鄭居煥 劉如月 顏桂云 王 迪 劉憲成

(閩臺合作土木工程技術福建省高校工程研究中心，福建工程學院土木工程學院， 福州 350118)

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，城鎮(zhèn)化進程加快，建筑的拆遷產(chǎn)生了大量的廢棄黏土磚等建筑垃圾[1]，對環(huán)境土壤造成了嚴重的污染，同時建筑垃圾堆積也占用大片土地，對資源也是一種消耗。通過對建筑垃圾再利用的方式可有效解決其造成的空間堆積和環(huán)境污染問題，相應地對再生骨料基本力學性能研究也在近年來逐漸興起[2]。

目前，再生骨料的來源主要集中在舊建筑回收的廢棄混凝土，學者們對其進行了大量的理論和試驗研究，包括再生混凝土粗骨料及其配合比、微觀性能[3-4]和物理性能[5]。研究表明，再生混凝土中存在砂漿界面過渡區(qū)[6-8]，在新舊水泥砂漿結合時不致密且不穩(wěn)定，由再生骨料配置再生混凝土的抗壓強度[4,9-11]、抗拉劈裂強度[9,11]和彈性模量等力學性能通常低于普通混凝土。為了削弱或解決再生混凝土力學性能的缺陷，一般可通過外加劑來提高再生混凝土的強度和韌性。

黏土磚作為砌體結構拆除后的主要建筑垃圾，表現(xiàn)出表觀密度低、吸水率高、破碎指數(shù)高等不良力學特性[12]，因此，再生磚骨料的利用率相對于其在實際建筑中的使用規(guī)模而言仍相對較小。此外，目前混凝土的制備主要用普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量CO2，造成溫室效應加劇。地聚物混凝土利用粉煤灰、礦渣等工業(yè)廢棄物作為膠凝材料，可減輕CO2的排放；與普通硅酸鹽水泥混凝土相比，其具有更好的力學和化學性能，如高抗壓強度、低蠕變、與鋼筋黏結性好等[13]。鑒于此，可考慮采用地聚物作為膠凝材料以減輕磚骨料再生混凝土強度低、性能差的性能缺陷。此外，礦渣的加入還可彌補早期磚骨料混凝土強度不足的缺陷。

目前已有的研究中，對磚骨料與地聚物結合的研究相對較少。本文提出一種以堿激發(fā)的粉煤灰基地質(zhì)聚合物替代水泥作為膠凝材料，以廢棄磚骨料代替石子等天然骨料，推動廢棄黏土磚的循環(huán)再利用。通過對5組含不同磚骨料取代率(0%, 30%，50%，70%，100%)的地聚物再生混凝土試件進行單調(diào)受壓試驗，研究立方體抗壓強度與磚骨料取代率的關系、軸心抗壓強度和應力-應變曲線等，分析了磚骨料取代率對其彈性模量、峰值應變、極限應變的影響。基于已有的再生混凝土本構，結合試驗結果得到了磚骨料地聚物再生混凝土的本構模型，以期推動廢棄黏土磚的綠色再利用。

1 試驗概況

1.1 試件設計與制作

磚骨料地聚物再生混凝土作為一種新型的綠色環(huán)?；炷粒噍^于天然粗骨料，磚骨料的強度明顯下降、吸水率顯著提高、脆性增大。結合所需要配制混凝土的強度要求以及原材料的特性，確定磚骨料地聚物再生混凝土各原材料的組分關系以保持其有基本的應用強度是至關重要的。

基于此，為獲得不同再生磚骨料取代率下的磚骨料地聚物再生混凝土的力學特性，在水玻璃充當堿激發(fā)劑的情況下，以磚骨料摻量為主要試驗參數(shù)，設計并制作了45個磚骨料地聚物再生混凝土試件。其中，5組15個150 mm×150 mm×150 mm再生混凝土立方體試件用于測量立方體抗壓強度，5組15個100 mm×100 mm×300 mm棱柱體試件用于測定彈性模量，以及5組15個同尺寸棱柱體試件用于棱柱體軸心受壓試驗，以研究磚骨料地聚物再生混凝土的抗壓強度、彈性模量、應力-應變關系等基本力學性能。

1.2 試驗材料

以C50強度等級為基準，配制磚骨料摻量為0%的普通地聚物混凝土，通過等質(zhì)量替換原則摻入磚骨料，配制含不同磚骨料取代率的地聚物再生混凝土，各材料配合比如表1所示。需要說明的是，本文通過磚骨料的取代率來反映混凝土強度的變化。

