用于北方滿族民居墻體的再生混凝土性能研究

沙東　孫建剛　郝進(jìn)鋒　王振　崔利富

摘要：通過試驗(yàn)研究了再生混凝土作為北方滿族民居建造材料的可行性。研究重點(diǎn)：再生骨料的物理性質(zhì)測定、再生混凝土基本力學(xué)性能試驗(yàn)，以及粉煤灰、聚丙烯纖維以及附加水對其力學(xué)性能的影響。通過試驗(yàn)得到，再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度最高應(yīng)力達(dá)37.1MPa、軸心抗壓強(qiáng)度平均應(yīng)力28.4MPa、靜力受壓彈性模量平均應(yīng)力22300MPa、抗折強(qiáng)度平均應(yīng)力3.8MPa、劈裂抗拉強(qiáng)度平均應(yīng)力1.68MPa。結(jié)果表明：在再生混凝土中加入粉煤灰和聚丙烯纖維都對立方體抗壓強(qiáng)度有所提高，但附加水的加入對立方體抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生了降低作用。整體來說，再生混凝土各方面的力學(xué)指標(biāo)都能滿足一定的強(qiáng)度要求。因此可以作為北方滿族民居的建設(shè)材料。

關(guān)鍵詞：再生混凝土；立方體抗壓強(qiáng)度；彈性模量；抗折強(qiáng)度；劈裂抗拉強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：TU528 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：

1671-0460（2017）01-0042-06

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化進(jìn)程加快，城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、維修、拆除中產(chǎn)生的廢棄混凝土總量與日俱增。廢棄混凝土不僅占用土地資源，污染環(huán)境，而且有損城市形象。廢棄混凝土的妥善處理和再生利用，已成為城市發(fā)展需要解決的當(dāng)務(wù)之急。再生混凝土作為一種節(jié)能環(huán)保的新材料，必將對建筑廢棄物處理與資源化利用起到非常重要的作用。到目前為止，國內(nèi)外在該領(lǐng)域進(jìn)行了一系列的研究并取得了很多成果。以上的研究大部分都是針對再生混凝土用于高強(qiáng)建筑的問題和強(qiáng)度提高的研究，忽略了再生混凝土本身強(qiáng)度較低的事實(shí)。而本文則是根據(jù)再生混凝土由于骨料的原因，其強(qiáng)度普遍較低這一現(xiàn)象，將其用于低矮建筑領(lǐng)域，以體現(xiàn)再生混凝土更合適的力學(xué)效果。我國北方的滿族民居多數(shù)是自建，以單層平房為主，其豎向承載力不大，對墻體的力學(xué)性能要求不高，材料強(qiáng)度要求較低，再生混凝土完全可以滿足其建造要求，可以用于北方滿族民居的建造中。此類研究既可以改善當(dāng)?shù)厝嗣裆钯|(zhì)量、充分利用資源保護(hù)環(huán)境，又可以對少數(shù)民族建筑的文化傳承起到積極促動(dòng)作用，可謂是利國利民，一舉多得。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)中所用的廢棄混凝土來源于大連市開發(fā)區(qū)金石灘附近的民居拆遷。再生粗骨料和再生細(xì)骨料是將廢棄混凝土回收后經(jīng)過破碎、分級(jí)等處理而制得的，粗骨料粒徑大于5mm小于31.5mm，細(xì)骨料粒徑小于5mm。試驗(yàn)所用水泥是大連本地水泥廠生產(chǎn)的42.5R普通硅酸鹽水泥。試驗(yàn)中所用粉煤灰是大連華能電廠的一級(jí)粉煤灰。為了提高再生混凝土強(qiáng)度而摻入的聚丙烯纖維的性質(zhì)如表1，再生粗骨料的各項(xiàng)物理特征參數(shù)如表2，再生細(xì)骨料的各項(xiàng)物理特征參數(shù)如表3，骨料的含泥量：1.7%，附加水含量：137.5kg/m³。

1.2 再生混凝土配合比設(shè)計(jì)

本文中再生混凝土的配合比按照普通混凝土C30強(qiáng)度來設(shè)計(jì)。根據(jù)再生骨料的物理性質(zhì)試驗(yàn)的結(jié)果等確定再生混凝土以水膠比的不同分為A、B、C三組，在這三個(gè)大組中含有五個(gè)不同材料的配合比。在A、B、C三組中水膠比分別為0.5、0.55、0.6。考慮到經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和提高強(qiáng)度等因素，在混凝土中分別摻入粉煤灰、聚丙烯纖維和附加水。試驗(yàn)中粉煤灰的摻合量為水泥用量的20%，聚丙烯纖維的摻入量為1.2kg/m³。具體配合比如表4。

