廢磚再生混凝土黏結(jié)性能

楊 慧，王顯利，楊旭姣，楊皓月

(1.北華大學(xué)土木與交通學(xué)院，吉林 吉林 132013；2.碧桂園吉林豐滿項(xiàng)目部，吉林 吉林 132013)

我國(guó)每年產(chǎn)生建筑垃圾約10億t，利用率卻不足5%[1]，其中，廢棄黏土磚占建筑垃圾總量的50%以上[2].土木工程領(lǐng)域每年消耗大量混凝土，將廢棄黏土磚回收處理后用以替代天然骨料配置廢磚再生混凝土，可以節(jié)約天然砂石，解決建筑垃圾的回收再利用問(wèn)題，既可節(jié)約資源，又可保護(hù)環(huán)境[3].目前，再生混凝土研究主要集中在廢棄混凝土的再生利用方面，對(duì)廢磚再生混凝土的研究相對(duì)較少，且大都聚焦在材料基本性能[4-7]及無(wú)筋結(jié)構(gòu)[8-9]方面，對(duì)用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)必須考量的廢磚再生混凝土與鋼筋黏結(jié)滑移性能的研究未見報(bào)道.本次通過(guò)拉拔試驗(yàn)研究廢磚取代率、鋼筋直徑、錨固長(zhǎng)度、保護(hù)層厚度對(duì)廢磚再生混凝土與鋼筋間黏結(jié)性能的影響，可為廢磚再生混凝土的推廣應(yīng)用提供依據(jù).

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原 料

水泥選用冀東水泥吉林有限公司生產(chǎn)的P·O42.5普通硅酸鹽水泥，粉煤灰、硅灰為吉林市聯(lián)大新型建材公司生產(chǎn)的一級(jí)粉煤灰和硅灰，水為自來(lái)水.細(xì)骨料采用天然河砂，表觀密度為 2 650 kg/m3，堆積密度為 1 430 kg/m3，細(xì)度模數(shù)為2.48；廢磚骨料選用舊有建筑拆除后的廢棄黏土磚，人工破碎后篩分成5～20 mm 3種不同級(jí)配的廢磚骨料(圖1)，用水沖洗，去除表面附著的砂漿及雜質(zhì)，混凝土攪拌前提前浸泡稱量好的廢磚骨料(圖2)，試驗(yàn)時(shí)取出晾干后再進(jìn)行攪拌.晾干后測(cè)定廢磚骨料指標(biāo)，見表1.由表1可知，骨料各項(xiàng)指標(biāo)符合《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 52—2006)要求.鋼筋為HRB335普通帶肋鋼筋，力學(xué)性能見表2.

圖1不同級(jí)配的廢磚骨料Fig.1Waste brick aggregate with different gradations圖2廢磚骨料浸泡Fig.2Preparation of waste brick aggregate

表1 粗骨料性能Tab.1 Performance of coarse aggregate

表2 鋼筋性能Tab.2 Performance of steel bar

1.2 混凝土配合比及試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用的材料配合比見表3.

表3 廢磚再生混凝土配合比Tab.3 Mixture ratio of recycled concrete with waste brick

中心拉拔試驗(yàn)的試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，試驗(yàn)用鋼筋長(zhǎng)度為400 mm，無(wú)橫向鋼筋，未黏結(jié)部分用PVC管套好并用膠布封堵，自由端預(yù)留50 mm用于固定千分表，測(cè)量自由端的滑移量；加載端留有200 mm鋼筋用于試驗(yàn)加載.廢磚取代率、鋼筋直徑、鋼筋錨固長(zhǎng)度和混凝土保護(hù)層厚度是影響混凝土與鋼筋黏結(jié)性能的重要因素，分組制作試件.廢磚再生混凝土抗壓強(qiáng)度與廢磚骨料取代率有關(guān)[10-11].試驗(yàn)研究廢磚取代率對(duì)再生混凝土黏結(jié)性能的影響中骨料取代率分別設(shè)為0、25%、50%、75%及100%，共5組，記為B1、B2、B3、B4、B5，各組同時(shí)制備，測(cè)定立方體抗壓強(qiáng)度；鋼筋直徑分別為12、16、20 mm，記為C1、C2、C3；錨固長(zhǎng)度分別為60、80、120 mm，記為D1、D2、D3；保護(hù)層厚度分別為67、62、57 mm，記為E1、E2、E3.因每項(xiàng)試驗(yàn)只改變1個(gè)因素，因此，B3、C2、D2、E1組試件可以相同，為提高試驗(yàn)效率，共享1組試驗(yàn).

