基于砂率的富含磚粒再生混凝土基本性能試驗(yàn)研究

邊金明，安新正，羋 崢，馬曉楠，劉利偉

(河北工程大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 邯鄲056038)

再生混凝土，因其具有節(jié)約天然資源，減少環(huán)境破壞的優(yōu)勢(shì)，已得到了各國(guó)學(xué)者的青睞。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)老舊建筑物拆除產(chǎn)生的建筑垃圾中，廢棄磚約占40%，廢棄混凝土約占41%[1-2]。因此，對(duì)富含磚粒再生混凝土的相關(guān)研究已成為綠色建筑研究熱點(diǎn)話題之一。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，除了考慮再生混凝土力學(xué)性能外，阻尼性能也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。當(dāng)下，相關(guān)富含磚粒再生混凝土的研究主要集中在強(qiáng)度、工作性能和力學(xué)性能的探討，以及再生粗骨料取代率、粒徑等因素的影響[3-6]，而探討砂率對(duì)其阻尼性能、抗壓及劈裂性能的影響研究較少。基于以上分析，本文通過(guò)制作一系列不同砂率富含磚粒再生混凝土梁試件、抗壓及劈裂試件，研究富含磚粒再生混凝土的阻尼比、抗壓及劈裂強(qiáng)度與砂率間的相關(guān)關(guān)系，可為再生混凝土工程設(shè)計(jì)和動(dòng)力分析提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)用原材料

(1)水泥：采用太行山牌P·O42.5普通硅酸鹽水泥；(2)細(xì)骨料：采用天然河砂，細(xì)度模數(shù)為1.6，含泥量為1.1%；(3)粗骨料：采用邯鄲市全有建材有限公司提供富含磚粒再生粗骨料；(4)粉煤灰：采用邯鄲馬頭電廠生產(chǎn)Ι級(jí)粉煤灰；(5)減水劑：采用高效聚羧酸液態(tài)減水劑，減水率25%，摻量為膠凝材料用量的1.5%；(6)水：邯鄲市政生活用水。配合比設(shè)計(jì)中的附加用水量按24 h吸水率計(jì)算，富含磚粒再生粗骨料基本性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 再生粗骨料基本性能指標(biāo)Tab.1 Basic performance index of recycled coarse aggregate

1.2 配合比與試件制作

共設(shè)計(jì)6組試件(表2)，每組3根，總共18根富含磚粒再生混凝土梁，試件尺寸為100 mm×100 mm×1 000 mm，再生混凝土配合比見(jiàn)表2。每組同批次澆筑邊長(zhǎng)為100 mm的立方體試塊各6塊。養(yǎng)護(hù)條件均為薄膜覆蓋養(yǎng)護(hù)。砂率的取值分別為：25%、30%、35%、40%、45%、50%。

表2 再生混凝土配合比Tab.2 Mix proportion of recycled concrete

2 試驗(yàn)方法

2.1 抗壓及劈裂強(qiáng)度測(cè)試

依據(jù)GB/T 50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[7]進(jìn)行28 d抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度測(cè)試。富含磚粒再生混凝土拉壓比按公式(1)計(jì)算。

(1)

式中：ft為立方體劈裂強(qiáng)度；fcu為立方體抗壓強(qiáng)度。

2.2 再生混凝土梁動(dòng)力測(cè)試

測(cè)試采用懸臂梁自由振動(dòng)衰減法，如圖1。測(cè)試儀器主要包括DH5902動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀、DH5682程控電荷放大器、加速度傳感器、力錘。測(cè)試程序：(1)梁試件固定于TYA-2000型數(shù)顯壓力試驗(yàn)機(jī)上，懸臂梁固定端嵌入長(zhǎng)度為160 mm，梁懸臂端長(zhǎng)度為840 mm；(2)在懸臂端上下墊兩塊150 mm×100 mm×5 mm鋼板作為緩沖，試驗(yàn)機(jī)緩慢下移加載，保證上下板加緊試件構(gòu)成懸臂梁；(3)加速度傳感器安裝于懸臂端上部中軸線三等分位置處；(4)試驗(yàn)開(kāi)始，利用力錘施加激勵(lì)。在時(shí)域上，通過(guò)加速度時(shí)程曲線(圖2)，利用對(duì)數(shù)衰減法得到阻尼比ξ，按公式(2)計(jì)算[8]。經(jīng)FFT變換，將時(shí)域響應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域上，記錄自振頻率f。

(2)