1.3 試件的制作和養(yǎng)護(hù)

試驗(yàn)第一批制作150mm×150mm×150mm的立方體試塊45個(gè)（立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)），第二批分別制作150mm×150mm×150mm的立方體試塊3個(gè)（劈裂抗拉強(qiáng)度），300mm×150mm×150mm的棱柱體試塊6個(gè)（3個(gè)用于軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，3個(gè)用于彈性模量試驗(yàn)），550mm×150mm×150mm的棱柱體試塊3個(gè)（抗折試驗(yàn)）?；炷翑嚢枵駬v后，裝模，然后抹平靜置24h后拆模，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)至28d后取出進(jìn)行試驗(yàn)。

1.4 試驗(yàn)方法

再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、彈性模量、抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)均按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50081-2002）進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 再生混凝土表觀密度

經(jīng)試驗(yàn)測得的再生混凝土表觀密度如表5。

由以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出：本文所研究的以廢棄混凝土為原料的再生混凝土的密度比相同等級(jí)的普通混凝土的密度要低，具有輕質(zhì)的特點(diǎn)。

2.2 再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度

混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度是混凝土最基本的力學(xué)性能指標(biāo)，所以，再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度也是非常重要的一項(xiàng)性能指標(biāo)。然而國內(nèi)外有許多試驗(yàn)研究，再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度值不盡相同。Frondisto-Yannas、肖建莊等一些國內(nèi)外學(xué)者做出的研究認(rèn)為再生混凝土抗壓強(qiáng)度比普通混凝土要低。與上述結(jié)論相反，Ridzuan、Salem經(jīng)試驗(yàn)后得到再生混凝土的抗壓強(qiáng)度較普通混凝土高。

2.2.1 再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果

本文對15組45塊標(biāo)準(zhǔn)立方體試件（150mm×150mm×150mm）進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。破壞過程如下：在豎向荷載作用下，試件受到液壓萬能試驗(yàn)機(jī)上下表面約束，期初試件受壓沒有任何明顯的變化，當(dāng)加載荷載到達(dá)一定值時(shí)，混凝土試件發(fā)生了豎向的壓縮變形和水平方向的延伸變形，在試件中部也有明顯的膨脹產(chǎn)生，試件的各個(gè)側(cè)面開始有碎片掉落。隨著荷載的進(jìn)一步增大，試件被壓壞。試件最終破壞時(shí)成正、倒相接的“八”字型四角錐。從破壞的形態(tài)來看，再生混凝土的破壞基本上均為粗骨料和膠凝材料之間的粘結(jié)破壞，未發(fā)現(xiàn)骨料被劈開的情況（圖1）。

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

由表6可以看出在水膠比分別為0.5（A組）、0.55（B組）、0.6（c組）中，第三小組配合比的混凝土立方體抗壓強(qiáng)度值最高分別為A3：37.1MPa、B3：34.8MPa、C3：30.7MPa。與普通混凝土立方體抗壓強(qiáng)度（30MPa）相比，水膠比為0.5的A組里，除了A5組（降低了6%）以外，其他四組的立方體抗壓強(qiáng)度值均比普通混凝土立方體抗壓強(qiáng)度（30MPa）高。水膠比為0.55的B組里，除了B5組（降低了38.3%）以外，其他四組的立方體抗壓強(qiáng)度值均比普通混凝土立方體抗壓強(qiáng)度（30MPa）高。而在水膠比為0.6的C組里，除了C3組（30.7MPa，提高了2.3%）以外，其他四組的立方體抗壓強(qiáng)度值均比普通混凝土立方體抗壓強(qiáng)度（30MPa）低。

