再生卵石骨料混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究

陳宗平， 周春恒， 陳宇良， 黃 靖， 薛建陽(yáng)

（1.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.廣西大學(xué) 工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530004）

再生混凝土是指將廢棄混凝土經(jīng)破碎、清洗、分級(jí)及按比例相互混合后作為部分或全部骨料所配制的混凝土，它能實(shí)現(xiàn)廢舊混凝土的循環(huán)利用，促進(jìn)建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，節(jié)能環(huán)保，具有很好的應(yīng)用前景.近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)再生混凝土的各種力學(xué)性能進(jìn)行了大量研究，并取得了許多重要成果.文獻(xiàn)［1－5］對(duì)各種規(guī)格再生粗骨料、不同孔隙率和不同取代率的再生混凝土進(jìn)行了受力性能研究，結(jié)果表明，再生骨料的取代率、最大粒徑、骨料級(jí)配、骨料含水率、水膠比等對(duì)再生混凝土的抗壓性能有影響：隨著再生骨料取代率的增加，其強(qiáng)度略有降低；隨著水膠比的增大，其強(qiáng)度降低，而提高骨料含水率則能提高其強(qiáng)度；骨料粒徑大、級(jí)配好的再生混凝土強(qiáng)度高.肖建莊等［5］、寇世聰?shù)龋?］、朋改非等［7］也分別采用不同強(qiáng)度等級(jí)、不同服役年限的原生混凝土作為再生粗骨料，并對(duì)這些再生混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，再生骨料的取代率、水膠比、原生混凝土的強(qiáng)度及服役年限對(duì)再生混凝土的抗壓強(qiáng)度均有影響：隨著再生骨料取代率的增加，其強(qiáng)度略有降低；水膠比越大，其強(qiáng)度越低；原生混凝土的強(qiáng)度越低，則其峰值應(yīng)力越低，并且不同強(qiáng)度等級(jí)廢舊混凝土混合后得到的再生粗骨料，將顯著降低再生混凝土的抗壓強(qiáng)度；不同來(lái)源再生混凝土抗壓強(qiáng)度的均值較單一來(lái)源再生混凝土小，而方差和變異系數(shù)較大.由于廢舊混凝土來(lái)源廣泛，存在著強(qiáng)度等級(jí)、服役齡期、骨料類型（卵石和碎石）等差異，導(dǎo)致用其配制的再生混凝土力學(xué)性能有所不同.目前國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)上，多數(shù)研究均是針對(duì)再生碎石粗骨料所配制的再生混凝土，而對(duì)于用再生卵石粗骨料配制的再生混凝土研究很少.中國(guó)地域遼闊，以卵石作為粗骨料的混凝土大量存在，而由于卵石與碎石在外形上差異顯著，用其配制的再生混凝土力學(xué)性能會(huì)有所不同.為了完善再生混凝土基本理論，為其進(jìn)一步推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，本文以再生卵石骨科混凝土為研究對(duì)象，以再生卵石粗骨料取代率為變化參數(shù)，設(shè)計(jì)了99個(gè)試件開展試驗(yàn)研究，獲取其性能指標(biāo)，以期為再生卵石骨料混凝土的相關(guān)研究提供理論基礎(chǔ)和試驗(yàn)依據(jù).

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

以某工程檢測(cè)中心完成的送檢混凝土試塊為骨料來(lái)源（原生混凝土齡期約為6個(gè)月）.選取強(qiáng)度等級(jí)為C30、卵石類粗骨料的原生混凝土，采用顎式破碎機(jī)破碎，經(jīng)過(guò)篩分、清洗，得到再生卵石粗骨料；為便于研究，天然粗骨料也選用卵石，并采用相同條件篩分和清洗.選取粒徑為5～20mm的連續(xù)級(jí)配骨料，如圖1所示.水泥采用42.5R海螺牌普通硅酸鹽水泥，細(xì)骨料為天然河砂，拌和水為城市自來(lái)水.

