自密實(shí)再生骨料混凝土不同齡期的力學(xué)性能*

姚大立， 余 芳， 謝關(guān)飛

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

隨著我國(guó)城市化建設(shè)的快速發(fā)展，城市建設(shè)產(chǎn)生大量建筑廢棄物，因此帶來嚴(yán)重的自然環(huán)境問題，建筑業(yè)作為資源消耗量較大行業(yè)之一，大力推廣再生混凝土在建筑中的應(yīng)用是消耗建筑廢棄物的一種有效途徑.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)，與普通混凝土相比，再生混凝土由于再生骨料自身的缺陷，使其力學(xué)性能、耐久性能和變形性能都低于普通混凝土，并且隨著再生骨料替代率的提高，其再生混凝土的性能缺陷更加明顯[1-2].

自密實(shí)混凝土由于具有良好的工作性能，使其在許多重大工程和標(biāo)志性工程中得到廣泛應(yīng)用，并取得良好的技術(shù)效果[3].目前，關(guān)于自密實(shí)混凝土的材料性能和結(jié)構(gòu)性能研究已取得豐富的研究成果[4-9].隨著再生混凝土和自密實(shí)混凝土的廣泛研究與應(yīng)用，自密實(shí)再生骨料混凝土的研究必將大力推廣再生混凝土在土木工程中的應(yīng)用.通過文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，關(guān)于自密實(shí)再生骨料混凝土的力學(xué)性能研究和工程應(yīng)用仍是一片空白，因此，研究自密實(shí)再生骨料混凝土的基本力學(xué)性能具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值.

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)用水泥為山水工源牌水泥，其中配制C30和C40混凝土采用PS32.5級(jí)礦渣硅酸鹽水泥，配制C50混凝土采用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I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的廢棄混凝土試塊經(jīng)破碎、篩分而成，粒徑范圍均為5.00～20.00 mm，實(shí)測(cè)試驗(yàn)用天然骨料和再生骨料的表觀密度分別為2 830和2 730 kg/m3；吸水率分別為0.91和5.10；壓碎指標(biāo)分別為8.71和14.7；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.

為保證RA-SCC質(zhì)量，采取如下工藝來制備RA-SCC：顎式破碎機(jī)破碎；篩選(控制最大粒徑)；攪拌機(jī)攪拌打磨；二次篩選(控制最小粒徑).

1.2 試驗(yàn)配合比

為了便于試驗(yàn)結(jié)果分析，本文設(shè)計(jì)了相同強(qiáng)度等級(jí)的自密實(shí)再生骨料混凝土(RA-SCC)、天然骨料混凝土(NA-C)和自密實(shí)天然骨料混凝土(NA-SCC)，其中RA-SCC與NA-SCC采用相同配合比設(shè)計(jì)，如表1所示.

表1 混凝土配合比Tab.1 Mix proportion of concrete

1.3 試件制作與養(yǎng)護(hù)

本文共制作45組100 mm×100 mm×100 mm立方體試塊，每組6個(gè)，分別測(cè)定其7、28、56、90 d的立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度.在立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中，加荷速度取0.8 MPa/s；在劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)中，加荷速度取0.08 MPa/s[10].

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 立方體抗壓強(qiáng)度

按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081-2002)[10]分別測(cè)試NA-C、NA-SCC和RA-SCC三種混凝土的7、28、56和90 d立方體抗壓強(qiáng)度，測(cè)試結(jié)果如表2所示.由表2可以看出，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，RA-SCC混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度也隨之增大.與NA-SCC相比較，RA-SCC的7 d立方體抗壓強(qiáng)度分別降低了13.7%、7.6%和11.00%；28 d立方體抗壓強(qiáng)度分別僅降低了1.7%、4.1%和0.1%.這是因?yàn)榉勖夯遗c水泥水化反應(yīng)后的產(chǎn)物氫氧化鈣發(fā)生二次水化反應(yīng)生成凝膠體，有效地填充了再生骨料內(nèi)部的裂隙和表面的孔洞，改善了RA-SCC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使RA-SCC的抗壓強(qiáng)度逐漸接近NA-SCC.然而，由于早期水泥水化反應(yīng)不充分，限制了粉煤灰的二次水化反應(yīng)速度，導(dǎo)致生成膠凝體數(shù)量有限，因此，RA-SCC的7 d抗壓強(qiáng)度與NA-SCC相差較大.隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，水泥熟料不斷發(fā)生水化，促使粉煤灰二次水化反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，進(jìn)一步細(xì)化和改善再生骨料內(nèi)外的孔隙特征，使RA-SCC和NA-SCC的56和90 d強(qiáng)度差異繼續(xù)縮小.

表2 混凝土試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Experimental results of concrete

注：fcu為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度；ft為混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度.

