全再生粗骨料混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)與評(píng)價(jià)研究

潘麗云, 梁娜, 胡飛佳, 姚坤奇, 程丹丹, 裴松偉

(華北水利水電大學(xué) 河南省生態(tài)建材工程國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,河南 鄭州 450045)

全再生粗骨料混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)與評(píng)價(jià)研究

潘麗云, 梁娜, 胡飛佳, 姚坤奇, 程丹丹, 裴松偉

(華北水利水電大學(xué) 河南省生態(tài)建材工程國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,河南 鄭州 450045)

全再生粗骨料混凝土的研發(fā)旨在從最大程度上利用再生粗骨料并盡可能減少對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備的改動(dòng),從而獲得混凝土產(chǎn)業(yè)綠色化的最大綜合效益。基于不同混凝土水灰比情況下,考慮再生骨料預(yù)處理方式、再生粗骨料粒徑和細(xì)骨料類型等因素影響,進(jìn)行了全再生粗骨料混凝土配合比設(shè)計(jì)及其拌合物工作性能和立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和彈性模量等基本力學(xué)性能的系列試驗(yàn)。結(jié)果表明:再生骨料預(yù)濕處理對(duì)混凝土拌合物保持良好工作性能及混凝土強(qiáng)度達(dá)到預(yù)期是非常必要的;隨著再生粗骨料粒徑的增大,混凝土的流動(dòng)性增大,但抗壓強(qiáng)度減小;水灰比相同時(shí),全再生粗骨料混凝土的基本力學(xué)性能按采用機(jī)制砂、天然砂、混合砂和再生細(xì)骨料的次序減小,與干表觀密度依次減小的順序相對(duì)應(yīng)；提出了基于鮑羅米公式預(yù)測(cè)全再生粗骨料混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的修正系數(shù),分析了軸心抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和彈性模量與立方體抗壓強(qiáng)度的關(guān)系,并基于現(xiàn)行規(guī)范GB 50010—2010的規(guī)定提出了按強(qiáng)度等級(jí)進(jìn)行相應(yīng)取值的建議。該研究可為全再生骨料在預(yù)拌混凝土中的推廣和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

全再生粗骨料混凝土;再生粗骨料;細(xì)骨料;配合比;水灰比;工作性能;力學(xué)性能

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn),由建筑物拆除所產(chǎn)生的建筑垃圾數(shù)量驚人,大量的建筑垃圾已成為亟待解決的重大科技和環(huán)保問(wèn)題。在建筑垃圾中,廢棄混凝土占據(jù)主要份額,因此，研究廢棄混凝土再生利用技術(shù)是非常必要的。目前,將廢棄混凝土經(jīng)過(guò)破碎、篩分等工序加工后生產(chǎn)成再生骨料,再制備成新混凝土，是廢棄混凝土再生利用的一種有效方法[1-2]。

相對(duì)于天然碎石骨料,再生粗骨料具有表面粗糙、水泥砂漿含量高、顆粒棱角多、表觀密度小、強(qiáng)度低、孔隙率高和吸水性強(qiáng)等特性[3-7]。與天然砂比較,再生細(xì)骨料具有顆粒棱角多、水泥砂漿含量高、形貌不均質(zhì)(含有凝膠和氫氧化鈣化合物)、多相異質(zhì)性(天然骨料和水泥漿體相雜)、密度低和吸水率高等特性[6-9]。因此,與普通混凝土比較,由再生粗骨料和再生細(xì)骨料配制的混凝土在工作性能和力學(xué)性能方面也存在較明顯的差異,且多數(shù)研究認(rèn)為是變差的[6-10]。鑒于此,大量的試驗(yàn)研究集中于采用部分再生粗骨料替代天然碎石(以再生粗骨料替代率表征)、部分再生細(xì)骨料替代天然砂(以再生細(xì)骨料替代率表征)配制再生骨料混凝土,進(jìn)行相近配合比條件下再生骨料混凝土與普通混凝土的性能比對(duì)，并以普通混凝土的性能為參照標(biāo)準(zhǔn),得出了再生骨料混凝土性能受再生粗骨料替代率、再生細(xì)骨料替代率的影響規(guī)律或者計(jì)算公式[10-17]。

