碎磚骨料對(duì)混凝土力學(xué)性能影響

劉蘭君，耿蒙蒙

(1.商丘工學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 商丘 476000；2.豫東黃泛區(qū)地下空間與巖土工程研究中心，河南 商丘 476000)

1 引言

混凝土是一種混合材料，由水泥、粗細(xì)骨料(砂、石)、水、外加劑和摻合料組成，各材料按照一定的比例組合，經(jīng)過(guò)攪拌、成型、養(yǎng)護(hù)而成的一種人工材料，凝結(jié)硬化前具有一定的和易性，凝結(jié)硬化后具有很大強(qiáng)度[1～5]?；炷烈延?00多年的歷史，我國(guó)早在100多年前就已經(jīng)開(kāi)始使用混凝土。目前，混凝土仍然是建筑行業(yè)中必不可少的材料之一，被稱為建筑業(yè)的“糧食”。我國(guó)是人口大國(guó)，混凝土使用量世界第一，遙遙領(lǐng)先于其他國(guó)家，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年，我國(guó)混凝土工程量比全世界總和還多53%[6]，2017年我國(guó)預(yù)拌混凝土企業(yè)總數(shù)為10263個(gè)，設(shè)計(jì)產(chǎn)量為631265萬(wàn)m3/年，實(shí)際總產(chǎn)量為216971萬(wàn)m3/年[7～10]，根據(jù)規(guī)范《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》JGJ55─2011中，關(guān)于配合比計(jì)算的規(guī)定，每1 m3混凝土中，天然砂、石料含量為1800 kg左右，約占混凝土總重量的76%。而我國(guó)天然砂、石主要來(lái)自于開(kāi)采自然資源。每年如此大量的砂石料需求量，使得天然的山脈地區(qū)變成了平原，過(guò)度開(kāi)采破壞了生態(tài)環(huán)境[11～13]。

將廢棄碎磚用于混凝土中，等體積代替天然粗骨料，既利用了建筑垃圾，又節(jié)約了自然資源，符合我國(guó)目前節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的基本國(guó)策，順應(yīng)了時(shí)代潮流。本試驗(yàn)重點(diǎn)研究碎磚對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響[14～16]。碎磚摻量分別取10%、15%、20%、25%、30%、50%、70%、100%。配合比設(shè)計(jì)時(shí)考慮附加用水量。

2 試驗(yàn)方法

2.1 原材料及配合比

試驗(yàn)采用山東省諸城市楊春P·O42.5水泥，根據(jù)規(guī)范檢測(cè)水泥膠砂強(qiáng)度、體積安定性、凝結(jié)時(shí)間，結(jié)果見(jiàn)表1。試驗(yàn)用天然骨料是山東曹縣的機(jī)制砂和碎石，碎磚取自服役10年的6層教學(xué)樓，經(jīng)人工破碎、篩分而成。根據(jù)相關(guān)規(guī)范[6，7]檢測(cè)骨料技術(shù)性質(zhì)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。試驗(yàn)用聚羧酸系高效減水劑，減水率為25%。

表1 P·O42.5水泥技術(shù)指標(biāo)

表2 骨料技術(shù)性能指標(biāo)

配合比設(shè)計(jì)根據(jù)規(guī)范規(guī)定進(jìn)行，碎磚摻量分別取10%、15%、20%、25%、30%、50%、70%、100%，并考慮因碎磚吸水率大引起的附加用水量，附加用水量采用公式1.1計(jì)算。減水劑摻量取水泥質(zhì)量的0.8%。

maw=mb(Wb-Wg)

(1)

