再生混凝土立方體塊抗壓性能試驗研究

康 一 夏之俊

（信陽職業技術學院，河南 信陽 464000）

自1824 年英國人約瑟夫發明水泥這種膠凝材料以來，混凝土逐漸成為工程建筑材料中的主角，現身于世界各國的各個角落。混凝土極大地改善了全球人類人居環境，但帶來的建筑垃圾污染問題不容小覷，且混凝土是建筑垃圾的主角，具有耐久、耐腐、難降解、占空間等特點。有研究指出，全世界每年消耗數以百億噸混凝土，僅2021 年我國的建筑垃圾就超20 億t，這些建筑垃圾難以處理，散落野外侵蝕良田、阻塞河道，導致環境問題嚴重。因此，研究建筑垃圾中廢棄混凝土再利用具有顯著的現實意義。廢棄混凝土再利用，首先，能夠解決建筑垃圾的堆放問題。其次，用再生骨料替代天然骨料，減少了對天然砂石的開采，保護了自然環境。

再生混凝土是利用廢棄混凝土制作的建筑材料拌和新的混凝土，它是將廢棄的混凝土塊經破碎、清洗、分級后，按一定比例與級配混合，部分或全部代替砂石等天然骨料（主要是粗骨料），再加入水泥、水等配成的新混凝土。因為回收骨料的泥沙率較高，且密度一般都低于普通骨料，所以，再生混凝土的密度隨著骨料替代比例的增大而減小。由于再生骨料表面粗糙、棱角多、孔隙率大、吸水率大，因此，在相同配合比和用水量的情況下，再生混凝土較天然骨料混凝土坍落度低、流動性差，同時，自重低于普通混凝土、孔隙率高、保溫效果好。與天然骨料相比，再生骨料也存在很多劣勢，如泥沙率高、微發育或者半發育裂縫多、強度低等。再生混凝土能否大體量地回收利用，關鍵在于其配合制作的混凝土力學性能能否滿足要求，本文試驗對該問題進行研究。

1 混凝土配合比設計

本次試驗水泥采用標號為32.5 的礦渣硅酸鹽水泥，該水泥是由硅酸鹽水泥熟料加入適量粒化高爐礦渣和石膏研磨而成，其特點是凝結硬化速度慢、早期強度低、后期強度高。細骨料采用普通河砂，粗骨料為再生粗骨料和天然粗骨料，最大粒徑均為40mm，混凝土設計強度25MPa。混凝土配合比計算過程如下：

（1）查表σ0=5.0，則普通混凝土的配制強度

（2）查表A=0.46，B=0.07fce=32.5MPa，則

（3）確定單位用水量W。設計坍落度為35～50mm，碎石最大粒徑為40mm，查表得單位用水量W=175kg。

（4）確定單位水泥用量C。

（5）查表選取砂率為0.32。

（6）采用表觀密度法計算配合比。查表假設混凝土的表觀密度為2 400kg/m3，則

由于回收的骨料是由廢棄混凝土塊破碎篩選得來的，因此，含水率較低、吸水率較大，且表面粗糙、裂紋較多，拌和時混凝土的和易性較普通混凝土差。本試驗配制再生混凝土時，在普通混凝土配合比的基礎上多加5%～7%的拌和水來改善再生混凝土的和易性，以達到提高再生混凝土塊立方體抗壓強度的目的。

2 試塊制作

本次試驗采用的粗骨料碎石最大粒徑為40mm，再生粗骨料為某拆遷現場廢棄混凝土中的較大塊狀混凝土，經實驗室壓力機破碎后，由人工篩選符合級配要求的骨料如圖1 所示、天然粗骨料如圖2 所示。由圖1、圖2 對比發現，再生骨料較天然骨料表面含泥沙量更大、表觀更干燥、細微裂紋更多。細骨料為建筑工地用普通河砂。試驗水泥采用輝縣市亨利建材有限公司生產的亨利天瑞牌礦渣硅酸鹽水泥，拌和水為城市自來水。

圖1 再生粗骨料

圖2 天然粗骨料

抗壓強度是混凝土的重要質量指標，國際上測定混凝土抗壓強度的試塊按形狀分為圓柱體和立方體兩種。我國《普通混凝土力學性能試驗方法標準》規定采用150mm 立方體試塊作為標準試塊。所以，材料準備齊全后，需采用強制式攪拌機拌和混凝土，澆筑時取9 個150mm150mm150mm 立方體鋼模，每3 個一組，分別澆筑再生骨料替代率為0%、33.3%和66.7%的立方體塊。

澆筑前要在鋼模內刷一層油，防止脫模困難而用力過大形成微裂縫，干擾試驗結果；澆筑時要用振動棒充分振搗，以防內部出現蜂窩、空洞，但也不能過分振搗，振搗過度會導致試塊的砂漿上翻嚴重，水流失效，進而影響水泥與水的硬化反應，降低試塊的強度，再者由于模板剛度有限或者側向支撐力不足，過分振搗會使模板變形或者位移，進而導致試塊產生較大體型差異，影響試驗結果。