為了研究RA-SCC隨不同齡期的強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律，并將不同齡期時(shí)立方體抗壓強(qiáng)度值與28 d混凝土抗壓強(qiáng)度的比值定義為強(qiáng)度發(fā)展系數(shù)，結(jié)果如圖1所示.從圖1可以發(fā)現(xiàn)，抗壓強(qiáng)度等級(jí)為C30～C50的RA-SCC的7 d強(qiáng)度發(fā)展系數(shù)在0.49～0.54范圍內(nèi)，與NA-C(0.49～0.58)和NA-SCC(0.50～0.57)基本相同，說明RA-SCC與NA-C、NA-SCC的早期強(qiáng)度發(fā)展速率基本一致，粉煤灰和再生骨料對(duì)RA-SCC的早期強(qiáng)度影響較小.隨著混凝土齡期的增長(zhǎng)，RA-SCC的強(qiáng)度發(fā)展比NA-C更加顯著，以C30為例，RA-SCC的56和90 d強(qiáng)度發(fā)展系數(shù)分別為1.17和1.19，而NA-C僅為1.03和1.07.這是由于粉煤灰二次水化反應(yīng)隨水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行而充分發(fā)展的結(jié)果.與NA-SCC相比，RA-SCC的56和90 d強(qiáng)度發(fā)展系數(shù)略優(yōu)于NA-SCC，NA-SCC的56和90 d的強(qiáng)度發(fā)展系數(shù)均為1.14.這是由于再生骨料表面疏松多孔會(huì)吸收拌合水中的部分水分，造成RA-SCC的實(shí)際水膠比降低，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度有所提高.

2.2 劈裂抗拉強(qiáng)度

按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081-2002)[10]測(cè)定混凝土28 d劈裂抗拉強(qiáng)度ft，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示.由圖2可以看出，隨著抗壓強(qiáng)度等級(jí)的提高，RA-SCC的劈裂抗拉強(qiáng)度也隨之提高，這與NA-C和NA-SCC劈裂抗拉強(qiáng)度的變化規(guī)律是一致的.通過表2中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，與NA-SCC相比，同等抗壓強(qiáng)度等級(jí)下RA-SCC的劈裂抗拉強(qiáng)度降低了17.5%～21.3%，這是由于再生骨料表面附著了較多的舊水泥漿，顯著影響了水泥漿體與骨料之間的粘結(jié)作用，同時(shí)再生骨料內(nèi)部存在較多裂隙，也會(huì)影響骨料之間的機(jī)械咬合作用.與NA-C相比，RA-SCC的劈裂抗拉強(qiáng)度降低了38.3%～56.1%，造成這種結(jié)果的原因，除了再生骨料自身性質(zhì)的影響外，NA-C中粗骨料含量顯著高于RA-SCC也是主要原因之一，粗骨料含量越高意味著骨料之間的機(jī)械咬合力越好，因此劈裂抗拉強(qiáng)度也越高.

圖1 強(qiáng)度發(fā)展系數(shù)與齡期的關(guān)系Fig.1 Relationship between strength evolution coefficient and curing period

圖2 劈裂抗拉強(qiáng)度比較Fig.2 Comparison of splitting tensile strength

對(duì)表2中的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，可得出28 d劈裂抗拉強(qiáng)度與28 d立方體抗壓強(qiáng)度的線性關(guān)系，即

ft，28=0.043 02fcu，28+0.760 5

(1)

該線性關(guān)系是本文試驗(yàn)28 d立方體抗壓強(qiáng)度介于34～51 MPa的擬合結(jié)果，相關(guān)系數(shù)為0.996.

2.3 拉壓比性能

拉壓比為劈裂抗拉強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度之比，混凝土拉壓比性能是混凝土脆性的主要標(biāo)志，混凝土強(qiáng)度越高，拉壓比越小，脆性越大，韌性越小，已有研究[11]表明：普通混凝土的拉壓比為0.058～0.125，且強(qiáng)度越高，拉壓比越小.本文中涉及到NA-C、NA-SCC和RA-SCC三種混凝土的拉壓比值如表2所示.圖3為混凝土拉壓比對(duì)比.由圖3可知，RA-SCC的拉壓比隨著抗壓強(qiáng)度等級(jí)的提高而降低，與NA-C和NA-SCC的拉壓比發(fā)展規(guī)律一致.此外，通過表2中拉壓比的分析可以得出，RA-SCC的拉壓比均值較NA-C的拉壓比降低28.9%，較NA-SCC的拉壓比降低17.8%.這說明RA-SCC的脆性特征較NA-C和NA-SCC更加明顯，這意味著RA-SCC應(yīng)用于高烈度地震區(qū)應(yīng)采取必要的構(gòu)造措施以保證結(jié)構(gòu)的抗震性能.

圖3 拉壓比比較Fig.3 Comparison of tension-compression ratios

3 結(jié) 論

本文通過分析得出如下結(jié)論：

1) RA-SCC的立方體抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)而提高.抗壓強(qiáng)度等級(jí)為C30～C50的RA-SCC與NA-C、NA-SCC的早期強(qiáng)度(7 d)發(fā)展速率基本一致，但56和90 d的強(qiáng)度發(fā)展速率則顯著高于NA-C，略高于NA-SCC.

2) 抗壓強(qiáng)度等級(jí)為C30～C50的RA-SCC，其28 d劈裂抗拉強(qiáng)度比NA-C降低約38.3%～56.1%，比NA-SCC降低約17.5%～21.3%.隨著抗壓強(qiáng)度等級(jí)的提高，RA-SCC的劈裂抗拉強(qiáng)度逐漸增加，但增長(zhǎng)速度逐漸減小.

3) RA-SCC的拉壓比隨混凝土抗壓強(qiáng)度等級(jí)的提高而降低，且RA-SCC的脆性特征較NA-C和NA-SCC更為明顯.