再生混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究*

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(1 陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西渭南 714000；2 大連理工現(xiàn)代工程檢測(cè)有限公司，遼寧大連 116024)

再生混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究*

李娜1，馮琪2，南黃河1，何冰1，羅云蔭1

(1 陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西渭南 714000；2 大連理工現(xiàn)代工程檢測(cè)有限公司，遼寧大連 116024)

在“低溫加熱-顆粒整形”工藝分離廢棄混凝土的基礎(chǔ)上，分析研究了再生粗骨料的性能以及再生混凝土的力學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在水灰比和砂率相同的基礎(chǔ)上，相較于素混凝土，當(dāng)再生粗骨料代替率為40%時(shí)，再生混凝土7d和28d的抗壓強(qiáng)度分別提高約6.9%和4.2%；再生混凝土的峰值應(yīng)力變化與抗壓強(qiáng)度變化趨勢(shì)相同，且兩者的提高原因皆源于彈性應(yīng)變的提高。

再生粗骨料，低溫分離工藝，彈性應(yīng)變

隨著生產(chǎn)力發(fā)展和城市化進(jìn)程的加速，能源危機(jī)和全球變暖已被公認(rèn)為是人類必須面對(duì)和亟待解決的問(wèn)題[1]，因此“綠色”和“可持續(xù)發(fā)展”就成為現(xiàn)今材料發(fā)展的大趨勢(shì)，然而在建筑業(yè)發(fā)展的同時(shí)，建筑物在拆建、改建和重建過(guò)程中產(chǎn)生了相當(dāng)數(shù)量的建筑垃圾[2]，如果把這部分建筑垃圾進(jìn)行簡(jiǎn)單的填埋，不僅占用大量農(nóng)田，而且在清運(yùn)過(guò)程中容易產(chǎn)生二次污染[3]，這就與“綠色”和“可持續(xù)發(fā)展”相違背，從而阻礙社會(huì)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，因此廢棄混凝土再利用已成為世界各國(guó)關(guān)注的熱點(diǎn)。

再生混凝土是將廢棄混凝土經(jīng)破碎、整形、分級(jí)后，按照一定的比例混合[4]，制備成與天然石子級(jí)配接近的骨料，采用部分或全部替代天然骨料配置而成。對(duì)再生粗骨料而言，其強(qiáng)度較基準(zhǔn)骨料低，主要由于其在解體破碎過(guò)程中的損傷累積，導(dǎo)致再生混凝土強(qiáng)度常低于相同配合比的基準(zhǔn)混凝土[5]。為提高再生骨料的品質(zhì)，我國(guó)對(duì)廢棄混凝土的分離方法進(jìn)行了深入研究。目前，加熱分離法是有效且對(duì)骨料損害最小的方法，但研究多集中于高溫分離[6-8]，高溫分離較之低溫分離，在節(jié)約資源、控制成本方面略顯劣勢(shì)。因此，本文以節(jié)能和環(huán)保為基礎(chǔ)，提出“低溫加熱-顆粒整形”工藝并對(duì)分離出的再生粗骨料的回收利用進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

試驗(yàn)過(guò)程中所需的原材料包括：型號(hào)為P·O 42.5R的水泥，基準(zhǔn)骨料為天然石子、天然砂，廢棄混凝土為齡期兩年的C30混凝土試塊，再生骨料通過(guò)將廢棄混凝土試塊經(jīng)“低溫加熱-顆粒整形”工藝分離得到，再生細(xì)粉粒徑小于0.3mm通過(guò)將廢棄混凝土試塊經(jīng)“低溫加熱-顆粒整形”工藝分離得到。

2.2 試驗(yàn)方法

廢棄混凝土試塊通過(guò)萬(wàn)能壓力機(jī)進(jìn)行破碎，并對(duì)破碎廢棄料進(jìn)行過(guò)篩，選用粒徑不大于26.5mm的物料作為本次試驗(yàn)的再生料，將其在馬弗爐中以40℃/min勻速加熱至200℃，再經(jīng)水泥試驗(yàn)?zāi)シ勰?min，進(jìn)行篩分處理，選擇粒徑5mm～26.5mm的粉末作為再生粗骨料(其性能如表1所示)，0.315mm～5mm的粉末為再生細(xì)骨料(其性能如表2和表3所示)，其余為再生細(xì)粉。

