再生粗骨料最大粒徑對再生混凝土強度影響試驗研究

安新正,張龍嬌,郭永民,王燕杰

(河北工程大學 土木工程學院,河北 邯鄲 056038)

近些年來,再生混凝土的出現為解決混凝土工程必須的骨料問題,推動再生骨料的循環和資源化利用,促進土木工程領域的節能減排提供了切實可行的方案[1-2]。再生粗骨料在再生混凝土中的占比較大,對再生混凝土力學性能有較大的影響。付敏[3]通過試驗研究,認為再生混凝土的韌性系數及延性比與骨料最大粒徑之間存在一定的尺寸效應。孫家瑛等[4]對再生細骨料粒徑分別為5、2.5、1.25、0.63、0.315和0.16 mm的再生混凝土試件進行了快速凍融循環試驗研究,認為其抗凍性能隨再生細骨料粒徑尺寸的減小而逐漸下降。喬京生等[5]對再生粗骨料最大粒徑分別為16、20、25、31.5和40 mm的再生混凝土試件進行了抗壓試驗研究,認為其抗壓強度隨再生粗骨料最大粒徑的增大呈現出先逐漸增加而后轉為逐漸減小的趨勢。杜敏等[6]就粗骨料粒徑對混凝土彎拉強度的影響進行了試驗研究,認為在粗骨料體積率和水灰比相同條件下混凝土彎拉強度將會隨粗骨料粒徑的增大而減小。王江波等[7]的研究成果顯示隨粗骨料最大粒徑的增大,混凝土抗壓強度呈先增加而后降低的趨勢。Elices等[8]的研究認為混凝土抗拉強度隨粗骨料粒徑的增大而呈減小的趨勢。王瑞駿等[9]的研究成果表明再生粗骨料粒徑對混凝土抗壓強度的影響不容忽視。

綜上來看,目前相關粗骨料最大粒徑影響的研究主要集中在單一粒徑級配對普通混凝土彎拉強度與抗壓強度,以及再生混凝土抗壓強度方面,而相關再生粗骨料最大粒徑在多粒徑級配下對再生混凝土彎拉強度、抗壓強度影響的研究文獻還相對較少,所以很有必要開展再生粗骨料最大粒徑在多粒徑級配下再生混凝土彎拉強度和抗壓強度的研究,為此通過4種最大再生粗骨料粒徑在不同再生粗骨料體積組合比例下,再生混凝土試塊的彎曲抗拉試驗和抗壓試驗,分析了再生粗骨料最大粒徑對再生混凝土彎曲抗拉強度(彎拉強度)、抗壓強度的影響程度,為再生混凝土的工程設計提供依據。

1 原材料、試塊情況與試驗方法

1.1 試驗用原材料

(1)水泥:采用河北太行水泥股份有限公司生產的太行山牌P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥;(2)粗骨料:全部采用再生粗骨料。本文試驗采用的再生粗骨料為邯鄲市某拆除建筑物的廢棄混凝土梁(采用鉆芯法測得其混凝土的抗壓強度值為40.3 MPa)經破碎機破碎,去除雜物,篩分而獲得5～10、10～15、15～25和25～31 mm粒徑區間的連續級配再生粗骨料(表1),符合《混凝土用再生粗骨料》(GB/T 25177—2010)[10]標準;(3)細骨料:采用沙河產天然河砂,其細度模數為1.6;(4)粉煤灰:采用邯峰電廠產Ι級粉煤灰,摻量為5%;(5)減水劑:采用減水率為25%的聚羧酸高效減水劑;(6)拌制用水:采用邯鄲市用自來水。