在合理水膠比（經(jīng)過試驗(yàn)可知水膠比0.5、0.55較為合理）的情況下，粉煤灰和聚丙烯纖維的摻入都使再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度有所提高。這是因?yàn)椋涸谠偕炷林袚郊舆m量的優(yōu)質(zhì)粉煤灰，能夠改善其力學(xué)性能這是因?yàn)樽鳛榛钚該胶喜牧?，粉煤灰在水泥水化產(chǎn)物的堿激發(fā)作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，會(huì)生成具有膠凝性能的水化產(chǎn)物，從而提高了抗壓強(qiáng)度值；在再生混凝土中摻加適量的聚丙烯纖維，聚丙烯纖維的摻入，使立方體受壓時(shí)出現(xiàn)的應(yīng)力集中得以緩和，從而得到更好連續(xù)性，強(qiáng)度的提高比未摻纖維得到了較為顯著的提高。其主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：（1）混凝土中微裂縫的擴(kuò)張得到了有效阻止；（2）提高了基體的變形能力。此外與普通再生混凝土相比，摻入聚丙烯纖維的再生混凝土的破壞形態(tài)與之有所不同。摻入聚丙烯纖維的混凝土試件，受力破壞開裂，但未出現(xiàn)剝落破碎的現(xiàn)象，始終保持著試件的整體性，而且在裂縫處可以清楚地看到聚丙烯纖維連接著已經(jīng)開裂的混凝土。因此，在混凝土中添加聚丙烯纖維，可以提高混凝土的抗壓強(qiáng)度值。但加入附加水后，立方體抗壓強(qiáng)度值卻降低了，其原因可能是因?yàn)榧尤敫郊铀?，混凝土的用水量增大，流?dòng)性增強(qiáng)太多，膠凝材料的粘結(jié)性降低從而使立方體抗壓強(qiáng)度降低了。

總結(jié)：A、B、C三類混凝土相比而言，A組混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度較好，而且均高于普通C30混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度值，其中A3組混凝土為最優(yōu)，因此后續(xù)試驗(yàn)的配合比采用A3組混凝土的配合比。

2.3 軸心抗壓強(qiáng)度

經(jīng)計(jì)算，結(jié)果如表7。

普通混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度存在如下關(guān)系

f_cp=0.16f_cu式中：f_cp——軸心抗壓強(qiáng)度；

f_cu——立方體抗壓強(qiáng)度。

經(jīng)計(jì)算f_cp=28.2MPa，得出再生混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)值與理論值幾乎相等。

2.4 彈性模量

彈性模量試驗(yàn)見圖2，經(jīng)計(jì)算，結(jié)果如表8。

現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程中采用下式計(jì)算混凝土的彈性模量：式中：E_c——混凝土彈性模量，MPa；

f_cu——混凝土立方體抗壓強(qiáng)度，MPa。

經(jīng)計(jì)算得：E_c=31895MPa

根據(jù)按上式得到的再生混凝土彈性模量的計(jì)算值與試驗(yàn)值相比較，可以看出，兩值相差較大，不能用于再生混凝土彈性模量的計(jì)算。

在以往的研究中，Mellmann、Ravindrarajah、Dhir分別建議了再生粗骨料取代率為100%時(shí)混凝土彈性模量與抗壓強(qiáng)度關(guān)系式，如（1）（3）式所示：

E_c=378f_cu+8242 （1）

E_c=7.77×10³×f^0.33_cu（2）

E_c=13100+37f_cu（3）

計(jì)算結(jié)果見表9。

由表9可知式（2）、式（3）的計(jì)算值都高于試驗(yàn)值，只有式（1）的計(jì)算值與試驗(yàn)值相近。因此本文試驗(yàn)用的混凝土的彈性模量可以用式（1）校正。

總體而言，以廢棄混凝土為原料的再生混凝土的彈性模量，較普通C30混凝土的彈性模量相比要低一些。其原因是因?yàn)椋海?）用于再生混凝土中的再生骨料本身強(qiáng)度較低，使再生混凝土承受變形的能力較小從而影響了彈性模量的大小；（2）再生混凝土的孔隙率較高，易于發(fā)生非彈性變形。

2.5 抗折強(qiáng)度

再生混凝土抗折試驗(yàn)中（圖3），若試件下邊緣斷裂位置處于兩個(gè)集中荷載作用線之間，則試件的抗折強(qiáng)度（MPa）按《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50081-2002）中的要求計(jì)算，結(jié)果見表10。

隨著豎向荷載逐漸增加，試件底部表面出現(xiàn)裂縫，裂縫的位置位于所施加的兩個(gè)集中荷載之間。持續(xù)增加荷載，裂縫豎向延伸繼而貫穿試件而被折斷。

對于再生混凝土的抗折強(qiáng)度，Kawamura等Ahmad和Ikeda的試驗(yàn)表明再生混凝土的抗折強(qiáng)度和普通混凝土幾乎相同。而Ravindrarajah和Tam的試驗(yàn)表明，再生混凝土的抗折強(qiáng)度均較普通混凝土低10%。在CEB規(guī)范和ACI規(guī)范中，普通混凝土抗折強(qiáng)度f_f（MPa）和抗壓強(qiáng)度f_cu（MPa）經(jīng)驗(yàn)公式為：CEB：f_f=0.81f_cu^0.5

