程 亮,鄧祥輝,薛麗媛,王靖媛
(1.陜西省現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)研究院,西安 710048;2.西安工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院,西安 710021)
隨著我國建筑行業(yè)的飛速發(fā)展,混凝土用量每年以10%左右的速度在逐漸增加,但建設(shè)的同時(shí)產(chǎn)生了大量的建筑垃圾,對(duì)環(huán)境造成較大的污染。因此,對(duì)廢棄的混凝土破碎后制成再生骨料進(jìn)行循環(huán)再利用,能夠節(jié)約資源,保護(hù)環(huán)境,降低成本,也是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑[1-2]。然而為了提高再生混凝土的耐久性須考慮抗凍性對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的影響,混凝土結(jié)構(gòu)很容易在凍融循環(huán)作用下形成損傷,既增加了修復(fù)和重建費(fèi)用,又對(duì)建筑物的安全造成了威脅。實(shí)際上,在過去的幾十年中開展了廣泛的科學(xué)研究工作。
國內(nèi)外學(xué)者[3-6]在再生混凝土的抗凍性方面做了很多研究,特別是在再生混凝土粗骨料摻量方面進(jìn)行了很多研究,并取得了一些成果。文獻(xiàn)[7]通過試驗(yàn)得出,再生骨料取代率為30%~50%時(shí),能夠得到最佳的抗凍性和最好的強(qiáng)度,超過50%的替代率,各種性能開始下降,并且指出破壞界面發(fā)生的位置,再生粗骨料取代率對(duì)凍融循環(huán)的影響。文獻(xiàn)[8]對(duì)再生粗骨料的摻量為50%的再生混凝土和普通混凝土進(jìn)行凍融試驗(yàn),試驗(yàn)過程中通過對(duì)比再生混凝土和普通混凝土的質(zhì)量損失和動(dòng)彈性模量變化,結(jié)果表明,摻加防凍劑的再生混凝土提高了抗凍耐久性,并且比普通混凝土的抗凍耐久性要好。文獻(xiàn)[9-10]通過試驗(yàn)得出,再生混凝土的抗凍耐久性能的改善可以通過摻加防凍劑或降低水灰比來實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[11]通過對(duì)比研究再生粗骨料取代率為0,30%,50%,70%和100%時(shí)不同再生混凝土的抗凍性。經(jīng)過150次凍融后,與普通混凝土的抗凍性能相比,再生粗骨料的取代率越高,再生混凝土的抗凍性越低。在再生粗骨料取代率超過50%時(shí),再生混凝土的抗凍性能明顯的下降。文獻(xiàn)[12]對(duì)再生粗骨料的摻量為50%的再生混凝土和普通混凝土進(jìn)行凍融試驗(yàn),試驗(yàn)過程中通過對(duì)比再生混凝土和普通混凝土的質(zhì)量損失和動(dòng)彈性模量變化,結(jié)果表明,摻加防凍劑的再生混凝土提高了抗凍耐久性,并且比普通混凝土的抗凍耐久性要好。文獻(xiàn)[13]建議在評(píng)價(jià)再生混凝土抗凍性能時(shí),摒棄質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失值這兩個(gè)指標(biāo),而采用長(zhǎng)度變化、相對(duì)動(dòng)彈性模量和耐久性指數(shù)這三個(gè)指標(biāo)值。文獻(xiàn)[14]通過對(duì)比試驗(yàn)得出再生集料中顆粒粒度降低,使集料的吸水率顯著提高,其密度也隨之減小,再生集料較大的孔隙率也可起到微養(yǎng)護(hù)的作用。從上述研究可見,不少研究學(xué)者通過試驗(yàn)得出再生混凝土具有良好的抗凍性能,甚至優(yōu)于同水灰比的普通混凝土,但未能兼顧不同摻量對(duì)性能的影響和實(shí)現(xiàn)多種抗凍耐久性指標(biāo)的綜合考量,無法較為全面的對(duì)C30再生粗骨料混凝土的抗凍耐久性進(jìn)行合理的評(píng)估?;诖耍疚膶⑦x用在中國土木工程中得到廣泛應(yīng)用的C30混凝土作為研究材料,制定試驗(yàn)方案,經(jīng)過多次凍融循環(huán)后,測(cè)試不同摻量再生粗骨料混凝土試件的質(zhì)量損失、動(dòng)態(tài)彈性模量、超聲波波速和立方抗壓強(qiáng)度,并進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)。最后將結(jié)果用于評(píng)估C30再生粗骨料混凝土的抗凍耐久性。
1.1.1 粗骨料
本試驗(yàn)用的粗骨料包括天然粗骨料和再生粗骨料。再生粗骨料則由標(biāo)號(hào)是C30廢棄混凝土經(jīng)破碎加工而成,其中天然粗骨料所選用的粒徑范圍為5~40 mm,連續(xù)級(jí)配,表1列出了試驗(yàn)過程所測(cè)試粗骨料的基本性能指標(biāo)。
表1 粗骨料的基本性能Tab.1 Basic properties of coarse aggregates
1.1.2 細(xì)骨料及水泥
