再生粗骨料取代率對碎卵石混凝土抗壓性能影響研究

安新正，張翠霞，劉浩楠，邊金明，羋 崢

(河北工程大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

將破碎卵石作為天然粗骨料，建筑垃圾作為再生粗骨料部分或全部替代破碎卵石制備成碎卵石混凝土，不僅可以解決卵石資源利用率低、碎石資源緊張的問題，還可以緩解由于建筑垃圾胡亂堆放所造成的生態(tài)環(huán)境污染的狀況[1-3]。國內(nèi)外針對混凝土抗壓強(qiáng)度的研究較多，宋超等[4-5]人經(jīng)過對碎卵石部分或全部代替碎石制成的混凝土進(jìn)行抗壓性能研究，發(fā)現(xiàn)其抗壓性能與碎石混凝土相差不大。Abdurrahmaan等[6-7]人經(jīng)過研究后發(fā)現(xiàn)隨著再生粗骨料取代率的增加其抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出增長的趨勢。高旭等人[8]通過對不同齡期的再生混凝土進(jìn)行抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)齡期較長的再生混凝土，其立方體抗壓強(qiáng)度在后期增長較多。目前，多數(shù)學(xué)者所研究的混凝土多為以卵石代替碎石作為粗骨料，亦或是天然碎石和破碎混凝土再生骨料共同作為粗骨料制備而成，然而目前拆除的建筑垃圾中不僅有廢棄混凝土塊，還存在廢棄磚塊，而對于將碎卵石和含有廢混凝土塊和廢磚塊的建筑垃圾共同作為粗骨料制備成碎卵石混凝土的抗壓性能的研究較少。為更大限度地提高上述資源的利用率，對碎卵石混凝土開展研究迫在眉睫。

文章將破碎卵石作為天然粗骨料，建筑垃圾作為再生粗骨料，以再生粗骨料取代率r作為研究變量，分析r對碎卵石混凝土(下文簡稱再生混凝土)立方體抗壓強(qiáng)度與棱柱體抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，并提出考慮再生粗骨料取代率r時(shí)棱柱體抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度之間的相關(guān)關(guān)系計(jì)算模型，以期為實(shí)際工程提供參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥：金隅牌P·O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；細(xì)骨料：天然河砂(細(xì)度模數(shù)為1.60，含泥量1.2%，表觀密度2 540 kg·m-3)；天然粗骨料：破碎卵石粗骨料；再生粗骨料：廢棄混凝土及磚塊經(jīng)破碎篩分后得到的再生粗骨料(來源：邯鄲全有建材有限公司生產(chǎn)，磚粒含量約為40%～50%)；水：邯鄲市飲用自來水；粉煤灰：馬頭電廠Ⅱ級(jí)粉煤灰；減水劑：TW-JS 聚羧酸高效減水劑。試驗(yàn)所用的粗骨料如圖1所示，粗骨料的基本指標(biāo)如表1所示。

表1 粗骨料基本指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)用配合比

設(shè)計(jì)了C30強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，以取代率r=0%的碎卵石混凝土作為基準(zhǔn)混凝土，為了研究再生粗骨料取代率r對再生混凝土抗壓性能的影響，研究中設(shè)置了r=30%、50%、70%、100%(質(zhì)量取代)四種再生粗骨料取代率作為參數(shù)，來開展相關(guān)研究。各試件組編號(hào)分別為：SRC-0、SRC-3、SRC-5、SRC-7、SRC-10。依據(jù)文獻(xiàn)[9]的相關(guān)要求對再生混凝土的配合比進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，結(jié)果見表2所示。由于再生粗骨料具有吸水率高的特點(diǎn)，為了保證混凝土的水膠比不發(fā)生變化，需要增加附加用水量，使各組混凝土的坍落度在90～120 mm之間。

1.3 試件制作及試驗(yàn)方法

試件制作：各試件組分別設(shè)計(jì)制作3個(gè)立方體試件(100 mm×100 mm×100 mm)，共制作60塊，用于3、7、14、28 d的立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)；3個(gè)棱柱體試件(150 mm×150 mm×300 mm)，共制作15個(gè)，以測定其28 d棱柱體抗壓強(qiáng)度。各組試件在溫度為20 ℃、濕度為96%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)備用。

試驗(yàn)方法：對滿足齡期的立方體和棱柱體試件從養(yǎng)護(hù)室取出，其抗壓強(qiáng)度的測試方法依照文獻(xiàn)[10]提供的測試方法進(jìn)行。