從混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用角度考慮,混凝土軸心抗壓、抗拉、彈性模量等基本力學(xué)性能設(shè)計(jì)指標(biāo)直接對(duì)應(yīng)于其強(qiáng)度等級(jí),而不需要規(guī)定混凝土所采用骨料的類型[18]。從混凝土配制技術(shù)角度出發(fā),混凝土配制時(shí)，粗骨料粒型會(huì)顯著影響混凝土拌合物的坍落度。因此，需對(duì)采用碎石、卵石的塑性混凝土用水量加以區(qū)別。此外,混凝土配制過(guò)程中均以混凝土試配強(qiáng)度作為控制指標(biāo),普通混凝土所用骨料在巖性、物理和力學(xué)性能等方面存在的差異不要求作為混凝土配合比的設(shè)計(jì)因素[19]。因此,研究再生骨料的形貌特征和物理力學(xué)性能對(duì)混凝土微細(xì)觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和耐久性能的影響,對(duì)明確再生骨料與其混凝土的內(nèi)在聯(lián)系，探究再生骨料改性及其混凝土性能提升的方法和技術(shù)措施具有重要的科學(xué)意義,同時(shí)對(duì)提升再生骨料混凝土的制備技術(shù)水平也具有重要的工程價(jià)值。但是,過(guò)于強(qiáng)調(diào)再生骨料的特性,并在確定再生骨料混凝土基本力學(xué)性能時(shí)引入再生骨料母體混凝土、再生骨料替代率等影響因素[11,17,20],偏離了混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo)按強(qiáng)度等級(jí)確定的原則,這可能對(duì)再生骨料混凝土的結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用造成困惑和阻力。

因此,通過(guò)學(xué)習(xí)、吸納現(xiàn)有的再生骨料及其混凝土研究經(jīng)驗(yàn),將再生骨料混凝土的制備及其基本力學(xué)性能的研究,調(diào)整到結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)的應(yīng)用技術(shù)路線上,是本項(xiàng)目研究的出發(fā)點(diǎn)和預(yù)期目標(biāo)?？傮w原則為:①基于混凝土配制強(qiáng)度,考慮再生骨料特性對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，調(diào)整混凝土配合比設(shè)計(jì)計(jì)算公式;②基于再生骨料吸水率大而快的特點(diǎn),對(duì)再生骨料進(jìn)行預(yù)濕處理;③基于現(xiàn)有的普通混凝土生產(chǎn)設(shè)備,適度調(diào)整再生骨料混凝土制備工藝。本文介紹了粗骨料全部采用再生粗骨料，細(xì)骨料分別采用天然砂、再生細(xì)骨料、機(jī)制砂和混合砂的再生骨料混凝土(總稱為全再生粗骨料混凝土)的部分研究成果,包括配合比設(shè)計(jì)、拌合物工作性能、表觀密度和混凝土基本力學(xué)性能,并對(duì)以強(qiáng)度等級(jí)為基準(zhǔn)的基本力學(xué)性能進(jìn)行了評(píng)價(jià),提出了設(shè)計(jì)建議。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

試驗(yàn)用水泥采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥,其性能指標(biāo)見表1。

表1 試驗(yàn)用水泥的物理力學(xué)性能

再生粗骨料來(lái)源于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)破壞的預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋箱梁經(jīng)過(guò)粗碎、細(xì)碎、篩分等工序得到的粒徑分別為5～10 mm、10～16 mm、16～20 mm的單粒徑骨料,如圖1所示。

圖1 再生粗骨料的制備

經(jīng)人工篩分得到單粒徑的骨料后,采用四分法配置連續(xù)粒徑的級(jí)配。具體做法為:①將5～10 mm、10～16 mm的再生粗骨料按照1∶1的質(zhì)量比混合均勻,四分后測(cè)出堆積密度;②按6∶4和4∶6的質(zhì)量比混合,測(cè)出骨料堆積密度;③計(jì)算最大堆積密度的5～16 mm連續(xù)級(jí)配再生粗骨料的單粒級(jí)組合。將配合好的5～16 mm骨料與16～20 mm骨料按照同樣的方法四分,得出最大堆積密度的5～20 mm連續(xù)級(jí)配再生粗骨料單粒級(jí)組合。再生粗骨料的材料性能見表2。