表1 再生粗骨料的性能Table 1 Properties of recycling coarse aggregate

表2 再生細(xì)骨料的顆粒級(jí)配Table 2 Grain composition of recycling fine aggregate

表3 再生細(xì)骨料與天然砂的性能Table 3 Properties of recycled fine aggregate and natural sand

將上述“低溫加熱-顆粒整形”工藝分離的再生粗骨料作為粗集料，在水灰比和砂率相同的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)整再生粗骨料的取代率，制備C30再生粗骨料混凝土(配合比如表4所示)，以探求再生粗骨料對(duì)再生粗骨料混凝土強(qiáng)度的影響，并制作棱柱體試件測(cè)得各摻量下峰值應(yīng)力應(yīng)變，從各個(gè)方面分析混凝土強(qiáng)度變化的原因。

按表5所示的配合比，在再生粗骨料取代率為20%(試驗(yàn)得出的最佳摻量)基礎(chǔ)上，加入30%再生細(xì)骨料替代天然砂制備混凝土(稱再生混凝土)，討論再生骨料對(duì)強(qiáng)度的影響，并在此基礎(chǔ)上，加入20%細(xì)粉替代水泥，探求完全再生混凝土的性能(再生細(xì)骨料摻量為本課題前期研究中得出的最佳摻量)。

表4 再生粗骨料混凝土配合比Table 4 Mix proportion of recycled coarse aggregate concrete

表5 再生混凝土配合比Table 5 Mix proportion of recycled aggregate concrete

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 再生粗骨料混凝土的力學(xué)性能

表6所示為同水灰比、同砂率條件下，再生粗骨料替代率分別為0、20%、40%和60%情況下不同齡期的抗壓強(qiáng)度值。圖1為根據(jù)抗壓強(qiáng)度值繪制成的強(qiáng)度變化趨勢(shì)圖，從圖中可看出隨著替代率的增大強(qiáng)度上升。當(dāng)替代率為40%時(shí)，7天和28天的再生粗骨料混凝土較基準(zhǔn)提高約6.9%和4.2%，而替代率為60%時(shí)強(qiáng)度有所降低，其值與基準(zhǔn)強(qiáng)度持平。說(shuō)明在水灰比和砂率相同的情況下，“單獨(dú)”替換粗骨料，替代率在一定范圍內(nèi)，強(qiáng)度有所提高。這與吳淑海和張虹等[9-10]研究結(jié)果相同，即在配比和級(jí)配均相同的條件下，再生骨料與類似材質(zhì)的天然骨料制成的混凝土相比，前者強(qiáng)度更高。

表6 再生粗骨料混凝土強(qiáng)度和流動(dòng)度Table 6 Fluidity and strength of recycled coarse aggregate concrete

圖1 再生粗骨料抗壓強(qiáng)度Fig.1 Compressive strength of recycling coarse aggregate concrete