細(xì)骨料符合《水泥強(qiáng)度試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)砂》(GB 178-1997)[15]所列的所有規(guī)定,試驗(yàn)選用天然河砂,篩取4.75 mm以下的砂子,細(xì)度模數(shù)為2.75,表觀密度為2 594 kg·m-3,含水率為1.38%,級(jí)配曲線處于Ⅱ區(qū),屬于中砂。
本試驗(yàn)選用的水泥是復(fù)合硅酸鹽水泥,強(qiáng)度等級(jí)為32.5,各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)《通用硅酸鹽水泥》(GB 175-2007)[16]。
1.1.3 配合比
按照體積法設(shè)計(jì)普通混凝土的配合比,水灰比為0.46,砂率取45%,配合比mco∶mgo∶mso∶mwo=1∶1.56∶3.47∶0.46,其中mco為單位體積混凝土的水泥用量,mgo為單位體積混凝土的粗骨料用量,mso為單位體積混凝土的用砂量,mwo為單位體積混凝土的用水量。再生粗骨料以0,25%,50%,75%和100%替換配合比中粗骨料,配制5種再生混凝土,為避免再生骨料高吸水率對(duì)配合比產(chǎn)生過大的影響,再生粗骨料經(jīng)10 min浸水、瀝干,再進(jìn)行拌和。
1.1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
本試驗(yàn)過程中,嚴(yán)格按照配合比進(jìn)行稱重,然后進(jìn)行攪拌并制作試塊。試驗(yàn)設(shè)計(jì)參考《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)[17]和《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)[18],規(guī)范認(rèn)為混凝土達(dá)到300次凍融循環(huán)具有較好的抗凍性,考慮到本試驗(yàn)所采用的粗骨料有部分是再生粗骨料,因此本文選擇的再生混凝土凍融循環(huán)次數(shù)為200次。凍融試驗(yàn)用快速凍融法,采用NJW-HDK-9型凍融試驗(yàn)機(jī)。
1.2.1 試驗(yàn)編號(hào)
對(duì)于所制立方體再生混凝土試件的編號(hào),用L表示立方體,用C表示長(zhǎng)方體,RAC表示再生混凝土,立方體再生混凝土用LRAC表示,其試件采用LRAC-摻量-試件序號(hào)-凍融循環(huán)次數(shù)的編號(hào)方法;長(zhǎng)方體再生混凝土用CRAC表示,其試件采用CRAC-摻量-試件序列號(hào)-凍融循環(huán)次數(shù)的編號(hào)方法。比如CRAC50-3-100表示長(zhǎng)方體再生混凝土試件中的再生粗骨料摻量為50%的3號(hào)試件的凍融循環(huán)次數(shù)為100次,LRAC25-1-50表示立方體再生混凝土試件中的再生粗骨料摻量為25%的1號(hào)試件的凍融循環(huán)次數(shù)為50次。
本試驗(yàn)凍融過程中需要測(cè)試質(zhì)量、動(dòng)彈性模量、超聲波速和立方體抗壓強(qiáng)度項(xiàng)目,其中試件質(zhì)量、動(dòng)彈性模量和超聲波速為非破壞性試驗(yàn),但考慮到需要測(cè)試不同凍融循環(huán)次數(shù)下的各種項(xiàng)目,以及立方體抗壓強(qiáng)度不能進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn),試件詳細(xì)分組見表2。
表2再生混凝土試件分組表
Tab.2 Groupings of recycled concrete specimen
試件編號(hào)測(cè)試項(xiàng)目組數(shù)塊數(shù)試件尺寸/mm備注CRAC0質(zhì)量、動(dòng)彈性模量、超聲波13100×100×400LRAC0立方體抗壓強(qiáng)度927150×150×150普通混凝土CRAC25質(zhì)量、動(dòng)彈性模量、超聲波13100×100×400LRAC25立方體抗壓強(qiáng)度927150×150×150再生粗骨料摻量為25%的普通再生混凝土
注:其中再生混凝土只列舉了摻量為25%的分組情況,其他摻量的再生混凝土的分組情況一樣。
1.2.2 試驗(yàn)步驟
將再生混凝土試件分為兩類進(jìn)行了快速凍融試驗(yàn),第一類為長(zhǎng)方體(100 mm×100 mm×400 mm),共計(jì)1組,每組3塊長(zhǎng)方體再生混凝土試件,測(cè)試從0次到200次凍融循環(huán)時(shí)每隔25次凍融循環(huán)后長(zhǎng)方體再生混凝土試件的質(zhì)量、動(dòng)彈性模量和超聲波波速,得到各種測(cè)量值隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系曲線圖,從而分析其抗凍耐久性。第二類試件為立方體試塊,共計(jì)9組,每組3塊立方體再生混凝土試件(150 mm×150 mm×150 mm),經(jīng)歷同樣凍融循環(huán)后的立方體再生混凝土試件進(jìn)行壓縮試驗(yàn),主要測(cè)試立方體的抗壓強(qiáng)度、應(yīng)力-應(yīng)變曲線,分析再生混凝土經(jīng)過不同的凍融循環(huán)次數(shù)后強(qiáng)度和變形的變化規(guī)律。
