尺寸效應對再生混凝土性能的影響

楊海濤，田石柱, 2

?

尺寸效應對再生混凝土性能的影響

楊海濤1，田石柱1, 2

(1. 哈爾濱工業(yè)大學土木工程學院，黑龍江哈爾濱，150090；2. 蘇州科技學院土木工程學院，江蘇蘇州，215011)

以廢棄的混凝土構(gòu)件為原料加工得到再生粗骨料，并以再生粗骨料為主要原料配制再生混凝土。試驗過程中以再生粗骨料取代率為 0，30%，50%，80%和100%的混凝土試件為研究對象，分別對尺寸效應對再生混凝土的強度性能和耐久性能的影響進行測定，并對其試驗結(jié)果進行綜合分析，得到再生混凝土在強度性能和耐久性能上尺寸效應的基本規(guī)律，為再生混凝土在工程上的應用提供試驗依據(jù)。

再生粗骨料；尺寸效應；再生粗骨料取代率；強度性能；耐久性能

當前我國正處在工業(yè)化和城市化高速發(fā)展的進程中，這一發(fā)展階段決定了將有大量老、舊建筑被新型建筑所取代。舊的建筑物被拆除將產(chǎn)生大量的建筑垃圾，據(jù)統(tǒng)計我國每年拆除下來的廢棄混凝土約有1 360萬t，這些廢棄物不僅占用了大量的土地，而且對周圍的環(huán)境造成了污染。大量新建筑開工使得對天然砂石的需求量也日益增加，而對天然砂石無節(jié)制地開采導致資源日趨枯竭。將廢棄的混凝土進行回收利用，不但減少了對土地的占用，而且有利于保護自然資源，同時還為建筑廢棄物的處理提供了一條新途徑[1?6]。目前，對廢棄混凝土的再利用大致可以分為3個級別：1) 低級利用，如一般性回填；2) 中級利用，如用作建筑物或道路的基礎(chǔ)材料；3) 高級利用，如作為粗細骨料配制混凝土用于建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件和道路面層等方面。目前世界各國對建筑廢料的回收利用各不相同，發(fā)達國家的利用率較高，發(fā)展中國家利用率較低或沒有被利用。日本是建筑廢棄物回收利用較好的國家之一，在1995年其回收利用率達到65%，建筑廢棄物主要被用于道路配料和填方[7]。在英國，已經(jīng)有大量的再生混凝土被應用在公路建設(shè)中，在房屋建筑方面，英國BRE的環(huán)境樓(environmental building)在建設(shè)時使用了8萬塊再生磚，90%的現(xiàn)澆混凝土都使用了再循環(huán)利用的骨料，該建筑為21世紀的辦公建筑提供了一個綠色建筑的樣板。將廢棄的混凝土經(jīng)過一定程度的加工、破碎、分級后，按一定的比例混合形成的骨料稱為再生骨料。用再生骨料部分或全部代替天然骨料(主要是粗骨料)配制而成的混凝土稱為再生骨料混凝土，簡稱再生混凝土[8?10]。在再生混凝土的研究和利用方面，發(fā)達國家起步較早，目前對再生混凝土進行了系統(tǒng)化、深入化的研究并相繼出臺了一些再生混凝土規(guī)范[11?12]。我國對再生混凝土的研究才剛剛起步。目前的研究以提高再生混凝土的強度和改善其力學性能為主[13?14]，對再生混凝土尺寸效應的研究還不多見。本文作者主要對尺寸效應對再生混凝土強度性能和耐久性能的影響進行研究，總結(jié)了再生混凝土在強度性能和耐久性能上的尺寸效應的基本規(guī)律，以便為再生混凝土在工程上的應用提供試驗依據(jù)。