表1 不同磚骨料摻量的地聚物再生混凝土的配合比Table 1 Mix proportion of geopolymer recycled concrete with different replacement ratios of brick aggregates

配制磚骨料地聚物再生混凝土的原材料包含堿性激發(fā)劑、粉煤灰、礦渣、砂子、天然粗骨料、再生磚骨料、減水劑、緩凝劑。原材料的選取中，天然粗骨料和再生磚骨料的粒徑和顆粒級配、砂的細度模數(shù)、水玻璃的模數(shù)、粉煤灰的質(zhì)量等級等均會影響所配制混凝土的工作性能。

1.2.1堿性激發(fā)劑

水玻璃為采購自桐鄉(xiāng)市恒立化工有限公司的工業(yè)級Na2SiO3，其為液體，呈無色透明黏稠狀和淺色半透明黏稠狀液體兩種外觀形態(tài)。而NaOH為純度不小于95%的片狀NaOH, 將片狀NaOH、液體Na2SiO3(堿模數(shù)為3.32，波美度為38.6°Bé)和自來水按一定配比配制所需的堿性激發(fā)劑，通過三者的結合，將堿模數(shù)調(diào)為1.4(最佳)。

1.2.2粉煤灰與礦渣

粉煤灰為來自河南省鞏義市元亨凈水材料廠生產(chǎn)的Ⅱ級F類粉煤灰，摻入性能達標粉煤灰有助于提升地聚物混凝土的工作性能，同時減少了因混凝土所具有的流動性在拌制時帶來的多余損失，使得后期混凝土的強度和耐久性得以保證。礦渣為來自山東晶新材料科技有限公司生產(chǎn)的高爐?；疭105礦渣粉，符合GB/T 18046—2008 《用于水泥和混凝土中的?；郀t礦渣粉》。礦渣參數(shù)見表2，兩者的化學成分主要通過X射線熒光光譜儀(XRF)測得，見表3。

表2 礦渣的參數(shù)指標Table 2 Parameters of mineral powder

表3 礦渣和粉煤灰的化學成分Table 3 Chemical composition of mineral powder and fly ash %

1.2.3天然粗、細骨料

天然粗骨料主要為石子，其呈現(xiàn)的形狀、粒徑對配制地聚物混凝土的工作性能有重要影響。過大的粒徑及不良的級配分布會導致地聚物混凝土的流動性變差，不利于其抗離析性。因此，對于配制地聚物混凝土所要求的天然粗骨料的粒徑范圍為26.5～31 mm。

本文采用的天然骨料為連續(xù)級配的碎石，粒徑范圍為4.75～26.5 mm，且根據(jù)GB/T 14685—2011《建筑用卵石和碎石》測定了其基本性能指標，如表4所示，可見其均符合要求。細骨料主要為中粗砂，過細的砂會降低地聚物混凝土的彈性模量和強度，過粗的砂會減弱混凝土之間的黏聚力，細骨料的性能指標如表5所示，符合GB/T 14684—2011《建設用砂》對于Ⅰ類砂的性能指標要求。

表4 天然粗骨料和磚骨料的性能指標Table 4 Property indexes of natural coarse aggregate and brick aggregate

表5 砂的參數(shù)指標Table 5 Parameter indexes of sand

1.2.4磚骨料

磚骨料來源為拆遷后遺留的磚骨料。將完整的紅磚放入顎式破碎機中進行骨料破碎，通過5 mm和26.5 mm的篩網(wǎng)孔篩去粒徑小于5 mm以及大于26.5 mm的磚骨料，保留粒徑在4.75～26.5 mm之間的磚骨料。通過調(diào)整得到良好的級配來保證混凝土拌制過程中的和易性和強度。本文對再生磚骨料進行篩分后測定其顆粒級配、再生磚骨料的表觀密度、吸水率和壓碎指標，均符合GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》的規(guī)定，如表4所示。

1.3 加載裝置及加載控制

采用萬測公司生產(chǎn)的HCT306B微機控制電液伺服壓力試驗機作為加載試驗機，以測定立方體試塊在單軸受壓時的應力-應變關系，如圖1所示。設備能夠承受的最大壓力為3 000 kN, 精度為0.001 kN，加載時采用全過程位移加載，最小加載速率為0.05 mm/min。試驗過程中的應力、應變通過DH3816靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀進行實時采集，如圖1所示，DH3816數(shù)據(jù)采集儀采集最小頻率為5Hz，應變范圍為±0.02。在壓力機底部斜對角45°架設兩個型號為YHD-500的位移計，用于測定其縱向壓縮距離。