在不同的凍融之后,再生混凝土試件會(huì)由于起皮、掉渣等現(xiàn)象而表現(xiàn)出質(zhì)量的降低,因此評(píng)價(jià)再生混凝土抗凍性能的好壞,質(zhì)量損失可以作為是一個(gè)比較直觀的方法。再生混凝土試件質(zhì)量損失率測(cè)試結(jié)果隨凍融循環(huán)的變化見表3。
從表3可見,凍融循環(huán)在0~50次時(shí),再生混凝土試件的質(zhì)量輕微減少,甚至呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。出現(xiàn)質(zhì)量增長(zhǎng)現(xiàn)象主要原因是凍融循環(huán)開始后,再生混凝土試件遭到的破壞并不十分的明顯,但此時(shí)內(nèi)部吸收的水分要比質(zhì)量損失值大,導(dǎo)致再生混凝土試件質(zhì)量增加。在25次以后,再生混凝土的質(zhì)量隨凍融循環(huán)逐漸降低。當(dāng)凍融循環(huán)的次數(shù)進(jìn)行到75次時(shí),質(zhì)量損失的速度明顯加快。同時(shí),試件質(zhì)量損失率隨著摻量增加而加大。到200次凍融循環(huán)時(shí),RAC0,RAC25,RAC50,RAC75和RAC100的質(zhì)量損失率最大值分別為1.90%,1.82%,1.63%,3.55%和5.47%。從測(cè)試結(jié)果看,RAC50比RAC0及其他摻量的RAC混凝土具有更好的抗凍耐久性。
表3 再生混凝土質(zhì)量損失率統(tǒng)計(jì)表(%)Tab.3 Statistical table of quality loss rates of recycled concrete (%)
動(dòng)彈性模量是由動(dòng)力法測(cè)得,也就是動(dòng)彈性模量根據(jù)彈性波在再生混凝土中傳播速度得到。再生混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)隨著凍融循環(huán)的進(jìn)行而逐漸的遭到破壞,此時(shí)測(cè)得的動(dòng)彈性模量也會(huì)發(fā)生變化,因此,動(dòng)彈性模量可以用來評(píng)價(jià)再生混凝土抗凍性。不同凍融次數(shù)后,再生混凝土試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量見表4。
表4 相對(duì)動(dòng)彈性模量統(tǒng)計(jì)表(%)Tab.4 Statistical table of relative dynamic elastic modulus (%)
從表4可知,在整個(gè)凍融循環(huán)過程中,相對(duì)動(dòng)彈性模量隨著凍融循環(huán)的進(jìn)行逐漸降低。當(dāng)凍融循環(huán)進(jìn)行到75次時(shí),相對(duì)動(dòng)彈性模量的下降速度明顯加快,且摻量大于50%的再生混凝土試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量下降相對(duì)更快。在經(jīng)過200次凍融循環(huán)后,RAC0混凝土試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量相對(duì)于原值平均降低了29.3%;RAC25,RAC50,RAC75和RAC100再生混凝土試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量平均分別降低了35.9%,31.4%,35.7%和38.1%。因此,從動(dòng)彈性模量下降幅度看,RAC50的抗凍耐久性效果最接近普通混凝土,優(yōu)于其他再生混凝土。
再生混凝土的超聲波波速與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān),超聲波波速是再生混凝土超聲檢測(cè)中的一個(gè)重要參數(shù)。再生混凝土超聲波波速越高,內(nèi)部結(jié)構(gòu)的致密性也就越好,也就表明再生混凝土在經(jīng)歷凍融循環(huán)后其內(nèi)部受到的損害越小。因此可以通過超聲波波速值的大小來判斷再生混凝土的經(jīng)歷凍融循環(huán)后的情況,從而判定再生混凝土的抗凍耐久性。
在凍融循環(huán)過程中,超聲波波速和相對(duì)超聲波波速隨凍融循環(huán)的變化曲線如圖1所示。
圖1 超聲波波速測(cè)試結(jié)果Fig.1 Ultrasonic velocity test results
從圖1可以看出,隨著凍融循環(huán)的進(jìn)行,再生混凝土的超聲波波速呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)。當(dāng)凍融循環(huán)進(jìn)行到75次時(shí),超聲波波速的下降速度明顯加快,且摻量大于50%的再生混凝土試件的超聲波波速下降相對(duì)更快;在經(jīng)過200次凍融循環(huán)后,5種摻量的混凝土試件相對(duì)超聲波波速最小值仍不低于70%,但呈現(xiàn)出再生粗骨料摻量越大超聲波波速降幅越大的規(guī)律。
