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(1 陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西渭南 714000；2 大連理工現(xiàn)代工程檢測有限公司，遼寧大連 116024)

再生混凝土力學(xué)性能試驗研究*

李娜1，馮琪2，南黃河1，何冰1，羅云蔭1

(1 陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西渭南 714000；2 大連理工現(xiàn)代工程檢測有限公司，遼寧大連 116024)

在“低溫加熱-顆粒整形”工藝分離廢棄混凝土的基礎(chǔ)上，分析研究了再生粗骨料的性能以及再生混凝土的力學(xué)性能。實驗結(jié)果表明：在水灰比和砂率相同的基礎(chǔ)上，相較于素混凝土，當(dāng)再生粗骨料代替率為40%時，再生混凝土7d和28d的抗壓強度分別提高約6.9%和4.2%；再生混凝土的峰值應(yīng)力變化與抗壓強度變化趨勢相同，且兩者的提高原因皆源于彈性應(yīng)變的提高。

再生粗骨料，低溫分離工藝，彈性應(yīng)變

隨著生產(chǎn)力發(fā)展和城市化進程的加速，能源危機和全球變暖已被公認(rèn)為是人類必須面對和亟待解決的問題[1]，因此“綠色”和“可持續(xù)發(fā)展”就成為現(xiàn)今材料發(fā)展的大趨勢，然而在建筑業(yè)發(fā)展的同時，建筑物在拆建、改建和重建過程中產(chǎn)生了相當(dāng)數(shù)量的建筑垃圾[2]，如果把這部分建筑垃圾進行簡單的填埋，不僅占用大量農(nóng)田，而且在清運過程中容易產(chǎn)生二次污染[3]，這就與“綠色”和“可持續(xù)發(fā)展”相違背，從而阻礙社會進步和經(jīng)濟發(fā)展，因此廢棄混凝土再利用已成為世界各國關(guān)注的熱點。

再生混凝土是將廢棄混凝土經(jīng)破碎、整形、分級后，按照一定的比例混合[4]，制備成與天然石子級配接近的骨料，采用部分或全部替代天然骨料配置而成。對再生粗骨料而言，其強度較基準(zhǔn)骨料低，主要由于其在解體破碎過程中的損傷累積，導(dǎo)致再生混凝土強度常低于相同配合比的基準(zhǔn)混凝土[5]。為提高再生骨料的品質(zhì)，我國對廢棄混凝土的分離方法進行了深入研究。目前，加熱分離法是有效且對骨料損害最小的方法，但研究多集中于高溫分離[6-8]，高溫分離較之低溫分離，在節(jié)約資源、控制成本方面略顯劣勢。因此，本文以節(jié)能和環(huán)保為基礎(chǔ)，提出“低溫加熱-顆粒整形”工藝并對分離出的再生粗骨料的回收利用進行了試驗研究。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

試驗過程中所需的原材料包括：型號為P·O 42.5R的水泥，基準(zhǔn)骨料為天然石子、天然砂，廢棄混凝土為齡期兩年的C30混凝土試塊，再生骨料通過將廢棄混凝土試塊經(jīng)“低溫加熱-顆粒整形”工藝分離得到，再生細(xì)粉粒徑小于0.3mm通過將廢棄混凝土試塊經(jīng)“低溫加熱-顆粒整形”工藝分離得到。

2.2 試驗方法

廢棄混凝土試塊通過萬能壓力機進行破碎，并對破碎廢棄料進行過篩，選用粒徑不大于26.5mm的物料作為本次試驗的再生料，將其在馬弗爐中以40℃/min勻速加熱至200℃，再經(jīng)水泥試驗?zāi)シ勰?min，進行篩分處理，選擇粒徑5mm～26.5mm的粉末作為再生粗骨料(其性能如表1所示)，0.315mm～5mm的粉末為再生細(xì)骨料(其性能如表2和表3所示)，其余為再生細(xì)粉。

