再生混凝土基本力學(xué)性能研究

胡 波， 柳炳康， 王成剛

（合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

目前，全世界每年混凝土使用量大約為20×108，砂石用量要在34×108t以上；我國每年混凝土使用量約13～14×108m3，每年有18×108m3左右的砂石集料被開采，且其需求量呈逐年增加的趨勢，長期如此天然骨料資源必將趨于枯竭。另一方面，當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)達(dá)到使用年限，或是由于市政建設(shè)等原因大量舊建筑物需要被拆遷，以及地震等自然災(zāi)害的破壞作用，會產(chǎn)生大量的建筑垃圾。

廢棄混凝土的再生利用是一個亟需解決的課題。將廢棄混凝土塊體經(jīng)過回收、破碎、篩分后，按一定的比例與級配混合形成再生骨料，可代替天然骨料制成新的建材產(chǎn)品，既能解決開山采石對天然生態(tài)環(huán)境造成的破壞，又能減少城市廢棄物的填埋占地和環(huán)境污染問題，可帶來巨大的社會效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益［1］。

本文主要研究再生混凝土抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度等強(qiáng)度指標(biāo)以及彈性模量、本構(gòu)關(guān)系等基本力學(xué)性能。通過回歸分析得到再生混凝土各強(qiáng)度指標(biāo)間換算關(guān)系，并對再生混凝土峰值應(yīng)變、彈性摸量和應(yīng)力－應(yīng)變曲線進(jìn)行了研究，可為再生混凝土技術(shù)實際應(yīng)用提供試驗依據(jù)。

1 試驗材料及性質(zhì)

實驗所采用的水泥為巢湖牌32.5礦渣硅酸鹽水泥，砂為普通黃砂，表觀密度為2.623g／cm3；天然骨料為連續(xù)級配碎石，再生骨料為某路面廢棄混凝土破碎而成。

再生集料顆粒中，黏附的砂漿層或破碎后的砂漿顆粒會有較多明顯氣孔，碎石形態(tài)則同原水泥混凝土碎石，再生骨料表面形態(tài)如圖1所示。廢棄混凝土塊經(jīng)破碎后得到的再生骨料，內(nèi)部存在大量的微裂縫［2－4］。普通和再生集料的級配篩分結(jié)果如圖2所示，實驗配制了C20、C30 2種不同強(qiáng)度等級的混凝土，水灰比變化在0.42～0.57之間，砂率變化在28%～35%之間，其中C20為7組，C30為11組。再生混凝土中，再生骨料的取代率為100%。試件均在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)7d和28d，分別取出進(jìn)行相關(guān)試驗。棱柱體抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的試驗均按照文獻(xiàn)［5］進(jìn)行，而彈性模量和應(yīng)力－應(yīng)變曲線的測定則主要依據(jù)文獻(xiàn)［6－7］。

圖1 再生骨料形態(tài)

圖2 骨料級配

2 試驗結(jié)果及分析

各種常規(guī)力學(xué)試驗中，再生混凝土試件與普通混凝土試件破壞形態(tài)相似。再生集料表面附著水泥砂漿，新老砂漿之間界面過渡區(qū)是再生混凝土薄弱部位，其破壞路徑往往從界面過渡區(qū)開始，界面處裂紋延伸，裂縫逐漸擴(kuò)展、貫穿，導(dǎo)致整個混凝土塊體的破壞。再生粗骨料對混凝土的抗壓強(qiáng)度和棱柱體抗壓強(qiáng)度影響較大，但對其劈裂強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度影響較小。與普通混凝土相比，再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度下降2%～20%，棱柱體抗壓強(qiáng)度下降2%～19%；抗折強(qiáng)度下降4%～24%，但一般都能達(dá)到4MPa或5MPa，滿足工程需要；其抗拉強(qiáng)度一般也都能達(dá)到2.5MPa或3.0MPa，試驗中沒有觀察到顯著的下降趨勢。再生混凝土抗拉強(qiáng)度可取為立方體抗壓強(qiáng)度的1／15～1／12；抗折強(qiáng)度可取為立方體抗壓強(qiáng)度的1／8～1／6，這也與普通混凝土基本類似，fcu與c／w關(guān)系及各力學(xué)指標(biāo)間的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 fcu與c／w關(guān)系及各力學(xué)指標(biāo)間的關(guān)系

2.1 水灰比對強(qiáng)度的影響

水灰比（c／w）是影響再生混凝土強(qiáng)度的最重要因素，根據(jù)鮑羅米公式：

其中，fcu、fce分別為28d混凝土抗壓強(qiáng)度和水泥抗壓強(qiáng)度；A、B為骨料系數(shù)。對再生混凝土強(qiáng)度與水灰比間關(guān)系進(jìn)行回歸分析，得到A＝0.504；B＝0.123，擬合結(jié)果與實測值比較如圖3a所示。

