再生粗骨料替代率對再生混凝土力學性能影響

姚宇峰,金寶宏，章海剛， 蘭宏偉

(1.寧夏大學土木與水利工程學院， 寧夏銀川750021;2.中國礦業大學銀川學院土木工程系， 寧夏銀川750021)

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再生粗骨料替代率對再生混凝土力學性能影響

姚宇峰1，2,金寶宏1，章海剛1， 蘭宏偉1

(1.寧夏大學土木與水利工程學院， 寧夏銀川750021;2.中國礦業大學銀川學院土木工程系， 寧夏銀川750021)

為研究19～26.5 mm粒徑范圍內的再生粗骨料等質量替代同粒徑范圍內天然粗骨料的再生混凝土的力學性能影響，采用再生粗骨料替代率為0～100%等質量替代天然粗骨料拌制了11種C30混凝土，對不同替代率下的新拌混凝土進行了抗壓和劈裂拉伸試驗。結果表明：再生混凝土的抗壓、劈裂拉伸破壞形態與普通混凝土基本一致。當再生粗骨料替代率分別為60%和0時，再生混凝土的抗壓強度與劈裂拉伸強度分別達到最大。研究結果可為再生粗骨料應用于混凝土中提供指導和借鑒。

再生粗骨料; 再生混凝土; 抗壓強度; 劈裂拉伸強度

0　引　言

再生集料混凝土(Recycled Aggregate Concerete，RAC)是指利用廢棄混凝土破碎加工而成的再生集料部分或全部替代天然集料配制而成的新混凝土，簡稱再生混凝土。再生集料(Recycled Aggregate，RA)是指廢棄混凝土經破碎加工后所得粒徑在40 mm以下的集料[1]。

近年來，隨著城市化進程的加快，每年都有許多舊的或鄰近使用年限的建筑物被拆除，從而產生大量廢棄混凝土[2]，再者，混凝土使用50年左右就成為廢棄混凝土[3]。據統計，我國建筑垃圾年產量約8×107t[4]，引發了我國日益嚴重的資源與環境問題。而再生混凝土技術不僅可以從根本上解決廢棄混凝土的處理問題，還可以減少因開采大量天然砂石造成的資源枯竭，而且還能減輕廢棄混凝土對生態環境的污染，能夠帶來顯著的社會、經濟和環境效益,是一條節約資源、能源、減輕地球環境負荷及維護生態平衡的發展道路，這對我國有限的礦產與生態資源保護具有十分重要的意義。雖然國內外許多研究者對再生混凝土基本力學性能進行了大量研究[5-14]，但目前還沒有發現針對一定粒徑范圍內不同替代率下再生粗骨料對混凝土力學性能影響的相關文獻報道，更未發現何種粒徑的再生粗骨料對于再生混凝土的力學性能影響較大的相關文獻。為此，本工作主要研究19～26.5 mm粒徑范圍內不同替代率下再生粗骨料對再生混凝土的28 d抗壓強度和劈裂拉伸強度的影響，并根據試驗所得數據分析其影響規律，旨在為再生骨料在實際工程中的應用提供指導與借鑒。

1　試驗

1.1材料與方法

1.1.1水泥及外加劑

本研究采用寧夏賽馬廠生產的42.5R普通硅酸鹽水泥，水泥細度為4.7%，外加劑為烏海成城交大建材有限公司生產的奈系高效能減水劑，摻量為水泥質量的2.5%～4%，減水率為20%。

1.1.2骨料

再生粗骨料(RC)為寧夏銀川盈北村拆除的廢棄混凝土，經機械破碎，人工篩選出19～26.5 mm的粗骨料，見圖1，原始混凝土經回彈儀測試其強度為C30，壓碎指標為14.3%，吸水率為4.8%；天然粗骨料(NC)采用寧夏銀川鎮北堡生產的人工碎石，粒徑為5～31.5 mm連續級配，含泥量為0.17%，見圖2；天然細骨料(NF)采用鎮北堡人工水洗山砂。再生粗骨料(RC)、天然粗骨料(NF)的顆粒級配見表1。試驗用水采用當地自來水。