AC：f_f=0.54f_cu^0.5

經(jīng)計(jì)算得出，CEB：f_f=4.9MPa；ACI：f_f=3.3MPa。再生混凝土抗折強(qiáng)度的試驗(yàn)值居于ACI規(guī)范、CEB規(guī)范中經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算值之間。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是，雖然再生粗骨料在其處理破碎過程中產(chǎn)生了大量的微裂紋以及再生混凝土內(nèi)部存在一定的缺陷，但由于再生粗骨料表面被一定的膠凝材料和砂所包裹，從而增大了骨料的表面積，再加上骨料表面粗糙，均有利于增大界面粘結(jié)力；此外，再生混凝土中聚丙烯纖維的摻入，有效的提高了混凝土整體的抗拉性能，從而使再生混凝土抗裂能力得到了一定的提升。筆者經(jīng)過計(jì)算找出與再生混凝土抗折強(qiáng)度試驗(yàn)值較吻合的計(jì)算公式：

f_f=0.62f_cu^0.5

由此可見，以廢棄混凝土為骨料的再生混凝土的抗折強(qiáng)度與普通混凝土的抗折強(qiáng)度相差無幾。甚至高于國內(nèi)一些學(xué)者研究的再生混凝土的抗折強(qiáng)度，因此此類再生混凝土的可行性和實(shí)用性較高。

2.6 立方體劈裂抗拉強(qiáng)度

劈裂抗拉試驗(yàn)見圖4，混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表11。

在《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50010-2010》中，給出了普通混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度L（MPa）與抗壓強(qiáng)度f_cu（MPa）的換算關(guān)系式：

f_ts=0.19f_cu^0.75

經(jīng)計(jì)算得f_ts=2.86MPa，觀察再生混凝土試件劈裂抗拉破壞的斷裂面發(fā)現(xiàn)，再生混凝土大多為膠凝材料和粗骨料拉脫破壞，但少數(shù)有再生粗骨料被拉斷。筆者經(jīng)過計(jì)算找出與再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)值較吻合的計(jì)算公式：f_ts=0.11f_cu^0.75。

由以上結(jié)果可以看出，本文中再生混凝土的立方體劈裂抗拉強(qiáng)度值比理論值要低。原因可能有：（1）再生粗骨料與膠凝材料粘結(jié)力相對較小，在混凝土受到拉力時(shí)易發(fā)生開裂，（2）再生骨料本身就存在一些缺陷（例如裂縫等），使得混凝土試塊收拉時(shí)容易產(chǎn)生破壞。該再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度雖然比相同等級(jí)的普通混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度低，但仍然高于一部分學(xué)者所研究的再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度。因此可以使用。

3 結(jié)論

（1）從破壞的形態(tài)來看，再生混凝土與普通混凝土較為相似。而且在摻入聚丙烯纖維后，再生混凝土在受壓破壞后仍保持一定的整體性。

（2）在合理水膠比（經(jīng)過試驗(yàn)可知水膠比0.5、0.55較為合理）的情況下，粉煤灰和聚丙烯纖維的摻入都使再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度有所提高。但加入附加水后，立方體抗壓強(qiáng)度值卻有所降低.

（3）再生混凝土棱柱體抗壓強(qiáng)度與其立方體抗壓強(qiáng)度的比值為0.77，與《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的公式，吻合較好.

（4）再生混凝土抗折強(qiáng)度的試驗(yàn)值，正好處于ACI規(guī)范、CEB規(guī)范中經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算值之間，可靠性較高。筆者經(jīng)過計(jì)算找出與再生混凝土抗折強(qiáng)度試驗(yàn)值較吻合的計(jì)算公式：f_f=0.62f_cu^0.5。

（5）再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度和彈性模量均低于普通混凝土。其中筆者經(jīng)過計(jì)算找出與再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)值較吻合的計(jì)算公式：f_ts=0.11f_cu^0.75。

（6）整體來說，再生混凝土各方面的力學(xué)指標(biāo)都能滿足一定的強(qiáng)度要求。因此可以作為北方滿族民居的建設(shè)材料。