1 混凝土尺寸效應產(chǎn)生的原因

在測定材料性能的試驗中，材料的性能參數(shù)隨著結(jié)構(gòu)尺寸的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為尺寸效應，它是脆性和準脆性材料的固有特征。由混凝土試驗得到的力學性能參數(shù)不僅與材料的性質(zhì)有關(guān)，而且與試件的尺寸有關(guān)，這就是混凝土力學性能的尺寸效 應[15?17]?；炷廉a(chǎn)生尺寸效應的原因目前主要有2種觀點：1) 混凝土材料本身是一種準脆性材料，其受力破壞是從內(nèi)部的微裂縫開始的，隨著眾多微裂縫相互交匯、貫通后形成了宏觀裂縫，宏觀裂紋繼續(xù)發(fā)展才逐漸導致混凝土破壞?；炷猎谶_到最大荷載前，宏觀裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展是由混凝土結(jié)構(gòu)本身存儲的彈性能釋放而引起的，彈性能隨著混凝土尺寸的不同而不同，由此產(chǎn)生了尺寸效應。2) 由于在制作混凝土時其組成成分的分布具有隨機性和不連續(xù)性，導致混凝土內(nèi)部各點的強度也有所不同。在相同外部應力場作用下，混凝土內(nèi)部各點的應力強度因子也不同，強度較弱的點因其斷裂韌性較低，當受到高應力強度因子作用時會先產(chǎn)生裂紋。由于外部應力場引起的裂紋是隨機的、不連續(xù)的，所以，混凝土才會產(chǎn)生尺寸效應現(xiàn)象。普通混凝土力學性能尺寸效應規(guī)律表現(xiàn)為：隨著試件尺寸的不斷增大，其強度逐漸降低。由于再生混凝土的力學性能總體上要低于普通混凝土，所以，需要對再生混凝土的尺寸效應規(guī)律進行深入研究。

2 試驗

2.1 原材料

1) 水泥，選用亞泰集團哈爾濱水泥廠生產(chǎn)的天鵝牌P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥。

2) 細骨料為天然中砂，級配合格，表觀密度為2.64 t/m3。

3) 天然粗骨料選用最大粒徑為31.5 mm的碎石。

4) 再生粗骨料由哈爾濱市某拆遷工地的廢棄鋼筋混凝土塊經(jīng)過人工破碎、碾磨、篩分加工得到。

5) 水，為地下水。

粗骨料基本性能指標見表1。從表1可以看出：再生粗骨料的表觀密度和堆積密度都較天然粗骨料低，而吸水率和含水率都比天然粗骨料高。

表1 粗骨料基本性能

2.2 配合比設(shè)計

試驗中所采用的粗骨料由天然粗骨料和再生粗骨料相混合而成，粗骨料取代率分別取0，30%，50%，80%和100%。配制再生混凝土時，水灰比取0.40。在進行配合比設(shè)計時，水和粗骨料的密度是固定的，分別為195 kg/m3和1 130 kg/m3。細骨料砂的含量隨著水泥含量的增加而進行調(diào)整。試驗所采用的配合比見表2。配合比設(shè)計采用普通混凝土設(shè)計方法[18?21]，即按照JGJ 55—2000“普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程”執(zhí)行[22]。

表2 配合比設(shè)計

2.3 試件制作

本次試驗主要就尺寸效應對再生混凝土的強度性能和耐久性能的影響進行研究。試驗所需的全部試件均在室內(nèi)進行澆筑，并在標準養(yǎng)護條件下進行養(yǎng)護。各項試驗均嚴格按照相應的標準試驗方法進行，即按照GB/T 50081—2002“普通混凝土力學性能試驗方法標準”和GB/T 50082—2009“普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準”執(zhí)行。

進行再生混凝土強度尺寸效應試驗時，采用邊長分別為100，150和200 mm的立方體試件來測定抗壓強度和劈裂抗拉強度；采用長×寬×高分別為100 mm×100 mm×415 mm，150 mm×150 mm×622.5 mm和200 mm×200 mm×830 mm的試件，利用三點彎曲法來測定抗彎強度。

進行尺寸效應對再生混凝土耐久性能影響試驗時，采用邊長為100 mm的立方體試件進行試驗。同時在另行澆筑長×寬×高為1 000 mm×1 000 mm× 350 mm的構(gòu)件，在標準養(yǎng)護28 d后，對此構(gòu)件進行鉆芯取樣，取出的樣品直徑×高為100 mm×100 mm的圓柱體，然后對此樣品進行相關(guān)試驗。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 尺寸效應對強度性能的影響

3.1.1 抗壓強度

圖1所示為抗壓強度尺寸效應。由圖1可見：不同再生粗骨料取代率的混凝土在抗壓強度尺寸效應方面表現(xiàn)出相似的規(guī)律，即其立方體抗壓強度都隨著試件邊長的增加而降低；當再生粗骨料取代率為50%時，再生混凝土試件的尺寸效應比普通混凝土試件的尺寸效應表現(xiàn)得更加明顯。這是因為再生粗骨料的吸水率和含水率都比天然粗骨料的高，配制再生混凝土時且當再生粗骨料和天然粗骨料按照質(zhì)量比1:1加入時，再生粗骨料恰好吸收了多余的水分，而使得水泥漿體中的水灰比降低，導致再生混凝土抗壓強度增大，所以，再生混凝土抗壓強度尺寸效應比普通混凝土抗壓強度尺寸效應更為明顯。

