王瑞駿，緱彥強(qiáng)，徐 帆

(西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，陜西西安710048)

0 引 言

再生混凝土作為一種新型材料，不僅環(huán)保，而且也符合建筑行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的要求，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。再生混凝土的的單軸受壓和劈裂抗拉性能是研究再生混凝土結(jié)構(gòu)承載力和變形等的主要依據(jù)，對于構(gòu)件極限受壓狀態(tài)時(shí)的截面應(yīng)力分布、破壞形態(tài)、變形情況等的分析具有重要意義。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于再生混凝土力學(xué)性能的研究，取得了一系列的成果。張波志等[1]研究發(fā)現(xiàn)，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度高于普通混凝土，而劈裂抗拉強(qiáng)度低于普通混凝土；寇世聰?shù)萚2]研究了不同強(qiáng)度等級的混凝土作為再生粗骨料的高性能再生混凝土的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)再生混凝土的抗壓強(qiáng)度與原生混凝土的強(qiáng)度成正比；陳宗平等[3]、郭樟根等[4]研究了不同粗骨料替代率下混凝土的力學(xué)性能，得出再生混凝土的最優(yōu)取代率為30%～40%；ABDURRAHMAAN等[5]研究發(fā)現(xiàn)再生粗骨料取代率小于30% 時(shí)，對再生混凝土的抗壓強(qiáng)度影響很小；PEREIRA等[6]、關(guān)壯等[7]通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)摻加高效減水劑可以提高再生混凝土的力學(xué)性能，且隨著引氣劑含量的增大，再生混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均呈減小趨勢。然而，現(xiàn)有再生混凝土力學(xué)性能的研究均是針對單一粒徑再生粗骨料或細(xì)骨料進(jìn)行的，大多忽略了粗骨料粒徑的影響[8，9]。為此，本文對5～20、20～30 mm及5～30 mm粒徑范圍內(nèi)的再生粗骨料在不同取代率下等質(zhì)量替代相同粒徑范圍內(nèi)的天然粗骨料的二級配再生混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用非線性回歸方法，建立了不同粒徑再生粗骨料混凝土立方體抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度的換算關(guān)系，為再生混凝土的推廣應(yīng)用中合理的選取粗骨料粒徑及取代率提供參考和依據(jù)。

表1 混凝土試件配合比

注：NC為普通混凝土；RCXX-N中XX表示再生粗骨料取代率XX%，N表示第N組試件。如RC30-1表示再生粗骨料取代率為30%的第1組試件。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用天然粗骨料為經(jīng)過篩分的5～20、20～30 mm連續(xù)級配的天然石子，再生粗骨料來自實(shí)驗(yàn)室測試完混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的同一批普通混凝土試塊，通過人工破碎，篩分后粒徑為5～20、20～30 mm；細(xì)骨料為西安灞河中砂(細(xì)度模數(shù)為2.5)；水泥為冀東水泥銅川有限公司生產(chǎn)的盾石牌P·C 32.5R普通硅酸鹽水泥；中科院生產(chǎn)的高效聚羥基酸減水劑和高效三萜皂甙引氣劑；試驗(yàn)用水為自來水。

1.2 試驗(yàn)混凝土配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了12種不同再生粗骨料取代率的二級配混凝土：①普通二級配混凝土；②再生粗骨料粒徑為5～30 mm，取代率為30%、40%、50%、75%和100%的二級配再生混凝土；③再生粗骨料粒徑分別為5～20、20～30 mm，取代率為30%、40%和50%的二級配再生混凝土(粒徑為5～20、20～30 mm的粗骨料按1∶1分配)。考慮到再生粗骨料吸水率較大的特性，為保證混凝土具有良好的和易性，混凝土用水量分為拌和水及附加用水兩部分。附加用水量等于再生骨料吸水率乘以再生骨料的用量，本試驗(yàn)中再生粗骨料吸水率通過試驗(yàn)測定為2.9%。試驗(yàn)采用天然骨料混凝土的配合比設(shè)計(jì)方法，參照J(rèn)GJ55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》進(jìn)行。具體設(shè)計(jì)配合比如表1所示。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)制作了12組試件，劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)制作了12組試件，試件均采用立方體試件，尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，每組3個(gè)試件，總計(jì)72個(gè)?；炷猎嚰捎脵C(jī)械攪拌，標(biāo)準(zhǔn)鋼模成型，振動(dòng)臺振搗密實(shí)，24 h后拆模，在溫度為(20±2)℃ 、相對濕度為95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d。在計(jì)算機(jī)控制的電液伺服試驗(yàn)機(jī)上以0.5 MPa/s的速度連續(xù)均勻地加荷進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，以0.05 MPa/s的速度連續(xù)均勻地加荷進(jìn)行劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試件破壞形態(tài)