圖1 粗骨料Fig.1 coarse aggregate

表2 混凝土配合比

注：圖(a)、(b)、(c)、(d)為不同取代率下混凝土試塊的立方體抗壓強(qiáng)度破壞形態(tài)；圖(e)、(f)、(g)、(h)為不同取代率下混凝土試塊的棱柱體抗壓強(qiáng)度破壞形態(tài)。圖2 混凝土試塊受壓破壞形態(tài)Fig.2 Failure mode of concrete test block under compression

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 宏觀破壞分析

從試驗(yàn)破壞結(jié)果來看(圖2)，無論是立方體試件還是棱柱體試件，當(dāng)r在30%以下時(shí)，宏觀破壞特征基本一致。當(dāng)r在30%以上時(shí)，隨著再生粗骨料取代率的增加其破壞特征的不同表現(xiàn)得越來越明顯，其不同之處具體表現(xiàn)為：隨著r的增大，裂縫出現(xiàn)的時(shí)間逐漸提前，發(fā)展的速度也越來越快，破壞面從粗骨料與水泥砂漿的結(jié)合面發(fā)展為舊砂漿及廢磚粒再生粗骨料自身的劈裂現(xiàn)象越來越明顯。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

各試件組的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值依照文獻(xiàn)[10]的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果列于表3。由表3可知，各組混凝土的抗壓強(qiáng)度較設(shè)計(jì)值低，其原因主要是再生粗骨料孔隙大、吸水率高且與天然砂石及凝膠材料之間粘結(jié)界面的強(qiáng)度較低，故再生混凝土的抗壓強(qiáng)度普遍較低。

2.3 再生粗骨料取代率對抗壓強(qiáng)度的影響

基于立方體抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果，研究分析了不同齡期下再生粗骨料取代率對立方體抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，分析結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)r超過30%時(shí)，不同齡期下再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度整體上均隨著r的增加呈現(xiàn)降低趨勢，其中3、7 d的抗壓強(qiáng)度變化幅度較大，而14、28 d的抗壓強(qiáng)度變化幅度較小。r=100%與r=30%相比，3、7、14、28 d的抗壓強(qiáng)度分別降低47.42%、46.07%、31.67%、25.81%。其原因主要是再生粗骨料強(qiáng)度低、吸水率大，且自身與水泥砂漿的粘結(jié)性較弱。在3、7、14 d情況下再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度在r=30%時(shí)較r=0%時(shí)略有增加，28 d的抗壓強(qiáng)度在r=30%時(shí)與r=0%時(shí)較為接近，主要是因?yàn)樵偕橇现泻形闯浞炙乃囝w粒，在充分的水的作用下又重新發(fā)揮作用，使其立方體抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)混凝土相比較為接近甚至略為增強(qiáng)。當(dāng)r=30%時(shí)，28 d的抗壓強(qiáng)度分別比3、7、14 d的抗壓強(qiáng)度增加了60.82%、16.85%、7.22%?；谠囼?yàn)結(jié)果，在工程實(shí)際應(yīng)用中，建議再生粗骨料取代率取r=30%為好。

表3 立方體和棱柱體試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)成果

圖3 不同齡期下取代率r對立方體抗壓強(qiáng)度的影響關(guān)系曲線Fig.3 The influence curve of substitution rate r on the compressive strength of cube at the same age

根據(jù)棱柱體抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果，分析了再生粗骨料取代率r對棱柱體抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，其結(jié)果如圖4所示。由圖4可以得知，棱柱體抗壓強(qiáng)度(28 d)隨著r的增加而不斷下降。在r=30%、50%、70%、100%時(shí)，其棱柱體抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)混凝土相比較分別降低了2.12%、8.90%、18.22%、28.81%，可以看出隨著r的增加，棱柱體抗壓強(qiáng)度降低的幅度越來越明顯。

圖4 取代率對28 d棱柱體抗壓強(qiáng)度的影響關(guān)系曲線Fig.4 The influence curve of substitution rate on compressive strength of 28 d prism

2.4 fc與fcu相關(guān)關(guān)系計(jì)算模型的建立

根據(jù)規(guī)范[11]規(guī)定以及肖建莊[12]的研究，普通混凝土以及再生混凝土的fc與fcu之間的換算關(guān)系，見式(1)。

fc=0. 76fcu

(1)

李旭平[13]經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)再生混凝土fc/fcu與普通混凝土相比略高，得出fc與fcu的關(guān)系式如式(2)所示。

fc=0. 79fcu

(2)

陳宗平[14]發(fā)現(xiàn)再生混凝土的fc/fcu在0.87左右波動(dòng)，但變化較小，故提出如式(3)所示的公式。

fc=0. 87fcu

(3)

