再生卵石骨料混凝土力學性能試驗研究

陳宗平， 周春恒， 陳宇良， 黃 靖， 薛建陽

（1.廣西大學 土木建筑工程學院，廣西 南寧 530004；2.廣西大學 工程防災與結構安全教育部重點實驗室，廣西 南寧 530004）

再生混凝土是指將廢棄混凝土經破碎、清洗、分級及按比例相互混合后作為部分或全部骨料所配制的混凝土，它能實現廢舊混凝土的循環利用，促進建筑業的可持續發展，節能環保，具有很好的應用前景.近年來，國內外學者對再生混凝土的各種力學性能進行了大量研究，并取得了許多重要成果.文獻［1－5］對各種規格再生粗骨料、不同孔隙率和不同取代率的再生混凝土進行了受力性能研究，結果表明，再生骨料的取代率、最大粒徑、骨料級配、骨料含水率、水膠比等對再生混凝土的抗壓性能有影響：隨著再生骨料取代率的增加，其強度略有降低；隨著水膠比的增大，其強度降低，而提高骨料含水率則能提高其強度；骨料粒徑大、級配好的再生混凝土強度高.肖建莊等［5］、寇世聰等［6］、朋改非等［7］也分別采用不同強度等級、不同服役年限的原生混凝土作為再生粗骨料，并對這些再生混凝土的力學性能進行了研究，結果表明，再生骨料的取代率、水膠比、原生混凝土的強度及服役年限對再生混凝土的抗壓強度均有影響：隨著再生骨料取代率的增加，其強度略有降低；水膠比越大，其強度越低；原生混凝土的強度越低，則其峰值應力越低，并且不同強度等級廢舊混凝土混合后得到的再生粗骨料，將顯著降低再生混凝土的抗壓強度；不同來源再生混凝土抗壓強度的均值較單一來源再生混凝土小，而方差和變異系數較大.由于廢舊混凝土來源廣泛，存在著強度等級、服役齡期、骨料類型（卵石和碎石）等差異，導致用其配制的再生混凝土力學性能有所不同.目前國內外文獻上，多數研究均是針對再生碎石粗骨料所配制的再生混凝土，而對于用再生卵石粗骨料配制的再生混凝土研究很少.中國地域遼闊，以卵石作為粗骨料的混凝土大量存在，而由于卵石與碎石在外形上差異顯著，用其配制的再生混凝土力學性能會有所不同.為了完善再生混凝土基本理論，為其進一步推廣應用奠定基礎，本文以再生卵石骨科混凝土為研究對象，以再生卵石粗骨料取代率為變化參數，設計了99個試件開展試驗研究，獲取其性能指標，以期為再生卵石骨料混凝土的相關研究提供理論基礎和試驗依據.

1 試驗概況

1.1 試驗材料

以某工程檢測中心完成的送檢混凝土試塊為骨料來源（原生混凝土齡期約為6個月）.選取強度等級為C30、卵石類粗骨料的原生混凝土，采用顎式破碎機破碎，經過篩分、清洗，得到再生卵石粗骨料；為便于研究，天然粗骨料也選用卵石，并采用相同條件篩分和清洗.選取粒徑為5～20mm的連續級配骨料，如圖1所示.水泥采用42.5R海螺牌普通硅酸鹽水泥，細骨料為天然河砂，拌和水為城市自來水.

圖1 天然卵石粗骨料及再生卵石粗骨料Fig.1 Natural pebble coarse aggregate and recycled pebble coarse aggregate

1.2 粗骨料物理性能測試

按照GBT 14685—2011《建筑用卵石、碎石》規定的試驗方法，分別測試粗骨料的物理性能指標，具體見表1.由表1可見：與天然粗骨料相比，再生粗骨料的含水率、吸水率均明顯增大，但表觀密度和堆積密度卻有所降低，這主要是再生骨料表面粘附著水泥基體以及破碎過程中存在于內部的微裂縫所致.

表1 粗骨料物理性能指標Table 1 Properties of coarse aggregate

再生粗骨料表面粘附的水泥基體質量分數wM可根據其表觀密度差計算而得：

式中：ρN，ρR分別為天然、再生粗骨料的表觀密度，kg／m3；ρM為水泥基體的表觀密度，參照文獻［8］取1 500kg／m3.經計算得到再生卵石粗骨料表面粘附的水泥基體質量分數為3.8%.