取代率/%：1—0；2—30；3—50；4—80；5—100。

3.1.2 劈裂抗拉強度

抗拉強度是混凝土的基本力學性能之一。由于采用直接受拉試驗確定混凝土的抗拉強度較為困難，因此，本次試驗采用立方體的劈裂抗拉試驗來間接確定混凝土的抗拉強度。

圖2所示劈裂抗拉強度尺寸效應。由圖2可見：混凝土試件的劈裂抗拉強度隨著再生粗骨料取代率的提高而逐漸降低，其劈裂抗拉強度尺寸效應不明顯；隨著試件尺寸的逐漸增大，其劈裂抗拉強度尺寸效應現(xiàn)象逐漸減弱，但減弱的幅度較小，逐漸呈現(xiàn)為穩(wěn)定的趨勢。因此，小試樣的劈裂抗拉強度尺寸效應比較明顯，當試件尺寸超過某一范圍后，劈裂抗拉強度將趨于穩(wěn)定。

3.1.3 抗彎強度

圖3所示為抗彎強度尺寸效應。由圖3可見：不同再生粗骨料取代率的混凝土試件其抗彎強度都存在明顯的尺寸效應。根據(jù)彈性力學理論，如果材料屬于完全的彈性材料，而且不存在缺陷，那么其抗彎強度與抗拉強度是相等的。由于混凝土屬于具有大量缺陷的彈塑性材料，因此，其抗彎強度略大于抗拉強度。但是，隨著試件尺度的逐漸增大，混凝土越來越表現(xiàn)為彈脆性材料，因此，其抗彎強度也越來越接近于抗拉強度。

取代率/%：1—0；2—30；3—50；4—80；5—100。

取代率/%：1—0；2—30；3—50；4—80；5—100。

3.2 尺寸效應對耐久性能的影響

3.2.1 凍融循環(huán)試驗

以水灰質(zhì)量比為0.4、再生粗骨料取代率為100%的再生混凝土為研究對象制作試件。參照GB/T 50082—2009“普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準”的規(guī)定，采用慢凍法對再生混凝土的抗凍融循環(huán)能力進行研究[23]。

圖4所示為慢凍后的抗壓強度為再生混凝土試件經(jīng)過慢凍循環(huán) 100 次之后的強度。由圖4可見：再生混凝土試件經(jīng)過慢凍試驗后，其抗壓強度有所降低，并且取樣試件的抗壓強度低于立方體試件的抗壓強度。其中立方體試件的強度損失率為14%，取樣試件的強度損失率為22%。

圖4 慢凍試驗抗壓強度

圖5所示為慢凍試驗質(zhì)量損失率。由圖5可見：隨著慢凍循環(huán)次數(shù)的增加, 取樣試件的質(zhì)量損失率明顯高于立方體試件的質(zhì)量損失率。綜合分析圖4和圖5可以得出：再生混凝土試件在經(jīng)過凍融循環(huán)后，其強度發(fā)展規(guī)律與質(zhì)量發(fā)展規(guī)律相似。

1—立方體試件；2—取樣試件。

通過凍融循環(huán)試驗可以得出，取樣試件的抗凍融循環(huán)能力較差。其原因是：一方面，再生混凝土存在尺寸效應，故體積較大的試件其內(nèi)部缺陷也較多；另一方面，在取樣過程中鉆取試件時可能對試件的保護層和再生混凝土產(chǎn)生損傷，由于鉆取試件表面的保護層已經(jīng)被破壞，即試件表面已經(jīng)沒有水泥漿體的保護，故導致其抗凍性較差。

3.2.2 硫酸鹽腐蝕試驗

圖6所示為腐蝕后的抗壓強度為再生混凝土試件經(jīng)過硫酸鹽干濕循環(huán)50次之后的抗壓強度。由圖6可見：經(jīng)過硫酸鹽干濕循環(huán)試驗后，再生混凝土試件的抗壓強度有所降低，并且取樣試件的抗壓強度低于立方體試件的抗壓強度。其中立方體試件的強度腐蝕系數(shù)為0.897，取樣試件的強度腐蝕系數(shù)為0.903。從強度腐蝕系數(shù)方面考慮，取樣試件與立方體試件在耐硫酸鹽腐蝕性能上基本相當。