2.2 齡期對再生混凝土強(qiáng)度的影響

圖4a～圖4c分別列出了再生混凝土在7～28d時的立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度?？梢钥闯?，再生混凝土7d立方體抗壓強(qiáng)度約為28d時的70%。其中，C30級的再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度與C20級相比，在7d至28d間強(qiáng)度有較大增長。C20級和C30級再生混凝土的劈裂強(qiáng)度7d時約為28d時的60%，同時2級再生混凝土在不同齡期時劈裂強(qiáng)度大小接近。C20級和C30級再生混凝土，其抗折強(qiáng)度在7d和28d時差別不大。圖4d給出了28d時的再生混凝土抗折棱柱體抗壓強(qiáng)度，可以看出，與立方體抗壓強(qiáng)度相比，C20級和C30級再生混凝土的棱柱體抗壓強(qiáng)度差別較小。

圖4 不同齡期下的各力學(xué)指標(biāo)值

2.3 fc、fsp、ff 與fcu 的關(guān)系

文獻(xiàn)［8］給出了軸心抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度關(guān)系：

本文通過對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到再生混凝土棱柱體抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度間的關(guān)系（如圖3b所示）為：

文獻(xiàn)［8－9］對混凝土劈裂強(qiáng)度fsp和抗壓強(qiáng)度fcu給出的關(guān)系分別為（4）式、（5）式：

其中，fcu已考慮了由棱柱體換算成立方體的換算因子0.76。分別采用2種規(guī)范的表達(dá)形式，擬合可得再生混凝土劈裂強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的關(guān)系為：

從圖3c可以看出，依照文獻(xiàn)［9］的公式表達(dá)形式得到的擬合公式，與試驗值較為吻合，擬合效果較好。

文獻(xiàn)［9］采用（8）式、文獻(xiàn)［10］采用（9）式反映混凝土抗折強(qiáng)度ff和抗壓強(qiáng)度fcu的關(guān)系：

文獻(xiàn)［9］所建議公式中的fcu也考慮了由棱柱體換算成立方體的換算因子。本文擬合得到的關(guān)系與文獻(xiàn)［10］中的公式相近，如圖3d所示。本文得到的公式為：

2.4 彈性模量

文獻(xiàn)［8－9］對混凝土給出的彈性模量計算分別為（11）式、（12）式：

其中，a＝2.2；b＝34.7。

彈性模量和應(yīng)力－應(yīng)變曲線試驗結(jié)果和擬合結(jié)果如圖5所示。

圖5 彈性模量和應(yīng)力－應(yīng)變曲線試驗結(jié)果和擬合結(jié)果

再生混凝土彈性模量與普通混凝土相比，下降8%～15%。如圖5a所示，在較低強(qiáng)度等級下，按（12）式計算得到的彈性模量值嚴(yán)重偏低，而按照（11）式計算，則會過高估計。這表明普通混凝土的彈性模量計算公式不再適用于再生混凝土。參考文獻(xiàn)［8］的計算公式，擬合再生混凝土彈性模量實驗數(shù)據(jù)，分別得出a＝2.9，b＝24.5。再生混凝土彈性模量試驗結(jié)果還表明，再生混凝土的泊松比大致在0.15～0.22之間，與普通混凝土相比，變化不大。

2.5 單軸壓應(yīng)力下應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線

混凝土的應(yīng)力－應(yīng)變曲線包括上升段和下降段，是其力學(xué)性能的全面宏觀反映，峰值點處的最大應(yīng)力對應(yīng)著棱柱體抗壓強(qiáng)度，此時的應(yīng)變?yōu)榉逯祽?yīng)變；曲線斜率為其彈性模量，原點處的斜率又稱為初始彈性模量；下降段是其峰值應(yīng)力后的殘余強(qiáng)度；曲線的形狀和曲線與橫軸所圍的面積反映了其塑性變形能力的大小。

圖5b所示為本次試驗測得的再生混凝土應(yīng)力－應(yīng)變曲線上升段。再生混凝土應(yīng)力－應(yīng)變曲線與普通混凝土相似，有如下特點：

（1）σ＜0.30fc時，應(yīng)力－應(yīng)變曲線為直線段。

（2）0.30fc＜σ＜0.65fc時，應(yīng)力－應(yīng)變曲線近似按照直線變化。

（3）0.65fc＜σ＜fc時，試件表面尚無明顯裂縫，應(yīng)力－應(yīng)變曲線的斜率逐漸減小，接近峰值應(yīng)變時曲線近似為水平線。

（4）σ＞fc時，試件上裂縫出現(xiàn)，此裂縫短而細(xì)，平行于加載方向。此后很短的時間內(nèi)，貫通的斜裂縫形成，試件依靠肢體和縫間摩擦力抵抗外荷載，同時試件上還出現(xiàn)了縱向或略斜的分支裂縫。