表1 再生粗骨料的性能Table 1 Properties of recycling coarse aggregate

表2 再生細(xì)骨料的顆粒級配Table 2 Grain composition of recycling fine aggregate

表3 再生細(xì)骨料與天然砂的性能Table 3 Properties of recycled fine aggregate and natural sand

將上述“低溫加熱-顆粒整形”工藝分離的再生粗骨料作為粗集料，在水灰比和砂率相同的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整再生粗骨料的取代率，制備C30再生粗骨料混凝土(配合比如表4所示)，以探求再生粗骨料對再生粗骨料混凝土強度的影響，并制作棱柱體試件測得各摻量下峰值應(yīng)力應(yīng)變，從各個方面分析混凝土強度變化的原因。

按表5所示的配合比，在再生粗骨料取代率為20%(試驗得出的最佳摻量)基礎(chǔ)上，加入30%再生細(xì)骨料替代天然砂制備混凝土(稱再生混凝土)，討論再生骨料對強度的影響，并在此基礎(chǔ)上，加入20%細(xì)粉替代水泥，探求完全再生混凝土的性能(再生細(xì)骨料摻量為本課題前期研究中得出的最佳摻量)。

表4 再生粗骨料混凝土配合比Table 4 Mix proportion of recycled coarse aggregate concrete

表5 再生混凝土配合比Table 5 Mix proportion of recycled aggregate concrete

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 再生粗骨料混凝土的力學(xué)性能

表6所示為同水灰比、同砂率條件下，再生粗骨料替代率分別為0、20%、40%和60%情況下不同齡期的抗壓強度值。圖1為根據(jù)抗壓強度值繪制成的強度變化趨勢圖，從圖中可看出隨著替代率的增大強度上升。當(dāng)替代率為40%時，7天和28天的再生粗骨料混凝土較基準(zhǔn)提高約6.9%和4.2%，而替代率為60%時強度有所降低，其值與基準(zhǔn)強度持平。說明在水灰比和砂率相同的情況下，“單獨”替換粗骨料，替代率在一定范圍內(nèi)，強度有所提高。這與吳淑海和張虹等[9-10]研究結(jié)果相同，即在配比和級配均相同的條件下，再生骨料與類似材質(zhì)的天然骨料制成的混凝土相比，前者強度更高。

表6 再生粗骨料混凝土強度和流動度Table 6 Fluidity and strength of recycled coarse aggregate concrete

圖1 再生粗骨料抗壓強度Fig.1 Compressive strength of recycling coarse aggregate concrete

為進一步評價本工藝分離得到再生粗骨料的變形能力，對再生粗骨料混凝土棱柱體的峰值應(yīng)力應(yīng)變進行測試，其結(jié)果見表7，變化趨勢如圖2所示。圖中峰值應(yīng)力與立方體抗壓強度變化相同，而峰值應(yīng)變在替代率為60%時，相對基準(zhǔn)試樣提高約3%，表明再生粗骨料混凝土在短期加載的情況下，應(yīng)力隨應(yīng)變增大而增大。從混凝土力學(xué)性能上看，彈性模量降低是峰值應(yīng)力應(yīng)變改變的根本原因。這里彈性模量指的是應(yīng)力應(yīng)變曲線中混凝土的原點彈性模量，而峰值點壓應(yīng)變由彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變組成，其中彈性應(yīng)變?yōu)榛炷翉椥噪A段變形，按《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法》中取峰值壓應(yīng)力的0.4倍作為彈性應(yīng)力值，可算出彈性階段應(yīng)變的大小，進而得到峰值點彈性應(yīng)變比例，其值如表8所示。由彈性應(yīng)變比例可得出：隨再生粗骨料替代率增加峰值點彈性應(yīng)變增加，即彈性階段再生粗骨料混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線斜率較普通混凝土小，曲線增長緩慢，變形能力增強，立方體抗壓強度增高，因此筆者認(rèn)為再生粗骨料混凝土峰值應(yīng)變增長的來源主要是彈性應(yīng)變。