圖1 試驗裝置示意Fig.1 The schematic diagram of the test set-up

用丙酮清理干凈試件表面，并選擇試件較光滑的表面作為抗壓承受面，將試件抗壓承受面中心與壓力機壓板中心對齊。預估混凝土試塊強度在20～50 MPa之間，通過0.2 mm/min的位移控制加載方式對試件進行預加載，待加載至6 kN時，對各項設備的讀數(shù)進行校對調(diào)整，直至符合試驗要求；先通過1 kN/s的力控制加載方式加載至峰值荷載的80%，再采用0.2 mm/min的位移控制方式加載至試驗結束。當試塊破壞較嚴重時，判定為試驗結束。

2 試驗結果及分析

2.1 立方體試件的破壞模態(tài)

取代率不同的試件其最終破壞模態(tài)如圖2所示，虛線表示試件裂縫位置，框選部分為混凝土碎裂脫落的位置。由圖2可知，無磚骨料取代的立方體試件受壓過程中在底部邊緣面先出現(xiàn)裂縫，而后由底部邊緣向平面中心和裂縫所在立面中心呈45°角斜向發(fā)展，試塊最終破壞主要呈現(xiàn)由外及內(nèi)的混凝土碎塊脫落，并有貫穿整個內(nèi)部截面的豎向裂縫出現(xiàn)。部分磚骨料取代的試塊在受壓過程的裂縫開展中混凝土出現(xiàn)碎裂，盡管磚骨料因自身材料性能缺陷，其強度較低，但作為地聚物和石子之間的媒介，加強了兩者界面的黏結能力，提高了試件的延性。在破壞模態(tài)上，磚骨料取代的試件其裂縫主要出現(xiàn)在邊界處，呈斜向剪切發(fā)展，混凝土碎塊慢慢剝落，最后在縱截面出現(xiàn)一條斜向貫穿裂縫，試件周邊被壓碎但無明顯爆裂，呈裂而不散的狀態(tài)。磚骨料地聚物再生混凝土試件的破壞均由粗骨料周圍截面過渡區(qū)漿體的破壞導致，破壞后的試件仍是整體的，碎塊中的斷裂往往為磚骨料的斷裂。

a—GRBAC-0； b—GRBAC-30； c—GRBAC-50； d—GRBAC-70； e—GRBAC-100。圖2 混凝土立方體試塊28 d破壞模態(tài)Fig.2 Failure modes of concrete cubes at 28 d

2.2 立方體試件的抗壓強度

圖3給出了不同磚骨料取代率下的立方體試件在不同齡期下的抗壓強度。可知，不含磚骨料的試塊強度隨齡期的增長，其強度與齡期呈線性增長。加入磚骨料后，立方體強度前期增長速率緩慢，強度主要來源于后期的增長。但磚骨料取代率為50%，70%，100%時，試塊14 d內(nèi)的強度數(shù)值與增長規(guī)律均相似；磚骨料對試塊強度的影響主要體現(xiàn)在后期強度的發(fā)展。隨著磚骨料取代率的增加，不同齡期下的立方體試件抗壓強度總體呈下降趨勢。需注意的是，當磚骨料取代率在50%～70%之間時，由于50%磚骨料取代率的試件存在返水現(xiàn)象，導致其抗壓強度低于70%磚骨料取代率的試件，后續(xù)研究中應注意避免該現(xiàn)象的出現(xiàn)。

圖3 混凝土立方體試塊不同齡期強度變化規(guī)律Fig.3 Strength of concrete cubes at different ages

2.3 棱柱體試件的破壞模態(tài)

單調(diào)荷載下每組3個棱柱體試件的最終破壞模態(tài)如圖4所示?？芍涸嚰钠茐倪^程本質(zhì)上為混凝土試件內(nèi)部裂紋不斷開展最終貫穿全截面的過程。隨著荷載的增加，地聚物與再生骨料之間的黏結截面遭受破壞，從出現(xiàn)微裂縫到進一步裂縫擴展，最終骨料與基體間的界面黏結力喪失，整體上混凝土呈斜向開裂，局部邊界混凝土碎裂、磚骨料脫落。破壞過程可分解為以下幾個部分：

a—GRBAC-0； b—GRBAC-30； c—GRBAC-50； d—GRBAC-70； e—GRBAC-100。圖4 棱柱體試件最終破壞模態(tài)Fig.4 Failure modes of prism specimens

1)初期。應力σ≤0.35fck時，棱柱體試件所承受的應力相對較小。隨荷載的增加，試件沒有明顯變化特征，表面并無細微裂紋，試件軸向受壓下保持完好，其應力-應變曲線呈直線關系。此時，試塊處于彈性受壓狀態(tài)。