式(1)中：maw為附加用水量，kg;mb為碎磚摻量，kg;Wb為碎磚吸水率，%；Wg為碎石骨料吸水率，%。

2.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)測(cè)試試件的3、7、14、28、42、56、70、90 d的立方體抗壓強(qiáng)度、28 d抗折強(qiáng)度、28 d劈裂抗拉強(qiáng)度。強(qiáng)度測(cè)定選用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，加載速度立方體抗壓強(qiáng)度測(cè)定時(shí)取0.5 MPa/s，抗折和劈拉強(qiáng)度測(cè)定時(shí)取0.05 MPa/s。試驗(yàn)所用的試件尺寸，立方體抗壓強(qiáng)度為150 mm×150 mm×150 mm，抗折強(qiáng)度試驗(yàn)為150 mm×150 mm×150 mm，劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)為100 mm×100 mm×100 mm。每組試驗(yàn)3個(gè)試件。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，NC、BC1-BC8組試塊破壞現(xiàn)象基本相同，加載初期，試塊表面沒(méi)有出現(xiàn)裂紋，隨加載進(jìn)行，荷載逐漸增大，先在試件左右兩邊中央位置出現(xiàn)垂直裂紋，裂紋逐漸伸長(zhǎng)、增多，直至兩邊混凝土脫離主體，最終形成正、倒相連的“八”字型椎體。詳細(xì)比較NC組和BC1-BC8組破壞后的試件會(huì)發(fā)現(xiàn)，NC組試件混凝土脫落大多出現(xiàn)在碎石的粘結(jié)界面上，而沒(méi)有碎石被壓碎、劈裂的現(xiàn)象；BC1-BC8組試件混凝土脫落多出現(xiàn)碎磚被劈裂和碎磚粘結(jié)面被劈裂的現(xiàn)象。

抗折強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，試件抗折破壞面都位于兩個(gè)集中荷載作用線之間，隨著荷載增大，突然斷裂。普通混凝土試件斷裂面處有極少部分碎石被壓碎或者劈裂，水泥石被劈裂、碎石骨料粘結(jié)面被撕裂，斷裂面不整齊。BC1-BC8組試件，隨著碎磚摻量增加，斷面趨于整齊，有碎磚被劈開(kāi)的現(xiàn)象，混凝土試件斷裂發(fā)生在碎磚處以及碎磚粘結(jié)面處。

劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，隨著荷載增大，試件突然被劈裂。普通混凝土試件劈裂破壞時(shí)，劈裂面沿碎石的粘結(jié)面，也有少部分出現(xiàn)水泥石被劈裂。BC1-B8組摻碎磚的再生混凝土，劈裂面逐漸趨于整齊，出現(xiàn)碎磚被劈裂、碎石粘結(jié)面被撕裂的現(xiàn)象。

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 NC、BC1-BC8力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果 MPa

3.2 碎磚骨料再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度演變曲線及方程

各碎磚摻量下，立方體抗壓強(qiáng)度隨齡期增長(zhǎng)曲線見(jiàn)圖1，由圖1不難發(fā)現(xiàn)，摻入碎磚后，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)和普通混凝土基本相似。通過(guò)數(shù)學(xué)擬合，即可發(fā)現(xiàn)碎磚再生混凝土強(qiáng)度演變規(guī)律。擬合曲線見(jiàn)圖2。

圖1 混凝土立方體抗壓強(qiáng)度隨齡期增長(zhǎng)趨勢(shì)

圖2 立方體抗壓強(qiáng)度隨齡期增長(zhǎng)擬合曲線

擬合如公式(2)，可以利用公式(2)預(yù)測(cè)碎磚再生混凝土某一齡期立方體抗壓強(qiáng)度。

(2)

式(2)中：fcu,x為x齡期的立方體抗壓強(qiáng)度，MPa；x為齡期，d；A、t、y0為常數(shù)，取值見(jiàn)表4。

表4 公式2常數(shù)取值

當(dāng)碎磚摻量為0%、10%、15%、20%、25%、30%、50%、70%、100%時(shí)，可以根據(jù)公式(2)，代入相應(yīng)的系數(shù)，推出各個(gè)齡期的立方體抗壓強(qiáng)度。此公式可推導(dǎo)在特定碎磚摻量下，任意齡期碎磚再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度，擬合度較高。但是只能在試驗(yàn)限定的碎磚摻量下使用，并且系數(shù)繁多。為了能推導(dǎo)任意碎磚摻量、任意齡期的碎磚再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度值，筆者以齡期、碎磚摻量為自變量，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度為因變量，做進(jìn)一步回歸分析，得出公式(3)。公式(3)和公式(2)相比，適用于任意碎磚摻量，計(jì)算也相對(duì)簡(jiǎn)單，但是擬合度沒(méi)有公式(2)高。

fcu,(x,a)=34.32+0.25x-0.19a

(3)

式(3)中：fcu,(x,a)為x齡期，碎磚摻量為a%時(shí)，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度，MPa；a為碎磚摻量，%；x為齡期，天。

3.3 碎磚摻量對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

由表3試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著碎磚摻量的增加，28 d抗壓強(qiáng)度逐漸降低，當(dāng)摻量為30%，和對(duì)照組相比，強(qiáng)度降低了15%，碎磚摻量為50%，降低32%，摻量為70%、100%時(shí)，分別降低了47%和64%。碎磚摻量為30%、50%、70%、100%時(shí)，抗折強(qiáng)度分別降低了18%、25%、37.5%、50%、劈裂抗拉強(qiáng)度分別降低了30%、37%、45%、60%。

