再生粗骨料取代率對碎卵石混凝土抗壓性能影響研究

安新正，張翠霞，劉浩楠，邊金明，羋 崢

(河北工程大學 土木工程學院，河北 邯鄲 056038)

將破碎卵石作為天然粗骨料，建筑垃圾作為再生粗骨料部分或全部替代破碎卵石制備成碎卵石混凝土，不僅可以解決卵石資源利用率低、碎石資源緊張的問題，還可以緩解由于建筑垃圾胡亂堆放所造成的生態環境污染的狀況[1-3]。國內外針對混凝土抗壓強度的研究較多，宋超等[4-5]人經過對碎卵石部分或全部代替碎石制成的混凝土進行抗壓性能研究，發現其抗壓性能與碎石混凝土相差不大。Abdurrahmaan等[6-7]人經過研究后發現隨著再生粗骨料取代率的增加其抗壓強度呈現出增長的趨勢。高旭等人[8]通過對不同齡期的再生混凝土進行抗壓強度的試驗，發現齡期較長的再生混凝土，其立方體抗壓強度在后期增長較多。目前，多數學者所研究的混凝土多為以卵石代替碎石作為粗骨料，亦或是天然碎石和破碎混凝土再生骨料共同作為粗骨料制備而成，然而目前拆除的建筑垃圾中不僅有廢棄混凝土塊，還存在廢棄磚塊，而對于將碎卵石和含有廢混凝土塊和廢磚塊的建筑垃圾共同作為粗骨料制備成碎卵石混凝土的抗壓性能的研究較少。為更大限度地提高上述資源的利用率，對碎卵石混凝土開展研究迫在眉睫。

文章將破碎卵石作為天然粗骨料，建筑垃圾作為再生粗骨料，以再生粗骨料取代率r作為研究變量，分析r對碎卵石混凝土(下文簡稱再生混凝土)立方體抗壓強度與棱柱體抗壓強度的影響規律，并提出考慮再生粗骨料取代率r時棱柱體抗壓強度與立方體抗壓強度之間的相關關系計算模型，以期為實際工程提供參考。

1 試驗方案

1.1 試驗原材料

水泥：金隅牌P·O42.5級普通硅酸鹽水泥；細骨料：天然河砂(細度模數為1.60，含泥量1.2%，表觀密度2 540 kg·m-3)；天然粗骨料：破碎卵石粗骨料；再生粗骨料：廢棄混凝土及磚塊經破碎篩分后得到的再生粗骨料(來源：邯鄲全有建材有限公司生產，磚粒含量約為40%～50%)；水：邯鄲市飲用自來水；粉煤灰：馬頭電廠Ⅱ級粉煤灰；減水劑：TW-JS 聚羧酸高效減水劑。試驗所用的粗骨料如圖1所示，粗骨料的基本指標如表1所示。

表1 粗骨料基本指標

1.2 試驗用配合比

設計了C30強度等級的混凝土，以取代率r=0%的碎卵石混凝土作為基準混凝土，為了研究再生粗骨料取代率r對再生混凝土抗壓性能的影響，研究中設置了r=30%、50%、70%、100%(質量取代)四種再生粗骨料取代率作為參數，來開展相關研究。各試件組編號分別為：SRC-0、SRC-3、SRC-5、SRC-7、SRC-10。依據文獻[9]的相關要求對再生混凝土的配合比進行相關計算，結果見表2所示。由于再生粗骨料具有吸水率高的特點，為了保證混凝土的水膠比不發生變化，需要增加附加用水量，使各組混凝土的坍落度在90～120 mm之間。

1.3 試件制作及試驗方法

試件制作：各試件組分別設計制作3個立方體試件(100 mm×100 mm×100 mm)，共制作60塊，用于3、7、14、28 d的立方體抗壓強度試驗；3個棱柱體試件(150 mm×150 mm×300 mm)，共制作15個，以測定其28 d棱柱體抗壓強度。各組試件在溫度為20 ℃、濕度為96%的標準養護室養護備用。

