再生大骨料-自密實砂漿堆石混凝土力學性能研究

王建超，李華鈺，裘子銘

(沈陽建筑大學土木工程學院，遼寧沈陽 110168)

0 引 言

再生大骨料自密實混凝土(recycled large aggregate self-compacting concrete，RLA-SCMRFC)是基于堆石混凝土[1-2]和再生混凝土基礎之上發展出的一種新型混凝土，其保留了堆石混凝土的施工工藝，同時以廢棄混凝土塊體作為再生大骨料替代了堆石混凝土中的天然大粒徑巖石。其施工過程主要為：將再生大骨料填入模板中，利用重力相互堆積形成堆石體，再倒入自密實混凝土，利用其高流動性填充再生大骨料堆石體之間的空隙，形成固結的混凝土結構[3-8]。這種混凝土繼承了堆石混凝土水泥用量小、水化熱少、熱變形小、無需振搗的優點[1-9]，又可以重新利用廢棄混凝土，是建筑垃圾回收再利用的有效方法[10-12]。

若使自密實混凝土有效填充到堆石體且保證堆石混凝土強度，自密實混凝土除了具有足夠的流動性外，還要有足夠的通過性能，以通過模具中的障礙孔隙而不失去均勻性[13-14]。國內外學者進行的通過性試驗表明通過障礙時的自密實混凝土會表現出明顯的流動性下降和離析穩定性下降[15-20]。這是由于自密實混凝土漿體在剪應力低于屈服應力時會保持靜止，無法繼續填充堆石體；自密實混凝土中的粗細集料顆粒在通過孔隙障礙時，停滯的顆粒連結而形成顆粒拱，進而發生堵塞。粗顆粒粒徑與障礙間隙的關系對自密實混凝土的填充性能具有顯著影響[19-21]。對堆石體而言，其骨料間隙與大骨料粒徑密切相關[22]，為保證堆石混凝土填充密實，通常令大骨料粒徑在100 mm以上，限制了堆石混凝土的應用范圍。一些學者為擴大其應用范圍，使用了自密實砂漿(self-compacting mortar，SCM)填充更小骨料粒徑的堆石體[21-24]，對其填充性、力學性和耐久性等進行了研究，但以往的文獻中未有對自密實砂漿填充再生大骨料堆石體的研究。

由于再生大骨料相比于天然大骨料具有更加粗糙的表面和更高的孔隙率[25]，用自密實砂漿填充再生大骨料堆石體時可能表現出更差的填充性。本文旨在通過對再生大骨料自密實砂漿堆石混凝土的力學性能研究，驗證自密實砂漿填充再生大骨料堆石體的可行性，并對其強度、應力-應變關系提出預測模型，以拓展再生混凝土和堆石混凝土的應用范圍。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

水泥選用山水牌P.O42.5級水泥；粉煤灰為Ⅰ級粉煤灰；細骨料為Ⅱ區中砂，細度模數為2.97；再生大骨料來源于沈陽建筑大學結構實驗室的廢棄試驗梁，經過人工破碎、清洗和篩分篩選出粒徑分別為(60±5) mm、(80±5) mm和(100±5) mm的塊體。在水中浸泡2 d后于試件制作的30 min前從水池中取出，散去表面水分至飽和面干狀態；減水劑為羧酸高效液體減水劑，減水效率為46%，試驗前與水混合后使用；水為普通自來水。

1.2 自密實砂漿配合比

本試驗所用砂漿的強度等級為M20、M30和M40，依據全計算配合比設計方法[26-27],運用正交試驗，配制出滿足工作性能的自密實砂漿，各配合比見表1。

表1 自密實砂漿配合比Table 1 Self-compacting mortar mix proportion

1.3 試驗分組

試驗設計了7組不同的再生大骨料-自密實砂漿混凝土RLA-SCMRFC試塊，其中再生大骨料粒徑分別為(60±5) mm、(80±5) mm及(100±5) mm，再生大骨料原始強度(與廢棄混凝土試驗梁同期澆筑的立方體抗壓試驗強度)分別為35.94、44.79、51.43 MPa，自密實砂漿強度分別為25.84、36.54、44.21 MPa。詳細試件設計分組見表2。