表2 再生粗骨料的材料性能

細(xì)骨料包括天然砂、機(jī)制砂、再生細(xì)骨料和混合砂。再生細(xì)骨料為再生粗骨料的共生產(chǎn)物,由5 mm以下的破碎顆粒按0.0～2.5 mm和2.5～5.0 mm篩分后,根據(jù)級(jí)配要求確定適當(dāng)比例，再重新混合得到?；旌仙坝商烊簧昂驮偕?xì)骨料按比例混合而成。細(xì)骨料的主要材料性能見表3,再生粗骨料與細(xì)骨料的吸水性試驗(yàn)結(jié)果見表4和如圖2所示。

表3 細(xì)骨料的材料性能

表4 再生骨料的1 h吸水試驗(yàn)結(jié)果 %

圖2 再生骨料吸水率曲線

試驗(yàn)用拌合水為生活用水。減水劑采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的高效減水劑,減水率為15%。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

由于骨料的表觀密度差異較大,全再生骨料混凝土的配合比設(shè)計(jì)參照普通混凝土配合比設(shè)計(jì)中的絕對(duì)體積法[19]進(jìn)行。主要內(nèi)容為：設(shè)定拌合物坍落度為90～120 mm；考慮再生骨料具有較大的吸水率,增加使再生骨料達(dá)到飽和面干狀態(tài)所需的附加用水量，附加用水量按再生骨料1 h吸水率計(jì)算；減水劑用量為水泥用量的百分比。經(jīng)過(guò)試配調(diào)整后的全再生粗骨料混凝土配合比見表5,編號(hào)中的數(shù)字為水灰比,字母為采用的細(xì)骨料類型。其中NR為天然砂、MR為機(jī)制砂、RR為再生細(xì)骨料、HR為混合砂。

表5 全再生粗骨料混凝土的配合比

1.3 攪拌與成型方法

為了驗(yàn)證再生骨料吸水性對(duì)全再生粗骨料混凝土的拌合物工作性能和強(qiáng)度的影響,制定混凝土原材料的混合攪拌方式為如下3種:

1)不考慮附加用水。將再生粗骨料、細(xì)骨料、水泥一并加入攪拌機(jī)內(nèi),攪拌均勻;加入拌合水和減水劑,攪拌5 min。

2)預(yù)濕骨料。將再生粗骨料加入攪拌機(jī)內(nèi)(細(xì)骨料采用再生細(xì)骨料時(shí)也一并加入),邊攪拌邊加入附加用水,攪拌均勻后靜置20 min,使再生骨料得到預(yù)濕處理;加入細(xì)骨料、水泥,攪拌均勻;加入拌合水和減水劑,攪拌3 min。

3)一次性加入附加用水和拌合水。將再生粗骨料、細(xì)骨料、水泥一并加入攪拌機(jī)內(nèi),攪拌均勻;加入拌合水、附加用水和減水劑,攪拌5 min。

混凝土攪拌完成后,先進(jìn)行拌合物的工作性能試驗(yàn),然后將混凝土裝模、振動(dòng)臺(tái)振實(shí)、抹面成型、用薄膜覆蓋養(yǎng)護(hù)24 h;拆模后移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室,養(yǎng)護(hù)到試驗(yàn)齡期時(shí)再進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。

1.4 試驗(yàn)方法

混凝土拌合物坍落度和表觀密度試驗(yàn)按照規(guī)范GB/T 50080—2002的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行[21],混凝土干表觀密度由立方體試塊按烘干法測(cè)定。

混凝土基本力學(xué)性能試驗(yàn)按照規(guī)范GB/T 50081—2002的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行[22]。加載裝置采用微機(jī)控制的全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)。混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)試采用尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊,共計(jì)240個(gè);混凝土軸心抗壓強(qiáng)度和彈性模量測(cè)試采用尺寸為150 mm×150 mm×300 mm的棱柱體試塊,共計(jì)120個(gè)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 攪拌方式的合理性

全再生粗骨料混凝土采用不同攪拌方式時(shí)的拌合物工作性能如圖3和圖4所示,圖中(a)(b)(c)分別對(duì)應(yīng)不考慮附加用水、預(yù)濕骨料、一次性加入附加用水和拌合水3種攪拌方式?；炷恋牟煌瑢?shí)測(cè)坍落度及28 d立方體抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu,0見表6。