試驗方法：對滿足齡期的立方體和棱柱體試件從養護室取出，其抗壓強度的測試方法依照文獻[10]提供的測試方法進行。

圖1 粗骨料Fig.1 coarse aggregate

表2 混凝土配合比

注：圖(a)、(b)、(c)、(d)為不同取代率下混凝土試塊的立方體抗壓強度破壞形態；圖(e)、(f)、(g)、(h)為不同取代率下混凝土試塊的棱柱體抗壓強度破壞形態。圖2 混凝土試塊受壓破壞形態Fig.2 Failure mode of concrete test block under compression

2 試驗結果與分析

2.1 宏觀破壞分析

從試驗破壞結果來看(圖2)，無論是立方體試件還是棱柱體試件，當r在30%以下時，宏觀破壞特征基本一致。當r在30%以上時，隨著再生粗骨料取代率的增加其破壞特征的不同表現得越來越明顯，其不同之處具體表現為：隨著r的增大，裂縫出現的時間逐漸提前，發展的速度也越來越快，破壞面從粗骨料與水泥砂漿的結合面發展為舊砂漿及廢磚粒再生粗骨料自身的劈裂現象越來越明顯。

2.2 試驗結果

各試件組的抗壓強度試驗值依照文獻[10]的計算方法進行計算，其計算結果列于表3。由表3可知，各組混凝土的抗壓強度較設計值低，其原因主要是再生粗骨料孔隙大、吸水率高且與天然砂石及凝膠材料之間粘結界面的強度較低，故再生混凝土的抗壓強度普遍較低。

2.3 再生粗骨料取代率對抗壓強度的影響

基于立方體抗壓強度的試驗結果，研究分析了不同齡期下再生粗骨料取代率對立方體抗壓強度的影響規律，分析結果如圖3所示。由圖3可知，當r超過30%時，不同齡期下再生混凝土的立方體抗壓強度整體上均隨著r的增加呈現降低趨勢，其中3、7 d的抗壓強度變化幅度較大，而14、28 d的抗壓強度變化幅度較小。r=100%與r=30%相比，3、7、14、28 d的抗壓強度分別降低47.42%、46.07%、31.67%、25.81%。其原因主要是再生粗骨料強度低、吸水率大，且自身與水泥砂漿的粘結性較弱。在3、7、14 d情況下再生混凝土的立方體抗壓強度在r=30%時較r=0%時略有增加，28 d的抗壓強度在r=30%時與r=0%時較為接近，主要是因為再生骨料中含有未充分水化的水泥顆粒，在充分的水的作用下又重新發揮作用，使其立方體抗壓強度與基準混凝土相比較為接近甚至略為增強。當r=30%時，28 d的抗壓強度分別比3、7、14 d的抗壓強度增加了60.82%、16.85%、7.22%。基于試驗結果，在工程實際應用中，建議再生粗骨料取代率取r=30%為好。

表3 立方體和棱柱體試件抗壓強度試驗成果

圖3 不同齡期下取代率r對立方體抗壓強度的影響關系曲線Fig.3 The influence curve of substitution rate r on the compressive strength of cube at the same age

根據棱柱體抗壓強度的試驗結果，分析了再生粗骨料取代率r對棱柱體抗壓強度的影響規律，其結果如圖4所示。由圖4可以得知，棱柱體抗壓強度(28 d)隨著r的增加而不斷下降。在r=30%、50%、70%、100%時，其棱柱體抗壓強度與基準混凝土相比較分別降低了2.12%、8.90%、18.22%、28.81%，可以看出隨著r的增加，棱柱體抗壓強度降低的幅度越來越明顯。

圖4 取代率對28 d棱柱體抗壓強度的影響關系曲線Fig.4 The influence curve of substitution rate on compressive strength of 28 d prism

2.4 fc與fcu相關關系計算模型的建立

根據規范[11]規定以及肖建莊[12]的研究，普通混凝土以及再生混凝土的fc與fcu之間的換算關系，見式(1)。

fc=0. 76fcu

(1)

