再生大骨料-自密實(shí)砂漿堆石混凝土力學(xué)性能研究

王建超，李華鈺，裘子銘

(沈陽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧沈陽 110168)

0 引 言

再生大骨料自密實(shí)混凝土(recycled large aggregate self-compacting concrete，RLA-SCMRFC)是基于堆石混凝土[1-2]和再生混凝土基礎(chǔ)之上發(fā)展出的一種新型混凝土，其保留了堆石混凝土的施工工藝，同時(shí)以廢棄混凝土塊體作為再生大骨料替代了堆石混凝土中的天然大粒徑巖石。其施工過程主要為：將再生大骨料填入模板中，利用重力相互堆積形成堆石體，再倒入自密實(shí)混凝土，利用其高流動(dòng)性填充再生大骨料堆石體之間的空隙，形成固結(jié)的混凝土結(jié)構(gòu)[3-8]。這種混凝土繼承了堆石混凝土水泥用量小、水化熱少、熱變形小、無需振搗的優(yōu)點(diǎn)[1-9]，又可以重新利用廢棄混凝土，是建筑垃圾回收再利用的有效方法[10-12]。

若使自密實(shí)混凝土有效填充到堆石體且保證堆石混凝土強(qiáng)度，自密實(shí)混凝土除了具有足夠的流動(dòng)性外，還要有足夠的通過性能，以通過模具中的障礙孔隙而不失去均勻性[13-14]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行的通過性試驗(yàn)表明通過障礙時(shí)的自密實(shí)混凝土?xí)憩F(xiàn)出明顯的流動(dòng)性下降和離析穩(wěn)定性下降[15-20]。這是由于自密實(shí)混凝土漿體在剪應(yīng)力低于屈服應(yīng)力時(shí)會(huì)保持靜止，無法繼續(xù)填充堆石體；自密實(shí)混凝土中的粗細(xì)集料顆粒在通過孔隙障礙時(shí)，停滯的顆粒連結(jié)而形成顆粒拱，進(jìn)而發(fā)生堵塞。粗顆粒粒徑與障礙間隙的關(guān)系對(duì)自密實(shí)混凝土的填充性能具有顯著影響[19-21]。對(duì)堆石體而言，其骨料間隙與大骨料粒徑密切相關(guān)[22]，為保證堆石混凝土填充密實(shí)，通常令大骨料粒徑在100 mm以上，限制了堆石混凝土的應(yīng)用范圍。一些學(xué)者為擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，使用了自密實(shí)砂漿(self-compacting mortar，SCM)填充更小骨料粒徑的堆石體[21-24]，對(duì)其填充性、力學(xué)性和耐久性等進(jìn)行了研究，但以往的文獻(xiàn)中未有對(duì)自密實(shí)砂漿填充再生大骨料堆石體的研究。

由于再生大骨料相比于天然大骨料具有更加粗糙的表面和更高的孔隙率[25]，用自密實(shí)砂漿填充再生大骨料堆石體時(shí)可能表現(xiàn)出更差的填充性。本文旨在通過對(duì)再生大骨料自密實(shí)砂漿堆石混凝土的力學(xué)性能研究，驗(yàn)證自密實(shí)砂漿填充再生大骨料堆石體的可行性，并對(duì)其強(qiáng)度、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系提出預(yù)測(cè)模型，以拓展再生混凝土和堆石混凝土的應(yīng)用范圍。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

水泥選用山水牌P.O42.5級(jí)水泥；粉煤灰為Ⅰ級(jí)粉煤灰；細(xì)骨料為Ⅱ區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)為2.97；再生大骨料來源于沈陽建筑大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室的廢棄試驗(yàn)梁，經(jīng)過人工破碎、清洗和篩分篩選出粒徑分別為(60±5) mm、(80±5) mm和(100±5) mm的塊體。在水中浸泡2 d后于試件制作的30 min前從水池中取出，散去表面水分至飽和面干狀態(tài)；減水劑為羧酸高效液體減水劑，減水效率為46%，試驗(yàn)前與水混合后使用；水為普通自來水。

1.2 自密實(shí)砂漿配合比

本試驗(yàn)所用砂漿的強(qiáng)度等級(jí)為M20、M30和M40，依據(jù)全計(jì)算配合比設(shè)計(jì)方法[26-27],運(yùn)用正交試驗(yàn)，配制出滿足工作性能的自密實(shí)砂漿，各配合比見表1。