圖3 再生骨料處理方式對(duì)RR0.5混凝土拌合物工作性能的影響

圖4 再生骨料處理方式對(duì)RR0.3混凝土拌合物工作性能的影響

表6 不同再生骨料處理方式的混凝土坍落度和抗壓強(qiáng)度

由圖3、圖4和表6可以看出：相同配合比情況下,采用方式(b)進(jìn)行試驗(yàn)的混凝土拌合物工作性能和抗壓強(qiáng)度的效果最佳；采用方式(a)進(jìn)行試驗(yàn)的混凝土工作性能最差,其中RR0.3混凝土拌合物沒(méi)有黏聚性,盡管RR0.5混凝土抗壓強(qiáng)度較高,但其拌合物的坍落度不滿足80～120 mm的設(shè)計(jì)要求；采用方式(c)進(jìn)行試驗(yàn)的RR0.3混凝土拌合物工作性能良好,但RR0.5混凝土拌合物出現(xiàn)了輕微泌水和骨料離析現(xiàn)象,且它們的抗壓強(qiáng)度均偏低。因此,攪拌時(shí)需要充分考慮再生骨料的高吸水性特點(diǎn),應(yīng)使再生骨料在拌合前得到有效的預(yù)濕處理。為此,后續(xù)所述的混凝土攪拌方式均采用方式(b)進(jìn)行。

經(jīng)過(guò)預(yù)濕處理再生骨料的全再生粗骨料混凝土的坍落度實(shí)測(cè)結(jié)果見表7。由表7可知：各類型混凝土拌合物的坍落度實(shí)測(cè)值均滿足設(shè)計(jì)要求；除采用天然砂的NR0.6混凝土拌合物保水性略差以外,其他混凝土拌合物的黏聚性和保水性均正常。進(jìn)一步證明了預(yù)濕處理再生骨料可保證混凝土拌合物工作性能處于穩(wěn)定狀態(tài)。

表7 預(yù)濕處理全再生粗骨料混凝土拌合物的坍落度

2.2 粗骨料粒徑的影響

骨料在混凝土中起骨架和穩(wěn)定的作用,對(duì)混凝土拌合物的工作性能及硬化后的力學(xué)和耐久性能具有重要的影響。再生粗骨料與水泥砂漿的界面黏結(jié)強(qiáng)度與粗骨料的粒徑有關(guān)[6-8]。本文選取最大粒徑為16 mm和20 mm的連續(xù)級(jí)配再生粗骨料配制全再生骨料混凝土,進(jìn)行了水灰比分別為0.3、0.4和0.5的試驗(yàn),不同再生粗骨料粒徑的RR0.5混凝土拌合物對(duì)比情況如圖5所示,不同再生粗骨料粒徑混凝土的性能見表8。由圖5和表8可知，隨著再生粗骨料粒徑的增大,全再生粗骨料混凝土的流動(dòng)性增大,但其抗壓強(qiáng)度減小。這主要緣于再生粗骨料粒徑較大時(shí),骨料總表面積減小而導(dǎo)致需要包裹的水泥砂漿量減少,較多的水泥砂漿填充在骨料之間,起到流動(dòng)潤(rùn)滑的作用,從而提高了拌合物的流動(dòng)性,這與天然粗骨料粒徑對(duì)混凝土拌合物工作性能的影響是一致的;但是,由于再生粗骨料粒徑增大時(shí),其表面黏附的舊混凝土砂漿較多,降低了其與新混凝土砂漿界面的黏結(jié)強(qiáng)度,導(dǎo)致了混凝土抗壓強(qiáng)度的降低[5,23]。綜合考慮結(jié)構(gòu)工程混凝土的常用粗骨料粒徑,且考慮到廢舊混凝土破碎生產(chǎn)再生骨料的成本隨骨料粒徑的減小而增加,本文選用的再生粗骨料粒徑為5～20 mm。

圖5 不同再生粗骨料粒徑的RR0.5混凝土拌合物對(duì)比

指標(biāo)RR0.316mm20mmRR0.416mm20mmRR0.516mm20mm坍落度/mm90105909580110fcu,0/MPa—63.249.342.936.530.6

2.3 混凝土表觀密度

不同細(xì)骨料類型的全再生粗骨料混凝土的表觀密度實(shí)測(cè)結(jié)果見表9。由表9可以看出，全再生混凝土的濕表觀密度值為2 242～2 380 kg/m3,干表觀密度值為2 079～2 267 kg/m3,兩者均處于普通混凝土表觀密度范圍的偏低區(qū)域[19]?？傮w來(lái)看,全再生粗骨料混凝土的干表觀密度,按采用再生細(xì)骨料、混合砂、天然砂、機(jī)制砂的次序逐漸增大。這說(shuō)明水泥砂漿對(duì)再生粗骨料的填充作用受到細(xì)骨料的顆粒形貌、級(jí)配狀況等的影響,進(jìn)而對(duì)再生粗骨料混凝土的密實(shí)性產(chǎn)生了影響。本試驗(yàn)采用的4種細(xì)骨料中,再生細(xì)骨料的多棱角、表面粗糙的形貌特性降低了其與水泥漿組合體的流動(dòng)能力和填充作用,使得全再生粗骨料混凝土的密實(shí)性降低，表觀密度也隨之減小。

