基于二級(jí)配再生骨料的水工混凝土抗壓強(qiáng)度研究

宋福生

（盤錦市大洼區(qū)水利服務(wù)中心，遼寧 盤錦 124200）

再生混凝土是新型環(huán)保建筑材料，其應(yīng)用前景十分廣泛。劈裂抗拉和單軸受壓強(qiáng)度是評(píng)判再生混凝土結(jié)構(gòu)變形及其承載力的重要依據(jù)，可為極限受壓狀態(tài)下構(gòu)件的變形情況、破壞形態(tài)以及截面應(yīng)力分布等研究提供參考依據(jù)。目前，針對(duì)再生混凝土力學(xué)性能諸多學(xué)者開展了一系列研究，并取得豐碩的成果，如陳宗平等試驗(yàn)探討了混凝土強(qiáng)度與粗骨料替代率之間的關(guān)系，結(jié)果顯示30%~40%取代率的混凝土性能達(dá)到最優(yōu)；竇世聰?shù)仍囼?yàn)表明再生粗骨料來源于不同強(qiáng)度原生混凝土?xí)r，原生混凝土強(qiáng)度越高則再生混凝土力學(xué)性能越好；張波志等認(rèn)為相較于普通混凝土，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度高而劈裂抗拉強(qiáng)度低；關(guān)壯等提出再生混凝土摻入高效減水劑能夠增強(qiáng)其力學(xué)性能，并且劈裂抗拉和抗壓強(qiáng)度會(huì)隨著引氣劑摻量的增加而減小[2-5]。然而，現(xiàn)有研究主要側(cè)重于單一粒徑再生粗、細(xì)骨料，大都未考慮骨料粒徑對(duì)力學(xué)能的影響[6]。因此，文章選擇5~30mm、20~30mm 和5~20mm 粒徑的再生粗骨料，試驗(yàn)研究20%、40%、60%、80%、100%取代率時(shí)再生粗骨料等質(zhì)量替代天然粗骨料(相同粒徑)的二級(jí)配混凝土的劈裂抗拉和抗壓強(qiáng)度，然后利用非線性回歸方法建立劈裂抗拉與抗壓強(qiáng)度之間的換算關(guān)系，以期為再生骨料取代率及其粒徑的合理選擇和再生混凝土的推廣應(yīng)用提供一定支持。

1 試驗(yàn)方案

1.1 原材料

本試驗(yàn)選用20~30mm和5~20mm連續(xù)級(jí)配碎石作為天然粗骨料，將同批次普通混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)后的試塊人工破碎，經(jīng)篩分取20~30mm和5~20mm碎石作為再生粗骨料；細(xì)骨料為渾河中砂，細(xì)度模數(shù)2.6；水泥選用盤錦金潤(rùn)水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的P·O42.5級(jí)水泥，比表面積345m2/kg，3d、28d抗壓強(qiáng)度8.8MPa和50.1MPa，初、終凝時(shí)間185min和305min。外加劑選用蘇博特GYQ?-Ⅳ高效引氣劑和廣東鑫瑞恒聚羧酸高效減水劑，拌和水用當(dāng)?shù)刈詠硭?/p>

1.2 配合比設(shè)計(jì)

以取代率和骨料粒徑為變量，試驗(yàn)設(shè)計(jì)12 種二級(jí)配再生骨料水工混凝土，具體如下：①JC：普通混凝土；②PC1：5~30mm 粒徑范圍的二級(jí)配再生混凝土，取代率20%、40%、60%、80%、100%；③PC2：20~30mm、5~20mm（1 : 1 分配）粒徑范圍的二級(jí)配再生混凝土，取代率20%、40%、60%。鑒于再生骨料具有較強(qiáng)的吸水率特征，為達(dá)到良好的新拌混凝土和易性，按附加用水及拌和水兩部分作為混凝土用水量，其中附加用水量等于再生骨料用水乘以其吸水率，通過試驗(yàn)測(cè)定再生骨料吸水率2.8%。依據(jù)《水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》和天然骨料混凝土設(shè)計(jì)方法合理設(shè)計(jì)配合比見表1。