表1 自密實(shí)砂漿配合比Table 1 Self-compacting mortar mix proportion

1.3 試驗(yàn)分組

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了7組不同的再生大骨料-自密實(shí)砂漿混凝土RLA-SCMRFC試塊，其中再生大骨料粒徑分別為(60±5) mm、(80±5) mm及(100±5) mm，再生大骨料原始強(qiáng)度(與廢棄混凝土試驗(yàn)梁同期澆筑的立方體抗壓試驗(yàn)強(qiáng)度)分別為35.94、44.79、51.43 MPa，自密實(shí)砂漿強(qiáng)度分別為25.84、36.54、44.21 MPa。詳細(xì)試件設(shè)計(jì)分組見表2。

表2 試驗(yàn)分組及結(jié)果Table 2 Test groups and results

1.4 試件制備

由于再生大骨料的粒徑大于規(guī)范[12]中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試塊的骨料最大粒徑，故采用對(duì)大尺寸試件(尺寸為300 mm×300 mm×300 mm、300 mm×300 mm×600 mm)中心部位切割取芯的方式得到標(biāo)準(zhǔn)試塊(尺寸為150 mm×150 mm×150 mm、150 mm×150 mm×300 mm)，以避免試塊截面差異過大導(dǎo)致的離散性。

試驗(yàn)所用試件采用普通型堆石混凝土施工工藝進(jìn)行：將再生大骨料放入大尺寸模具中形成再生大骨料堆石體，同時(shí)控制單一再生骨料替代率η在30%±1%范圍，避免再生骨料替代率對(duì)RLA-SCMRFC力學(xué)性能產(chǎn)生影響；再將制備好的自密實(shí)砂漿沿模具的一個(gè)角倒入，澆筑過程無需振搗，完全依靠自密實(shí)砂漿自身的流動(dòng)性填滿整個(gè)模具內(nèi)；標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)28 d后，將300 mm×300 mm×300 mm的立方體試件和300 mm×300 mm×600 mm的棱柱體試件取芯切割成150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件和150 mm×150 mm×300 mm的棱柱體試件，并將小試件表面用水泥漿抹平。

1.5 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[28]，使用沈陽建筑大學(xué)5 000 kN壓力機(jī)進(jìn)行立方體抗壓試驗(yàn)、軸心抗壓試驗(yàn)和劈裂抗拉試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

2 結(jié)果分析

試件的立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度見圖1～3。由圖1～3和表2可知：RLA-SCMRFC立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉均隨再生骨料粒徑減小而減小，但減小幅度不大，再生骨料粒徑由100 mm減小到80 mm和60 mm時(shí)，立方體抗壓強(qiáng)度僅降低1.87%和5.97%，軸心抗壓強(qiáng)度均降低10%，劈裂抗拉強(qiáng)度降低4%和8.8%。說明自密實(shí)砂漿在填充更小粒徑的再生大骨料堆石體時(shí)，雖然受到的黏滯阻力增大，通道直徑變小，造成填充密實(shí)度降低，但強(qiáng)度降低幅度不大，說明用自密實(shí)砂漿填充再生大骨料堆石體是可行的。

RLA-SCMRFC立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均隨再生大骨料原始強(qiáng)度和自密實(shí)砂漿配置強(qiáng)度增大而增大，但自密實(shí)砂漿強(qiáng)度的影響更為顯著。RLA-SCMRFC軸心抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的比值變化范圍在0.65～0.71之間， 這一值略小于普通混凝土；劈裂抗拉強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的比值變化范圍在0.055 8～0.070 9之間，且SCM強(qiáng)度對(duì)其影響明顯較大。

通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到立方體抗壓強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度轉(zhuǎn)換公式為

fc,rfc=α1fcu,rfc

(1)

式中：α1為轉(zhuǎn)換系數(shù)，對(duì)于再生大骨料-自密實(shí)砂漿堆石混凝土取0.67。

立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度轉(zhuǎn)換公式為

(2)

表3給出了強(qiáng)度計(jì)算值及相對(duì)誤差。由表3可知，相對(duì)誤差均在合理范圍內(nèi)。

表3 強(qiáng)度計(jì)算值及相對(duì)誤差Table 3 Calculation value of strength and relative error

以Wu等[29]提出的公式為基礎(chǔ)，以表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，對(duì)公式中相關(guān)系數(shù)進(jìn)行修正，提出適用于再生大骨料-自密實(shí)砂漿堆石混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的計(jì)算公式，見式(3)。

(3)

Ka=0.001 5d+0.839 9

(4)

