骨料侵蝕程度對再生混凝土力學性能的影響研究

賈寶玲，路 威，賈 飛

(1.楊凌職業技術學院，陜西 楊凌 712100；2.北京中水科工程總公司，北京 100048;3.中國水利水電科學研究院，北京 100048；4.西安理工大學，陜西 西安 710048)

0 引 言

隨著建筑業的快速發展，建筑垃圾源源不斷地增多，大量建筑垃圾帶來了許多環境問題和社會問題，同時處理巨量的建筑垃圾需花費大量的人力和物力[1-5]，世界各國建筑及環保部門也越來越重視建筑垃圾的回收和再利用。再生粗骨料是通過破碎已廢棄的混凝土構件來生產的，由于水泥漿附著在再生粗骨料的表面，因此再生粗骨料不同于天然粗骨料。將廢棄混凝土破碎來制備再生粗骨料，最后與天然粗骨料按一定比例配制得到再生混凝土。這種混凝土解決了大量廢舊混凝土處理難度大和由此帶來環境污染、垃圾堆積等問題，符合人類社會可持續發展的理念[6-10]。

程東輝等[11]和劉慶濤等[12]研究發現，與普通混凝土相比，再生混凝土的基本力學性能較差，且隨著再生粗骨料含量的增加而降低，但纖維的加入可以有效地改善其基本力學性能。陳宗平等[13]研究了再生粗骨料取代率、試件尺寸、水灰比、齡期、混凝土強度等參數對再生混凝土力學性能的影響。Su Y S等[14]研究發現再生混凝土在三軸應力作用下，再生粗骨料取代率對再生混凝土試件峰值應力有較大影響，但隨著圍壓的增大，再生粗骨料取代率的影響逐漸減小。潘秀英等[15]分析了不同再生粗骨料取代率對再生混凝土三軸強度、峰值應變和應力-應變曲線的影響，發現再生混凝土的破壞模式與普通混凝土相似。王瑞駿等[16]研究了再生粗骨料粒徑對再生混凝土力學性能的影響，發現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。前人的研究主要集中在再生混凝土齡期、再生粗骨料粒徑、再生粗骨料取代率、含氷率、試件尺寸及水灰比等對再生混凝土力學性能的影響。在水利工程中，多數大壩建在寒冷、含硫酸鹽較多的地區，混凝土面板壩廢棄后，混凝土面板因為長期與水接觸，容易產生凍融循環和硫酸鹽破壞，如果利用廢棄的混凝土面板來制備再生粗骨料，會對再生混凝土力學性能有什么影響還不得而知[17]。因此，進一步系統的研究骨料侵蝕程度對再生混凝土力學性能(包括抗壓強度、峰值應變以及應力-應變曲線)的影響規律十分必要。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

交替侵蝕骨料母體混凝土按照硫酸鹽干濕循環試驗相關步驟進行。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》，先將試件進行15次硫酸鹽干濕循環試驗后立即取出，放到混凝土凍融循環機中，再按照凍融循環試驗相關步驟進行20次凍融循環試驗，以上為1個硫酸鹽侵蝕和凍融循環交替試驗(簡稱SD循環)。重復以上循環，完成硫酸鹽侵蝕和凍融循環交替試驗。交替試驗過后，對母體混凝土進行破碎得到交替侵蝕后的再生粗骨料。交替侵蝕次數與母體混凝土軸向抗壓強度的關系如圖1所示。

圖1 交替循環侵蝕次數與軸向抗壓強度的關系

試驗所用的天然粗骨料為經過篩分后粒徑為5～20 mm和20～30 mm的天然石子按1∶1分配。母體混凝土試件的配合比、齡期等因素均一致，單一變量為交替侵蝕次數不同，試件經人工破碎，篩分后粒徑為5～20 mm和20～30 mm的再生粗骨料按1∶1分配。本試驗選用再生粗骨料交替侵蝕3次和6次，得到粗骨料形態如圖2所示。

圖2 不同粗骨料形態

由圖2可知，隨著骨料侵蝕程度的加深，再生粗骨料的顏色逐漸變黃。這是由于經過凍融循環和硫酸鹽交替侵蝕后，粗骨料表面產生了新的物質，新的化學物質呈黃色。在外觀方面，天然粗骨料和再生粗骨料有較大的區別，再生粗骨料的外形尖銳且有棱角，類似碎石，而天然粗骨料的外形光滑。再生粗骨料的表面粘附著較多的水泥砂漿，表面較為粗糙，孔隙較多，這對于提高水泥石的粘結度有利，但對于新拌再生混凝土的流動性不利，還會增加水泥的用量。

1.2 試驗混凝土配合比設計

以不同骨料侵蝕程度和再生粗骨料取代率為變量，將試驗分為3組，骨料侵蝕程度分為骨料未侵蝕、骨料交替侵蝕3次和骨料交替侵蝕6次，再生粗骨料取代率分別取0、25%、50%、75%、100%(其中二級配混凝土中粒徑為5～20 mm和20～30 mm的粗骨料按1∶1分配)。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。具體設計配合比見表1。