圖1 天然卵石粗骨料及再生卵石粗骨料Fig.1 Natural pebble coarse aggregate and recycled pebble coarse aggregate

1.2 粗骨料物理性能測(cè)試

按照GBT 14685—2011《建筑用卵石、碎石》規(guī)定的試驗(yàn)方法，分別測(cè)試粗骨料的物理性能指標(biāo)，具體見表1.由表1可見：與天然粗骨料相比，再生粗骨料的含水率、吸水率均明顯增大，但表觀密度和堆積密度卻有所降低，這主要是再生骨料表面粘附著水泥基體以及破碎過(guò)程中存在于內(nèi)部的微裂縫所致.

表1 粗骨料物理性能指標(biāo)Table 1 Properties of coarse aggregate

再生粗骨料表面粘附的水泥基體質(zhì)量分?jǐn)?shù)wM可根據(jù)其表觀密度差計(jì)算而得：

式中：ρN，ρR分別為天然、再生粗骨料的表觀密度，kg／m3；ρM為水泥基體的表觀密度，參照文獻(xiàn)［8］取1 500kg／m3.經(jīng)計(jì)算得到再生卵石粗骨料表面粘附的水泥基體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.8%.

1.3 再生混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)

1.3.1 試件設(shè)計(jì)

考慮了11種再生卵石粗骨料取代率（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，用R表示），從0%～100%遞增，中間級(jí)差10%.一共制作了99個(gè)試件，其中150mm×150mm×150mm的立方體試件、150mm×150mm×300mm和150mm×150mm×550mm的棱柱體試件各11組，每組試件3個(gè).

以取代率R為0%（對(duì)應(yīng)于普通混凝土）為基準(zhǔn)，按C30混凝土計(jì)算配合比.各組試件的配合比中，嚴(yán)格保持水膠比mW／mB、水泥（C）、砂（S）、粗骨料的總量不變，并且考慮了再生卵石粗骨料的吸水率，即隨著取代率的增大，相應(yīng)地增加了附加用水量.再生卵石骨料混凝土配合比見表2.

表2 再生卵石骨料混凝土的配合比Table 2 Mix proportions of recycled pebble aggregate concrete

1.3.2 試驗(yàn)加載方法

所有試件均在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28d后，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)》中相關(guān)測(cè)定方法和要求進(jìn)行試驗(yàn).立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和棱柱體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)分別采用150mm×150mm×150mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體和150mm×150mm×300mm的標(biāo)準(zhǔn)棱柱體試件，在RMT－201試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行.采用位移控制的加載制度，加載速率為0.01mm／s，通過(guò)采集系統(tǒng)，獲取試件的荷載－位移全過(guò)程曲線.對(duì)于棱柱體試件，還要同時(shí)測(cè)量其彈性模量和泊松比，泊松比通過(guò)在試件相鄰的兩個(gè)側(cè)面中部沿橫向和縱向各貼一片電阻應(yīng)變片獲取.抗折強(qiáng)度試驗(yàn)采用150mm×150mm×550mm的標(biāo)準(zhǔn)棱柱體試件，在抗折試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試件破壞形態(tài)

再生卵石骨料混凝土立方體試件的破壞過(guò)程及其形態(tài)與普通混凝土相似.在接近破壞前，首先在其側(cè)表面出現(xiàn)豎向裂縫.隨著應(yīng)力的不斷增大，這些裂縫不斷延伸，形成45°角左右的“X”形斜裂縫，混凝土逐漸剝落，呈45°角左右正倒相連的棱錐體，試件破壞.棱柱體試件在加載初期無(wú)肉眼可見的裂縫，在接近峰值應(yīng)力時(shí)，試件中部首先出現(xiàn)少量豎向微裂縫.達(dá)到峰值應(yīng)力后，隨著應(yīng)變繼續(xù)增大，微裂縫持續(xù)發(fā)展、連通，形成斜裂縫，最終裂縫貫穿試件全截面.從破壞過(guò)程與形態(tài)上看，再生卵石骨料混凝土試件與普通混凝土相似.通過(guò)對(duì)試件破壞后斷面的細(xì)致觀察發(fā)現(xiàn)，裂縫主要出現(xiàn)在粗骨料與水泥砂漿基體的界面以及水泥砂漿基體內(nèi)部.