式中：Ai、Ai+n分別為懸臂梁自由振動(dòng)衰減第i、i+n周期的加速度峰值。

圖1 懸臂梁測(cè)試圖Fig.1 Cantilever beam test diagram

圖2 加速度時(shí)程曲線Fig.2 Acceleration history curve

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 再生混凝土基本性能試驗(yàn)結(jié)果

富含磚粒再生混凝土基本性能試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

3.2 砂率對(duì)抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度的影響

依據(jù)測(cè)試結(jié)果，可得到砂率對(duì)再生混凝土抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度及拉壓比影響曲線(圖3、圖4)。由圖3可知，再生混凝土28 d抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度均隨著砂率增加而減小。當(dāng)砂率為25%時(shí)，二者均達(dá)到最大強(qiáng)度值33.7、3.00 MPa。試件組SC50與試件組SC25相比，抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度分別下降了41.8%、27.3%。原因是：隨著砂率增大，富含磚粒再生混凝土拌和物中再生粗骨料比例相對(duì)減少，細(xì)骨料比例相對(duì)增加，而富含磚粒再生粗骨料是再生混凝土的骨架，砂率增大，骨架削弱，導(dǎo)致抗壓及劈裂強(qiáng)度降低。另外，破碎混凝土表面附著老舊砂漿，新舊砂漿結(jié)合及新砂漿與磚粒結(jié)合均易形成弱過(guò)渡界面。隨著砂率的增大，黏結(jié)表面積增大[9-10]，引起弱過(guò)渡界面面積增大，同時(shí)富含磚粒再生粗骨料內(nèi)部又存在初始微損傷和缺陷，均導(dǎo)致再生混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度降低，承載力降低。

表3 試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results

圖3 砂率對(duì)再生混凝土強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of SC on the strength of recycled concrete

圖4 再生混凝土拉壓比曲線Fig.4 Recycled concrete tension ratio curve

磚粒孔隙率大，本身存在微裂紋，強(qiáng)度較低，宏觀破壞面存在大部分磚粒粗骨料自身斷裂[11]。隨著砂率的增大，同時(shí)富含磚粒粗骨料中磚粒含量較高，內(nèi)部受力分配不均勻，受荷應(yīng)力集中，導(dǎo)致富含磚粒再生混凝土強(qiáng)度均降低。

由圖4可知，富含磚粒再生混凝土拉壓比在0.089～0.111范圍內(nèi)，基本呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。隨砂率增大，強(qiáng)度雖然降低，但拉壓比增大。說(shuō)明砂率的增大在一定程度上可以改善混凝土的脆性特征[4]，提高富含磚粒再生混凝土的韌性。

3.3 砂率對(duì)阻尼比及固有頻率的影響

依據(jù)測(cè)試結(jié)果，經(jīng)計(jì)算得到砂率對(duì)再生混凝土梁阻尼比ξ及固有頻率f影響規(guī)律(圖5、圖6)。由圖5與圖6可知，隨著砂率增大，ξ呈現(xiàn)出先增大而后減小的現(xiàn)象。當(dāng)砂率為40%時(shí)，富含磚粒再生混凝土ξ達(dá)到最大值4.50%，f達(dá)到最小值43.9 Hz。當(dāng)砂率由25%增加至40%時(shí)，ξ增大了48.0%，f減小了8.9%。其原因是：一方面，隨著砂率增大，粗細(xì)骨料用量及分布不合理，引入大量氣泡，骨料與砂漿結(jié)合時(shí)，增大了混凝土的總孔隙體積，梁在振動(dòng)過(guò)程中，混凝土內(nèi)部孔隙相當(dāng)于柔性緩沖墊[12]，增加耗能，ξ提高。另一方面，微觀結(jié)構(gòu)缺陷是引起材料內(nèi)部阻尼耗能的主要方面[13]。隨著砂率的增大，砂漿與再生粗骨料包裹表面積增大，薄弱界面過(guò)渡區(qū)相對(duì)面積增大，界面過(guò)渡區(qū)存在微裂縫和缺陷，振動(dòng)過(guò)程中，薄弱界面相對(duì)滑移變形，微裂縫的擴(kuò)展和延伸[14]，及微裂縫間的摩擦和界面缺陷，均導(dǎo)致能量耗散增加，故ξ增大。而隨著砂率增大，砂漿與骨料接觸薄弱過(guò)渡區(qū)面積增大，振動(dòng)時(shí)易產(chǎn)生微觀裂紋，降低混凝土剛度，導(dǎo)致了再生混凝土梁f降低。

圖5 再生混凝土梁一階阻尼比Fig.5 First damping ratio of recycled concrete beams

圖6 再生混凝土梁一階固有頻率Fig.6 First natural frequency of recycled concrete beams

4 結(jié)論

1)砂率由25%增大到50%，富含磚粒再生混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度均呈下降趨勢(shì)，而拉壓比則呈上升趨勢(shì)。砂率的增大對(duì)富含磚粒再生混凝土的韌性有利。

2)砂率由25%增大到40%，隨砂率的增加，阻尼比呈逐漸增大的趨勢(shì)，而固有頻率呈減小的趨勢(shì)；當(dāng)砂率超過(guò)40%之后，隨砂率的增加，阻尼比呈逐漸減小的趨勢(shì)，而固有頻率則呈增大趨勢(shì)。

3)當(dāng)砂率在25%～40%范圍內(nèi)時(shí)，砂率的變化對(duì)富含磚粒再生混凝土抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度的影響較小，而對(duì)阻尼比和固有頻率的影響較大。建議設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮。