自密實(shí)再生骨料混凝土的基本力學(xué)性能*

余 芳， 姚大立， 胡紹金

(沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 沈陽 110870)

結(jié)合我國(guó)提出“節(jié)能減排”的基本國(guó)策，大力推廣應(yīng)用再生混凝土具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.再生骨料混凝土技術(shù)是將廢棄混凝土經(jīng)過破碎、清洗、分級(jí)后，按一定的比例混合形成再生骨料，部分或全部代替天然骨料配制新混凝土的技術(shù)[1-2].目前再生骨料混凝土在國(guó)內(nèi)已有較多研究和工程應(yīng)用，但多為用再生骨料做部分替代[3-6].截止目前為止，以100%再生骨料作為粗骨料的再生骨料混凝土的試驗(yàn)研究和工程應(yīng)用還鮮有報(bào)道.

此外，自密實(shí)混凝土作為高性能混凝土的一種，具有良好的工作性能，在越來越多重要建筑工程中得到廣泛應(yīng)用[7-9]，但是通過現(xiàn)有文獻(xiàn)檢索，在科學(xué)試驗(yàn)研究和工程應(yīng)用中還鮮有以再生骨料作為粗骨料的自密實(shí)再生骨料混凝土的相關(guān)報(bào)道.

本文以100%再生骨料作為粗骨料，研究抗壓強(qiáng)度等級(jí)為C30～C50的自密實(shí)再生骨料混凝土(RA-SCC)的基本力學(xué)性能，并比較其與天然骨料混凝土(NA-C)、自密實(shí)天然骨料混凝土(NA-SCC)力學(xué)性能之間的差異，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)用水泥為山水工源牌水泥，配制C30和C40混凝土?xí)r采用PS32.5級(jí)礦渣硅酸鹽水泥，配制C50混凝土?xí)r采用PO42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，其表觀密度為3 100 kg/m3；粉煤灰采用沈西熱電廠生產(chǎn)的1級(jí)粉煤灰，其表觀密度為2 200 kg/m3；細(xì)骨料均采用含泥量小于1%的天然水洗中砂，其表觀密度為2 620 kg/m3；天然粗骨料采用遼寧撫順生產(chǎn)的石灰石碎石，再生粗骨料為試驗(yàn)室強(qiáng)度等級(jí)為C50的廢棄混凝土試塊，首先通過最大粒徑為20 mm的顎式破碎機(jī)破碎，經(jīng)過180 L的立式攪拌機(jī)20 min強(qiáng)力攪拌，打磨去除骨料表面舊水泥漿，然后篩分而成，其實(shí)測(cè)主要性能如表1所示.減水劑采用遼寧省建筑科學(xué)研究院生產(chǎn)的LJ612型聚羧酸高效減水劑.

表1 粗骨料的基本性能Tab.1 Fundamental properties of coarse aggregate

1.2 試件設(shè)計(jì)與制作

本文試驗(yàn)設(shè)計(jì)了3種強(qiáng)度(C30、C40、C50)、3種類型(天然骨料混凝土NA-C、天然骨料自密實(shí)混凝土NA-SCC、自密實(shí)再生混凝土RA-SCC)，共9種混凝土試件，試件配合比如表2所示.

表2 混凝土配合比Tab.2 Mixing proportions of concrete

基本力學(xué)性能試驗(yàn)的加載制度參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081-2002)[10].采用130 L強(qiáng)制式攪拌機(jī)攪拌5 min后，將拌合物裝入試模中，NA-C混凝土置于振動(dòng)臺(tái)上振實(shí)，NA-SCC和RA-SCC混凝土裝入試模后放置于水平地面，24 h后拆模，將拆模后的試件立即置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)至28 d后再進(jìn)行試驗(yàn).

2 試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 劈拉強(qiáng)度

本文試驗(yàn)采用劈拉試驗(yàn)測(cè)定試件劈拉強(qiáng)度，采用試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體，按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081-2002)測(cè)定混凝土的28 d劈拉強(qiáng)度ft，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，其中，fcu為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度.由表3可知，RA-SCC的劈拉強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律與NA-C和NA-SCC相似，均隨著抗壓強(qiáng)度的提高而增大.將試件的劈拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度比值記作拉壓比[11]，由表3可以看出，抗壓強(qiáng)度等級(jí)為C30～C50的RA-SCC的拉壓比在1/17.4～1/15.4之間，比NA-SCC的拉壓比(1/15.2～1/12.9)降低了15.3%～21.9%，意味著RA-SCC的脆性比NA-SCC更大，表明粗骨料的自身特性對(duì)混凝土拉壓比有較大影響.與NA-C(1/13.0～1/12.6)相比，RA-SCC的拉壓比降低更多，達(dá)到23.4%～33.3%，這表明與NA-C相比，RA-SCC的脆性更加明顯，因此，普通混凝土抗震規(guī)范不宜直接用于RA-SCC的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在高烈度地震區(qū)使用RA-SCC結(jié)構(gòu)應(yīng)采取必要的構(gòu)造措施以保證結(jié)構(gòu)的抗震性能.

表3 劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results of splitting tensile strength

2.2 棱柱體強(qiáng)度

棱柱體強(qiáng)度是混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)之一.本文采用試件尺寸為100 mm×100 mm×300 mm的棱柱體，按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081-2002)測(cè)得棱柱體強(qiáng)度fc，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示.由表4可知，RA-SCC的棱柱體強(qiáng)度隨抗壓強(qiáng)度的提高而提高，這與NA-C和NA-SCC的棱柱體強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律一致.將各組試件的棱柱體強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度比值記作αc1，可以看出，抗壓強(qiáng)度等級(jí)為C30～C50的RA-SCC的αc1在1/1.28～1/1.20范圍內(nèi)，與NA-C的αc1(1/1.40～1/1.28)和NA-SCC的αc1(1/1.35～1/1.24)相比略有提高，這說明自密實(shí)再生混凝土棱柱體強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的差異最小.

表4 棱柱體強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Test results of prism strength

2.3 抗折強(qiáng)度

抗折強(qiáng)度是評(píng)價(jià)混凝土構(gòu)件受彎性能的一個(gè)重要指標(biāo).本文采用試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體，按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081-2002)測(cè)得混凝土28 d抗折強(qiáng)度fw，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示.由表5可知，隨著立方體抗壓強(qiáng)度的提高，RA-SCC的抗折強(qiáng)度緩慢提高，這與NA-C和NA-SCC的抗折強(qiáng)度發(fā)展相似.將抗折強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度之比記作折壓比，可知抗壓強(qiáng)度等級(jí)為C30～C50的RA-SCC(1/18.2～1/18.0)和NA-SCC(1/18.7～1/18.1)的折壓比均約為1/18.0，這說明粗骨料的性質(zhì)對(duì)折壓比幾乎無影響.但與NA-C的折壓比(1/17.2～1/16.2)相比，RA-SCC的折壓比(1/18.2～1/18.0)較低，這意味著在相等抗壓強(qiáng)度下，RA-SCC的抗折強(qiáng)度明顯較小，因此，簡(jiǎn)單地按普通混凝土規(guī)范進(jìn)行自密實(shí)再生混凝土受彎構(gòu)件設(shè)計(jì)是不合適的.

表5 抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Test results of flexural strength

2.4 彈性模量

彈性模量是評(píng)價(jià)混凝土變形性能的主要指標(biāo)，反映了混凝土抵抗變形的能力.為了比較RA-SCC與NA-C、NA-SCC的變形性能，采用試件尺寸為100 mm×100 mm×300 mm的棱柱體，按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081-2002)測(cè)定混凝土28 d彈性模量Ec，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示.根據(jù)以往文獻(xiàn)成果，不同學(xué)者對(duì)于普通混凝土建立的彈性模量計(jì)算公式分別為

(1)

(2)

我國(guó)規(guī)范[12]采用的是式(1)形式，文獻(xiàn)[13]采用的是式(2)形式.根據(jù)本文得到的RA-SCC彈性模量試驗(yàn)結(jié)果按以上各式進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)用式(2)形式的計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好，其相關(guān)系數(shù)為0.998 8，表達(dá)式為

表6 彈性模量試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Test results of elastic modulus

(3)

圖1為彈性模量與抗壓強(qiáng)度關(guān)系，表6為彈性模量試驗(yàn)結(jié)果.由圖1和表6可知，NA-C與NA-SCC對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)均位于RA-SCC擬合曲線上方，這說明NA-C和NA-SCC的彈性模量均大于RA-SCC，這是由于再生骨料的彈性模量低于天然骨料而造成的.當(dāng)抗壓強(qiáng)度等級(jí)不小于C40時(shí)，NA-C的彈性模量相對(duì)RA-SCC擬合曲線的偏離程度遠(yuǎn)大于NA-SCC，而當(dāng)抗壓強(qiáng)度等級(jí)小于C40時(shí)，NA-C的彈性模量相對(duì)RA-SCC擬合曲線的偏離程度與NA-SCC相近.這是因?yàn)楫?dāng)水膠比較小(抗壓強(qiáng)度等級(jí)不小于C40)時(shí)，混凝土的彈性模量主要取決于骨料的彈性模量和含量，骨料含量越高，混凝土的彈性模量越大；而當(dāng)水膠比較大(抗壓強(qiáng)度等級(jí)小于C40)時(shí)，混凝土的彈性模量主要取決于水泥石的彈性模量，即水膠比的大小，此時(shí)骨料含量對(duì)彈性模量的影響較小.

圖1 彈性模量與抗壓強(qiáng)度關(guān)系Fig.1 Relationship between elastic modulus and compressive strength

3 結(jié) 論

本文對(duì)抗壓強(qiáng)度等級(jí)為C30～C50的RA-SCC、NA-C、NA-SCC進(jìn)行劈拉、棱柱體抗壓、抗折以及彈性模量對(duì)比試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

1) RA-SCC的劈拉強(qiáng)度隨混凝土抗壓強(qiáng)度的增加而增大，與NA-C和NA-SCC相比，RA-SCC的拉壓比更小，脆性更大；

2) RA-SCC的棱柱體強(qiáng)度隨混凝土抗壓強(qiáng)度的增加而增大，其棱柱體強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值與NA-C、NA-SCC相比略有提高；

3) RA-SCC的抗折強(qiáng)度隨混凝土抗壓強(qiáng)度的增加而增大，其抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度之比與NA-SCC基本相同，但顯著低于NA-C；

4) RA-SCC的彈性模量隨混凝土抗壓強(qiáng)度的增加而增大，其彈性模量低于NA-C和NA-SCC；

5) 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立了RA-SCC的彈性模量與立方體抗壓強(qiáng)度的關(guān)系式，為RA-SCC的應(yīng)用提供了設(shè)計(jì)依據(jù).