2)當應力增長至0.35fck≤σ≤0.85fck時，隨荷載的增加，試件從彈性受壓狀態(tài)進入彈塑性階段，表面開始出現(xiàn)細微裂紋，并向縱向不斷延伸、發(fā)展。試件整體有微小的變形且部分位置出現(xiàn)碎屑脫落的情況。

3)當應力增長至0.85fck≤σ≤1.0fck時，試塊已經(jīng)達到其峰值應力，混凝土表面的豎直裂縫已非常明顯，隨著荷載的增加，內(nèi)部有清晰的混凝土開裂聲傳出，裂縫增寬、增長并逐漸貫穿整個外表面。

4)在峰值承載力之后，磚骨料取代的試件相較于普通地聚物試件呈現(xiàn)出更好的延性，磚骨料的加入增強了骨料與基體之間的界面黏結力，破壞時較普通地聚物混凝土表現(xiàn)出更好的延緩破裂的能力，試件的最終破壞往往由試件邊緣的裂縫開展導致碎塊的分離脫落所導致。

2.4 棱柱體試件的應力-應變曲線

不同磚骨料取代率情況下，每組3個磚骨料地聚物再生混凝土棱柱體試件的應力-應變?nèi)€如圖5所示?？芍S著磚骨料的取代率增加，峰值應力降低較多，GRBAC-30、GRBAC-50、GRBAC-70、GRBAC-100分別較GRBAC-0下降了10.57%、23.65%、16.96%、33.36%。其中，70%磚骨料取代的試件強度高于50%磚骨料取代的試件。這可能是由于養(yǎng)護時采用內(nèi)養(yǎng)護方法，提高了界面養(yǎng)護區(qū)強度。由于磚骨料的返水效應，磚骨料過渡界面區(qū)更加致密，形成更少的孔隙，因此出現(xiàn)強度異常升高的現(xiàn)象。

a—GRBAC-0； b—GRBAC-30； c—GRBAC-50； d—GRBAC-70； e—GRBAC-100。 試件1； 試件2； 試件3。圖5 棱柱體試件應力-應變曲線Fig.5 Stress-strain curves of prism specimens

磚骨料取代率對試件應力-應變曲線的影響如圖6所示?？芍狦RBAC-0對應的峰值應變和極限應變最小，GRBAC-30、GRBAC-50、GRBAC-70對應的峰值應變相差不大，GRBAC-30、GRBAC-50對應的極限應變相同；對于磚骨料全取代的試件GRBAC-100，其強度出現(xiàn)明顯下降，但延性明顯提升，試件的峰值應變與極限應變均遠高于其余試件，推測可能是磚骨料比石子對于地聚物混凝土內(nèi)部的微小空隙有更好的填充和黏結性能，致使試塊即使在經(jīng)過峰值后，依靠內(nèi)部的強黏結作用，改變了試件的破壞過程，在曲線下降段仍存在延緩破壞的黏結作用，試件不會發(fā)生突然的脆性破壞，而是斜向裂縫繼續(xù)擴展。此外，試件的彈性模量隨著磚骨料取代率的增加而明顯下降，這導致了試件峰值應變點的延后。綜上，磚骨料的摻入和取代率的變化會顯著影響試件的延性和彈性模量。

圖6 磚骨料變化對應力-應變影響曲線Fig.6 The effect of replacement ratio of brick aggregates on stress-strain curves

2.5 試驗參數(shù)分析

2.5.1峰值應力

表6列出了各磚骨料取代率的棱柱體試件峰值應力?？芍?，對于同一配合比的混凝土試塊，當進行磚骨料的取代后，隨磚骨料的增加，其峰值應力整體呈下降趨勢。

表6 試塊峰值應力Table 6 Peak stresses of specimens MPa

2.5.2彈性模量

本次試驗的磚骨料地聚物再生混凝土彈性模量取為原點至0.4fc的割線斜率，其結果詳見表7。

表7 試件彈性模量Table 7 Elastic modulus of specimens

由表7可知，隨著磚骨料取代率的上升，彈性模量出現(xiàn)明顯下降，GRBAC-50、GRBAC-100分別較GRBAC-0下降了42.69%、59.62%，大于其峰值應力下降的幅度。由于磚骨料中的堿性成分較少，外部荷載大于界面過渡區(qū)的黏結能力，使試件出現(xiàn)斜向開裂，最終導致試件破壞。