1.3 再生混凝土力學性能試驗

1.3.1 試件設計

考慮了11種再生卵石粗骨料取代率（質量分數，用R表示），從0%～100%遞增，中間級差10%.一共制作了99個試件，其中150mm×150mm×150mm的立方體試件、150mm×150mm×300mm和150mm×150mm×550mm的棱柱體試件各11組，每組試件3個.

以取代率R為0%（對應于普通混凝土）為基準，按C30混凝土計算配合比.各組試件的配合比中，嚴格保持水膠比mW／mB、水泥（C）、砂（S）、粗骨料的總量不變，并且考慮了再生卵石粗骨料的吸水率，即隨著取代率的增大，相應地增加了附加用水量.再生卵石骨料混凝土配合比見表2.

表2 再生卵石骨料混凝土的配合比Table 2 Mix proportions of recycled pebble aggregate concrete

1.3.2 試驗加載方法

所有試件均在標準條件下養護28d后，按照GB／T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》中相關測定方法和要求進行試驗.立方體抗壓強度試驗和棱柱體抗壓強度試驗分別采用150mm×150mm×150mm的標準立方體和150mm×150mm×300mm的標準棱柱體試件，在RMT－201試驗機上進行.采用位移控制的加載制度，加載速率為0.01mm／s，通過采集系統，獲取試件的荷載－位移全過程曲線.對于棱柱體試件，還要同時測量其彈性模量和泊松比，泊松比通過在試件相鄰的兩個側面中部沿橫向和縱向各貼一片電阻應變片獲取.抗折強度試驗采用150mm×150mm×550mm的標準棱柱體試件，在抗折試驗機上進行.

2 試驗結果及分析

2.1 試件破壞形態

再生卵石骨料混凝土立方體試件的破壞過程及其形態與普通混凝土相似.在接近破壞前，首先在其側表面出現豎向裂縫.隨著應力的不斷增大，這些裂縫不斷延伸，形成45°角左右的“X”形斜裂縫，混凝土逐漸剝落，呈45°角左右正倒相連的棱錐體，試件破壞.棱柱體試件在加載初期無肉眼可見的裂縫，在接近峰值應力時，試件中部首先出現少量豎向微裂縫.達到峰值應力后，隨著應變繼續增大，微裂縫持續發展、連通，形成斜裂縫，最終裂縫貫穿試件全截面.從破壞過程與形態上看，再生卵石骨料混凝土試件與普通混凝土相似.通過對試件破壞后斷面的細致觀察發現，裂縫主要出現在粗骨料與水泥砂漿基體的界面以及水泥砂漿基體內部.

2.2 立方體抗壓強度與棱柱體抗壓強度

再生卵石骨料混凝土的立方體抗壓強度fcu及棱柱體抗壓強度fc取每組3個試件的平均值，見表3.由表3可見，再生卵石骨料混凝土的立方體抗壓強度及棱柱體抗壓強度總體上大于取代率為0%的普通混凝土.對于立方體抗壓強度，再生卵石骨料混凝土只有在取代率R為10%和20%時略小于普通混凝土，其余取代率下則均大于或等于普通混凝土，兩者比值的變化范圍為94%～138%；對于棱柱體抗壓強度，再生卵石骨料混凝土只有在取代率R為10%和90%時略小于普通混凝土，兩者比值的變化范圍為96%～132%.

表3 試件的立方體抗壓強度與棱柱體抗壓強度Table 3 Prism compressive strength and cube compressive strength of specimens

同時，由表3還可看出，隨著取代率R的增大，再生卵石骨料混凝土的抗壓強度指標呈波折上升的趨勢.原因可能是一方面在廢棄混凝土的破碎過程中，卵石骨料順著原生紋理被破碎開，使得卵石粗骨料具有棱角且表面更粗糙，從而提高了水泥石與粗骨料間的界面黏結強度，同時再生粗骨料表面粘附的水泥基體在再生混凝土拌和過程中會迅速吸收部分水分，使其實際“水膠比”減少，從而導致其抗壓強度隨著取代率R的增大而增大；另一方面，再生粗骨料表面粘附的水泥基體會影響到新拌混凝土中水泥膠凝體與骨料之間的黏結性能，從而降低再生卵石骨料混凝土的抗壓強度.當上述有利面大于不利面時，再生卵石骨料混凝土的抗壓強度提高；反之則其抗壓強度降低.