表9 不同細(xì)骨料類型的全再生粗骨料混凝土的表觀密度

2.4 細(xì)骨料類型的影響

2.4.1 混凝土破壞形態(tài)

不同細(xì)骨料的再生粗骨料混凝土立方體試塊受壓破壞形態(tài)如圖6所示。由圖6可以看出:全再生粗骨料混凝土立方體試塊的受壓破壞形態(tài)呈對(duì)頂錐形體,且為典型的破壞形態(tài);破壞面裸露的再生粗骨料沒(méi)有壓碎跡象,表明再生粗骨料與水泥砂漿的黏結(jié)界面是破壞的薄弱環(huán)節(jié)。

圖6 不同細(xì)骨料的再生粗骨料混凝土的受壓破壞形態(tài)

全再生粗骨料混凝土的軸心受壓破壞形態(tài)如圖7所示。

圖7 全再生粗骨料混凝土的軸心受壓破壞形態(tài)

由圖7可以看出：棱柱體試塊的4個(gè)立面均產(chǎn)生了因縱向受壓導(dǎo)致的橫向膨脹變形引起的混凝土剝落、向內(nèi)凹陷的破壞;全再生粗骨料混凝土澆筑振搗密實(shí)、骨料分布均勻,屬于典型的軸心受壓破壞形態(tài)。

全再生粗骨料混凝土立方體試塊進(jìn)行劈裂抗拉試驗(yàn)時(shí),粗骨料被劈開,開裂面比較平整。

2.4.2 基本力學(xué)性能

全再生粗骨料混凝土立方體抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu,0、軸心抗壓強(qiáng)度f(wàn)c,0、劈裂抗拉強(qiáng)度f(wàn)t,0和彈性模量Ec,0的試驗(yàn)結(jié)果見表10。

表10 全再生粗骨料混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

全再生粗骨料混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度隨水灰比(W/C)的變化如圖8所示。

圖8 全再生粗骨料混凝土抗壓強(qiáng)度隨水灰比的變化

由圖8可以看出：①整體上,各類型全再生粗骨料混凝土抗壓強(qiáng)度均隨水灰比的增大而降低,這與普通混凝土的變化規(guī)律一致[19,24]。②水灰比相同時(shí),全再生粗骨料混凝土立方體抗壓強(qiáng)度按細(xì)骨料類型以再生細(xì)骨料、混合砂、天然砂和機(jī)制砂的順序依次增大;采用再生細(xì)骨料時(shí),水灰比為0.5和 0.6的全再生粗骨料混凝土立方體抗壓強(qiáng)度明顯降低。③全再生粗骨料混凝土軸心抗壓強(qiáng)度受細(xì)骨料類型的影響程度與水灰比相關(guān),水灰比為0.6時(shí)強(qiáng)度最低。這符合機(jī)制砂混凝土和普通混凝土抗壓強(qiáng)度變化的一般規(guī)律[24-25],也與前文所述的全再生粗骨料混凝土的密實(shí)性按采用再生細(xì)骨料、混合砂、天然砂、機(jī)制砂的次序逐漸增大的規(guī)律相符合。

以全再生粗骨料混凝土3 d和7 d齡期的抗壓強(qiáng)度與28 d齡期的抗壓強(qiáng)度的比值為縱坐標(biāo)、水灰比為橫縱標(biāo)，繪制不同齡期立方體抗壓強(qiáng)度的變化，結(jié)果如圖9所示。從圖9中可以看出：①采用天然砂、機(jī)制砂的全再生粗骨料混凝土,其3 d和7 d齡期的抗壓強(qiáng)度與28 d齡期的抗壓強(qiáng)度的比值均表現(xiàn)出隨水灰比增大而減小的規(guī)律,且采用天然砂的全再生粗骨料混凝土的強(qiáng)度比值大于采用機(jī)制砂的全再生粗骨料混凝土。②采用再生細(xì)骨料和混合砂制作的全再生粗骨料混凝土的強(qiáng)度發(fā)展與水灰比相關(guān),且沒(méi)有呈現(xiàn)規(guī)律性變化;在水灰比為0.3和0.6時(shí),強(qiáng)度比值均較低。這可能源于全再生粗骨料混凝土拌合物工作性能的最佳狀態(tài)因細(xì)骨料種類的不同而對(duì)應(yīng)不同范圍的水灰比,使其澆筑成型后的密實(shí)度產(chǎn)生了差異。

圖9 全再生粗骨料混凝土不同齡期的立方體抗壓強(qiáng)度的變化

全再生粗骨料混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度隨水灰比的變化如圖10所示。由圖10可知：①除了采用混合砂的全再生粗骨料混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度隨水灰比的變化出現(xiàn)波動(dòng)變化外,其余類型的全再生粗骨料混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度基本上隨水灰比的增大呈減小趨勢(shì)。②與采用天然砂的全再生粗骨料混凝土相比,采用機(jī)制砂的全再生粗骨料混凝土在水灰比分別為0.3和0.4時(shí)降低了8.7%和11.8%,在水灰比分別為0.5和0.6時(shí)則提高了3.7%和3.4%。③采用再生細(xì)骨料的全再生粗骨料混凝土在水灰比為0.5時(shí)的量值相當(dāng),在水灰比分別為0.3、0.4和0.6時(shí)則降低了13%左右。原因依然是由于不同種類的細(xì)骨料對(duì)全再生粗骨料混凝土的密實(shí)性產(chǎn)生的影響,使得內(nèi)部存在的孔隙影響了粗骨料與水泥漿體界面的黏結(jié)強(qiáng)度。

圖10 全再生粗骨料混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度隨水灰比的變化

全再生粗骨料混凝土彈性模量隨水灰比的變化如圖11所示。由圖11可知,全再生粗骨料混凝土的彈性模量按照細(xì)骨料采用機(jī)制砂、天然砂、混合砂和再生細(xì)骨料的次序依次降低,并隨水灰比的增大呈減小趨勢(shì)。該變化的次序與全再生粗骨料混凝土立方體抗壓強(qiáng)度受細(xì)骨料種類影響的次序相同,反映了不同細(xì)骨料對(duì)粗骨料填充作用的差異引起全再生粗骨料混凝土的抗壓變形能力的不同。

圖11 全再生粗骨料混凝土彈性模量隨水灰比的變化

3 基本力學(xué)性能評(píng)價(jià)

在上述試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合本課題組前期取得的全再生骨料混凝土、機(jī)制砂再生粗骨料混凝土的試驗(yàn)數(shù)據(jù)[26-27],進(jìn)行了全再生粗骨料混凝土的基本力學(xué)性能評(píng)價(jià)。

3.1 立方體抗壓強(qiáng)度

天然砂再生混凝土的水灰比仍采用普通混凝土的鮑羅米公式計(jì)算,即:

(1)

式中：fce為水泥膠砂強(qiáng)度，MPa;αa和αb為回歸系數(shù)。

令αab=-αaαb,將式(1)變換為線性關(guān)系式

(2)

以C/W為橫軸、fcu，0/fce為豎軸,繪制全再生粗骨料混凝土試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖12所示。由圖12中的試驗(yàn)散點(diǎn)數(shù)據(jù)可見,采用不同種類細(xì)骨料的全再生粗骨料混凝土實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)混雜在一起,說(shuō)明細(xì)骨料種類對(duì)C/W～fcu，0/fce關(guān)系的影響沒(méi)有規(guī)律性。分別將如下3種系數(shù)代入式(2)可得到圖12中的3條預(yù)測(cè)線：①采用線性回歸對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,可得到αa=0.316,標(biāo)準(zhǔn)差為0.035 7;αab=0.115,標(biāo)準(zhǔn)差為0.089 3；②考慮抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)具有95%的保證率,可得到αa=0.257,αab=-0.032；③現(xiàn)行規(guī)范JGJ 55—2011[19]規(guī)定的普通碎石混凝土配合比設(shè)計(jì)中,αa=0.200,αb=0.130,則αab=-0.026。顯而易見,由于再生粗骨料的影響,若全再生粗骨料混凝土采用式(1)預(yù)測(cè)強(qiáng)度時(shí),將直接選用普通碎石混凝土的系數(shù)，計(jì)算結(jié)果會(huì)與實(shí)際強(qiáng)度存在較大的偏差。依據(jù)上述分析對(duì)比結(jié)果,采用全再生粗骨料配制混凝土?xí)r,建議取αa=0.257,αb=0.125，αab=-0.032。