碎卵石混凝土fc與fcu的關(guān)系如圖5所示，由圖5可得碎卵石混凝土的棱柱體抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)低于式(1)、式(2)，雖與式(3)接近，但沒有完全符合。式(1)、式(2)、式(3)的計(jì)算值均不能與試驗(yàn)值完全吻合，故上述3式均不能表述碎卵石混凝土fc與fcu之間的相關(guān)關(guān)系，需要重新建立碎卵石混凝土fc與fcu相關(guān)關(guān)系計(jì)算模型。

圖5 碎卵石混凝土fc與fcu關(guān)系曲線Fig.5 The relation curve between fc and fcu of cobble concrete

基于再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度與棱柱體抗壓強(qiáng)度的相關(guān)試驗(yàn)成果，以fc/fcu和r為研究對象，給出了fc/fcu和r之間的相關(guān)關(guān)系曲線(圖6)。

圖6 fc/fcu與取代率之間的關(guān)系曲線Fig.6 The relation curve between fc/fcuand substitution rate

由圖6可以看出，隨著再生粗骨料取代率r的增加，fc/fcu先上升后下降，其取值范圍為0.68～0.75。其中：r=50%時(shí)，fc/fcu=0.75，當(dāng)r=100%時(shí)，fc/fcu=0.68，其最高點(diǎn)比最低點(diǎn)高出10.29%。而再生粗骨料取代率r分別為0%、30%、70%時(shí)，fc/fcu取值分別為0.73、0.74、0.74?；谝陨显囼?yàn)成果，取代率r對fc/fcu的變化趨勢有著重要影響，基于此在考慮再生粗骨料取代率r的情況下，建立fc與fcu的相關(guān)關(guān)系計(jì)算模型[15]。

fc=(ar2+br+c)fcu

(4)

式中，a、b、c分別為試驗(yàn)系數(shù)。

基于試驗(yàn)結(jié)果，運(yùn)用MATLAB軟件經(jīng)編程分析后可以得出：a=-0.190 3，b=0.148，c=0.722 7。將a、b、c的值分別代入式(4)，可以得到考慮再生粗骨料取代率r時(shí)，fc與fcu的相關(guān)關(guān)系式。

fc=(-0.190 3r2+0.148r+0.722 7)fcu

(5)

根據(jù)不同情況下fcu的實(shí)測值，代入(5)式，可以得到fc的計(jì)算值，將fc計(jì)算值與實(shí)測值進(jìn)行比較分析，詳細(xì)結(jié)果見表4所示。由表4可以看出fc計(jì)算值與實(shí)測值之間的相對誤差較小，其誤差范圍在0.35～1.30之間，這說明式(5)計(jì)算模型在一定程度上可以很好地反映fc與fcu之間的相關(guān)關(guān)系。本模型只針對采用邯鄲地區(qū)的骨料制備成的混凝土經(jīng)抗壓試驗(yàn)所得到的試驗(yàn)結(jié)果，并且現(xiàn)有數(shù)據(jù)不夠全面，所以很難保證計(jì)算模型的準(zhǔn)確性，故可將該模型作為參考進(jìn)行混凝土抗壓方面的研究。

表4 棱柱體抗壓強(qiáng)度實(shí)測值與計(jì)算值的對比分析

3 結(jié)論

1)隨著再生粗骨料取代率r的增大，在相同的壓應(yīng)力條件下立方體及棱柱體試件裂縫出現(xiàn)的時(shí)間逐漸提前，發(fā)展的速度也不斷加快，破壞面從粗骨料與水泥砂漿的結(jié)合面逐漸發(fā)展為再生粗骨料的斷裂面。

2)不同齡期下的立方體抗壓強(qiáng)度fcu以及棱柱體抗壓強(qiáng)度fc均隨著再生粗骨料取代率r的增加大體上呈現(xiàn)出下降的趨勢。當(dāng)再生粗骨料取代率r不超過30%時(shí)，這些變化不顯著，可以認(rèn)為r對立方體及棱柱體抗壓強(qiáng)度的影響是可以忽略不計(jì)的，而當(dāng)r超過30%時(shí)，其對立方體及棱柱體抗壓強(qiáng)度的影響較為顯著。

3)基于試驗(yàn)成果建立了考慮再生粗骨料取代率r時(shí)fc與fcu的相關(guān)關(guān)系計(jì)算模型，fc=(-0.190 3r2+0.148r+0.722 7)fcu，且該計(jì)算模型和實(shí)測結(jié)果吻合性較好。