圖3～5為碎磚再生混凝土28 d相對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度、28 d相對(duì)抗折強(qiáng)度、28 d相對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度與碎磚摻量之間的擬合曲線。通過(guò)擬合分析，再生混凝土28 d相對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度、28 d相對(duì)抗折強(qiáng)度、28 d相對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度與碎磚摻量之間，可以通過(guò)式(4)～(6)計(jì)算。

圖3 再生混凝土28 d相對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度隨碎磚摻量變化的擬合曲線

圖4 碎磚再生混凝土28 d相對(duì)抗折強(qiáng)度與碎磚摻量之間擬合曲線

圖5 碎磚再生混凝土28 d相對(duì)抗折強(qiáng)度與碎磚的擬合曲線

(4)

(5)

(6)

3.4 機(jī)理分析

普通混凝土硬化后可以認(rèn)為由水泥石(水泥砂漿硬化而成)、碎石骨料和碎石粘結(jié)面組成。水泥石強(qiáng)度不足、碎石骨料強(qiáng)度不足、界面粘結(jié)強(qiáng)度不足，都是混凝土破壞的原因[1]。普通混凝土的破壞過(guò)程為，裂縫最早出現(xiàn)在水泥石和碎石粘結(jié)界面處，并沿著水泥石、碎石粘結(jié)面發(fā)展，直至破壞。因此，普通混凝土強(qiáng)度的決定性因素是碎石和碎石粘結(jié)面[17～20]。

碎磚再生混凝土，硬化后可以認(rèn)為由水泥石(水泥砂漿硬化而成)、碎石骨料、碎磚骨料、碎石粘結(jié)面、碎磚粘結(jié)面組成。因?yàn)樗榇u的強(qiáng)度較天然骨料和水泥石強(qiáng)度低很多，碎磚再生混凝土破壞由碎磚被壓碎或者粘結(jié)界面處被撕裂而引起，并且發(fā)現(xiàn)，碎磚摻量越多，粘結(jié)界面處破壞越嚴(yán)重。碎磚再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的決定性因素是碎磚和碎磚粘結(jié)面。

由于碎磚強(qiáng)度、碎磚粘結(jié)強(qiáng)度低，碎磚在混凝土中不再起骨架作用，因此再生混凝土強(qiáng)度降低。當(dāng)摻量在30%以內(nèi)時(shí)，由于碎磚含量相對(duì)較少，對(duì)再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度影響較小，立方體抗壓強(qiáng)度降低了15%。但當(dāng)碎磚摻量繼續(xù)增加，強(qiáng)度急劇降低，當(dāng)摻量分別為50%、70%、100%時(shí)，強(qiáng)度分別降低了32%、47%、64%。碎磚摻量分別為30%、50%、70%、100%時(shí)，28 d抗折強(qiáng)度分別降低了18%、25%、37.5%、50%；28 d劈裂抗拉強(qiáng)度分別降低了30%、37%、45%、60%。

4 結(jié)論

本文通過(guò)測(cè)定碎磚的立方體抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

(1)碎磚再生混凝土強(qiáng)度隨齡期的演變規(guī)律和普通混凝土演變趨勢(shì)基本相同。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，得出特定碎磚摻量下，再生混凝土強(qiáng)度隨齡期演變公式(2)。以及任意碎磚摻量下，任意齡期碎磚再生混凝土強(qiáng)度計(jì)算公式(3)。公式(2)適用于指定碎磚摻量，系數(shù)多，但是擬合度高，公式(3)適用于任意碎磚摻量，公式簡(jiǎn)單，但是擬合度稍低。

(2)碎磚對(duì)混凝土28d抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度的影響趨勢(shì)基本相同：碎磚摻量越大，強(qiáng)度越低。碎磚摻量分別為30%、50%、70%、100%時(shí)，28 d抗壓強(qiáng)度分別降低了15%、32%、47%、64%；28 d抗折強(qiáng)度分別降低了18%、25%、37.5%、50%；28 d劈裂抗拉強(qiáng)度分別降低了30%、37%、45%、60%。

并通過(guò)回歸分析，得到再生混凝土28 d相對(duì)抗壓強(qiáng)度、28d相對(duì)抗折強(qiáng)度、28 d相對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度與碎磚摻量之間的關(guān)系式分別為：公式(4)、公式(5)、公式(6)。