為進(jìn)一步評(píng)價(jià)本工藝分離得到再生粗骨料的變形能力，對(duì)再生粗骨料混凝土棱柱體的峰值應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行測(cè)試，其結(jié)果見(jiàn)表7，變化趨勢(shì)如圖2所示。圖中峰值應(yīng)力與立方體抗壓強(qiáng)度變化相同，而峰值應(yīng)變?cè)谔娲蕿?0%時(shí)，相對(duì)基準(zhǔn)試樣提高約3%，表明再生粗骨料混凝土在短期加載的情況下，應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)龃蠖龃蟆幕炷亮W(xué)性能上看，彈性模量降低是峰值應(yīng)力應(yīng)變改變的根本原因。這里彈性模量指的是應(yīng)力應(yīng)變曲線中混凝土的原點(diǎn)彈性模量，而峰值點(diǎn)壓應(yīng)變由彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變組成，其中彈性應(yīng)變?yōu)榛炷翉椥噪A段變形，按《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》中取峰值壓應(yīng)力的0.4倍作為彈性應(yīng)力值，可算出彈性階段應(yīng)變的大小，進(jìn)而得到峰值點(diǎn)彈性應(yīng)變比例，其值如表8所示。由彈性應(yīng)變比例可得出：隨再生粗骨料替代率增加峰值點(diǎn)彈性應(yīng)變?cè)黾?，即彈性階段再生粗骨料混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線斜率較普通混凝土小，曲線增長(zhǎng)緩慢，變形能力增強(qiáng)，立方體抗壓強(qiáng)度增高，因此筆者認(rèn)為再生粗骨料混凝土峰值應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)的來(lái)源主要是彈性應(yīng)變。

再生混凝土與普通混凝土類似，由水泥基材料、骨料和兩者界面三相組成，其強(qiáng)度也由三者決定。首先由廢棄混凝土中分離得到的再生粗骨料，在分離和整形的過(guò)程中受到外力作用，使原骨料中少量已有裂紋的粗骨料沿巖石解理破裂，從而達(dá)到“棱角增強(qiáng)”和“堅(jiān)固性選優(yōu)”的目的。其次盡管再生粗骨料經(jīng)過(guò)多次整形，但其表面仍有殘余水泥石附著，其較強(qiáng)的親水性使再生骨料與新水泥基材料的界面水灰比變大，過(guò)渡區(qū)內(nèi)結(jié)構(gòu)相對(duì)疏松且厚度增加，當(dāng)再生骨料大量替代天然骨料時(shí)新舊ITZ界面增厚，混凝土的第三相強(qiáng)度降低，整體強(qiáng)度也隨之下降，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)替代率為60%時(shí)大部分裂縫沿骨料破壞，而替代率為20%和40%時(shí)多為骨料破壞，表明在一定替代率范圍內(nèi)，再生混凝土的強(qiáng)度由骨料決定，而超過(guò)范圍則由骨料與新水泥基材料間的界面強(qiáng)度決定。

表7 再生粗骨料混凝土的峰值應(yīng)力應(yīng)變和彈性模量Table 7 Peak stress -strain and elasticity modulus of recycled coarse aggregate concrete

圖2 再生粗混凝土應(yīng)力應(yīng)變Fig.2 Strain and stress of recycling aggregate concrete

表8 再生粗骨料混凝土的峰值應(yīng)變Table 8 Peak strain of recycled coarse aggregate concrete

2.2 再生骨料混凝土的力學(xué)性能

表9為再生骨料混凝土立方體抗壓強(qiáng)度表，圖3為根據(jù)立方體強(qiáng)度值繪制成的折線圖，從A0和B的強(qiáng)度變化可看出在保持水灰比和砂率不變的情況下，30%再生細(xì)骨料替代天然砂后，7天和28天強(qiáng)度均降低約9%。這與再生細(xì)骨料自身的性能有關(guān)，其吸水率過(guò)高，不但降低了拌合物的坍落度，而且使水泥基材料強(qiáng)度以及與骨料的粘結(jié)應(yīng)力都有所降低。

再生細(xì)骨料中混有部分硬化水泥顆粒，當(dāng)替代部分天然砂時(shí)，其“真實(shí)的砂率”相對(duì)基準(zhǔn)混凝土而言有所降低，是再生細(xì)骨料混凝土強(qiáng)度降低的原因之一。其次，再生細(xì)骨料有石屑和硬化水泥石摻入，強(qiáng)度和堅(jiān)固性都大大降低。最后，再生細(xì)骨料吸水率偏高，使過(guò)渡區(qū)內(nèi)水灰比進(jìn)一步提高，造成界面厚度增加且與骨料間的粘結(jié)力下降，是再生細(xì)骨料混凝土強(qiáng)度下降的主要原因。另外實(shí)驗(yàn)中裂縫界面均沿骨料破壞，再次表明再生細(xì)骨料混凝土強(qiáng)度降低的原因起自細(xì)骨料本身的性能。