1.3 試驗方法

1.3.1粗骨料吸水率試驗

本試驗粗骨料是采用相同級配的天然和再生粗骨料混合而成，測試粗骨料中再生粗骨料取代率r分別為0、25%、50%、75%、100%的吸水率。按照JGJ52—2006《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》測試再生混凝土的粗骨料吸水率wt，即

表1 再生混凝土試件配合比

注：NC為普通混凝土；RCXX(X)中XX表示再生粗骨料取代率，W表示未侵蝕試件，Q3表示交替侵蝕3次試件，Q6表示交替侵蝕6次試件，如RC25(Q3)表示再生粗骨料取代率為25%且再生粗骨料交替侵蝕3次的試件。

(1)

式中，m0為粗骨料烘干后的質量；m1粗骨料吸水飽和后的質量。

1.3.2混凝土單軸壓縮試驗

按照GB/T 50081—2002 《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行混凝土單軸壓縮試驗，試件采用尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，試件分為3組，每組15個試件，總計45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進行混凝土試件的單軸壓縮試驗。在進行試驗時，將混凝土試件放置在試驗機的下壓板上，使試件中心對準下壓板中心，開動試驗機，以0.5 MPa/s的速度連續均勻加載。

2 試驗結果與分析

2.1 試件破壞過程及形態

膠凝材料和粗骨料經過機械攪拌、鋼模成型、振搗密實、拆模、養護得到試驗組和對照組試件。再生混凝土試件受壓破壞形態如圖3所示。由圖3可知，當荷載施加到一定程度，混凝土試件表面開始微裂，出現少量細小豎直裂縫。隨著荷載的繼續增大，裂縫進一步延伸擴大，裂縫延伸至試件內部，直至裂縫貫穿整個試件，試件表皮膨脹、掉落，當施加荷載到達極限荷載時，混凝土試件徹底破裂，并伴有響聲。

圖3 再生混凝土試件單軸受壓破壞形態

2.2 粗骨料吸水率

粗骨料吸水率與再生粗骨料取代率的關系如圖4所示。由圖4可知，粗骨料的吸水率隨著再生粗骨料取代率的增加而增加。這是由于再生粗骨料來自于交替侵蝕后的混凝土試件，其表面粗糙且粘附著水泥砂漿，未完全水化的水泥砂漿其孔隙率較大。因此，再生粗骨料取代率越大，再生粗骨料占粗骨料的比例越多，粗骨料中砂漿含量就越大，吸水率也就越高。

圖4 粗骨料吸水率與再生粗骨料取代率的關系

交替侵蝕3次和6次再生粗骨料的吸水率相近，侵蝕再生粗骨料的吸水率比未侵蝕再生粗骨料的吸水率更高，且粗骨料的吸水率隨著交替侵蝕次數的增加而增加。這是由于交替侵蝕后混凝土試件內部產生膨脹性產物，混凝土結構破壞，混凝土內部發生一系列化學反應，生成新的物質具有更強的吸水性。因此，侵蝕再生粗骨料內部結構更疏松，顆粒間的空隙更大，吸水率也就更高。

在再生粗骨料取代率為0～50%時，吸水率增長緩慢，吸水率大約在1%～4%，吸水率較小；在再生粗骨料取代率為50%之后，吸水率有明顯的增加，吸水率大約在3%～8%，吸水率較大。因此，隨著再生粗骨料取代率的增加，再生粗骨料的吸水率對再生混凝土力學性能指標的影響不可忽略。

2.3 混凝土抗壓強度

通過再生混凝土單軸壓縮試驗，得到不同骨料侵蝕程度下再生混凝土抗壓強度的試驗結果見表2。

表2 不同骨料侵蝕程度下再生混凝土抗壓強度

根據表2不同骨料侵蝕程度下再生混凝土抗壓強度試驗結果，繪制再生混凝土抗壓強度與再生粗骨料取代率的關系如圖5所示。由圖5可知，再生粗骨料取代率對再生混凝土抗壓強度有較大影響。開始減少是由于再生粗骨料在力學性能上較天然粗骨料差。隨著再生粗骨料取代率的增大，再生粗骨料的吸水特性不可忽略。當再生粗骨料取代率大于50%，再生粗骨料的吸水特性變大，水灰比變小，再生混凝土的抗壓強度增大。另外，由于再生粗骨料取代率在50%以上，再生粗骨料含量占主導地位，再生粗骨料含有的水泥砂漿中存在許多未完全水化的水泥顆粒對再生混凝土的影響不可忽略，這些水泥顆粒遇水在再生混凝土內部發生二次水化反應，提高了粗骨料與新舊砂漿的結合力，從而使得再生混凝土的抗壓強度增大。

圖5 再生混凝土抗壓強度與再生粗骨料取代率的關系

當再生粗骨料取代率為0時，RC(W)、RC(Q3)、RC(Q6)3組試件都代表完全相同的普通混凝土試件，3條曲線的起點近似重合，側面證明了數據的可靠性。另外，當再生粗骨料取代率為0時，混凝土的抗壓強度達到最大值，說明普通混凝土的抗壓強度大于再生混凝土的抗壓強度，這是由于再生粗骨料與水泥砂漿接觸界面自身有許多細小裂縫，且它們之間的粘結力較低所致。

以再生粗骨料取代率為100%為例，研究再生混凝土抗壓強度與骨料侵蝕程度的關系。當再生粗骨料取代率為100%時，RC(W)、RC(Q3)、RC(Q6)3組再生混凝土試件的抗壓強度分別為41.04、33.12、25.84 MPa。可知，隨著骨料侵蝕程度的加深，再生混凝土的抗壓強度降低。分析其原因，從本質上講，再生混凝土是一種不等向、非均勻的多相混合材料，尤其再生粗骨料是再生混凝土混合材料的主要成分之一，由于組成材料在壓碎指標、吸水率、表觀密度等物理指標方面存在差異，引起骨料結合處易發生應力集中現象，從而使得結合處成為再生混凝土內部結構中最薄弱的部分。由圖1可知，隨著凍融循環和硫酸鹽交替侵蝕次數的增加，原生混凝土的強度明顯降低，導致制備生成的再生粗骨料強度降低，進而導致得到再生混凝土的抗壓強度降低。試驗表明，骨料侵蝕程度不同，再生混凝土的抗壓強度也不同，說明骨料侵蝕程度對再生混凝土的抗壓強度有較大影響。

2.4 峰值應變

通過再生混凝土單軸壓縮試驗，得到不同骨料侵蝕程度下再生混凝土峰值應變的試驗結果見表3。由表3可知，再生混凝土峰值應變隨再生粗骨料取代率的增加先減少后增加。先減少主要是再生粗骨料表面粘附的水泥基和內部裂紋導致其損傷破壞提前發生所致，后增加是由于隨著再生粗骨料含量的增加，黏附在其外表面的水泥顆粒增加，即拌合物實際膠凝含量增加，進而導致再生混凝土塑性形變增大。因此，再生混凝土的峰值應變有明顯的增加。以骨料交替侵蝕3次的再生混凝土為例，取代率為100%的再生混凝土和取代率為0的普通混凝土的峰值應變分別為2.41×10-3和1.94×10-3，再生混凝土的峰值應變相比普通混凝土的峰值應變增加了24.23%。這一結果與肖建莊[18]的研究結論基本一致，即當再生粗骨料的取代率為100%時，再生混凝土峰值應變增加約20%。分析原因，可能是由于與天然粗骨料相比，再生粗骨料的彈性模量較低。

表3 不同骨料侵蝕程度下再生混凝土峰值應變

以再生粗骨料取代率為100%為例，研究再生混凝土峰值應變與骨料侵蝕程度的關系。當再生粗骨料取代率為100%時，RC(W)、RC(Q3)、RC(Q6)3組再生混凝土試件的峰值應變分別為2.18×10-3、2.41×10-3、2.62×10-3。隨著骨料侵蝕程度的加深，再生混凝土的峰值應變增加。分析其原因，雖然交替侵蝕后再生粗骨料的力學性能差，但其塑形變形能力好，彈性模量低，最終導致由交替侵蝕后再生粗骨料制備生成再生混凝土的峰值應變大于未侵蝕再生粗骨料制備生成再生混凝土的峰值應變。說明骨料侵蝕程度對再生混凝土的峰值應變也有較大影響。

2.5 應力-應變曲線

不同骨料侵蝕程度的再生混凝土應力-應變曲線(以再生粗骨料取代率為100%為例)如圖6所示，圖中每個數據均來自3個試件所測結果的平均值。

圖6 不同侵蝕程度骨料再生混凝土應力-應變曲線

由圖6可知，再生混凝土應力-應變曲線變化的趨勢一致，曲線均由上升段和下降段組成。在加載初期，應力-應變曲線會存在一個較為明顯的下凹，這是由于壓縮試件內部初始閉合的微裂縫或者試件端部不平整引起的。隨著骨料侵蝕程度的加深，再生混凝土應力-應變曲線上升段的斜率逐漸減小，表明再生混凝土的彈性模量降低；再生混凝土應力-應變曲線下降段的斜率基本一致，小于普通混凝土下降段的斜率，表明普通混凝土的材質比再生混凝土的材質脆。隨著骨料侵蝕程度的加深，混凝土抗壓強度降低，峰值應變增加，頂部區域變得越來越平緩。

3 結 論

本文以不同骨料侵蝕程度和再生粗骨料取代率為變量，研究了再生混凝土的力學性能。研究結果表明，骨料侵蝕程度對再生混凝土的吸水率、抗壓強度、峰值應變等有較大影響。再生粗骨料的吸水率隨再生粗骨料取代率的增加而增加，在不同骨料侵蝕程度下，再生混凝土的抗壓強度均低于未侵蝕骨料的再生混凝土。隨著骨料侵蝕程度加深，再生混凝土的抗壓強度降低，峰值應變增加。隨著骨料侵蝕程度的增加，再生混凝土應力-應變曲線上升段的斜率逐漸減小，應力-應變曲線下降段的斜率幾乎相等，且小于普通混凝土。