不同粒徑再生粗骨料二級配混凝土力學性能試驗研究

王瑞駿，緱彥強，徐 帆

(西安理工大學水利水電學院，陜西西安710048)

0 引 言

再生混凝土作為一種新型材料，不僅環保，而且也符合建筑行業可持續發展的要求，因此具有廣泛的應用前景。再生混凝土的的單軸受壓和劈裂抗拉性能是研究再生混凝土結構承載力和變形等的主要依據，對于構件極限受壓狀態時的截面應力分布、破壞形態、變形情況等的分析具有重要意義。

近年來，國內外學者關于再生混凝土力學性能的研究，取得了一系列的成果。張波志等[1]研究發現，再生混凝土的抗壓強度高于普通混凝土，而劈裂抗拉強度低于普通混凝土；寇世聰等[2]研究了不同強度等級的混凝土作為再生粗骨料的高性能再生混凝土的力學性能，發現再生混凝土的抗壓強度與原生混凝土的強度成正比；陳宗平等[3]、郭樟根等[4]研究了不同粗骨料替代率下混凝土的力學性能，得出再生混凝土的最優取代率為30%～40%；ABDURRAHMAAN等[5]研究發現再生粗骨料取代率小于30% 時，對再生混凝土的抗壓強度影響很小；PEREIRA等[6]、關壯等[7]通過試驗研究發現摻加高效減水劑可以提高再生混凝土的力學性能，且隨著引氣劑含量的增大，再生混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度均呈減小趨勢。然而，現有再生混凝土力學性能的研究均是針對單一粒徑再生粗骨料或細骨料進行的，大多忽略了粗骨料粒徑的影響[8，9]。為此，本文對5～20、20～30 mm及5～30 mm粒徑范圍內的再生粗骨料在不同取代率下等質量替代相同粒徑范圍內的天然粗骨料的二級配再生混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度進行了試驗研究。結合試驗數據，采用非線性回歸方法，建立了不同粒徑再生粗骨料混凝土立方體抗壓強度與劈裂抗拉強度的換算關系，為再生混凝土的推廣應用中合理的選取粗骨料粒徑及取代率提供參考和依據。

表1 混凝土試件配合比

注：NC為普通混凝土；RCXX-N中XX表示再生粗骨料取代率XX%，N表示第N組試件。如RC30-1表示再生粗骨料取代率為30%的第1組試件。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

試驗所用天然粗骨料為經過篩分的5～20、20～30 mm連續級配的天然石子，再生粗骨料來自實驗室測試完混凝土劈裂抗拉強度的同一批普通混凝土試塊，通過人工破碎，篩分后粒徑為5～20、20～30 mm；細骨料為西安灞河中砂(細度模數為2.5)；水泥為冀東水泥銅川有限公司生產的盾石牌P·C 32.5R普通硅酸鹽水泥；中科院生產的高效聚羥基酸減水劑和高效三萜皂甙引氣劑；試驗用水為自來水。

1.2 試驗混凝土配合比設計

試驗設計了12種不同再生粗骨料取代率的二級配混凝土：①普通二級配混凝土；②再生粗骨料粒徑為5～30 mm，取代率為30%、40%、50%、75%和100%的二級配再生混凝土；③再生粗骨料粒徑分別為5～20、20～30 mm，取代率為30%、40%和50%的二級配再生混凝土(粒徑為5～20、20～30 mm的粗骨料按1∶1分配)。考慮到再生粗骨料吸水率較大的特性，為保證混凝土具有良好的和易性，混凝土用水量分為拌和水及附加用水兩部分。附加用水量等于再生骨料吸水率乘以再生骨料的用量，本試驗中再生粗骨料吸水率通過試驗測定為2.9%。試驗采用天然骨料混凝土的配合比設計方法，參照JGJ55—2011《普通混凝土配合比設計規程》進行。具體設計配合比如表1所示。

1.3 試驗方法

試驗按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行，抗壓強度試驗制作了12組試件，劈裂抗拉強度試驗制作了12組試件，試件均采用立方體試件，尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，每組3個試件，總計72個。混凝土試件均采用機械攪拌，標準鋼模成型，振動臺振搗密實，24 h后拆模，在溫度為(20±2)℃ 、相對濕度為95%的標準養護箱內養護28 d。在計算機控制的電液伺服試驗機上以0.5 MPa/s的速度連續均勻地加荷進行抗壓強度試驗，以0.05 MPa/s的速度連續均勻地加荷進行劈裂抗拉強度試驗。