試驗(yàn)按照《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50152—2012)在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行.拉拔試件(圖3)，控制加載速度，仔細(xì)觀察試件破壞情況——劈裂破壞(圖4)、拔出破壞(圖5)，依據(jù)加載步長(zhǎng)記錄荷載-位移數(shù)據(jù)，以及極限荷載及對(duì)應(yīng)的自由端位移.

圖3試驗(yàn)試件Fig.3Test specimen圖4劈裂破壞Fig.4Splitting failure圖5拔出破壞Fig.5Pullout failure

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 廢磚取代率對(duì)混凝土強(qiáng)度和黏結(jié)性能的影響

混凝土強(qiáng)度隨廢磚取代率的變化見圖6.由圖6可見：混凝土強(qiáng)度隨廢磚取代率的提高而減小，50%后抗壓強(qiáng)度變化趨于平緩.分析認(rèn)為，這是由于廢磚骨料較天然骨料孔隙率大、強(qiáng)度低，隨著廢磚取代率的增加，由骨料差異產(chǎn)生的影響逐漸變小，廢磚骨料逐漸起到主導(dǎo)作用.

在鋼筋直徑16 mm、錨固長(zhǎng)度80 mm、保護(hù)層厚度67 mm下試驗(yàn)得到的不同廢磚骨料取代率對(duì)應(yīng)的黏結(jié)應(yīng)力-滑移曲線見圖7.由圖7可見：廢磚取代率越大黏結(jié)應(yīng)力越小，從25%到50%黏結(jié)應(yīng)力下降明顯，超過(guò)50%后隨骨料取代率的提高黏結(jié)應(yīng)力下降變緩.分析認(rèn)為，這是由廢磚骨料的強(qiáng)度低、壓碎值高導(dǎo)致的，圖4中破壞面廢磚骨料幾乎完全劈裂也說(shuō)明了這一點(diǎn).隨著廢磚取代率的提高，天然骨料的主導(dǎo)作用逐漸被廢磚骨料所替代.

圖6混凝土強(qiáng)度隨廢磚取代率變化Fig.6Change of concrete strength with the replacement rate of waste brick 圖7不同廢磚取代率的黏結(jié)應(yīng)力-滑移曲線Fig.7Bond stress-slip curves of different replacement ratios with waste brick

2.2 鋼筋直徑對(duì)廢磚再生混凝土黏結(jié)性能的影響

在廢磚取代率50%、錨固長(zhǎng)度80 mm、保護(hù)層厚度67 mm下，不同鋼筋直徑廢磚再生混凝土的黏結(jié)應(yīng)力-滑移曲線見圖8.由圖8可見：鋼筋直徑對(duì)鋼筋與廢磚再生混凝土之間的黏結(jié)性能有一定影響，除直徑12 mm的試件為拔出破壞外，其余均為劈裂破壞，3組試件極限黏結(jié)應(yīng)力相差2%左右，且鋼筋直徑越小極限滑移越大.滑移量相同時(shí)，鋼筋直徑越小黏結(jié)應(yīng)力越小，說(shuō)明鋼筋直徑越大，廢磚再生混凝土抗滑移性能越強(qiáng).