圖7所示為硫酸鹽干濕循環(huán)試驗質(zhì)量損失率。由圖7可見：隨著硫酸鹽干濕循環(huán)次數(shù)的不斷增加，取樣試件的質(zhì)量損失率明顯高于立方體試件的質(zhì)量損失率。這說明在抗硫酸鹽腐蝕性能上，取樣試件比立方體試件差。其原因是在鉆取試件的過程中，再生粗骨料遭到外力破壞，而再生粗骨料在破碎的過程中會產(chǎn)生大量的裂縫，加上試件表面原有水泥砂漿的孔隙，使得再生混凝土內(nèi)部的孔隙率增加，滲透性增大，增加了腐蝕源與再生混凝土內(nèi)部發(fā)生化學反應的可能性。2種試件在經(jīng)過硫酸鹽腐蝕后，其強度變化規(guī)律與質(zhì)量變化規(guī)律相似。

圖6 硫酸鹽干濕循環(huán)試驗抗壓強度

1—立方體試件；2—取樣試件。

4 結(jié)論

1) 不同再生粗骨料取代率的混凝土在抗壓強度尺寸效應方面表現(xiàn)出相似的規(guī)律，即混凝土抗壓強度越高，其尺寸效應越明顯。

2) 當再生粗骨料取代率為50%時，再生混凝土抗壓強度尺寸效應比普通混凝土抗壓強度尺寸效應 明顯。

3) 不同再生粗骨料取代率的混凝土試件隨著試件尺寸的逐漸增大，其劈裂抗拉強度逐漸減小，并且逐漸呈現(xiàn)為穩(wěn)定的趨勢。

4) 不同再生粗骨料取代率的混凝土試件，其抗彎強度都存在明顯的尺寸效應，即隨著試件尺寸的逐漸增大，其抗彎強度逐漸減小。

5) 不同尺寸的再生混凝土試件在耐久性能上具有相似的規(guī)律，即強度變化規(guī)律與質(zhì)量變化規(guī)律相似。

6) 尺寸效應對再生混凝土耐久性能有較大影響，隨著試件尺寸的逐漸增大，其耐久性能逐漸降低。

參考文獻：

[1] 孫躍東, 周德源. 我國再生混凝土的研究現(xiàn)狀和需要解決的問題[J]. 混凝土, 2006(4): 25?28. SUN Yuedong, ZHOU Deyuan. The Present study state and problems to be solved on recycled concrete in China[J]. Concrete, 2006(4): 25?28.

[2] TOPCU I B. Physical and mechanical properties of concrete produced with waste concrete[J]. Cement and Concrete Research 1997, 27(12): 18?23.

[3] XIAO Jianzhuang, LIA Jiabin, ZHANG Chi. Mechanical properties of recycled aggregate concrete under uniaxial loading[J]. Cement and Concrete Research, 2005, 35(6): 1187?1194.

[4] ETXEBERRIA M, VAZQUEZE, MARI A, BARRA M. Influence of amount of recycled coarse aggregates and production process on properties of recycled aggregate concrete[J]. Cement and Concrete Research, 2007, 35(5): 735?742.

[5] Kiyoshi Eguchi, Kohji Teranishi, Akira Nakagome, et al. Application of recycled coarse aggregate by mixture to concrete construction[J]. Construction and Building Materials, 2007, 21(7): 1542?1551.

[6] TABSH S W, ABDELFATAH A S. Influence of recycled concrete aggregates on strength properties of concrete[J]. Construction and Building Materials, 2009, 23(2): 1163?1167.

[7] GAO Qiaotaiyi, A Budaoyan. Current situation and future of waste concrete aggregate [J]. Concrete Engineering, 1995, 7(2): 41?44.

[8] 杜婷, 李慧強, 覃亞偉, 等. 再生混凝土未來發(fā)展的探討[J]. 混凝土, 2002(4): 49?50.DU Ting, LI Huiqiang, QIN Yawei, et al.Discussion on the future development of recycled concrete[J]. Concrete, 2002(4): 49?50.

[9] 孫躍東, 肖建莊. 再生混凝土骨料[J]. 混凝土, 2004(6): 33?36. SUN Yuedong, XIAO Jianzhuang. Aggregate of recycled concrete[J]. Concrete, 2004(6): 33?36.