圖12 全再生粗骨料混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值比較

3.2 軸心抗壓強(qiáng)度

全再生粗骨料混凝土軸心抗壓強(qiáng)度f(wàn)c與立方體抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu的擬合關(guān)系可表達(dá)為:

fc=2.37+0.81fcu，R=0.930。

(3)

式(3)的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果的比較如圖13所示。

圖13 混凝土軸心抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

現(xiàn)行規(guī)范GB 50010—2010規(guī)定普通混凝土軸心抗壓強(qiáng)度f(wàn)c與立方體抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu為正比例關(guān)系:

fc=αc1fcu。

(4)

式中：當(dāng)fcu≤50 MPa時(shí),αc1=0.76;當(dāng)fcu=80 MPa時(shí),αc1=0.82;當(dāng)50 MPa

式(4)的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值的比較如圖14所示。由圖14可知，由式(4)計(jì)算的結(jié)果基本為試驗(yàn)值的下限。說(shuō)明普通混凝土軸心抗壓強(qiáng)度和立方體抗壓強(qiáng)度公式可適用于全再生粗骨料混凝土。

圖14 混凝土軸心抗壓強(qiáng)度取值與試驗(yàn)結(jié)果比較

3.3 抗拉強(qiáng)度

全再生粗骨料混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度f(wàn)t與立方體抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu的擬合關(guān)系可表達(dá)為:

(5)

文獻(xiàn)[29]提出的機(jī)制砂混凝土相應(yīng)關(guān)系和現(xiàn)行規(guī)范GB 50010—2010規(guī)定的普通混凝土相應(yīng)關(guān)系[18,28]可分別表達(dá)為式(6)和式(7):

(6)

(7)

比較式(5)和式(6)可知,兩者的計(jì)算結(jié)果基本相同。當(dāng)fcu≤50 MPa時(shí),式(7)的計(jì)算值高于式(5)的計(jì)算值;當(dāng)fcu>50 MPa時(shí),式(7)的計(jì)算值低于式(5)的計(jì)算值。因此,按現(xiàn)行規(guī)范GB 50010—2010規(guī)定的普通混凝土抗拉強(qiáng)度取值,對(duì)于強(qiáng)度等級(jí)為C45以下的全再生粗骨料混凝土而言偏高。

式(5)和式(7)的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的比較如圖15所示。

圖15 混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

3.4 彈性模量

全再生粗骨料混凝土彈性模量Ec與立方體抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu的擬合關(guān)系和現(xiàn)行規(guī)范GB 50010—2010規(guī)定的普通混凝土相應(yīng)關(guān)系[18,28]可分別表達(dá)為式(8)和式(9):

(8)

(9)

式(8)和式(9)的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的比較如圖(16)所示。從圖16中可以看出,按現(xiàn)行規(guī)范GB 50010—2010規(guī)定的普通混凝土彈性模量取值時(shí),彈性模量對(duì)于全再生粗骨料混凝土而言偏高。

圖16 混凝土彈性模量與立方體抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

3.5 基本力學(xué)性能取值建議

根據(jù)上述統(tǒng)計(jì)分析,建議依照現(xiàn)行規(guī)范對(duì)普通混凝土基本力學(xué)性能指標(biāo)按強(qiáng)度等級(jí)取值的方法,確定全再生粗骨料混凝土的基本力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)值[18,28]。全再生粗骨料混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fck與普通混凝土相同。當(dāng)強(qiáng)度等級(jí)大于C40時(shí),全再生粗骨料混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk與普通混凝土相同;當(dāng)強(qiáng)度等級(jí)不大于C40時(shí),全再生粗骨料混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算:

(10)

式中:fcu,k為全再生粗骨料混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,其值為強(qiáng)度等級(jí)值;δ為全再生粗骨料混凝土的變異系數(shù),結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)并參考普通混凝土[28],本文取δ=0.18;0.88為考慮混凝土試塊與構(gòu)件差異的折減系數(shù)。

全再生粗骨料混凝土的彈性模量Ec可表達(dá)為:

(11)

據(jù)此,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用的全再生粗骨料混凝土基本力學(xué)性能指標(biāo)的取值見表11。