表1 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

1.3 試驗(yàn)方法

依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范配制出12 組抗壓強(qiáng)度和12 組劈裂抗拉強(qiáng)度試件，每組試件3 個(gè)，形態(tài)尺寸為100mm×100mm×100mm，合計(jì)72 個(gè)。試驗(yàn)時(shí)先用機(jī)械攪拌混合物，拌和均勻后裝入標(biāo)準(zhǔn)鋼膜，為保證混凝土密實(shí)性用振動(dòng)臺(tái)振搗，室內(nèi)靜置24h后拆模，然后放入標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護(hù)28d，養(yǎng)護(hù)相對(duì)濕度95%，溫度(20±2)℃。養(yǎng)護(hù)完成后取出，設(shè)定加載速率0.5MPa/s，采用電液伺服試驗(yàn)機(jī)測(cè)定各組試件的抗壓強(qiáng)度，而劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)的加載速度設(shè)定為0.05MPa/s。

2 結(jié)果與分析

2.1 破壞形態(tài)分析

1）抗壓破壞。當(dāng)水工混凝土試件加載到一定程度時(shí)，表面逐漸出現(xiàn)沿上下受力面近似垂直的少許細(xì)小裂縫；持續(xù)增大荷載，裂縫數(shù)量增多且進(jìn)一步延伸擴(kuò)大向內(nèi)部發(fā)展，混凝土表面逐漸出現(xiàn)鼓脹、剝落現(xiàn)象，當(dāng)加載到極限荷載時(shí)混凝土完全破碎。

2）劈裂抗拉破壞。加載初期試件表面未發(fā)現(xiàn)明顯裂縫，增大荷載上下受力點(diǎn)開始出現(xiàn)與受力面相垂直的細(xì)小裂縫，當(dāng)加載到極限荷載時(shí)試件被迅速劈裂成兩塊，與此同時(shí)會(huì)發(fā)出響聲。通過試驗(yàn)觀察，再生與普通混凝土都是沿中心線附近被劈裂，兩者的破壞形態(tài)相似，劈裂面大多沿骨料之間或砂漿與骨料接觸處被劈裂，天然骨料發(fā)生破裂的很少[7-8]。

2.2 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

通過計(jì)算處理各組試件的抗壓強(qiáng)度檢測(cè)數(shù)據(jù)，建立取代率與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系，如圖1 所示。

圖1 骨料取代率與抗壓強(qiáng)度關(guān)系線

由圖1 可知，在取代率相同情況下，5~30mm粒徑范圍的試件抗壓強(qiáng)度相比于20~30mm、5~20mm 粒徑范圍要高，這表明級(jí)配連續(xù)再生混凝土的抗壓強(qiáng)度比級(jí)配不連續(xù)再生骨料高。取代率從0 增大到20% 時(shí)，5~30mm、20~30mm 和5~20mm粒徑范圍試件抗壓強(qiáng)度明顯提高，增長(zhǎng)率依次為19.35%、14.71%、10.90%；取代率從20%增大到60%時(shí)，5~30mm、20~30mm 和5~20mm 粒徑范圍的試件抗壓強(qiáng)度逐漸減小，減小幅度依次為5.94%、11.64%、5.65%，可見20~30mm 粒徑范圍的試件強(qiáng)度降幅最大，隨取代率增大該組試件的抗壓強(qiáng)度變幅最大，因此20~30mm 粒徑范圍的再生骨料是二級(jí)配再生混凝土強(qiáng)度的主要影響因素。取代率從80%增大到100%時(shí)，5~30mm 粒徑范圍的試件抗壓強(qiáng)度維持不變。

深入分析產(chǎn)生以上變化趨勢(shì)的原因，經(jīng)破碎后的再生骨料棱角突出且表面更加粗糙，這使得水泥砂漿與骨料間的粘結(jié)力以及骨料間的摩擦力增大，從而增強(qiáng)了整體抗壓強(qiáng)度；另外，在破碎過程中再生骨料內(nèi)部形成許多微小裂縫，致使再生骨料低于天然骨料的承載力[9-10]。因此，取代率不同這兩種作用結(jié)果具有明顯差異，較小取代率時(shí)有利因素起主導(dǎo)作用，從而提高了抗壓強(qiáng)度；取代率逐漸增加，骨料內(nèi)部微小裂縫開始發(fā)揮主導(dǎo)作用，裂縫空隙處受壓力作用時(shí)將出現(xiàn)應(yīng)力集中，不利因素起決定作用，因此抗壓強(qiáng)度又隨著取代率的提高而逐漸減小。

2.3 劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

通過計(jì)算處理各組試件的劈裂抗拉強(qiáng)度檢測(cè)數(shù)據(jù)，建立再生骨料取代率與再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系，如圖2 所示。