2.2 立方體抗壓強(qiáng)度與棱柱體抗壓強(qiáng)度

再生卵石骨料混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu及棱柱體抗壓強(qiáng)度f(wàn)c取每組3個(gè)試件的平均值，見表3.由表3可見，再生卵石骨料混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度及棱柱體抗壓強(qiáng)度總體上大于取代率為0%的普通混凝土.對(duì)于立方體抗壓強(qiáng)度，再生卵石骨料混凝土只有在取代率R為10%和20%時(shí)略小于普通混凝土，其余取代率下則均大于或等于普通混凝土，兩者比值的變化范圍為94%～138%；對(duì)于棱柱體抗壓強(qiáng)度，再生卵石骨料混凝土只有在取代率R為10%和90%時(shí)略小于普通混凝土，兩者比值的變化范圍為96%～132%.

表3 試件的立方體抗壓強(qiáng)度與棱柱體抗壓強(qiáng)度Table 3 Prism compressive strength and cube compressive strength of specimens

同時(shí)，由表3還可看出，隨著取代率R的增大，再生卵石骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度指標(biāo)呈波折上升的趨勢(shì).原因可能是一方面在廢棄混凝土的破碎過(guò)程中，卵石骨料順著原生紋理被破碎開，使得卵石粗骨料具有棱角且表面更粗糙，從而提高了水泥石與粗骨料間的界面黏結(jié)強(qiáng)度，同時(shí)再生粗骨料表面粘附的水泥基體在再生混凝土拌和過(guò)程中會(huì)迅速吸收部分水分，使其實(shí)際“水膠比”減少，從而導(dǎo)致其抗壓強(qiáng)度隨著取代率R的增大而增大；另一方面，再生粗骨料表面粘附的水泥基體會(huì)影響到新拌混凝土中水泥膠凝體與骨料之間的黏結(jié)性能，從而降低再生卵石骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度.當(dāng)上述有利面大于不利面時(shí)，再生卵石骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度提高；反之則其抗壓強(qiáng)度降低.

2.3 抗折強(qiáng)度

通過(guò)試驗(yàn)，獲取了不同取代率下再生卵石骨料混凝土試件折斷時(shí)的荷載，按下式計(jì)算其抗折強(qiáng)度f(wàn)t：

式中：F為試件的破壞荷載；b，h，l0分別為試件的截面寬度、高度、計(jì)算跨度.本次試驗(yàn)中b＝150mm，h＝150mm，l0＝450mm.每組抗折強(qiáng)度取3個(gè)試件的平均值.各種取代率下再生卵石骨料混凝土的抗折強(qiáng)度見表4.由表4可見，再生卵石骨料混凝土的抗折強(qiáng)度總體上大于普通混凝土，只有在取代率R為10%和90%時(shí)略小于普通混凝土.與抗壓強(qiáng)度相似，再生卵石骨料混凝土的抗折強(qiáng)度隨取代率R的增加也呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，但并非單調(diào)上升，其變化范圍為94%～123%.

表4 試件抗折強(qiáng)度Table 4 Flexural strength of specimens

2.4 實(shí)測(cè)應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€

通過(guò)實(shí)測(cè)的荷載－位移數(shù)據(jù)，可由下式得到試件受力過(guò)程中的應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線：

式中：N為軸向壓力；A為試件的全截面面積；Δl為試件受力過(guò)程中的縱向壓縮位移；l為試件的總長(zhǎng)度.