抗壓強(qiáng)度對(duì)工程結(jié)構(gòu)至關(guān)重要,是混凝土力學(xué)性能的考核指標(biāo)和工程驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)之一,也是再生混凝土力學(xué)性能的直觀表達(dá)。再生混凝土試件在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),試驗(yàn)破壞過程如圖2所示。
取三個(gè)再生混凝土試件立方體抗壓強(qiáng)度的平均值隨凍融循環(huán)的變化曲線如圖3(a)所示,立方體抗壓強(qiáng)度損失率如圖3(b)所示。
由圖3可知,在凍融循環(huán)為0次時(shí),再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度的初始值都在37 MPa以上,差別不大,說明自然狀態(tài)下,再生粗骨料摻量對(duì)再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度影響很小。隨著凍融循環(huán)的進(jìn)行,再生混凝土的抗壓強(qiáng)度不斷的減小,抗壓強(qiáng)度損失率不斷地增大,經(jīng)過200次凍融循環(huán)后抗壓強(qiáng)度損失率在24.8%~38.5%之間。RAC25,RAC75和RAC100混凝土試件平均抗壓強(qiáng)度損失率隨凍融循環(huán)的進(jìn)行變化趨勢(shì)大體一致,變化較為平緩;RAC0和RAC50混凝土試件平均抗壓強(qiáng)度損失率隨凍融循環(huán)的進(jìn)行有明顯的波動(dòng),變化較大,且兩者變化曲線較為接近。隨凍融循環(huán)的進(jìn)行,RAC100混凝土試件的立方體抗壓強(qiáng)度損失率始終最大;當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到200次時(shí),RAC50混凝土試件的立方體抗壓強(qiáng)度損失率最小。從立方體抗壓強(qiáng)度測(cè)試過程和結(jié)果看,在200次凍融循環(huán)中,RAC50混凝土試件的立方體抗壓強(qiáng)度接近普通混凝土試件強(qiáng)度。
圖2 再生混凝土抗壓強(qiáng)度受壓過程Fig.2 The compressive strength process of recycled concrete
圖3 立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Cube compressive strength test results
在室溫條件下,對(duì)經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)的再生混凝土試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn),試驗(yàn)使用YA-2000型壓力試驗(yàn)機(jī),通過控制送油的快慢來對(duì)試塊進(jìn)行加載的操作;在強(qiáng)度試驗(yàn)中,結(jié)構(gòu)及材料的變形測(cè)試由數(shù)字靜態(tài)應(yīng)變儀來進(jìn)行。試件從凍融機(jī)中取出后便立即進(jìn)行試驗(yàn),在抗壓強(qiáng)度測(cè)試的過程中,通過對(duì)單軸壓縮試驗(yàn)測(cè)得的荷載位移數(shù)據(jù)整理分析,便可以得到再生混凝土試件試驗(yàn)值的應(yīng)力-應(yīng)變(σ-ε)曲線。在經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)時(shí),再生混凝土立方體試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線中,由于試驗(yàn)試件量較大,在每一組試件中抽取一個(gè)比較完整的曲線,得到普通再生混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4~8所示。
圖4 RAC0應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 RAC0 stress-strain curves
圖5 RAC25應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 RAC25 stress-strain curves
圖6 RAC50應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 RAC50 stress-strain curves
圖7 RAC75應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.7 RAC75 stress-strain curves
圖8 RAC100應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.8 RAC100 stress-strain curves