圖1　19～26.5 mm再生粗骨料Fig.1　19 ～ 26.5 mm recycled coarse aggregate

注：實際采用的天然粗骨料將會剔除粒徑大于31.5 mm的粗骨料。

1.2試驗混凝土配合比設計

再生混凝土應有良好的和易性才能用于民用建筑中，因而，試驗設計目標為常見C30泵送混凝土。本研究共設計了11個試驗組，每組中的水膠比、砂率、粗細骨料和用水量均不變，在此基礎之上用再生粗骨料以替代率為0、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%的再生粗骨料等質量替代天然粗骨料，制作11組再生混凝土試件，具體每組配合比設計見表2。

以JGJ55——2011《普通混凝土配合比設計規程》[15]為參考，每立方米混凝土中水灰比、水泥用量和細骨料分別定為0.6、347.8 kg和695.7 kg；以替代率為0～100%的再生粗骨料替代天然粗骨料拌合混凝土并制作試件，當流動性達不到要求時，通過減水劑的摻量大小來改善和易性。

表2　混凝土配合比Tab.2 Concrete composition

1.3試驗方法

為保證每組試件所用混凝土均有較好的和易性，故制作試件前所測每組澆筑試件的混凝土塌落度均在170 mm時方可進行澆筑，整個試驗過程以GB/T50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法》[16]為標準。試件尺寸均為100 mm×100 mm×100 mm，新拌再生混凝土裝模在振動臺上振搗成型，24 h后拆模，在標準養護室養護28 d后，以GB/T50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》[17]為基準，在試驗機上進行28 d抗壓強度、劈裂拉伸強度測試。

2　試驗結果與分析

2.1再生粗骨料對混凝土抗壓強度的影響

2.1.1破壞形態

在混凝土試件抗壓試驗過程中，起初側面表層形成裂縫并不斷延伸，隨之荷載的繼續增加，試件表面開始鼓裂、剝落，尤其以中間剝落最為嚴重。將其表層剝開之后，最終形成中間較細上下較粗的破壞狀態，環箍效應比較明顯，見圖3。從破壞形態來看，再生混凝土與普通混凝土基本一樣。

2.1.2抗壓強度試驗結果

再生混凝土28 d抗壓強度試驗數據如表3所示。為了保證數據的準確性，每組試驗制作6個試件，當測出的6個數值中最大值或最小值與平均值之差小于20%時，取6個數值的算術平均值，否則以中間4個試件的平均值作為該組試件的抗壓強度。試驗結果表明，所有數據與平均值之差均小于20%[18]，說明所測得數據偏離度較小，無異常，滿足要求。

在粗骨料粒徑范圍為19～26.5 mm內進行等質量替代時，再生混凝土的抗壓強度隨著替代率的增大呈現先逐漸下降后逐漸增大再降低的波浪形上升的趨勢，如圖5所示，當再生粗骨料摻量為60%時其抗壓強度最大。相對于再生粗骨料替代率為60%時，再生粗骨料替代率為0%、10%、20%、30%、40%、50%、70%、80%、90%、100%的再生混凝土的強度分別降低17.9%、22.1%、23.1%、9.6%、10.0%、9.9%、4.7%、6.9%、8.8%、13.9%，見表3。

導致再生粗骨料摻量為60%時抗壓強度最大的原因，一是再生粗骨料表面結合的水泥漿體較為密實，經破碎之后其表面粗糙與新拌混凝土有很好的咬合力；二是由于再生粗骨料吸水率大而導致水灰比下降，并且吸水儲水量大，待到混凝土水化時在外界壓力作用下逐漸釋放，使混凝土充分水化而提高其自身強度。但當再生粗骨料含量較大時其自身形成的再生粗骨料骨架強度小于天然粗骨料，故當再生粗骨料替代率越過60%時其強度逐漸下降。