與普通混凝土相比，再生混凝土的應(yīng)力－應(yīng)變曲線也具有比例極限點、臨界應(yīng)力點、峰值點等特征點。同一水灰比、砂率，再生混凝土應(yīng)力－應(yīng)變曲線上升段斜率小于普通混凝土，這主要是因為再生混凝土的彈性模量低于普通混凝土。再生混凝土的峰值應(yīng)變則普遍大于普通混凝土。對C20混凝土，再生混凝土與普通的峰值應(yīng)變相差不大，約為0.000 1左右，而對C30混凝土則相差較大，約為0.000 2。再生混凝土峰值應(yīng)變變大，主要是由再生骨料彈性模量較低所造成的。

同時還發(fā)現(xiàn)再生混凝土的峰值應(yīng)變還隨著強(qiáng)度的增加而增加，這一點也與普通混凝土相似。如圖5c所示，采用類似普通混凝土的強(qiáng)度－應(yīng)變峰值的關(guān)系，對再生混凝土的峰值應(yīng)變與棱柱體強(qiáng)度間關(guān)系進(jìn)行回歸：

采用文獻(xiàn)［8］附錄C中建議使用的混凝土單軸受壓應(yīng)力－應(yīng)變曲線上升段形式的方程，對試驗測得曲線進(jìn)行擬合：

其中，σ0、ε0分別為峰值應(yīng)力及其所對應(yīng)的應(yīng)變。經(jīng)過擬合后發(fā)現(xiàn)對于再生混凝土，k＝2.26。參數(shù)a有相應(yīng)的物理和幾何含義，即混凝土初始切線模量和峰值割線模量比值（E0／Es）。k值越大即表明當(dāng)應(yīng)力達(dá)到峰值時，彈性模量降低得越厲害，變形越大。相反k值越小，表明應(yīng)力達(dá)到峰值時，試件變形越小。這與試驗中發(fā)現(xiàn)的再生混凝土的峰值應(yīng)變普遍高于普通混凝土是一致的。圖5d分別給出了歸一化后的實測和計算應(yīng)力－應(yīng)變曲線，可以看出，計算曲線與實測曲線吻合很好。

3 結(jié) 論

（1）再生混凝土試件的受壓、受拉以及受彎折破壞過程和破壞模式與普通混凝土基本一致。由于再生集料表面附著水泥砂漿，新老砂漿之間界面過渡區(qū)是再生混凝土薄弱部位，其破壞往往從界面過渡區(qū)開始。

（2）再生粗骨料對混凝土立方體抗壓強(qiáng)度和棱柱體抗壓強(qiáng)度影響較大，但再生骨料對混凝土立方體劈裂抗拉強(qiáng)度和混凝土抗彎拉強(qiáng)度影響較小。再生混凝土抗拉強(qiáng)度可取為立方體抗壓強(qiáng)度的1／15～1／12；抗折強(qiáng)度可取為立方體抗壓強(qiáng)度的1／8～1／6，這與普通混凝土基本類似。

（3）與普通混凝土相比，再生混凝土彈性模量下降約8%～15%，泊松比大致在0.15～0.22之間。

（4）再生混凝土應(yīng)力－應(yīng)變曲線與普通混凝土相似，但上升段斜率小于普通混凝土，峰值應(yīng)變則普遍大于普通混凝土。

（5）再生混凝土的抗壓強(qiáng)度指標(biāo)均隨著c／w增加而加大，7d強(qiáng)度能達(dá)到28d強(qiáng)度的70%，這與普通混凝土相類似；再生混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度在7～28d間有較為顯著的增長，而對于再生混凝土抗折強(qiáng)度而言，增長則十分有限。

［1］ Hansen T C.Recycling of demolished concrete and masonry，RILEM Report No.6［R］.London：E＆FN SPON，1992.

［2］ Topcu I B，N F Gunesn.Using waste concrete as aggregate［J］.Cement and Concrete Research，1995，25（7）：1385－1390.

［3］ Topcu I B.Physical and mechanical properties of concrete produced with waste concrete［J］.Cement and Concrete Resarch，1997，27（12）：1817－1823.

［4］ 李佳彬，肖建莊，孫振平.再生粗骨料基本特性及其對混凝土性能的影響［J］.建筑材料學(xué)報，2004，7（4）：390－395.

［5］ JTG E30－2005，公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程［S］.

［6］ T 0555－2005，水泥混凝土棱柱體軸心抗壓強(qiáng)度試驗方法［S］.

［7］ T 0556－2005，水泥混凝土棱柱體抗壓彈性模量試驗方法［S］.

［8］ GB 50010－2002，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.

［9］ ACI Committee 318.Building code requirements for structural concrete（ACI318－02）and commentary （ACI318R－02）［S］.

［10］ CEB－FIP MC90.Mode code for concrete structures design［S］.