圖8 不同鋼筋直徑的黏結(jié)應(yīng)力-滑移曲線Fig.8 Bond stress-slip curves of different reinforcement diameters

2.3 錨固長(zhǎng)度對(duì)廢磚再生混凝土黏結(jié)性能的影響

加工試件時(shí)，可以通過(guò)改變加載段處的PVC套管長(zhǎng)度達(dá)到改變鋼筋錨固長(zhǎng)度的效果.在廢磚取代率50%、鋼筋直徑16 mm、保護(hù)層厚度67 mm下試驗(yàn)得到不同錨固長(zhǎng)度的黏結(jié)應(yīng)力-滑移曲線，見圖9.由圖9可見：隨著黏結(jié)長(zhǎng)度的增加，黏結(jié)應(yīng)力不斷增大，滑移值減小.黏結(jié)長(zhǎng)度為60 mm時(shí)，極限黏結(jié)應(yīng)力和極限滑移量均為最小，最終發(fā)生拔出破壞(見圖5)，這是由于鋼筋有效長(zhǎng)度減小直接導(dǎo)致混凝土對(duì)鋼筋的咬合握裹力不足所致.

2.4 保護(hù)層厚度對(duì)廢磚再生混凝土黏結(jié)性能的影響

通過(guò)偏心置筋的方式改變鋼筋混凝土保護(hù)層厚度，考察保護(hù)層厚度對(duì)黏結(jié)性能的影響.在廢磚取代率50%、鋼筋直徑16 mm、錨固長(zhǎng)度80 mm下的黏結(jié)應(yīng)力-滑移曲線見圖10.由圖10可知：最大黏結(jié)應(yīng)力隨著保護(hù)層厚度的增加而增大，保護(hù)層厚度為67 mm時(shí)的最大黏結(jié)應(yīng)力約為62 mm時(shí)的1.8倍，約為57 mm時(shí)的2倍，極限滑移量也更大.保護(hù)層厚度越小，各組試件的最大黏結(jié)應(yīng)力及最大滑移量也越接近，說(shuō)明保護(hù)層越厚約束力越大，試件越不容易發(fā)生黏結(jié)破壞.

圖9不同錨固長(zhǎng)度的黏結(jié)應(yīng)力-滑移曲線Fig.9Bond stress-slip curves of different anchorage lengths圖10不同保護(hù)層厚度的黏結(jié)應(yīng)力-滑移曲線Fig.10Bond-slip curve of different protective layer thickness

3 小 結(jié)

廢磚再生混凝土材料因其經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性、環(huán)保等突出特點(diǎn)得到各相關(guān)行業(yè)的認(rèn)可，未來(lái)應(yīng)用前景相當(dāng)可觀[12-13].比如，可在景區(qū)建筑工程中的非承載或承載較小的工程結(jié)構(gòu)中應(yīng)用，既能滿足相關(guān)結(jié)構(gòu)規(guī)范要求，又能滿足景觀的形式需要[14]；可用于封閉住宅小區(qū)內(nèi)非承重道路的基層與面層，其力學(xué)性能完全可以滿足要求；廢磚骨料制作多孔再生混凝土用于護(hù)坡工程，既可以加固護(hù)坡，又能保持自然；可在新農(nóng)村建設(shè)的房屋建筑及道路工程中廣為利用[15].本次研究顯示：廢磚再生混凝土較基準(zhǔn)混凝土更容易發(fā)生劈裂破壞，其抗壓強(qiáng)度、黏結(jié)應(yīng)力隨廢磚取代率的提高而減小，但超過(guò)50%后，抗壓強(qiáng)度和黏結(jié)應(yīng)力的變化不再明顯；鋼筋直徑越大，廢磚再生混凝土抗滑移能力越強(qiáng)，鋼筋直徑對(duì)極限黏結(jié)應(yīng)力有影響但不顯著；適當(dāng)增加鋼筋錨固長(zhǎng)度和保護(hù)層厚度可以提高廢磚再生混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度.