由圖4~8可得,不同摻量的再生混凝土,應(yīng)力-應(yīng)變趨勢(shì)基本一致,且應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率都呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),即試件抵抗變形的能力逐漸減小。再生混凝土摻量在25%時(shí)隨凍融循環(huán)的進(jìn)行,應(yīng)力-應(yīng)變曲線分布較為集中;RAC75和RAC100的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在應(yīng)變達(dá)到2.0×10-3左右時(shí)有明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)。
繪制不同摻量再生混凝土峰值應(yīng)力及峰值應(yīng)變與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線,如圖9所示,隨著凍融循環(huán)的進(jìn)行,再生混凝土的峰值應(yīng)力呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì),峰值應(yīng)變呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)。從圖9(a)可見,RAC100混凝土試件在第175次凍融循環(huán)時(shí)峰值應(yīng)力出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn);當(dāng)凍融循環(huán)進(jìn)行到200次時(shí)RAC50的峰值應(yīng)力最大;RAC25和RAC50的曲線變化較為平緩,峰值應(yīng)力隨凍融循環(huán)的進(jìn)行下降速率較慢。從圖9(b)可得,RAC50在第100次凍融循環(huán)時(shí)峰值應(yīng)變出現(xiàn)呈明顯上升趨勢(shì)的轉(zhuǎn)折點(diǎn),在100次循環(huán)之前峰值應(yīng)變約為1.4×10-3,在100次循環(huán)之后峰值應(yīng)變約為1.8×10-3;RAC0和RAC25的峰值應(yīng)變大致在1.0×10-3~1.4×10-3范圍內(nèi);RAC75和RAC100的峰值應(yīng)變?cè)?.8×10-3~2.6×10-3范圍內(nèi);RAC0和RAC25曲線變化較平緩,凍融循環(huán)對(duì)峰值應(yīng)變的影響較小。
圖9 再生混凝土峰值應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.9 Peak stress-strain curves of recycled concrete
試驗(yàn)選用C30再生混凝土作為材料,對(duì)再生粗骨料摻量為0,25%,50%,75%和100%的再生混凝土進(jìn)行0~200次的凍融循環(huán)試驗(yàn)(間隔為25次)。試驗(yàn)對(duì)比分析了不同摻量再生混凝土質(zhì)量、動(dòng)彈性模量、超聲波波速、立方抗壓強(qiáng)度和應(yīng)力應(yīng)變等多項(xiàng)性能的變化規(guī)律,得到結(jié)論為
1) 隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,再生混凝土的質(zhì)量呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì),超聲波波速、立方體抗壓強(qiáng)度和動(dòng)彈性模量逐漸減小。
2) 經(jīng)過200次凍融循環(huán)之后,根據(jù)質(zhì)量、動(dòng)彈性模量損失率不同摻量再生混凝土性能排序?yàn)镽AC50>RAC0>RAC25>RAC75>RAC100,根據(jù)超聲波波速不同摻量再生混凝土性能排序?yàn)镽AC0>RAC25>RAC50>RAC75>RAC100,根據(jù)立方體抗壓強(qiáng)度不同摻量再生混凝土性能排序?yàn)镽AC0>RAC50>RAC25>RAC75>RAC100。總體來說,替代率為50%的再生混凝土相對(duì)于其他替代率的再生混凝土表現(xiàn)出較好的抗凍性。
3) 不同摻量再生混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化趨勢(shì)基本相同,且曲線的斜率都呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì);隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,再生混凝土的峰值應(yīng)力呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì),峰值應(yīng)變呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。凍融循環(huán)進(jìn)行200次后,根據(jù)峰值應(yīng)力不同摻量再生混凝土性能排序?yàn)镽AC50>RAC0>RAC25>RAC75>RAC100,根據(jù)峰值應(yīng)變不同摻量再生混凝土性能排序?yàn)镽AC100>RAC75>RAC50>RAC25>RAC0。