李旭平[13]經研究發現再生混凝土fc/fcu與普通混凝土相比略高，得出fc與fcu的關系式如式(2)所示。

fc=0. 79fcu

(2)

陳宗平[14]發現再生混凝土的fc/fcu在0.87左右波動，但變化較小，故提出如式(3)所示的公式。

fc=0. 87fcu

(3)

碎卵石混凝土fc與fcu的關系如圖5所示，由圖5可得碎卵石混凝土的棱柱體抗壓強度遠低于式(1)、式(2)，雖與式(3)接近，但沒有完全符合。式(1)、式(2)、式(3)的計算值均不能與試驗值完全吻合，故上述3式均不能表述碎卵石混凝土fc與fcu之間的相關關系，需要重新建立碎卵石混凝土fc與fcu相關關系計算模型。

圖5 碎卵石混凝土fc與fcu關系曲線Fig.5 The relation curve between fc and fcu of cobble concrete

基于再生混凝土立方體抗壓強度與棱柱體抗壓強度的相關試驗成果，以fc/fcu和r為研究對象，給出了fc/fcu和r之間的相關關系曲線(圖6)。

圖6 fc/fcu與取代率之間的關系曲線Fig.6 The relation curve between fc/fcuand substitution rate

由圖6可以看出，隨著再生粗骨料取代率r的增加，fc/fcu先上升后下降，其取值范圍為0.68～0.75。其中：r=50%時，fc/fcu=0.75，當r=100%時，fc/fcu=0.68，其最高點比最低點高出10.29%。而再生粗骨料取代率r分別為0%、30%、70%時，fc/fcu取值分別為0.73、0.74、0.74。基于以上試驗成果，取代率r對fc/fcu的變化趨勢有著重要影響，基于此在考慮再生粗骨料取代率r的情況下，建立fc與fcu的相關關系計算模型[15]。

fc=(ar2+br+c)fcu

(4)

式中，a、b、c分別為試驗系數。

基于試驗結果，運用MATLAB軟件經編程分析后可以得出：a=-0.190 3，b=0.148，c=0.722 7。將a、b、c的值分別代入式(4)，可以得到考慮再生粗骨料取代率r時，fc與fcu的相關關系式。

fc=(-0.190 3r2+0.148r+0.722 7)fcu

(5)

根據不同情況下fcu的實測值，代入(5)式，可以得到fc的計算值，將fc計算值與實測值進行比較分析，詳細結果見表4所示。由表4可以看出fc計算值與實測值之間的相對誤差較小，其誤差范圍在0.35～1.30之間，這說明式(5)計算模型在一定程度上可以很好地反映fc與fcu之間的相關關系。本模型只針對采用邯鄲地區的骨料制備成的混凝土經抗壓試驗所得到的試驗結果，并且現有數據不夠全面，所以很難保證計算模型的準確性，故可將該模型作為參考進行混凝土抗壓方面的研究。

表4 棱柱體抗壓強度實測值與計算值的對比分析

3 結論

1)隨著再生粗骨料取代率r的增大，在相同的壓應力條件下立方體及棱柱體試件裂縫出現的時間逐漸提前，發展的速度也不斷加快，破壞面從粗骨料與水泥砂漿的結合面逐漸發展為再生粗骨料的斷裂面。

2)不同齡期下的立方體抗壓強度fcu以及棱柱體抗壓強度fc均隨著再生粗骨料取代率r的增加大體上呈現出下降的趨勢。當再生粗骨料取代率r不超過30%時，這些變化不顯著，可以認為r對立方體及棱柱體抗壓強度的影響是可以忽略不計的，而當r超過30%時，其對立方體及棱柱體抗壓強度的影響較為顯著。

3)基于試驗成果建立了考慮再生粗骨料取代率r時fc與fcu的相關關系計算模型，fc=(-0.190 3r2+0.148r+0.722 7)fcu，且該計算模型和實測結果吻合性較好。