2.1.1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

當(dāng)荷載施加到一定程度，起初混凝土試件表面開始出現(xiàn)少許近似垂直于上下受力面的細(xì)小裂縫。隨著荷載的繼續(xù)增大，裂縫進(jìn)一步延伸擴(kuò)大，裂縫數(shù)增多，并向內(nèi)部發(fā)展，試件表皮開始鼓脹、剝落。直至加載到極限荷載，混凝土試件完全破碎，并伴有聲響。普通混凝土與再生混凝土試件的破壞形態(tài)如圖1所示。

圖1 混凝土試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)破壞形態(tài)

2.1.2 劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

加載初期，混凝土試件表面并無明顯裂縫。隨著荷載的增大，在上下受力接觸點(diǎn)出現(xiàn)垂直于受力面的細(xì)小裂縫。當(dāng)達(dá)到極限荷載時(shí)，試件在很短的時(shí)間內(nèi)完全劈裂為兩塊，并發(fā)出明顯聲音。再生混凝土與普通混凝土的劈裂破壞形態(tài)基本相同，都是沿試件中心線附近劈裂為兩塊，劈裂面絕大多數(shù)都是沿天然骨料與水泥砂漿的接觸面破裂及骨料間的水泥砂漿被劈裂，只有很少的天然骨料破裂。試件劈裂破壞形態(tài)如圖2所示，破壞面如圖3所示。

圖2 混凝土試件劈裂抗拉試驗(yàn)破壞形態(tài)

圖3 混凝土試件劈裂抗拉破壞面

2.2 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)中每組試件的試驗(yàn)結(jié)果均按GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行處理。各組再生混凝土試件的抗壓強(qiáng)度與再生粗骨料取代率的關(guān)系如圖4所示。

圖4 再生混凝土抗壓強(qiáng)度與不同粒徑再生粗骨料取代率的關(guān)系

由圖4可以知道，在相同取代率下，再生粗骨料粒徑為5～30 mm的再生混凝土比粒徑為5～20、20～30 mm的再生混凝土的抗壓強(qiáng)度高。說明再生粗骨料級配連續(xù)的再生混凝土比再生粗骨料級配不連續(xù)的再生混凝土抗壓強(qiáng)度高。取代率為0～30%時(shí)，3種粒徑的再生混凝土的抗壓強(qiáng)度均增大，且取代率為30%時(shí)，3種再生混凝土的抗壓強(qiáng)度均達(dá)到最大，再生粗骨料粒徑為5～30 mm和5～20、20～30 mm的再生混凝土的抗壓強(qiáng)度比普通混凝土分別增大19.29%、11.68%和14.95%。取代率為30%～50%時(shí)，3種粒徑再生混凝土的抗壓強(qiáng)度又逐漸降低，粒徑為20～30 mm的再生混凝土降低幅度最大。當(dāng)取代率為50%時(shí)，粒徑為20～30 mm的再生混凝土的抗壓強(qiáng)度比取代率為30%時(shí)降低了11.35%，而粒徑為5～30 mm和5～20 mm的再生混凝土的抗壓強(qiáng)度分別降低了5.47%和5.84%。可見3種粒徑的再生粗骨料混凝土中，粒徑為20～30 mm的再生混凝土的抗壓強(qiáng)度隨取代率的變化幅度最大，說明影響二級配再生混凝土抗壓強(qiáng)度的主要是粒徑為20～30 mm的再生粗骨料。粒徑為5～30 mm的再生混凝土，取代率為75%～100%時(shí)，抗壓強(qiáng)度基本不變。

出現(xiàn)以上變化的原因是再生粗骨料經(jīng)破碎后，棱角突出，相比天然粗骨料表面粗糙，增大了骨料間的摩擦力及骨料與水泥砂漿間的粘結(jié)力，從而提高了再生混凝土的抗壓強(qiáng)度。同時(shí)再生粗骨料在破碎的過程中，內(nèi)部產(chǎn)生了一定數(shù)量的微小裂縫，致使其承載力與天然骨料相比有所降低。取代率不同，這兩種作用也不同，當(dāng)取代率較小時(shí)，有利因素作用較大，所以抗壓強(qiáng)度有所提高；隨著取代率的增大，再生骨料經(jīng)內(nèi)部的微小裂縫導(dǎo)致再生混凝土的孔隙率變大，受壓時(shí)在裂縫空隙處產(chǎn)生應(yīng)力集中，這種不利因素超過有利因素的作用，所以隨取代率的增大再生混凝土的抗壓強(qiáng)度又逐漸降低[3，9，10]。

