二級配再生混凝土力學性能試驗研究*

陳建國，郭晉川，彭華娟，劉魯強

（1. 廣西壯族自治區(qū)水利科學研究院，廣西 南寧 530023；2. 廣西水工程材料重點實驗室培育基地，廣西 南寧 530023）

二級配再生混凝土力學性能試驗研究*

陳建國1,2，郭晉川1,2，彭華娟1,2，劉魯強1,2

（1. 廣西壯族自治區(qū)水利科學研究院，廣西 南寧 530023；2. 廣西水工程材料重點實驗室培育基地，廣西 南寧 530023）

采用廢混凝土骨料代替天然骨料，配制了 7 組配合比，設計了 84 個試件，分別進行了立方體抗壓強度、圓柱體軸心抗壓強度、立方體劈裂抗拉強度、彈性模量等力學性能試驗。研究了再生骨料對混凝土力學性能指標的影響，基于試驗數(shù)據(jù)，研究了各強度性能指標的換算關系。結果表明：與普通混凝土相比，再生混凝土抗壓強度、軸心抗壓強度及彈性模量均略為增大，劈裂抗拉強度下降。

再生混凝土；力學性能；強度換算；骨料取代率

隨著城市及各類基礎設施建設，大量廢棄混凝土引發(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。近年來國內(nèi)外學者進行了相關研究，取得了很多成果。但是，以往的研究中大多采用一級配再生粗骨料替代天然粗骨料[1-3]，未能充分反映不同級配的再生骨料取代率對再生混凝土力學性能的影響。

再生混凝土與天然骨料混凝土相比，組成成分復雜，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混凝土結構中，對其力學性能指標進行測試非常重要。因此，本研究對再生混凝土的基本力學性能進行研究，并將不同再生粗、細骨料取代率的混凝土試驗結果與天然骨料混凝土進行對比分析，找出強度指標之間的變化規(guī)律，為再生混凝土的后續(xù)研究及相關工程建設提供參考。

1　試驗原材料及配合比

1.1原材料

再生砂：南寧市壯錦大道路面改造工程廢棄混凝土，經(jīng)破碎加工成再生砂；再生石：為南寧市壯錦大道路面改造工程廢棄混凝土，經(jīng)破碎加工成人工碎石（再生細石：5～20mm，再生粗石：20～40mm）；再生骨料實拍照片如圖1 所示。

圖1　廢棄混凝土及再生骨料

水泥：扶綏新寧海螺水泥有限責任公司提供的“海螺牌”P·O42.5 水泥。

河砂：采用南寧本地產(chǎn)河砂（中砂）；粗骨料：選用桂林靈川產(chǎn)的灰?guī)r塊石，經(jīng)破碎加工成人工碎石（細石：5～20mm，粗石：20～40mm）。

水：飲用水。

1.2骨料物理性能測試

按照 SL 352—2006《水工混凝土試驗規(guī)程》規(guī)定的試驗方法，分別測試各粗、細骨料的物理性能指標，試驗結果具體見表1及表 2。由表 1 及表 2 可見：再生骨料與天然骨料相比，其含水率、吸水率均明顯增大，表觀密度和堆積密度卻有所降低，這主要是由于再生骨料表面粘附著大量水泥基體，以及骨料破碎過程中存在于內(nèi)部的微裂縫所致。

表1　細骨料物理性能指標

表2　粗骨料物理性能指標

1.3試驗方法

立方體抗壓強度、立方體劈裂抗拉強度、圓柱體軸心抗壓強度及軸心抗壓彈模試驗方法參照 SL352—2006《水工混凝土試驗規(guī)程》中的規(guī)定進行。

1.4配合比

采用再生骨料全部或部分取代天然碎石配制再生混凝土，以再生骨料取代率為變化參數(shù)，配制 8 種再生混凝土（分別為：全天然骨料混凝土；全再生骨料混凝土；再生粗骨料取代率分別為 50%、75% 及 100%；再生細骨料取代率為 50%、75% 及 100%）。共制作 84 個試件，包括尺寸為150mm×150mm×150mm 的立方體試件 14 組，每組 3 個試件，共 42 個試件；Ф150mm×300mm 的圓柱體試件 14 組，每組 3 個試件，共 42 個試件。