再生混凝土與普通混凝土類似，由水泥基材料、骨料和兩者界面三相組成，其強度也由三者決定。首先由廢棄混凝土中分離得到的再生粗骨料，在分離和整形的過程中受到外力作用，使原骨料中少量已有裂紋的粗骨料沿巖石解理破裂，從而達到“棱角增強”和“堅固性選優(yōu)”的目的。其次盡管再生粗骨料經(jīng)過多次整形，但其表面仍有殘余水泥石附著，其較強的親水性使再生骨料與新水泥基材料的界面水灰比變大，過渡區(qū)內(nèi)結(jié)構(gòu)相對疏松且厚度增加，當(dāng)再生骨料大量替代天然骨料時新舊ITZ界面增厚，混凝土的第三相強度降低，整體強度也隨之下降，實驗中發(fā)現(xiàn)當(dāng)替代率為60%時大部分裂縫沿骨料破壞，而替代率為20%和40%時多為骨料破壞，表明在一定替代率范圍內(nèi)，再生混凝土的強度由骨料決定，而超過范圍則由骨料與新水泥基材料間的界面強度決定。

表7 再生粗骨料混凝土的峰值應(yīng)力應(yīng)變和彈性模量Table 7 Peak stress -strain and elasticity modulus of recycled coarse aggregate concrete

圖2 再生粗混凝土應(yīng)力應(yīng)變Fig.2 Strain and stress of recycling aggregate concrete

表8 再生粗骨料混凝土的峰值應(yīng)變Table 8 Peak strain of recycled coarse aggregate concrete

2.2 再生骨料混凝土的力學(xué)性能

表9為再生骨料混凝土立方體抗壓強度表，圖3為根據(jù)立方體強度值繪制成的折線圖，從A0和B的強度變化可看出在保持水灰比和砂率不變的情況下，30%再生細(xì)骨料替代天然砂后，7天和28天強度均降低約9%。這與再生細(xì)骨料自身的性能有關(guān)，其吸水率過高，不但降低了拌合物的坍落度，而且使水泥基材料強度以及與骨料的粘結(jié)應(yīng)力都有所降低。

再生細(xì)骨料中混有部分硬化水泥顆粒，當(dāng)替代部分天然砂時，其“真實的砂率”相對基準(zhǔn)混凝土而言有所降低，是再生細(xì)骨料混凝土強度降低的原因之一。其次，再生細(xì)骨料有石屑和硬化水泥石摻入，強度和堅固性都大大降低。最后，再生細(xì)骨料吸水率偏高，使過渡區(qū)內(nèi)水灰比進一步提高，造成界面厚度增加且與骨料間的粘結(jié)力下降，是再生細(xì)骨料混凝土強度下降的主要原因。另外實驗中裂縫界面均沿骨料破壞，再次表明再生細(xì)骨料混凝土強度降低的原因起自細(xì)骨料本身的性能。

表9 再生骨料混凝土流動度及強度Table 9 Fluidity and strength of recycling aggregate concrete

圖3 再生骨料抗壓強度對比Fig.3 Compressive strength of recycling aggregate concrete

圖3為再生混凝土的抗壓強度對比，C強度較A0降低約50%，其原因在于20%的細(xì)粉替代水泥后，膠凝材料活性指數(shù)降低，進而在拌合混凝土的過程中，“水灰比”較設(shè)計時降低，立方體抗壓強度自然隨著降低。圖4為再生混凝土破壞形態(tài)圖，從圖中可看出A0和C的裂縫有明顯區(qū)別。C試樣由于加入再生細(xì)粉，當(dāng)出現(xiàn)裂縫后立方體試件立即被破壞，且破壞模式變現(xiàn)為較強的脆性剪切破壞，而A0則趨于倒相連的四角錐形。