表9 再生骨料混凝土流動(dòng)度及強(qiáng)度Table 9 Fluidity and strength of recycling aggregate concrete

圖3 再生骨料抗壓強(qiáng)度對(duì)比Fig.3 Compressive strength of recycling aggregate concrete

圖3為再生混凝土的抗壓強(qiáng)度對(duì)比，C強(qiáng)度較A0降低約50%，其原因在于20%的細(xì)粉替代水泥后，膠凝材料活性指數(shù)降低，進(jìn)而在拌合混凝土的過(guò)程中，“水灰比”較設(shè)計(jì)時(shí)降低，立方體抗壓強(qiáng)度自然隨著降低。圖4為再生混凝土破壞形態(tài)圖，從圖中可看出A0和C的裂縫有明顯區(qū)別。C試樣由于加入再生細(xì)粉，當(dāng)出現(xiàn)裂縫后立方體試件立即被破壞，且破壞模式變現(xiàn)為較強(qiáng)的脆性剪切破壞，而A0則趨于倒相連的四角錐形。

圖4 再生混凝土的破壞形態(tài)Fig.4 Failure appearance of recycled concrete

3 再生骨料混凝土再利用的前景

將大量混凝土廢棄物再利用，所需技術(shù)設(shè)備簡(jiǎn)單且處理費(fèi)用低，相比現(xiàn)階段垃圾清運(yùn)和購(gòu)買建筑材料所需費(fèi)用而言，具有較大的贏利空間，滿足經(jīng)濟(jì)的可行性。當(dāng)今世界正處于能源匱乏和環(huán)境污染加劇的狀態(tài)，如能科學(xué)有效地分離廢棄混凝土，不但可節(jié)約砂石等自然資源，更能促進(jìn)資源與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，符合我國(guó)科學(xué)發(fā)展觀念，利于建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)論

(1)在水灰比和砂率相同的條件下，隨再生粗骨料替代率提高再生粗骨料混凝土強(qiáng)度略微上升，且在一定替代率范圍內(nèi)，再生粗混凝土的強(qiáng)度由骨料決定，而超過(guò)范圍則由骨料與水泥間的界面強(qiáng)度決定。

(2)最終提出再生粗骨料混凝土配合比為W∶C∶S∶G=178∶380∶810∶950。

(3)再生粗骨料混凝土峰值應(yīng)變較普通混凝土提高，其中峰值應(yīng)變提高的主要來(lái)源是彈性應(yīng)變的提高。

(4)再生細(xì)骨料自身性能的下降對(duì)再生細(xì)骨料混凝土強(qiáng)度降低起決定作用。

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ExperimentalResearchontheMechanicalPropertiesofRecycledConcrete

LI Na1，F(xiàn)ENG Qi2，NAN Huang-he1，HE Bing1，LUO Yun-yin1

(1 Shaanxi Railway Institute，Weinan 714000，Shaanxi，China；2 Dalian Institute of Technology，Modern Engineering Detection Co. LTD，Dalian 116024，Liaoning，China)

Based on the “Low temperature heating-particle shaping” process for separating waste concrete，the performance of recycled coarse aggregate，combined with the mechanical properties of the recycled concrete，were analyzed systematically in this paper. Compared to the reference concrete，all the results showed that the compressive strength of recycled concrete，which prepared by 40% replacement ratio of recycled coarse aggregate，was improved by 6.9% and 4.2% at 7d and 28d，respectively. The changes of peak stress followed that of the compressive strength，which caused by the improvement of the corresponding elastic strain.

recycled coarse aggregate，low temperature separating process，elastic strain

TQ 172.71

陜西省教育廳自然科學(xué)基金專項(xiàng)(16JK1172)；陜西省高性能混凝土工程實(shí)驗(yàn)室專項(xiàng)課題(G2015-01)