[10] 劉婷婷, 張濤. 再生混凝土研究現(xiàn)狀和存在的問題[J]. 山東建材, 2005, 13(4): 20?22. LIU Tingting, ZHANG Tao. Current research on recycled concrete and existing problems[J]. Shandong Building Materials, 2005, 13(4): 20?22.

[11] Danish Concrete Association. Recommendation for the Use of Recycled Aggregates for Concrete in Passive Environmental Class[R]. Copenhagen: Danish Concrete Association, 1989: 36?41.

[12] KIBERT C J. Concrete/Masonry Recycling Progress in the USA[C]// Demolition and Reuse of Concrete and Masonry. New York: F & FN Spon, 1994: 186?195.

[13] RAHAL K. Mechanical properties of concrete with recycled coarse aggregate[J]. Building and Environment, 2007, 42(8): 407?415.

[14] AJDUKIEWICA A, KLISZCEWICZ A. Influence of recycled aggregates on mechanical properties of HS/HPC[J]. Cement and Concrete Composites, 2002, 24(11): 269?279.

[15] XU Jishan, HE Xixi. Size effect on the strength of a concrete member[J]. Engineering Fracture Mechanics, 1990, 35(4): 4?5.

[16] CARPINTERI A, FERRO G. Scaling behavior and duarenormalization of experimental tensile softening responses [J]. Materials and Structures, 1998, 31(5): 303?309.

[17] BAZANT Z P. Scaling of quasi-brittle fracture: asymptotic analysis[J]. International Journal of Fracture, 1997, 183(1): 19?40.

[18] 趙軍, 鄧志恒, 林俊. 再生混凝土配合比設(shè)計的試驗研究[J]. 廣西工學院學報, 2007, 18(3): 82?84.ZHAO Jun, DENG Zhiheng, LIN Jun. Experimental study on mix design of recycled aggregate concrete[J]. Journal of Guangxi University of Technology, 2007, 18(3): 82?84.

[19] 古松, 雷挺, 陶俊林. 再生混凝土配合比設(shè)計及早期強度試驗研究[J]. 工業(yè)建筑, 2012, 42(4): 1?4. GU Song, LEI Ting, TAO Junlin. Experimental study on mix design and early strength of recycled aggregate concrete[J]. Industrial Construction, 2012, 42(4): 1?4.

[20] 張云峰, 張超魁, 許麗佳, 等. 再生混凝土配合比設(shè)計及試驗研究[J]. 低溫建筑技術(shù), 2010, 32(9): 8?9. ZHANG Yunfeng, ZHANG Chaokui, XU Lijia, et al. Experimental study on mix design of recycled aggregate concrete[J]. Low Temperature Construction Technology, 2010, 32(9): 8?9.

[21] 張亞梅, 秦鴻根. 再生混凝土配合比設(shè)計初探[J]. 混凝土與水泥制品, 2002(1): 7?9.ZHANG Yamei, QIN Honggen. The mix proportion design of recycled concrete[J]. Concrete and Cement Products, 2002(1): 7?9.

[22] JGJ 55—2000, 普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程[S]. JGJ 55—2000, Ordinary concrete mixture ratio design procedures[S].

[23] American Society for Testing and Materials. ‘C666; Standard test for resistance of concrete to freezing and thawing’[R]. Boston: American Society for Testing and Materials, 1988: 18?23.

(編輯 陳愛華)

Influence of size effect on properties of recycled concrete

YANG Haitao1, TIAN Shizhu1, 2

(1. School of Civil Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China;2. School of Civil Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215011, China)

Size effect is the inherent characteristics of quasi-brittle materials. The waste concrete components were manufactured as raw material to get recycled coarse aggregate. Then the recycled coarse aggregate was used as main raw material to prepare recycled concrete. The concrete specimens, of which the replacement ratio of recycled coarse aggregate were 0, 30%, 50%, 80% and 100%, were used as research objects respectively. The influence of the size effect on strength properties and durability of recycled concrete were determined respectively. The test results were analyzed comprehensively to obtain the basic laws of size effect on the strength properties and durability of the recycled concrete. The objective of the study is to provide experimental basis for the application of recycled concrete in engineering construction.

recycled coarse aggregate; size effect; replacement ratio of recycled coarse aggregate; strength properties; durability

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.11.027

TU528.041

A

1672?7207(2016)11?3818?06

2016?01?05；

2016?04?27

國家自然科學基金資助項目(90715036) (Project(90715036) supported by the National Natural Science Foundation of China)

楊海濤，博士研究生，從事再生混凝土各項性能的試驗研究；E-mail: hljyanghaitao@163.com