研究表明，混凝土保持潮濕的時間越久，試塊內部的水分越不易流失。避免形成過多滲水通道降低構件強度，同時，試塊內部水泥有充分的水分子與之反應，凝結硬化，提高試塊強度。澆筑完成后，在標準養護條件（室溫18℃～22℃、相對濕度95%以上）下養護72h 后拆下試塊和梁的模板，拆模后澆水養護，并用塑料布覆蓋保持水分。養護期28d，每天澆水保持試塊表面濕潤。拆模后的標準立方體試塊如圖3 所示。

圖3 拆模后的標準立方體試塊

3 抗壓試驗

將養護期達到28d 的試塊置于測立方體抗壓強度的SANS 電液伺服壓力機上，調整壓力機加載速度為每秒0.5。當加壓速度過快時，混凝土試塊形變速率滯后于壓力增長速率，測得的結果偏大；反之速度過慢，試塊內部充分變形，強度偏低。所以，所有試塊加壓時必須合理設定統一的加壓速率。

試塊在壓力機上單軸受壓時，豎向縮短，橫向擴張，但壓力機墊板剛度較大，變形遠小于混凝土的橫向變形，所以，墊板和混凝土之間形成摩擦力，約束了混凝土的變形，產生套箍強化作用，提高了抗壓強度，若涂抹潤滑劑則抗壓強度較低。本試驗測定試塊強度過程中均不涂潤滑劑。試塊加壓前-裂縫發展-完全破壞過程中的形態如圖4 所示。由圖4 可以看出，標準立方體混凝土塊在軸向壓力作用下，先在試塊的邊部產生貫通縱向裂縫，同時中上部產生縱向裂縫，隨著壓力的持續施加，邊緣混凝土開始剝落，試塊完全破壞。

圖4 試塊加壓前-裂縫發展-完全破壞過程中的形態

采用以上完全相同的試驗設備、試驗方法、技術參數，分別測定養護期達到28d 的3 組立方體試塊，觀察各個試件的破壞過程、破壞形態，記錄破壞過程中電液伺服壓力機反饋的各個試塊能夠達到的最大壓力值，并計算再生粗骨料替代率分別為0%、33.3%和66.7%的立方體塊抗壓強度均值，見表1。

表1 立方體抗壓強度

由表1 數據可知，所有試塊抗壓強度均達到了設計強度。替代比例為0%的試塊1 的立方體抗壓強度平均值為40.3MPa，替代比例為33.3%的試塊2 的立方體抗壓強度平均值為32.6MPa，替代比例為66.7%的試塊3 的立方體抗壓強度平均值為36.9MPa。替代比例為33.3%的試塊比替代比例為66.7%的試塊立方體抗壓強度低4.3MPa。無論是從個體強度上看還是從均值上看，天然骨料混凝土立方體抗壓強度均高于再生骨料混凝土的立方體抗壓強度。試塊1（替代率0%）的3 號試件強度較1 號、2 號出現了較大波動，可能是澆筑-養護-拆模-試驗過程中偶然差異導致的。

從均值上看，再生骨料替代率為33.3%的試塊抗壓強度比天然骨料試塊抗壓強度低19.1%，再生骨料替代率為66.7%的試塊抗壓強度比天然骨料試塊抗壓強度低8.4%，再生骨料替代率為66.7%的試塊平均抗壓強度反而比替代率為33.3%的試塊抗壓強度高13.2%。由此可知，再生骨料確實會降低混凝土標準立方體試塊的抗壓強度，但骨料替代比例對強度的影響看不出明顯規律，或者說并不是替代比例越高試塊強度越低，究其原因可能是試塊的數量不夠多，樣本不夠大導致的，也可能是試塊制作過程中澆筑方式導致的。

觀察再生混凝土和天然混凝土立方體抗壓試驗發現，試塊破壞過程基本一致，都是先在試塊的邊部產生貫通縱向裂縫，同時中上部產生縱向裂縫，隨著壓力的持續施加，邊緣混凝土開始剝落，試塊完全破壞。試塊破壞形態基本一致，都呈“兩對頂棱臺”狀。破壞面多為粗骨料和砂漿之間的粘接面，有少量粗骨料裂開，再生混凝土試塊骨料裂開的形態比天然混凝土多。

4 結語

從再生混凝土標準立方體塊的軸向壓力試驗結果可以看出，添加了再生粗骨料制作的混凝土標準試塊同樣能夠達到設計抗壓強度。摻入再生粗骨料會降低立方體試塊的抗壓強度，但是由于試驗條件、試件數量限制，本次試驗數據并不能證明摻入量越大強度越低，與摻入量相比試塊強度更可能受偶然因素、試驗過程和試驗手段影響。再生骨料試塊在軸向壓力作用下，破壞過程與天然骨料基本一致，都是邊沿混凝土先剝落，完全破壞時呈“兩對頂棱臺”狀。但是從破壞斷口形態上看，再生骨料試塊的粗骨料劈裂狀態更多，是因為再生粗骨料較天然骨料裂紋多、強度低，這可能是導致再生粗骨料試塊抗壓強度顯著低于天然骨料的主要原因。