表3　抗壓強度試驗結果Tab.3　Compressive strength test results

2.2再生粗骨料對混凝土劈裂拉伸強度的影響

2.2.1破壞形態

加載初期，試件表面未出現裂縫，隨著荷載增加，裂紋從側表面中部出現逐漸延伸至墊條處。當荷載繼續增加，試件表面裂紋寬度增大，最后試件被劈裂拉伸成兩部分，其劈裂拉伸面相對比較規整，見圖4。

圖3受壓破壞試件

Fig.3Compression failure samples

圖4劈裂拉伸試件破壞面

Fig.4Failure plane of splitting tensile specimen

2.2.2劈裂拉伸強度試驗結果

再生混凝土28 d劈裂拉伸強度試驗數據如表4所示，數據處理辦法與抗壓強度相同，各組數據誤差均在20%以內，數據無異常，真實可靠。

在粗骨料粒徑范圍為19～26.5 mm內進行等質量替代時，再生混凝土的劈裂拉伸強度隨著替代率的增大呈現先逐漸下降后逐漸增大再降低的波浪形下降的趨勢，見圖6，當再生粗骨料摻量為0時劈裂拉伸強度最大。相對于替代率為0的混凝土，替代率為10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%的再生混凝土的強度分別降低10.2%、11.9%、11.2%、9.6%、6.9%、3.3%、1.3%、3.0%、15.2%、18.8%，見表4。

導致再生粗骨料摻量為0時劈裂拉伸強度最大的原因，首先是再生粗骨料內部缺陷及其自身的微裂紋對抗壓強度影響較小，但是對劈裂拉伸影響較大；其次是由于再生粗骨料與水泥之間粘聚力較小，受拉時易開裂。雖然再生粗骨料表面粗糙與周圍截面摩擦力較大，但是對于抗劈裂拉伸強度貢獻不大。

圖5　再生粗骨料替代率與抗壓強度關系曲線圖Fig.5　Relationship between recycled coarse aggregate replacement rate and compressive strength圖6　再生粗骨料替代率與劈裂拉伸強度關系曲線圖Fig.6　Relationship between recycled coarse aggregate replacement rate and splitting tensile strength表4　劈裂拉伸試驗結果Tab.4　Splitting tensile test results

3　結　語

通過在粗骨料粒徑范圍為19～26.5 mm內進行不同再生粗骨料替代形成的再生混凝土28 d抗壓強度與劈裂拉伸強度試驗，分析不同替代率再生粗骨料對再生混凝土28 d的抗壓強度與劈裂拉伸強度的力學性能的影響。試驗結果表明：① 28 d抗壓強度隨著再生粗骨料替代率的增加呈現出先逐漸降低后逐漸增大再降低波浪形上升的趨勢，到替代率60%的最大抗壓強度后逐漸下降，再生混凝土28 d抗壓強度在替代率為60%時達到最大。② 28 d劈裂拉伸強度隨著再生粗骨料替代率的增加呈現先逐漸下降后逐漸增大再降低的波浪形下降的趨勢，再生混凝土28 d劈裂拉伸強度在替代率為0時最大。研究結果可為再生粗骨料在工程中的應用提供借鑒與參考。

[1]肖建莊.再生混凝土[M]. 北京:中國建筑工業出版社，2008：4.

[2]萬慧文，水中和，林宗壽，等.再生混凝土的環境評價[J]. 武漢理工大學學報，2003，25(4)：17-20.

[3]鄧壽昌，張學兵，羅迎社.廢棄混凝土再生利用的現狀分析與研究展望[J]. 混凝土，2006，11(3)：20-24.

[4]陸凱安.我國建筑垃圾的現狀與綜合利用[J]. 建筑工業信息，2005，6(2)：18-21.

[5]黃靖.不同粗骨料種類再生混凝土的基本性能試驗研究[D]. 南寧:廣西大學,2012.