表2 試驗分組及結果Table 2 Test groups and results

1.4 試件制備

由于再生大骨料的粒徑大于規范[12]中規定的標準試塊的骨料最大粒徑，故采用對大尺寸試件(尺寸為300 mm×300 mm×300 mm、300 mm×300 mm×600 mm)中心部位切割取芯的方式得到標準試塊(尺寸為150 mm×150 mm×150 mm、150 mm×150 mm×300 mm)，以避免試塊截面差異過大導致的離散性。

試驗所用試件采用普通型堆石混凝土施工工藝進行：將再生大骨料放入大尺寸模具中形成再生大骨料堆石體，同時控制單一再生骨料替代率η在30%±1%范圍，避免再生骨料替代率對RLA-SCMRFC力學性能產生影響；再將制備好的自密實砂漿沿模具的一個角倒入，澆筑過程無需振搗，完全依靠自密實砂漿自身的流動性填滿整個模具內；標準條件養護28 d后，將300 mm×300 mm×300 mm的立方體試件和300 mm×300 mm×600 mm的棱柱體試件取芯切割成150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件和150 mm×150 mm×300 mm的棱柱體試件，并將小試件表面用水泥漿抹平。

1.5 試驗結果

根據《混凝土物理力學性能試驗方法標準》[28]，使用沈陽建筑大學5 000 kN壓力機進行立方體抗壓試驗、軸心抗壓試驗和劈裂抗拉試驗，試驗結果如表2所示。

2 結果分析

試件的立方體抗壓強度、軸心抗壓強度、劈裂抗拉強度見圖1～3。由圖1～3和表2可知：RLA-SCMRFC立方體抗壓強度、軸心抗壓強度和劈裂抗拉均隨再生骨料粒徑減小而減小，但減小幅度不大，再生骨料粒徑由100 mm減小到80 mm和60 mm時，立方體抗壓強度僅降低1.87%和5.97%，軸心抗壓強度均降低10%，劈裂抗拉強度降低4%和8.8%。說明自密實砂漿在填充更小粒徑的再生大骨料堆石體時，雖然受到的黏滯阻力增大，通道直徑變小，造成填充密實度降低，但強度降低幅度不大，說明用自密實砂漿填充再生大骨料堆石體是可行的。

RLA-SCMRFC立方體抗壓強度、軸心抗壓強度和劈裂抗拉強度均隨再生大骨料原始強度和自密實砂漿配置強度增大而增大，但自密實砂漿強度的影響更為顯著。RLA-SCMRFC軸心抗壓強度與立方體抗壓強度的比值變化范圍在0.65～0.71之間， 這一值略小于普通混凝土；劈裂抗拉強度與立方體抗壓強度的比值變化范圍在0.055 8～0.070 9之間，且SCM強度對其影響明顯較大。

通過對試驗數據進行擬合，得到立方體抗壓強度和軸心抗壓強度轉換公式為

fc,rfc=α1fcu,rfc

(1)

式中：α1為轉換系數，對于再生大骨料-自密實砂漿堆石混凝土取0.67。

立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度轉換公式為

(2)

表3給出了強度計算值及相對誤差。由表3可知，相對誤差均在合理范圍內。

表3 強度計算值及相對誤差Table 3 Calculation value of strength and relative error

以Wu等[29]提出的公式為基礎，以表2試驗數據為依據，對公式中相關系數進行修正，提出適用于再生大骨料-自密實砂漿堆石混凝土立方體抗壓強度的計算公式，見式(3)。

(3)

Ka=0.001 5d+0.839 9

(4)