2.3 劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖5為不同粒徑再生粗骨料混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度與再生粗骨料取代率的關(guān)系。由圖5可知，粗骨料粒徑為5～30 mm和5～20 mm的再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度隨取代率的變化趨勢基本相似，當(dāng)取代率<40% 時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度呈增大趨勢，當(dāng)取代率>40%時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度逐漸減小，且取代率在40% 時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度均達(dá)到最大，分別為4.11 MPa和3.82 MPa，比普通混凝土增大了14.17%和6.11%。與抗壓強(qiáng)度一樣，在同一取代率下，粒徑為5～30 mm的再生混凝土比粒徑為5～20 mm的再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度高。當(dāng)取代率為75%～100%時(shí)，粒徑為5～30 mm的再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度基本不變。粒徑為20～30 mm的再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度在取代率為30%時(shí)逐漸增大，在取代率為30%～50%時(shí)又逐漸降低，取代率為30%時(shí)劈裂抗拉強(qiáng)度最大，為4.07 MPa，比普通混凝土增大了13.06%。原因是粒徑為5～20 mm的再生粗骨料大多是由廢棄混凝土中的水泥砂漿組成，其強(qiáng)度沒有相同粒徑天然骨料高，而粒徑為20～30 mm的再生粗骨料大多是由廢棄混凝土中的水泥砂漿包裹天然骨料組成，其強(qiáng)度與相同粒徑天然骨料相比降低幅度不大，因此粗骨料粒徑為5～20 mm的再生混凝土比粒徑為20～30 mm及5～30 mm的再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度小。由于再生粗骨料中含有大量的水泥砂漿，而再生粗骨料的水泥砂漿內(nèi)存在許多未完全水化的水泥顆粒及礦物摻合料顆粒，這些顆粒在再生混凝土內(nèi)部發(fā)生二次水化反應(yīng)，增強(qiáng)了粗骨料與新舊砂漿的粘結(jié)力及密實(shí)度，因此隨著取代率的增大，再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度比普通混凝土有所增大[11]。

圖5 再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度與不同粒徑再生粗骨料取代率的關(guān)系

3 再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度的換算關(guān)系

GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，普通混凝土立方體抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度之間的換算關(guān)系為

(1)

式中，fts為混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度；fcu為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度；α、β為回歸參數(shù)。

采用式(1)回歸分析不同粒徑再生粗骨料在不同取代率下的二級配再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度之間的換算關(guān)系。結(jié)合本文試驗(yàn)結(jié)果，通過非線性回歸得到關(guān)系式見表2。采用表2中的公式計(jì)算得到的試件劈裂抗拉強(qiáng)度值與試驗(yàn)實(shí)測值的對比如表3所列。由表3可知，所得關(guān)系式擬合精度較高，達(dá)到95%以上，能較好地反映兩者之間的關(guān)系。

表2 再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度的換算關(guān)系

表3 再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度計(jì)算值與實(shí)測值對比

4 結(jié) 論

(1)再生混凝土與普通混凝土的劈裂破壞形態(tài)基本相同，都是沿試件中心線附近劈裂為兩塊，劈裂面絕大多數(shù)都是沿著天然骨料與水泥砂漿的接觸面及骨料間的水泥砂漿破裂，只有極少的天然粗骨料破裂。

(2)相同取代率下，再生粗骨料粒徑為5～30 mm的二級配再生混凝土比粒徑為5～20 mm和20～30 mm的二級配再生混凝土的抗壓強(qiáng)度高。當(dāng)再生粗骨料取代率為30%時(shí)，二級配再生混凝土的抗壓強(qiáng)度最大。

(3)粗骨料粒徑為5～20 mm及5～30 mm的二級配再生混凝土，再生粗骨料取代率為40%時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度最大；粗骨料粒徑為20～30 mm的二級配再生混凝土，再生粗骨料取代率為30%時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度最大。

(4)影響二級配再生混凝土抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度的主要是粒徑為20～30 mm的再生粗骨料。

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