2 試驗結果與分析

2.1 試件破壞形態

2.1.1 抗壓強度試驗

當荷載施加到一定程度，起初混凝土試件表面開始出現少許近似垂直于上下受力面的細小裂縫。隨著荷載的繼續增大，裂縫進一步延伸擴大，裂縫數增多，并向內部發展，試件表皮開始鼓脹、剝落。直至加載到極限荷載，混凝土試件完全破碎，并伴有聲響。普通混凝土與再生混凝土試件的破壞形態如圖1所示。

圖1 混凝土試件抗壓強度試驗破壞形態

2.1.2 劈裂抗拉強度試驗

加載初期，混凝土試件表面并無明顯裂縫。隨著荷載的增大，在上下受力接觸點出現垂直于受力面的細小裂縫。當達到極限荷載時，試件在很短的時間內完全劈裂為兩塊，并發出明顯聲音。再生混凝土與普通混凝土的劈裂破壞形態基本相同，都是沿試件中心線附近劈裂為兩塊，劈裂面絕大多數都是沿天然骨料與水泥砂漿的接觸面破裂及骨料間的水泥砂漿被劈裂，只有很少的天然骨料破裂。試件劈裂破壞形態如圖2所示，破壞面如圖3所示。

圖2 混凝土試件劈裂抗拉試驗破壞形態

圖3 混凝土試件劈裂抗拉破壞面

2.2 抗壓強度試驗結果與分析

試驗中每組試件的試驗結果均按GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行處理。各組再生混凝土試件的抗壓強度與再生粗骨料取代率的關系如圖4所示。

圖4 再生混凝土抗壓強度與不同粒徑再生粗骨料取代率的關系

由圖4可以知道，在相同取代率下，再生粗骨料粒徑為5～30 mm的再生混凝土比粒徑為5～20、20～30 mm的再生混凝土的抗壓強度高。說明再生粗骨料級配連續的再生混凝土比再生粗骨料級配不連續的再生混凝土抗壓強度高。取代率為0～30%時，3種粒徑的再生混凝土的抗壓強度均增大，且取代率為30%時，3種再生混凝土的抗壓強度均達到最大，再生粗骨料粒徑為5～30 mm和5～20、20～30 mm的再生混凝土的抗壓強度比普通混凝土分別增大19.29%、11.68%和14.95%。取代率為30%～50%時，3種粒徑再生混凝土的抗壓強度又逐漸降低，粒徑為20～30 mm的再生混凝土降低幅度最大。當取代率為50%時，粒徑為20～30 mm的再生混凝土的抗壓強度比取代率為30%時降低了11.35%，而粒徑為5～30 mm和5～20 mm的再生混凝土的抗壓強度分別降低了5.47%和5.84%。可見3種粒徑的再生粗骨料混凝土中，粒徑為20～30 mm的再生混凝土的抗壓強度隨取代率的變化幅度最大，說明影響二級配再生混凝土抗壓強度的主要是粒徑為20～30 mm的再生粗骨料。粒徑為5～30 mm的再生混凝土，取代率為75%～100%時，抗壓強度基本不變。

出現以上變化的原因是再生粗骨料經破碎后，棱角突出，相比天然粗骨料表面粗糙，增大了骨料間的摩擦力及骨料與水泥砂漿間的粘結力，從而提高了再生混凝土的抗壓強度。同時再生粗骨料在破碎的過程中，內部產生了一定數量的微小裂縫，致使其承載力與天然骨料相比有所降低。取代率不同，這兩種作用也不同，當取代率較小時，有利因素作用較大，所以抗壓強度有所提高；隨著取代率的增大，再生骨料經內部的微小裂縫導致再生混凝土的孔隙率變大，受壓時在裂縫空隙處產生應力集中，這種不利因素超過有利因素的作用，所以隨取代率的增大再生混凝土的抗壓強度又逐漸降低[3，9，10]。

2.3 劈裂抗拉強度試驗結果與分析

圖5為不同粒徑再生粗骨料混凝土劈裂抗拉強度與再生粗骨料取代率的關系。由圖5可知，粗骨料粒徑為5～30 mm和5～20 mm的再生混凝土的劈裂抗拉強度隨取代率的變化趨勢基本相似，當取代率<40% 時，劈裂抗拉強度呈增大趨勢，當取代率>40%時，劈裂抗拉強度逐漸減小，且取代率在40% 時，劈裂抗拉強度均達到最大，分別為4.11 MPa和3.82 MPa，比普通混凝土增大了14.17%和6.11%。與抗壓強度一樣，在同一取代率下，粒徑為5～30 mm的再生混凝土比粒徑為5～20 mm的再生混凝土的劈裂抗拉強度高。當取代率為75%～100%時，粒徑為5～30 mm的再生混凝土劈裂抗拉強度基本不變。粒徑為20～30 mm的再生混凝土的劈裂抗拉強度在取代率為30%時逐漸增大，在取代率為30%～50%時又逐漸降低，取代率為30%時劈裂抗拉強度最大，為4.07 MPa，比普通混凝土增大了13.06%。原因是粒徑為5～20 mm的再生粗骨料大多是由廢棄混凝土中的水泥砂漿組成，其強度沒有相同粒徑天然骨料高，而粒徑為20～30 mm的再生粗骨料大多是由廢棄混凝土中的水泥砂漿包裹天然骨料組成，其強度與相同粒徑天然骨料相比降低幅度不大，因此粗骨料粒徑為5～20 mm的再生混凝土比粒徑為20～30 mm及5～30 mm的再生混凝土的劈裂抗拉強度小。由于再生粗骨料中含有大量的水泥砂漿，而再生粗骨料的水泥砂漿內存在許多未完全水化的水泥顆粒及礦物摻合料顆粒，這些顆粒在再生混凝土內部發生二次水化反應，增強了粗骨料與新舊砂漿的粘結力及密實度，因此隨著取代率的增大，再生混凝土劈裂抗拉強度比普通混凝土有所增大[11]。

圖5 再生混凝土劈裂抗拉強度與不同粒徑再生粗骨料取代率的關系

3 再生混凝土立方體抗壓強度與劈裂抗拉強度的換算關系

GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》中規定，普通混凝土立方體抗壓強度與劈裂抗拉強度之間的換算關系為

(1)

式中，fts為混凝土劈裂抗拉強度；fcu為混凝土立方體抗壓強度；α、β為回歸參數。

采用式(1)回歸分析不同粒徑再生粗骨料在不同取代率下的二級配再生混凝土的劈裂抗拉強度與立方體抗壓強度之間的換算關系。結合本文試驗結果，通過非線性回歸得到關系式見表2。采用表2中的公式計算得到的試件劈裂抗拉強度值與試驗實測值的對比如表3所列。由表3可知，所得關系式擬合精度較高，達到95%以上，能較好地反映兩者之間的關系。

表2 再生混凝土立方體抗壓強度與劈裂抗拉強度的換算關系

表3 再生混凝土劈裂抗拉強度計算值與實測值對比

4 結 論

(1)再生混凝土與普通混凝土的劈裂破壞形態基本相同，都是沿試件中心線附近劈裂為兩塊，劈裂面絕大多數都是沿著天然骨料與水泥砂漿的接觸面及骨料間的水泥砂漿破裂，只有極少的天然粗骨料破裂。

(2)相同取代率下，再生粗骨料粒徑為5～30 mm的二級配再生混凝土比粒徑為5～20 mm和20～30 mm的二級配再生混凝土的抗壓強度高。當再生粗骨料取代率為30%時，二級配再生混凝土的抗壓強度最大。

(3)粗骨料粒徑為5～20 mm及5～30 mm的二級配再生混凝土，再生粗骨料取代率為40%時，劈裂抗拉強度最大；粗骨料粒徑為20～30 mm的二級配再生混凝土，再生粗骨料取代率為30%時，劈裂抗拉強度最大。

(4)影響二級配再生混凝土抗壓強度及劈裂抗拉強度的主要是粒徑為20～30 mm的再生粗骨料。

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