2.5.3峰值應變與極限應變

本次試驗的混凝土峰值應力與極限應變?nèi)绫?所示。極限應變?nèi)ο陆捣逯祽Φ?0%處所對應的應變。

表8 試件峰值應變與極限應變Table 8 Peak strain and ultimate strain of specimen

由表8可知，隨著磚骨料取代率的升高，試件的峰值應變與極限應變均呈現(xiàn)增長趨勢，說明隨著磚骨料取代率的增加，混凝土的變形性能有所改善。

3 本構關系模型

本文基于過鎮(zhèn)海[14]提出的應力-應變模型公式，結合試驗結果進行擬合以得到磚骨料地聚物再生混凝土的本構模型。該本構模型分為上升段與下降段，上升段為多項式形式：

y=ax+(3-2a)x2+(a-2)x3

x≥0(1a)

下降段表達式為：

x≥1 (1b)

其中x=ε/εc,y=σ/σc

式中：σc為混凝土的峰值應力；εc為混凝土的峰值應變；a和b作為兩個單獨的參數(shù)，分別影響其應力-應變模型的上升段與下降段。同時，應變的取值范圍較大，有利于曲線的擬合。

試驗所測地聚物再生混凝土應力-應變?nèi)^程曲線經(jīng)無量綱化處理后變成分別以x=ε/εc、y=σ/σc為橫、縱坐標的應力-應變?nèi)€，如圖7所示?？梢姡篴值越大，曲線上升段越陡，斜率越大，上升段曲線下包含的面積越小，表明此類混凝土彈性變形越小，剛度越大；反之，a值越小，則曲線的彈性變形越大。而b值越大，y值越小，即曲線的下降段破壞過程越快速，材料的脆性越明顯；反之，b值越小，混凝土的延性越好。

a—BAGRC-0； b—BAGRC-30； c—BAGRC-50； d—BAGRC-70； e—BAGRC-100。 試驗曲線； 擬合曲線。圖7 單調(diào)荷載下應力-應變曲線擬合結果與試驗結果對比Fig.7 Comparisons of the fitting results and test results for stress-strain curves under monotonic load

磚骨料取代率作為影響地聚物再生混凝土基本性能的重要參數(shù)，因此在考慮磚骨料取代率的情況下，采用最小二乘法對曲線進行回歸分析得到a和b的關系式。

a=0.734 7r+0.221 1

(2a)

b=3+0.53r-0.13

(2b)

式中：r為磚骨料取代率。

根據(jù)式(1)、(2)擬合得到不同磚骨料取代率下的試件應力-應變曲線，并與試驗結果進行對比，具體如圖7所示。可知，曲線的上升段擬合度較高，而試驗的下降段曲線因為已經(jīng)出現(xiàn)了內(nèi)部開裂，容易受到其他因素的影響，故總體下降段的匹配度較低。但總體上，擬合得到的應力-應變?nèi)阅茌^好地反映磚骨料地聚物再生混凝土的應力-應變發(fā)展情況。

4 結束語

通過對含不同磚骨料取代率(0, 30%，50%，70%，100%)的地聚物再生混凝土試件進行單調(diào)受壓試驗，研究其立方體抗壓強度、應力-應變曲線與磚骨料取代率的關系，并對棱柱體試件的峰值應力、彈性模量、峰值應變和極限應變等進行分析，得到如下結論：

1)磚骨料地聚物再生混凝土呈現(xiàn)斜向剪切裂縫破壞，混凝土碎塊慢慢剝落，最終在縱截面出現(xiàn)一條斜向貫穿裂縫，試件周邊混凝土被壓碎但未出現(xiàn)爆裂，呈裂而不散的狀態(tài)。隨著磚骨料取代率的升高，其抗壓強度呈下降趨勢，但延性有所提高。

2)棱柱體試件的整體受壓破壞分為 4 個階段：σ≤0.35fc時為彈性階段；0.35fc≤σ≤0.85fc時為彈性階段往塑性階段的過渡階段，表面有微裂縫出現(xiàn)；0.85fc≤σ≤1.0fc時，試件表面開始破壞，內(nèi)部有聲響及裂縫擴展；峰值過后，試件破壞并喪失承載力。

3)磚骨料的摻入和取代率的變化會顯著影響棱柱體試塊的峰值性能、延性和彈性模量。隨著磚骨料取代率的增大，混凝土的強度下降呈梯度化，其彈性模量明顯降低；峰值應變與極限應變均隨著取代率的增加而增大。

4)以磚骨料取代率為參數(shù)，通過擬合分析得到了棱柱體兩段式應力-應變模型中參數(shù)a、b與磚骨料取代率r的關系，建立了磚骨料地聚物再生混凝土的本構模型。