式中：Ka為再生骨料粒徑影響系數(shù)。

將實(shí)測(cè)值與式(3)計(jì)算值列于表3中，可以看出相對(duì)誤差均在合理范圍內(nèi)，該公式精度較好。

3 單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4為試驗(yàn)得到的再生大骨料-自密實(shí)砂漿混凝土棱柱體軸心受壓應(yīng)力-應(yīng)變(σ-ε)曲線，因試驗(yàn)條件限制，僅取其上升階段?？梢钥闯觯琑LA-SCMRFC的軸心受壓性能與普通混凝土相似。加載初期和荷載達(dá)到極限荷載的80%之前，應(yīng)力-應(yīng)變曲線幾乎處于線彈性階段。這從側(cè)面說明再生大骨料與自密實(shí)砂漿之間有良好的界面特性，并沒有過早發(fā)生塑性變形。隨著荷載的增加，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到極限強(qiáng)度的80%～100%時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率開始變小，此時(shí)開始發(fā)生了塑性變形。從構(gòu)件表面開始出現(xiàn)了裂縫，并隨著荷載的進(jìn)一步增大，裂縫迅速擴(kuò)展。隨著荷載到達(dá)峰值應(yīng)力，裂縫逐漸增多，直到構(gòu)件發(fā)生破壞。

圖5為試件的靜態(tài)彈性模量。由圖5可知：RLA-SCMRFC的靜態(tài)彈性模量隨再生骨料粒徑、再生骨料強(qiáng)度和自密實(shí)砂漿強(qiáng)度的增大而增大，其中再生骨料強(qiáng)度和自密實(shí)砂漿強(qiáng)度影響較大，再生骨料粒徑影響較小。圖6為試件的峰值壓應(yīng)變。由圖6可知：峰值壓應(yīng)變隨再生骨料粒徑、再生骨料強(qiáng)度和自密實(shí)砂漿強(qiáng)度的增大而增大，但再生骨料粒徑對(duì)其影響很小，再生骨料強(qiáng)度和自密實(shí)砂漿強(qiáng)度的影響較為明顯。

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，提出RLA-SCMRFC靜態(tài)彈性模量Ec,rfc計(jì)算公式為

(5)

峰值壓應(yīng)變?chǔ)舙,rfc計(jì)算公式為

(6)

表4列出了靜態(tài)彈性模量和峰值壓應(yīng)變實(shí)測(cè)值與計(jì)算值之間的相對(duì)誤差?？梢钥闯觯畲笙鄬?duì)誤差為9.98%，公式精度較高。

表4 靜態(tài)彈性模量和峰值壓應(yīng)變Table 4 Static elasticity modulus and peak compressive strain

對(duì)單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線橫、縱坐標(biāo)進(jìn)行量綱一化處理，以x=ε/εp,rpc和y=σ/fr,rfc為橫、縱坐標(biāo)，繪制出各組構(gòu)件軸心受壓的歸一化應(yīng)力-應(yīng)變曲線(圖7)。

基于江見鯨等[30]提出的多項(xiàng)式型本構(gòu)模型，對(duì)原式中的系數(shù)進(jìn)行修正，得出再生大骨料-自密實(shí)砂漿堆石混凝土單軸受壓本構(gòu)模型，表達(dá)式見式(7)。

y=ax3+bx3+cx

(7)

b=-1.590 3a-0.479 8

(8)

c=0.600 8a+1.512 5

(9)

a=[(0.041 5fcu,SCM-1.731 8)(-0.021 4d+

4.297)+10.435]/0.826 5

(10)

基于歐盟CEB-FIP MC90規(guī)范提出的有理分式型本構(gòu)模型，對(duì)原式中相關(guān)系數(shù)進(jìn)行修正，得出再生大骨料-自密實(shí)砂漿堆石混凝土單軸受壓本構(gòu)模型，表達(dá)式見式(11)。

(11)

K=[-0.006 4fcu,SCM+1.547 2)(0.000 3d+

1.261 6)(-0.032fcu,old+2.784 3)-

1.269 3]/0.705 4

(12)

從圖7可以看出，多項(xiàng)式型本構(gòu)模型和有理分式型本構(gòu)模型得到的結(jié)果都可以很好地與實(shí)測(cè)結(jié)果相吻合。

4 結(jié)語

(1)RLA-SCMRFC的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、彈性模量和峰值應(yīng)變分別隨著再生骨料粒徑、再生骨料強(qiáng)度以及自密實(shí)砂漿強(qiáng)度的增大而增大。RLA-SCMRFC軸心抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的比值變化范圍在0.65～0.71之間，略小于普通混凝土。劈裂抗拉強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度比值同普通混凝土近似。

(2)各種工況下試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線發(fā)展規(guī)律同普通混凝土大致相同，破壞形態(tài)也同普通混凝土類似，通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合，得到多項(xiàng)式型本構(gòu)模型和有理分式型本構(gòu)模型，兩者都可以很好地與試驗(yàn)值相吻合。

(3)自密實(shí)砂漿能夠充分填充更小骨料粒徑構(gòu)成的堆石體，用自密實(shí)砂漿替代自密實(shí)混凝土填充堆石體是可行的。