2.3 抗折強度

通過試驗，獲取了不同取代率下再生卵石骨料混凝土試件折斷時的荷載，按下式計算其抗折強度ft：

式中：F為試件的破壞荷載；b，h，l0分別為試件的截面寬度、高度、計算跨度.本次試驗中b＝150mm，h＝150mm，l0＝450mm.每組抗折強度取3個試件的平均值.各種取代率下再生卵石骨料混凝土的抗折強度見表4.由表4可見，再生卵石骨料混凝土的抗折強度總體上大于普通混凝土，只有在取代率R為10%和90%時略小于普通混凝土.與抗壓強度相似，再生卵石骨料混凝土的抗折強度隨取代率R的增加也呈現出增大的趨勢，但并非單調上升，其變化范圍為94%～123%.

表4 試件抗折強度Table 4 Flexural strength of specimens

2.4 實測應力－應變全曲線

通過實測的荷載－位移數據，可由下式得到試件受力過程中的應力－應變全過程曲線：

式中：N為軸向壓力；A為試件的全截面面積；Δl為試件受力過程中的縱向壓縮位移；l為試件的總長度.

圖2給出了部分試件典型的應力－應變（σ－ε）全過程曲線.由圖2可見，不同取代率R下再生卵石骨料混凝土的應力－應變曲線形狀類似于普通混凝土，均經歷了彈性階段、彈塑性階段、峰值點、下降段和收斂段的發展過程.將各取代率R下3組試件的應力、應變數據分別取平均值，再分別除以其峰值應力σc，峰值應變εc，然后以ε／εc作為橫坐標，σ／σc作為縱坐標，得到圖3.由圖2，3可見，在曲線上升段，再生卵石骨料混凝土與普通混凝土基本一致，但其下降段則變得陡峭，表明再生卵石骨料混凝土的脆性比普通混凝土有所增加.

圖2 試件的典型應力－應變曲線Fig.2 Typical stress－strain curves of specimens

2.5 彈性模量與泊松比

表5為各試件彈性模量E和泊松比ν的實測值.由表5可見，再生卵石骨料混凝土的彈性模量隨著取代率的增加而有所降低，且均小于普通混凝土.各取代率下再生卵石骨料混凝土的泊松比為0.22～0.23，與普通混凝土接近.

圖3 試件的σ／σc－ε／εc 曲線Fig.3 Complete stress－strain curves of specimens

表5 試件彈性模量與泊松比Table 5 Elastic modulus and Poisson's ratio of specimens

3 強度指標之間的換算關系

根據試驗結果進行數值分析，提出了各取代率R下再生卵石骨料混凝土的棱柱體抗壓強度與立方體抗壓強度之間的換算公式為：

抗折強度與立方體抗壓強度之間的換算公式為：

采用上述公式計算本文試件的棱柱體抗壓強度f′c及抗折強度f′t，并與試驗實測值fc，ft進行對比，如表6，7所示.

表6 試件的棱柱體抗壓強度計算值與實測值對比Table 6 Comparison of calculated and measured prism compressive strength of specimens

表7 試件的抗折強度計算值與實測值對比Table 7 Comparison of calculated and measured flexural strength of specimens

4 結論

（1）再生卵石粗骨料與天然卵石粗骨料相比，其含水率、吸水率均明顯增大，但表觀密度和堆積密度卻有所降低；再生卵石粗骨料表面附著的水泥基體質量分數為3.8%.

（2）再生卵石骨料混凝土的破壞過程及形態與普通混凝土相似，試件破壞時均表現為粗骨料與水泥膠凝體界面之間的黏結失效.

（3）與普通混凝土相比，再生卵石骨料混凝土的各項強度指標有略微增大之勢.對于立方體抗壓強度，只有在取代率為10%和20%時略小于普通混凝土；對于棱柱體抗壓強度，只有在取代率為10%和90%時略小于普通混凝土；對于抗折強度，只有在取代率為10%和90%時略小于普通混凝土.再生卵石骨料混凝土強度隨著取代率增加所呈現的變化趨勢與以往再生碎石骨科混凝土的研究結論有所差異，這可能是由于再生卵石與碎石的表面差異所致.

（4）各取代率下再生卵石骨料混凝土的彈性模量均小于普通混凝土；再生卵石骨料混凝土的泊松比為0.22～0.23，與普通混凝土接近.

（5）再生卵石骨料混凝土的應力－應變全曲線形狀與普通混凝土相似，各曲線在上升段基本重合，但下降段則變得陡峭，且離散較大，其峰值應變均大于普通混凝土.這種變化規律與以往再生碎石骨科混凝土的研究結論基本一致.

（6）提出了再生卵石骨料混凝土的棱柱體抗壓強度與立方體抗壓強度換算公式，以及抗折強度與立方體抗壓強度之間的換算公式，其計算值與試驗值均吻合較好.

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