曾 寅，杜志芳，趙 龍，陳 靜，王 欣

(河北軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 保定 071000)

建筑工程的安全穩(wěn)定離不開(kāi)建筑材料力學(xué)穩(wěn)定性，研究建筑材料力學(xué)特征對(duì)推動(dòng)工程設(shè)計(jì)水平具有重要作用。滲流活動(dòng)乃是工程防滲、抗?jié)B研究的重要關(guān)注點(diǎn)，混凝土材料作為重要防滲材料，研究其滲透特性具有重要意義。綠色建筑中再生混凝土的使用越來(lái)越廣泛，推動(dòng)再生混凝土的力學(xué)及滲透特性研究乃是工程安全設(shè)計(jì)的要求。高勇、曹明偉根據(jù)混凝土顆粒流特點(diǎn)，利用仿真手段研究了不同配合比因素或試驗(yàn)狀態(tài)對(duì)其力學(xué)特征的影響，豐富了對(duì)混凝土力學(xué)特性的研究成果。但不可忽視，一方面不僅需要考慮混凝土力學(xué)特性，同樣應(yīng)研究其滲透特征，以綜合反映混凝土的使用前景，另一方面仿真計(jì)算與工程材料力學(xué)、滲透水平貼合度、精度均有一定差異。因而，劉思明、包瑞恩等設(shè)計(jì)不同類(lèi)型的室內(nèi)加載破壞試驗(yàn)，研究單、三軸下混凝土的力學(xué)特征差異，推動(dòng)對(duì)混凝土力學(xué)的認(rèn)知水平。文章以雄安新區(qū)綠色再生混凝土為研究對(duì)象，探討此種綠色建筑材料的力學(xué)與滲透特性，為工程建設(shè)及綠色建筑設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)參照。

1 試驗(yàn)概況

1.1 工程背景

雄安地區(qū)乃是我國(guó)又一個(gè)重要經(jīng)濟(jì)特區(qū)，基建乃是經(jīng)濟(jì)特區(qū)快速發(fā)展的重要舉措，確?；ㄔO(shè)施安全有效是工程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)工作。目前，安置房工程乃是雄安建設(shè)持續(xù)專(zhuān)注的問(wèn)題，文章研究對(duì)象為容東片區(qū)拆建工程，該工程預(yù)計(jì)拆除已有混凝土量超過(guò)2500m3，層高為3.3m，地下建筑采用防滲混凝土與防滲涂料作為抗?jié)B結(jié)構(gòu)體系，整體建筑為框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系，沉降觀測(cè)表明每年最大不超過(guò)0.5mm。由于雄安容東片區(qū)建設(shè)資源緊張，而目前所拆除的混凝土經(jīng)檢測(cè)完整性較好，且滿(mǎn)足新建安置房的性能要求，故工程設(shè)計(jì)部門(mén)考慮對(duì)已拆除建筑的混凝土進(jìn)行回收再生，提升建筑綠色化設(shè)計(jì)施工。另一方面，雄安地區(qū)綠色再生混凝土在工程中使用必須考慮其力學(xué)穩(wěn)定性，探討不同配合比及狀態(tài)參數(shù)對(duì)再生混凝土力學(xué)特征的影響，此為工程設(shè)計(jì)及應(yīng)用的基礎(chǔ)；在新建建筑地下防滲層中，再生混凝土的使用同樣需要考慮其滲透特性，確保工程防滲安全。