[6]邱樹恒，王軍，馮慶革，等.建筑垃圾再生粗細骨料對混凝土強度的影響[J]. 廣西大學學報(自然科學版)，2011，36(3)：518-524.

[7]周靜海，何海進，孟憲宏，等.再生混凝土基本力學性能試驗[J]. 沈陽建筑大學學報(自然科學版)，2010,26(3)：465-467.

[8]RIDZUAN A R M, DIAH A B M, HAMIR R, et al. The influence of recycled aggregate concrete on the early compressive strength and drying shrinkage of concrete[C]// Proceedings of the International Conference on Structural Engineering,Mechanics and Computation. Cape Town, South Africa:Department of Civil Engineering Press，2001:1415-1421.

[9]李佳彬，肖建莊，孫振平.再生粗骨料特性及其對再生混凝土性能的影響[J]. 建筑材料學報,2004,7(4)：391-395.

[10]MANDAL S，GUPTA A. Strength and durability of recycled aggregate concrete[C]//IABSE Symposium Report.Melbourne，Australia: International Association for Bridge and Structural Engineering, 2002:345-356.

[11]AHMAD S H. Properies of concrete made with North Carolina recycled coarse and fine aggregates[R]. North Carolina: Department of Civil Engineering,North Carolina State University. 2004.

[12]Sagoe-Crentsil K K，Brown T.Taylor.S H.Performance of concrete made with commercially produced coarse recycled concrete aggregate[J]. Cement and Concrete Research，2001，31:707-712.

[13]李秋義.混凝土再生骨料[M]. 北京:中國建筑工業出版社,2011.

[14]王長青.再生混凝土結構性能研究最新進展[J]. 建筑結構,2014,44(22)：60-65.

[15]中華人民共和國行業標準.普通混凝土配合比設計規程(JGJ55-2011)[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2011.

[16]中華人民共和國行業標準.普通混凝拌合物性能試驗方法(GB/T50080-2002)[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2003.

[17]中華人民共和國行業標準.普通混凝土力學性能試驗方法標準(GB/T50081-2002)[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2003.

[18]鄭德明,錢紅萍.土木工程材料[M]. 北京:機械工業出版社,2009.

(責任編輯唐漢民裴潤梅)

Influence of replacement rate of recycled coarse aggretrate on mechanical properties of recycled concrete

YAO Yu-feng1,2, JIN Bao-hong1， ZHANG Hai-gang1， LAN Hong-wei1

(1.School of Civil and Hydraulic Engineering，Ningxia University，Yinchuan 750021，China；2.Department of Civil Engineering，China University of Mining and Technology Yinchuan College，Yinchuan 750021，China)

To study the influence of replacement rate of recycle coarse aggregate with the size of 19～26.5 mm on the mechanical properties of recycle concrete when the natural coarse aggregate was replaced by the recycle coarse aggregate with the same quality, 11 kinds of C30 recycled coarse aggregate concrete specimens, the replacement rate of which ranged from 0 to 100%, were subjected to compression and splitting tensile tests. Results showed that the failure modes of the recycle concrete and concrete made of natural coarse aggregate are almost the same. In particular, when the replacement rates of recycle coarse aggregate were 60% and 0, the compressive strength and splitting tensile strength reached the maximum respectively, which could provide guidance and reference for the application of recycled coarse aggregate.

recycled coarse aggregate; recycled concrete; compressive strength; splitting tensile strength

2016-01-14；

2016-05-23

國家自然科學基金資助項目(11162015)；寧夏回族自治區大學生創新試驗項目(20150152)

金寶宏(1968—)，男，北京人，寧夏大學教授； E-mail:jinbaohong@163.com。

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1187

TU528.59

A

1001-7445(2016)04-1187-07

引文格式：姚宇峰，金寶宏，章海剛,等.再生粗骨料替代率對再生混凝土力學性能影響[J].廣西大學學報(自然科學版)，2016，41(4)：1187-1193.