圖2 骨料取代率與劈裂抗拉強(qiáng)度關(guān)系線

由圖2 可知，隨再生骨料取代率的增加5~20mm 和5~30mm 粒徑范圍的試件劈裂抗拉強(qiáng)度變化趨勢(shì)相似，取代率小于40%時(shí)表現(xiàn)出上升趨勢(shì)，而取代率超過40%時(shí)表現(xiàn)出下降趨勢(shì)，故取代率等于40%時(shí)的試件劈裂抗拉強(qiáng)度最高達(dá)到3.81MPa和4.08MPa，與普通混凝土相比分別提高5.83%和13.33%。取代率相同情況下，5~30mm 粒徑范圍的試件劈裂抗拉強(qiáng)度比5~20mm 粒徑范圍試件高，該變化特征與抗壓強(qiáng)度相同；取代率從80%增大到100%時(shí)，5~30mm 粒徑范圍的試件劈裂抗拉強(qiáng)度基本相同。取代率0 增大到20%時(shí)，20~30mm粒徑范圍的試件劈裂抗拉強(qiáng)度逐漸升高，取代率從20%增大到60%時(shí)逐漸下降，故取代率20%時(shí)20~30mm 粒徑范圍的試件劈裂抗拉強(qiáng)度最高達(dá)到4.05MPa，與普通混凝土相比提高12.50%。

深入分析產(chǎn)生以上變化規(guī)律的原因，5~20mm粒徑范圍的再生骨料組成成分以廢棄的水泥砂漿為主，粒徑相同時(shí)其強(qiáng)度低于天然骨料，20~30mm粒徑范圍的再生骨料組成成分以廢棄水泥砂漿包裹天然骨料為主，粒徑相同時(shí)期強(qiáng)度略低于天然骨料，降幅較小，所以5~20mm 粒徑范圍的試件劈裂抗拉強(qiáng)度要小于20~30mm、5~30mm 粒徑范圍試件[11]。由于大量水泥砂漿與再生骨料相連，而許多未完全水化的礦物摻合料及水泥顆粒被包裹在再生骨料的水泥砂漿內(nèi)部，這些顆粒發(fā)生二次水化反應(yīng)增強(qiáng)了再生混凝土密實(shí)度及新舊砂漿與粗骨料的粘結(jié)力，所以試件劈裂抗拉強(qiáng)度隨著取代率的增大要高于普通混凝土[12-15]。

2.4 抗壓與劈裂抗拉強(qiáng)度的關(guān)系

依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的規(guī)定建立劈裂抗拉與抗壓強(qiáng)度之間的換算關(guān)系式，其表達(dá)式為：

式中：fcu、fts——混凝土抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度；α、β——回歸系數(shù)。

通過非回歸分析，建立不同取代率不同骨料粒徑二級(jí)配再生混凝土抗壓與劈裂抗拉強(qiáng)度之間的換算關(guān)系式，如表2 所示，并進(jìn)一步計(jì)算劈裂抗拉強(qiáng)度實(shí)測(cè)值與計(jì)算值之間的誤差，如表3 所示。

表2 換算關(guān)系式

結(jié)果表明，通過非線性回歸所建立的換算關(guān)系式具有較高的擬合精度，相關(guān)系數(shù)均超過95%，該換算關(guān)系式可以準(zhǔn)確地反映試件抗壓與劈裂抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系。

3 結(jié) 論

1）再生混凝土與普通混凝土都是沿中心線附近被劈裂，兩者的破壞形態(tài)相似，大都沿骨料之間或天然骨料與砂漿的接觸面斷裂，天然骨料發(fā)生破裂的很少。

2）在取代率相同情況下，5~30mm 粒徑范圍的試件抗壓強(qiáng)度相比于20~30mm、5~20mm 粒徑范圍要高，表明級(jí)配連續(xù)再生混凝土的抗壓強(qiáng)度比級(jí)配不連續(xù)再生骨料高。取代率為20%時(shí)，5~30mm、20~30mm 和5~20mm 粒徑范圍試件抗壓強(qiáng)度均達(dá)到最高。

3）取代率等于40%時(shí)，5~20mm 和5~30mm粒徑范圍的試件劈裂抗拉強(qiáng)度最高達(dá)到3.81MPa和4.08MPa，與普通混凝土相比分別提高5.83%和13.33%；取代率20%時(shí)，20~30mm 粒徑范圍的試件劈裂抗拉強(qiáng)度最高達(dá)到4.05MPa，與普通混凝土相比提高12.50%。20~30mm 粒徑范圍的再生骨料是二級(jí)配混凝土劈裂抗拉及抗壓強(qiáng)度的主要影響因素。