1.2 試驗(yàn)介紹

為研究雄安新區(qū)綠色再生混凝土力學(xué)破壞特性與滲透特征，文章采用河北軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑材料實(shí)訓(xùn)室?guī)r石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)開(kāi)展單軸力學(xué)加載試驗(yàn)，而再生混凝土的滲透試驗(yàn)采用實(shí)訓(xùn)室達(dá)西流體測(cè)試儀。建材實(shí)訓(xùn)室?guī)r石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)由電腦程序控制，可變換采用力學(xué)與變形控制方式，力學(xué)加載速率最大可為80kN/min，在試樣加載的線彈性變形階段采用力學(xué)控制，速率為15kN/min，變形控制方式分為軸向、環(huán)向變形，在力學(xué)加載試驗(yàn)后期采用環(huán)向變形控制，速率為0.01mm/min。該試驗(yàn)系統(tǒng)另配備有相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)獲得試驗(yàn)過(guò)程中的力學(xué)特征數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集間隔可設(shè)定在0.1～1000s；數(shù)據(jù)采集裝置以外接耦合傳感器為主，包括軸向、環(huán)向變形傳感器，量程分別為-15～15mm、-10～10mm，試驗(yàn)前已對(duì)各變形傳感器進(jìn)行標(biāo)定，確保試驗(yàn)誤差低于標(biāo)準(zhǔn)值，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。試驗(yàn)加載臺(tái)可根據(jù)不同類(lèi)型試樣變換尺寸，試樣模具盒如圖2所示。

圖1 巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)

圖2 混凝土試樣模具盒

本試驗(yàn)中為探討雄安地區(qū)再生混凝土力學(xué)特征影響因素，在容東片區(qū)安置房拆建區(qū)取樣，測(cè)定得知該片區(qū)建筑工程中混凝土配合比差異性主要體現(xiàn)在硅質(zhì)含量、砂率兩個(gè)特征參數(shù)，其中該片區(qū)中再生混凝土后的硅質(zhì)含量為3%、6%、9%、12%、15%，而砂率以20%～30%為主，文章將砂率組分為20%、22%、24%、26%、28%，在工廠對(duì)再生混凝土進(jìn)行制作時(shí)，確保各組試樣配合比因素與設(shè)定一致。所有再生混凝土試樣進(jìn)入實(shí)訓(xùn)室后，均放置在養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)標(biāo)養(yǎng)條件下24h，各組試驗(yàn)方案具體見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)方案具體參數(shù)表

2 混凝土力學(xué)特征

2.1 硅質(zhì)含量的影響

對(duì)不同硅質(zhì)含量試樣進(jìn)行力學(xué)加載破壞試驗(yàn)，獲得如圖3所示的應(yīng)力應(yīng)變特征關(guān)系。依據(jù)圖中曲線變化可知，硅質(zhì)含量愈多，再生混凝土試樣加載應(yīng)力水平愈高，但硅質(zhì)含量超過(guò)12%后，其態(tài)勢(shì)相反；硅質(zhì)含量分別為9%、12%、15%在同一應(yīng)變值下的加載應(yīng)力較硅質(zhì)含量為3%時(shí)分別增長(zhǎng)了1.25倍、4.78倍、2.67倍，即硅質(zhì)含量為15%的試樣的加載應(yīng)力較硅質(zhì)含量為12%的降低了36.5%。分析認(rèn)為，再生混凝土屬受擾動(dòng)影響后的材料，其力學(xué)穩(wěn)定性與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，而硅質(zhì)含量高可提升內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)度，特別是對(duì)于混凝土的開(kāi)口孔隙，可有效降低由于內(nèi)部孔隙而引起的混凝土結(jié)構(gòu)失穩(wěn)率，故硅質(zhì)含量在12%以?xún)?nèi)時(shí)與加載應(yīng)力水平呈正相關(guān)；但不可忽視，當(dāng)硅質(zhì)含量過(guò)多，勢(shì)必會(huì)擠壓再生混凝土受擾動(dòng)下的膠凝材料活動(dòng)空間，出現(xiàn)局部薄弱面，最終導(dǎo)致混凝土試樣加載應(yīng)力水平降低。由硅質(zhì)含量影響加載應(yīng)力水平可知，再生混凝土在工程回收利用時(shí)，應(yīng)盡可能淘汰硅質(zhì)含量超過(guò)12%的混凝土塊，提升回收再生混凝土力學(xué)穩(wěn)定性。