圖4 再生混凝土的破壞形態(tài)Fig.4 Failure appearance of recycled concrete

3 再生骨料混凝土再利用的前景

將大量混凝土廢棄物再利用，所需技術(shù)設(shè)備簡單且處理費用低，相比現(xiàn)階段垃圾清運和購買建筑材料所需費用而言，具有較大的贏利空間，滿足經(jīng)濟的可行性。當(dāng)今世界正處于能源匱乏和環(huán)境污染加劇的狀態(tài)，如能科學(xué)有效地分離廢棄混凝土，不但可節(jié)約砂石等自然資源，更能促進資源與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，符合我國科學(xué)發(fā)展觀念，利于建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)論

(1)在水灰比和砂率相同的條件下，隨再生粗骨料替代率提高再生粗骨料混凝土強度略微上升，且在一定替代率范圍內(nèi)，再生粗混凝土的強度由骨料決定，而超過范圍則由骨料與水泥間的界面強度決定。

(2)最終提出再生粗骨料混凝土配合比為W∶C∶S∶G=178∶380∶810∶950。

(3)再生粗骨料混凝土峰值應(yīng)變較普通混凝土提高，其中峰值應(yīng)變提高的主要來源是彈性應(yīng)變的提高。

(4)再生細(xì)骨料自身性能的下降對再生細(xì)骨料混凝土強度降低起決定作用。

[1] 吳中偉. 綠色高性能混凝土—混凝土的發(fā)展方向[J]. 混凝土與水泥制品，1998(1)：3-6.

[2] 楊靜，馮乃謙. 21世紀(jì)的混凝土材料—環(huán)保型混凝土[J]. 混凝土與水泥品，1996，106(2)：3-5.

[3] 丁雪芬. 廢棄混凝土在建筑工程上的回收利用[J]. 混凝土，2003(2)：56-57.

[4] 侯景鵬，宋玉普，史巍. 再生混凝土技術(shù)研究與應(yīng)用開發(fā)[J]. 低溫建筑技術(shù)，2001(2)：9-10.

[5] 徐卓，龍幫云. 開發(fā)利用再生混凝土走可持續(xù)發(fā)展的道路[J]. 中外建筑，2004(2)：197-199.

[6] 呂林女，何永佳，胡曙光. 廢棄混凝土組分分離試驗研究[J]. 建筑材料學(xué)報，2008，11(6)：722-725.

[7] MA Xin-wei，HAN Zhao-xiang，LI Xue-ying，et al. Thermal Treatment of Waste Concrete and the Rehydration Properties of the Dehydrated Cement Paste[J]. Journal of Qingdao Technological University，2009，30(4)：93-97.

[8] 馬新偉，張東青，尹煒鋒，等. 廢棄混凝土再生新技術(shù)探索[J]. 低溫建筑技術(shù)，2009(9)：4-5.

[9] 吳淑海，李曉文，肖慧，等. C30再生混凝土變形性能及應(yīng)力-應(yīng)變曲線試驗研究[J]. 混凝土，2009 (12)：21-25.

[10] 張虹，熊學(xué)忠. 廢棄混凝土再生骨料的特性研究[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報，2006，28(3)：64-66.

ExperimentalResearchontheMechanicalPropertiesofRecycledConcrete

LI Na1，F(xiàn)ENG Qi2，NAN Huang-he1，HE Bing1，LUO Yun-yin1

(1 Shaanxi Railway Institute，Weinan 714000，Shaanxi，China；2 Dalian Institute of Technology，Modern Engineering Detection Co. LTD，Dalian 116024，Liaoning，China)

Based on the “Low temperature heating-particle shaping” process for separating waste concrete，the performance of recycled coarse aggregate，combined with the mechanical properties of the recycled concrete，were analyzed systematically in this paper. Compared to the reference concrete，all the results showed that the compressive strength of recycled concrete，which prepared by 40% replacement ratio of recycled coarse aggregate，was improved by 6.9% and 4.2% at 7d and 28d，respectively. The changes of peak stress followed that of the compressive strength，which caused by the improvement of the corresponding elastic strain.

recycled coarse aggregate，low temperature separating process，elastic strain

TQ 172.71

陜西省教育廳自然科學(xué)基金專項(16JK1172)；陜西省高性能混凝土工程實驗室專項課題(G2015-01)