圖2給出了部分試件典型的應(yīng)力－應(yīng)變（σ－ε）全過(guò)程曲線.由圖2可見，不同取代率R下再生卵石骨料混凝土的應(yīng)力－應(yīng)變曲線形狀類似于普通混凝土，均經(jīng)歷了彈性階段、彈塑性階段、峰值點(diǎn)、下降段和收斂段的發(fā)展過(guò)程.將各取代率R下3組試件的應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)分別取平均值，再分別除以其峰值應(yīng)力σc，峰值應(yīng)變?chǔ)與，然后以ε／εc作為橫坐標(biāo)，σ／σc作為縱坐標(biāo)，得到圖3.由圖2，3可見，在曲線上升段，再生卵石骨料混凝土與普通混凝土基本一致，但其下降段則變得陡峭，表明再生卵石骨料混凝土的脆性比普通混凝土有所增加.

圖2 試件的典型應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.2 Typical stress－strain curves of specimens

2.5 彈性模量與泊松比

表5為各試件彈性模量E和泊松比ν的實(shí)測(cè)值.由表5可見，再生卵石骨料混凝土的彈性模量隨著取代率的增加而有所降低，且均小于普通混凝土.各取代率下再生卵石骨料混凝土的泊松比為0.22～0.23，與普通混凝土接近.

圖3 試件的σ／σc－ε／εc 曲線Fig.3 Complete stress－strain curves of specimens

表5 試件彈性模量與泊松比Table 5 Elastic modulus and Poisson's ratio of specimens

3 強(qiáng)度指標(biāo)之間的換算關(guān)系

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)值分析，提出了各取代率R下再生卵石骨料混凝土的棱柱體抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度之間的換算公式為：

抗折強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度之間的換算公式為：

采用上述公式計(jì)算本文試件的棱柱體抗壓強(qiáng)度f(wàn)′c及抗折強(qiáng)度f(wàn)′t，并與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值fc，ft進(jìn)行對(duì)比，如表6，7所示.

表6 試件的棱柱體抗壓強(qiáng)度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Table 6 Comparison of calculated and measured prism compressive strength of specimens

表7 試件的抗折強(qiáng)度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Table 7 Comparison of calculated and measured flexural strength of specimens

4 結(jié)論

（1）再生卵石粗骨料與天然卵石粗骨料相比，其含水率、吸水率均明顯增大，但表觀密度和堆積密度卻有所降低；再生卵石粗骨料表面附著的水泥基體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.8%.

（2）再生卵石骨料混凝土的破壞過(guò)程及形態(tài)與普通混凝土相似，試件破壞時(shí)均表現(xiàn)為粗骨料與水泥膠凝體界面之間的黏結(jié)失效.

（3）與普通混凝土相比，再生卵石骨料混凝土的各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)有略微增大之勢(shì).對(duì)于立方體抗壓強(qiáng)度，只有在取代率為10%和20%時(shí)略小于普通混凝土；對(duì)于棱柱體抗壓強(qiáng)度，只有在取代率為10%和90%時(shí)略小于普通混凝土；對(duì)于抗折強(qiáng)度，只有在取代率為10%和90%時(shí)略小于普通混凝土.再生卵石骨料混凝土強(qiáng)度隨著取代率增加所呈現(xiàn)的變化趨勢(shì)與以往再生碎石骨科混凝土的研究結(jié)論有所差異，這可能是由于再生卵石與碎石的表面差異所致.

（4）各取代率下再生卵石骨料混凝土的彈性模量均小于普通混凝土；再生卵石骨料混凝土的泊松比為0.22～0.23，與普通混凝土接近.

（5）再生卵石骨料混凝土的應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€形狀與普通混凝土相似，各曲線在上升段基本重合，但下降段則變得陡峭，且離散較大，其峰值應(yīng)變均大于普通混凝土.這種變化規(guī)律與以往再生碎石骨科混凝土的研究結(jié)論基本一致.

（6）提出了再生卵石骨料混凝土的棱柱體抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度換算公式，以及抗折強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度之間的換算公式，其計(jì)算值與試驗(yàn)值均吻合較好.

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