圖3 不同硅質(zhì)含量的試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線

從硅質(zhì)含量影響變形特征可知，硅質(zhì)含量愈高，則峰值應(yīng)變愈低，硅質(zhì)含量為3%、9%、12%、15%的四個(gè)試樣的峰值應(yīng)變分別為2.46%、2.25%、2.01%、1.96%；另一方面，當(dāng)硅質(zhì)含量愈多時(shí)，再生混凝土線彈性變形模量愈高，硅質(zhì)含量為3%的線彈性模量為10.55MPa，而硅質(zhì)含量為9%、15%時(shí)較前者分別增長(zhǎng)了44.9%、95.8%，平均硅質(zhì)含量每增長(zhǎng)3%，其線彈性模量可提高18.6%。筆者認(rèn)為，硅質(zhì)含量愈多，再生混凝土內(nèi)部固態(tài)程度提升，相對(duì)的彈性變形能力亦增強(qiáng)，故彈性模量增大。

對(duì)不同硅質(zhì)含量試樣分析，獲得各組試樣抗壓強(qiáng)度與硅質(zhì)含量關(guān)系曲線，如圖4所示。從圖中可知，再生混凝土抗壓強(qiáng)度與硅質(zhì)含量間具有影響變化節(jié)點(diǎn)，砂率22%時(shí)硅質(zhì)含量為3%的試樣抗壓強(qiáng)度為19.4MPa，而硅質(zhì)含量9%、15%試樣抗壓強(qiáng)度較前者分別增大了10.1%、23.1%；當(dāng)硅質(zhì)含量低于12%時(shí)，硅質(zhì)含量每增大3%，試樣抗壓強(qiáng)度平均可增高9.2%，硅質(zhì)含量超過(guò)12%后，其抗壓強(qiáng)度為遞減態(tài)勢(shì)。當(dāng)砂率增至26%后，硅質(zhì)含量對(duì)試樣抗壓強(qiáng)度影響基本一致，僅在量值上具有一定差異，表明砂率不影響硅質(zhì)含量與再生混凝土力學(xué)特征關(guān)系。

圖4 硅質(zhì)含量與混凝土試樣抗壓強(qiáng)度關(guān)系

2.2 砂率的影響

由如圖5所示的不同砂率組試樣的力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果可知，砂率對(duì)再生混凝土試樣力學(xué)水平影響亦具有變化節(jié)點(diǎn)，當(dāng)砂率位于24%以下及超過(guò)該值時(shí)，加載過(guò)程中應(yīng)力水平分別為增長(zhǎng)與降低特征。在應(yīng)變1%時(shí)，相比砂率20%，砂率24%試樣加載應(yīng)力增大了6.25倍，但砂率26%、28%試樣加載應(yīng)力相比砂率24%試樣又分別減少了45.4%、68.9%。分析認(rèn)為，砂率對(duì)再生混凝土力學(xué)水平影響具有一個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，當(dāng)超過(guò)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)砂率后，再生混凝土的應(yīng)力水平為降低，這與合理砂率區(qū)間值有關(guān)，合理砂率值是再生混凝土最佳力學(xué)狀態(tài)的重要指標(biāo)。本試驗(yàn)中在砂率24%下峰值后應(yīng)變延伸性較大，塑性變形較強(qiáng)，峰值后應(yīng)力跌落幅度約為11.5%，而砂率20%、26%試樣峰值應(yīng)力跌幅分別為60.4%、21.6%，表明合理砂率值下試樣的塑性較好，延展性較佳；從線彈性模量來(lái)看，砂率20%、26%下試樣彈性模量分別為8.93MPa、13.45MPa，而合理砂率24%下線彈性模量較之分別增長(zhǎng)了1.12倍、減小了40.4%，故合理砂率值下再生混凝土的彈塑性變形能力俱佳。