式中：Ka為再生骨料粒徑影響系數。

將實測值與式(3)計算值列于表3中，可以看出相對誤差均在合理范圍內，該公式精度較好。

3 單軸受壓應力-應變曲線

圖4為試驗得到的再生大骨料-自密實砂漿混凝土棱柱體軸心受壓應力-應變(σ-ε)曲線，因試驗條件限制，僅取其上升階段。可以看出，RLA-SCMRFC的軸心受壓性能與普通混凝土相似。加載初期和荷載達到極限荷載的80%之前，應力-應變曲線幾乎處于線彈性階段。這從側面說明再生大骨料與自密實砂漿之間有良好的界面特性，并沒有過早發生塑性變形。隨著荷載的增加，當應力達到極限強度的80%～100%時，應力-應變曲線斜率開始變小，此時開始發生了塑性變形。從構件表面開始出現了裂縫，并隨著荷載的進一步增大，裂縫迅速擴展。隨著荷載到達峰值應力，裂縫逐漸增多，直到構件發生破壞。

圖5為試件的靜態彈性模量。由圖5可知：RLA-SCMRFC的靜態彈性模量隨再生骨料粒徑、再生骨料強度和自密實砂漿強度的增大而增大，其中再生骨料強度和自密實砂漿強度影響較大，再生骨料粒徑影響較小。圖6為試件的峰值壓應變。由圖6可知：峰值壓應變隨再生骨料粒徑、再生骨料強度和自密實砂漿強度的增大而增大，但再生骨料粒徑對其影響很小，再生骨料強度和自密實砂漿強度的影響較為明顯。

對試驗結果進行擬合，提出RLA-SCMRFC靜態彈性模量Ec,rfc計算公式為

(5)

峰值壓應變εp,rfc計算公式為

(6)

表4列出了靜態彈性模量和峰值壓應變實測值與計算值之間的相對誤差。可以看出，最大相對誤差為9.98%，公式精度較高。

表4 靜態彈性模量和峰值壓應變Table 4 Static elasticity modulus and peak compressive strain

對單軸受壓應力-應變曲線橫、縱坐標進行量綱一化處理，以x=ε/εp,rpc和y=σ/fr,rfc為橫、縱坐標，繪制出各組構件軸心受壓的歸一化應力-應變曲線(圖7)。

基于江見鯨等[30]提出的多項式型本構模型，對原式中的系數進行修正，得出再生大骨料-自密實砂漿堆石混凝土單軸受壓本構模型，表達式見式(7)。

y=ax3+bx3+cx

(7)

b=-1.590 3a-0.479 8

(8)

c=0.600 8a+1.512 5

(9)

a=[(0.041 5fcu,SCM-1.731 8)(-0.021 4d+

4.297)+10.435]/0.826 5

(10)

基于歐盟CEB-FIP MC90規范提出的有理分式型本構模型，對原式中相關系數進行修正，得出再生大骨料-自密實砂漿堆石混凝土單軸受壓本構模型，表達式見式(11)。

(11)

K=[-0.006 4fcu,SCM+1.547 2)(0.000 3d+

1.261 6)(-0.032fcu,old+2.784 3)-

1.269 3]/0.705 4

(12)

從圖7可以看出，多項式型本構模型和有理分式型本構模型得到的結果都可以很好地與實測結果相吻合。

4 結語

(1)RLA-SCMRFC的抗壓強度、劈裂抗拉強度、彈性模量和峰值應變分別隨著再生骨料粒徑、再生骨料強度以及自密實砂漿強度的增大而增大。RLA-SCMRFC軸心抗壓強度與立方體抗壓強度的比值變化范圍在0.65～0.71之間，略小于普通混凝土。劈裂抗拉強度與立方體抗壓強度比值同普通混凝土近似。

(2)各種工況下試件的應力-應變曲線發展規律同普通混凝土大致相同，破壞形態也同普通混凝土類似，通過對試驗數據的擬合，得到多項式型本構模型和有理分式型本構模型，兩者都可以很好地與試驗值相吻合。

(3)自密實砂漿能夠充分填充更小骨料粒徑構成的堆石體，用自密實砂漿替代自密實混凝土填充堆石體是可行的。