表11 全再生粗骨料混凝土基本力學(xué)性能指標(biāo)的取值

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)不同細(xì)骨料類型的全再生粗骨料混凝土的配合比設(shè)計(jì)及對(duì)應(yīng)的工作性能、立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、干表觀密度的測(cè)試研究，分析了全再生粗骨料混凝土的配合比設(shè)計(jì)方法和基本力學(xué)性能指標(biāo),可得出如下結(jié)論:

1)全再生粗骨料混凝土配合比設(shè)計(jì)應(yīng)采用絕對(duì)體積法?？紤]再生骨料吸水特性,對(duì)其進(jìn)行預(yù)濕處理,可獲得穩(wěn)定的拌合物工作性能和力學(xué)性能。全再生粗骨料混凝土的預(yù)測(cè)強(qiáng)度可采用系數(shù)修正的鮑羅米公式計(jì)算。

2)隨著再生粗骨料粒徑的增大,全再生粗骨料混凝土的流動(dòng)性增大、抗壓強(qiáng)度減小，再生混凝土的干表觀密度按采用再生細(xì)骨料、混合砂、天然砂、機(jī)制砂的次序增大,其值處于2 000～2 250 kg/m3。

3)細(xì)骨料種類對(duì)全再生粗骨料混凝土基本力學(xué)性能具有一定影響,與全再生粗骨料混凝土的密實(shí)性密切相關(guān)。全再生粗骨料混凝土基本力學(xué)性能隨水灰比的變化規(guī)律與普通混凝土的相應(yīng)變化規(guī)律一致。

4)全再生粗骨料混凝土軸心抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和彈性模量與其立方體抗壓強(qiáng)度之間具有顯著相關(guān)性?？梢栽诮y(tǒng)計(jì)分析確定計(jì)算公式的基礎(chǔ)上,按強(qiáng)度等級(jí)確定各項(xiàng)基本力學(xué)性能指標(biāo)的取值。

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ExperimentalStudyandEvaluationofMechanicalPropertiesofFull-RecycledCoarseAggregateConcrete

PAN Liyun, LIANG Na, HU Feijia, YAO Kunqi, CHENG Dandan, PEI Songwei

(Henan Provincial International United Lab of Eco-building Materials and Engineering, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

The research and development of full-recycled coarse-aggregate concrete (FRCAC) is aimed to reusing the recycled coarse-aggregate at maximum extent and changing the current equipment of production as less as possible, and the maximized comprehensive benefits can be obtained. With different water-cement ratios and considering the effects of pre-process of recycled aggregates, particle size of recycle coarse-aggregate and type of fine aggregate, the mix proportion design and experimental tests on the workability and basic mechanical properties such as cubic compressive strength, axial compressive strength, splitting tensile strength and modulus of elasticity of FRCAC were conducted in this paper. Results show:the pre-wetting of recycled aggregates is necessary for better workability and expected strength of FRCAC; with the increasing of the particle size of recycled coarse-aggregate, the flowability of FRCAC increases but the compressive strength reduces; with the same water-cement ratio, the basic mechanical properties of FRCAC decrease in sequence of manufactured sand, natural sand, hybrid sand and recycled fine aggregate, which coincides with the decreasing sequence of dry apparent density of FRCAC. The revised coefficients based on the Bolomey formula forecasting the cubic compressive strength of FRCAC are proposed. The relationships between axial compressive strength, splitting tensile strength, modulus of elasticity and the cubic compressive strength are analyzed. Finally, the values for design of FRCAC are suggested to be determined by the strength grade based on the current code GB 50010—2010. This paper lays the foundation for promotion and application of full recycled aggregates in premixed concrete.

full-recycled coarse-aggregate concrete; recycled coarse-aggregate; fine aggregate; mix proportion; water-cement ratio; workability; mechanical property

張陵)

TV332

A

1002-5634(2017)06-0032-11

2017-07-19

河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目(16A560023)；河南省高校生態(tài)建筑材料與結(jié)構(gòu)工程科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)專題(13IRTSTHN002)；河南省新型城鎮(zhèn)建筑技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心專題(河南省教育廳，教科技〔2013〕638號(hào))。

潘麗云(1967—)，女，安徽安慶人，教授，碩士，從事土木工程材料與結(jié)構(gòu)方面的研究。E-mail：ply67@ncuw.edu.cn。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.06.005