圖5 不同砂率試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線

同理，獲得砂率影響下再生混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度變化特征，如圖6所示。從圖中可知，砂率對(duì)抗壓強(qiáng)度影響關(guān)系與硅質(zhì)含量影響性具有相似性，最大強(qiáng)度均為變化節(jié)點(diǎn)，在硅質(zhì)含量3%試驗(yàn)組中，砂率24%下混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度為28.64MPa，而砂率20%、26%、28%試樣抗壓強(qiáng)度相比前者分別減少了29.2%、15%、24.8%；在砂率遞增區(qū)間20%～24%，抗壓強(qiáng)度平均增幅為18.9%，而在遞減區(qū)間內(nèi)抗壓強(qiáng)度的平均降幅為13.3%；表明超過(guò)合理砂率后，再生混凝土抗壓強(qiáng)度受砂率影響敏感度更高。當(dāng)硅質(zhì)含量增至9%后，該組試樣抗壓強(qiáng)度均有增長(zhǎng)，但硅質(zhì)含量不影響砂率對(duì)抗壓強(qiáng)度的促進(jìn)與抑制作用，則硅質(zhì)含量與砂率之間的耦合影響并無(wú)顯著關(guān)聯(lián)性。

圖6 砂率與混凝土試樣抗壓強(qiáng)度關(guān)系

3 混凝土滲透特性

為研究再生混凝土滲透特性，文章以達(dá)西流體測(cè)試為背景，完成不同組試樣的滲透特性試驗(yàn)，以試樣滲透系數(shù)反映混凝土滲透特性，圖7為硅質(zhì)含量、砂率影響下滲透系數(shù)變化特征。

圖7 再生混凝土滲透系數(shù)變化特征

從圖中可知，當(dāng)處于同一砂率下，隨硅質(zhì)含量增多，再生混凝土滲透系數(shù)遞減，即硅質(zhì)成分的存在，可抑制再生混凝土內(nèi)部滲流形成，提高混凝土內(nèi)部密實(shí)度，有效阻流、抗?jié)B。在砂率20%時(shí)，硅質(zhì)含量3%試樣的滲透系數(shù)為1.91×10-7cm/s，而含量9%、15%試樣的滲透系數(shù)相比前者減少了54.1%、69%；整體來(lái)看，在該砂率試驗(yàn)組中，硅質(zhì)含量每增大3%，混凝土試樣滲透系數(shù)平均降低24.7%。另一方面，當(dāng)硅質(zhì)含量超過(guò)12%后，其滲透系數(shù)降幅降低，即硅質(zhì)成分對(duì)滲流活動(dòng)的抑制效應(yīng)減弱，此與內(nèi)部孔隙填充“飽和”有關(guān)。當(dāng)處于同一硅質(zhì)含量時(shí)，不同砂率組試樣的滲透系數(shù)均以合理砂率值24%下的為最低，在硅質(zhì)含量6%組中，其滲透系數(shù)為5.63×10-8cm/s，而其他砂率值試樣滲透系數(shù)均較高，該硅質(zhì)含量中砂率20%、26%試樣滲透系數(shù)與合理砂率試樣具有138.5%、79.3%的偏差。分析認(rèn)為，雄安新區(qū)基建采用綠色再生混凝土?xí)r，應(yīng)考慮其砂率是否滿(mǎn)足合理砂率區(qū)間，這對(duì)混凝土材料抗?jié)B效果影響較大。

4 結(jié)論

(1)硅質(zhì)含量對(duì)再生混凝土加載應(yīng)力影響具有變化節(jié)點(diǎn)，含量低于12%時(shí)，硅質(zhì)含量每增大3%，抗壓強(qiáng)度平均可增高9.2%，超過(guò)該含量后，抗壓強(qiáng)度遞減；硅質(zhì)含量愈高，則峰值應(yīng)變愈低，但彈性模量增大。

(2)再生混凝土力學(xué)水平影響具有合理砂率值，為24%，超過(guò)此合理砂率，抗壓強(qiáng)度降低；合理砂率試樣塑性較好，延展性較佳，峰值后應(yīng)力跌落幅度約為11.5%。

(3)硅質(zhì)含量增多，再生混凝土滲透系數(shù)遞減，但硅質(zhì)含量超過(guò)12%后滲透系數(shù)降幅減小；以合理砂率24%試樣滲透系數(shù)為最低，再生混凝土的抗?jié)B性與合理砂率密切相關(guān)。