching bearing capacity of waste concrete participated recycled concrete slabs

4 結(jié)論

文中通過(guò)對(duì)150mm模數(shù)廢棄混凝土摻合型再生混凝土立方體及棱柱體試件、300 mm模數(shù)廢棄混凝土摻合型再生混凝土立方體試件以及廢棄混凝土摻合型再生混凝土板的力學(xué)性能進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論:

(1)廢棄混凝土摻合型再生混凝土相對(duì)于普通再生混凝土可以大大降低生產(chǎn)成本并明顯提高廢棄混凝土的利用率.考慮到施工中對(duì)混凝土和易性方面的要求，建議使用時(shí)廢棄混凝土的摻量取30%左右.

(2)廢棄混凝土摻量不大于46%的情況下，廢棄混凝土摻合型再生混凝土具有良好的抗壓、抗拉以及彈性模量等力學(xué)性能.即使在廢棄混凝土摻量達(dá)到30%時(shí)，其立方體抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度與普通混凝土相比降幅仍在10%以內(nèi);棱柱體抗壓強(qiáng)度的降幅約在15%;彈性模量的降幅小于10%.

(3)所利用的廢棄混凝土塊最大粒徑增大至80mm，進(jìn)一步擴(kuò)大了廢棄混凝土在降低生產(chǎn)成本方面的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)提高了廢棄混凝土的利用率;但此時(shí)與150mm模數(shù)再生混凝土試件相比，抗壓強(qiáng)度約降低6%.

(4)當(dāng)廢棄混凝土摻量達(dá)30%時(shí)，廢棄混凝土摻合型再生混凝土板的沖切承載力與普通混凝土板相比僅降低1.2%，說(shuō)明廢棄混凝土摻合型再生混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件也同樣具有良好的力學(xué)性能，表明廢棄混凝土摻合型再生混凝土有著廣闊的應(yīng)用前景.

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