配合比以取代率 0%（對應天然混凝土）為基準，試配強度 C20。各組試件配合比中，嚴格保持水膠比、水泥、砂、粗骨料的總重量不變，并且考慮再生粗骨料吸水率的影響。再生混凝土配合比見表 3。

表3　二級配再生混凝土配合比設計 kg/m3

2　試驗結果與討論

2.1再生混凝土抗壓強度

圖2　再生粗骨料取代率對 28d 抗壓強度的影響

圖3　再生細骨料取代率對 28d 抗壓強度的影響

圖 2 及圖 3 結果表明：隨著再生粗骨料取代率的增加，再生混凝土立方體 28d 抗壓強度逐漸減小。當再生粗骨料取代率為 0% 時，再生混凝土立方體 28d 抗壓強度為 23.6MPa，當再生粗骨料取代率為 100%、75% 和 50% 時，再生混凝土立方體 28d 抗壓強度比普通混凝土分別提高了 3.4%、8.1% 和11.9%，平均值為 7.8%；隨著再生細骨料取代率的增加，再生混凝土立方體 28d 抗壓強度逐漸增加。當再生細骨料取代率為 0% 時，再生混凝土立方體 28d 抗壓強度為 23.6MPa，當再生細骨料取代率為 100%、75% 和 50% 時，再生混凝土立方體 28d 抗壓強度比普通混凝土分別提高了 11.4%、3.8% 和0，平均值為 5.1%。

2.2再生混凝土劈裂抗拉強度

圖4　再生粗骨料取代率對 28d 劈裂抗拉強度的影響

圖 4 及圖 5 結果表明：隨著再生粗骨料取代率的增加，再生混凝土立方體 28d 劈裂抗拉強度逐漸增加。當再生粗骨料取代率為 0% 時，再生混凝土立方體 28d 劈裂抗拉強度為2.07MPa，當再生粗骨料取代率為 100%、75% 和 50% 時，再生混凝土立方體 28d 劈裂抗拉強度比普通混凝土分別降低了10.6%、11.6% 和 15.9%，平均值為 12.7%；隨著再生細骨料取代率的增加，再生混凝土立方體 28d 劈裂抗拉強度逐漸增加。當再生細骨料取代率為 0%時，再生混凝土立方體 28d 劈裂抗拉強度為 2.07MPa，當再生細骨料取代率為 100%、75%和 50% 時，再生混凝土立方體 28d 劈裂抗拉強度比普通混凝土分別降低了 9.2%、10.1% 和 17.4%，平均值為 12.2%。

圖5　再生細骨料取代率對28d 劈裂抗拉強度的影響

2.3再生混凝土軸心抗壓強度

圖6　再生粗骨料取代率對 28d 軸心抗壓強度的影響

圖7　再生細骨料取代率對 28d 軸心抗壓強度的影響

圖 6 及圖 7 結果表明：隨著再生粗骨料取代率的增加，再生混凝土立方體 28d 軸心抗壓強度逐漸減小。當再生粗骨料取代率為 0% 時，再生混凝土立方體 28d 軸心抗壓強度為17.9MPa，當再生粗骨料取代率為 100%、75% 和 50% 時，再生混凝土立方體 28d 軸心抗壓強度比普通混凝土分別提高了5.0%、8.4% 和 12.3%，平均值為 8.6%；隨著再生細骨料取代率的增加，再生混凝土立方體 28d 軸心抗壓強度逐漸增加。當再生細骨料取代率為 0% 時，再生混凝土立方體 28d 軸心抗壓強度為 17.9MPa，當再生細骨料取代率為 100%、75% 和50% 時，再生混凝土立方體 28d 劈裂抗拉強度比普通混凝土分別提高了 11.7%、3.9% 和 0%，平均值為 5.2%。

2.4再生混凝土彈性模量

圖8　再生粗骨料取代率對 28d 軸心抗壓彈模的影響

圖9　再生細骨料取代率對 28d 軸心抗壓彈模的影響

圖 8 及圖 9 結果表明：隨著再生粗骨料取代率的增加，再生混凝土立方體 28d 軸心抗壓彈模逐漸減小。當再生粗骨料取代率為 0% 時，再生混凝土立方體 28d 軸心抗壓彈模為27.2GPa，當再生粗骨料取代率為 100%、75% 和 50% 時，再生混凝土立方體 28d 軸心抗壓彈模比普通混凝土分別提高了1.5%、3.3% 和 4.8%，平均值為3.2%；隨著再生細骨料取代率的增加，再生混凝土立方體 28d 軸心抗壓彈模逐漸增加。當再生細骨料取代率為 0% 時，再生混凝土立方體 28d 軸心抗壓彈模為 27.2GPa，當再生細骨料取代率為 100%、75% 和50% 時，再生混凝土立方體 28d 劈裂抗拉彈模比普通混凝土分別提高了 4.4%、1.5% 和 0%，平均值為 2.0%。

3　再生混凝土力學性能指標間換算關系

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、彈性模量之間的換算關系，得出它們之間的關系方程為：fcp=afcu; fs=afcub; Ec=105/(a+b/fcu)。結合本試驗的數(shù)據(jù)結果，通過非線性回歸得出以下關系式（如表4）。采用表 4 公式計算本文試件并與試驗實測值進行對比，如表 5、表 6 及表 7 所示。由表可見，計算值與試驗實測值吻合較好。

表4　再生混凝土力學性能指標間的換算關系

表5　再生混凝土軸心抗壓強度 fs的計算值與實測值對比

表6　再生混凝土劈裂抗拉強度 fcp的計算值與實測值對比

表7　再生混凝土彈性模量Ec的計算值與實測值對比

4　結論

（1）再生混凝土立方體抗壓強度隨著再生粗骨料取代率的增加先提高后降低，平均提高了 7.8%；隨著再生細骨料取代率的增加而提高，平均提高 5.1%。

（2）再生混凝土劈裂抗拉強度隨著再生粗、細骨料取代率的增加先降低后提高，平均下降了 12.7% 及 12.2%。

（3）再生混凝土軸心抗壓強度隨著再生粗骨料取代率的增加先提高后降低，平均提高了 8.6%；隨著再生細骨料取代率的增加而提高，平均提高 5.2%。

（4）再生混凝土軸心抗壓彈性模量隨著再生粗骨料取代率的增加先提高后降低，平均提高了 3.2%；隨著再生細骨料取代率的增加而提高，平均提高 2.0%。

（5）結合試驗數(shù)據(jù)采用非線性回歸方法，建立二級配再生粗、細骨料混凝土立方體抗壓強度與圓柱體抗壓強度、劈裂抗拉強度及彈性模量的換算公式，這對以后二級配再生粗、細混凝土的試驗研究和力學性能預測有一定的借鑒作用。

[1] 王占鋒，王社良，翁光遠．不同粗骨料取代率再生混凝土力學性能試驗研究[J]．鄭州大學學報(工學版).2012,33(4):32-35．

[2] 陳宗平,周春恒，陳宇良．再生碎石混凝土力學性能試驗研究[J]．實驗力學．2014.29(3):333-342．

[3] 田春芳,田杰芳．不同替代率再生混凝土的力學性能[J]．河北聯(lián)合大學學報（自然科學版）．2013.35(4):100-103．

[4] SL352—2006．水工混凝土試驗規(guī)程[S]．

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

[6] GB 50010—2011，混凝土結構設計規(guī)范[S]．

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

［通訊地址］廣西壯族自治區(qū)水利科學研究院（530023）

Experimental study on mechanical properties of two graded recycled gravel aggregate concrete

Chen Jianguo1,2, Guo Jinchuan1,2, Peng Huajuan1,2, Liu Luqiang1,2
(1.Hydraulic Research Institute of Guangxi, Nanning 530023; 2. Guangxi Key Laboratory cultivation base construction of Water Engineering Materials, Nanning 530023)

84 test specimens were designed for recycled concrete which takes gravel as recycled aggregate, its mechanical properties, such as cube compressive strength, cylinder compressive strength, splitting tensile strength and modulus. The influence of recycled aggregate replacement rate on every property index of recycled aggregate concrete was analyzed. Based on experimental data, the conversion relations of every strength index was proposed. The test results have shown that with the replacement rate of recycled aggregate, the cube compressive strength, cylinder compressive strength and modulus are gradually increased to some extent, the splitting tensile strength has decreased to some extent.

recycled aggregate concrete; mechanical properties; conversion relations of strength; replacement of aggregate

廣西水利廳科技項目（201312、201419）

陳建國（1984—），男，江蘇溧陽人，工程師。主要從事水泥混凝土材料研究。