表1 再生粗骨料基本物理性能指標Tab.1 Basic physical properties of recycled coarse aggregate

1.2 試驗配合比與試塊制作

由于再生粗骨料表面附著有老舊砂漿,其表面粗糙度比天然碎石骨料大,且吸水率高,影響再生混凝土的工作性能。因此,在拌制再生混凝土時依據再生粗骨料用量計算出附加用水量[11]。再生混凝土設計配合比為:水泥∶水∶砂∶再生粗骨料=1∶0.45∶1.97∶3.27。為了研究再生粗骨料最大粒徑對再生混凝土性能的影響,本次試驗采用最大粗骨料粒徑分別為10、15、25和31 mm的4組再生粗骨料,共設計了4組再生混凝土棱柱體試塊(100 mm×100 mm×400 mm)和立方體試塊(100 mm×100 mm×100 mm),每組制作6個棱柱體試塊和3個立方體試塊。各組棱柱體試塊和立方體試塊的組號和編號,以及再生粗骨料組分的組合比例情況詳見表2所示。

表2 A—D組試塊組再生粗骨料的組合比例Tab.2 Combination ratio of recycled coarse aggregate in groups A—D

1.3 試驗方法

將達到28 d標準養護時間的A—D組再生混凝土棱柱體試塊及立方體試塊從標準養護室內取出,并按照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2019)[12]的相關要求,在微機控制電液伺服試驗機上分別進行再生混凝土棱柱體試塊的四點彎曲試驗和立方體試塊的抗壓試驗。四點彎曲試驗簡圖如圖1所示。

圖1 四點彎曲試驗示意圖(單位:mm)Fig.1 Schematic diagram of four-point bending tests(unit:mm)

在試驗過程中,注意觀測并記錄A—D組再生混凝土棱柱體試塊和立方體試塊中每個試塊的破壞特征和極限荷載值,并依照文獻[12]計算每個棱柱體試塊和立方體試塊的彎曲抗拉強度值和抗壓強度值。各組棱柱體試塊的彎拉強度(f)和立方體試塊的抗壓強度(cu)分別取該組內所有試驗試塊彎拉強度的平均值和試驗試塊抗壓強度的平均值。各組再生混凝土材料的折壓比(λ)取該組試塊的彎拉強度與抗壓強度的比值,即:λ=f/cu。

2 試驗結果分析

2.1 試驗結果

對標養28 d的A—D組試塊分別進行了彎曲抗拉試驗和抗壓試驗,彎拉強度采用6個試塊的平均值,抗壓強度采用3個試塊的平均值。本文試驗結果詳見表3所示。由表3可知,再生骨料粒徑越大,再生混凝土試塊的不均勻性也越大。

表3 A—D組試塊彎拉強度、抗壓強度試驗結果Tab.3 Test results of flexural tensile strength and compressive strength of test samples in groups A—D

2.2 再生粗骨料最大粒徑對彎拉強度影響

由彎曲抗拉試驗時觀察到的破壞現象可以發現,A—D組再生混凝土棱柱體試塊產生的裂縫均出現在施加荷載接近極限值時刻,且裂縫一旦出現就迅速發生斷裂破壞,顯示為脆性破壞特征。

圖2 再生粗骨料最大粒徑對彎拉強度的影響曲線Fig.2 Influence curve of maximum particle size of recycled coarse aggregate on flexural strength

2.3 再生粗骨料最大粒徑對立方體抗壓強度的影響

圖3 再生粗骨料最大粒徑對抗壓強度影響曲線Fig.3 Influence curve of maximum particle size of recycled coarse aggregate on compressive strength

2.4 再生粗骨料最大粒徑對折壓比的影響

再生混凝土折壓比是反映再生混凝土材料韌性程度的一個重要指標。λ越大,則再生混凝土材料的韌性程度就越好,反之則脆性越大。圖4為λ隨Φmax變化而變化的直方圖。由圖4及表3可以看出,Φmax的取值在10～31 mm范圍內變化時,λ的取值范圍在0.091～0.157之間變化,當Φmax的取值由10 mm逐漸增加到31 mm時,λ的值隨Φmax取值的逐漸增大而呈現出逐漸減小的趨勢。λ的最大值比最小值高出45.2%,這說明要想得到較優韌性性能的再生混凝土,在相同配合比條件下應優先考慮選取小粒徑的再生粗骨料來配制再生混凝土材料。

圖4 再生粗骨料最大粒徑對折壓比的影響曲線Fig.4 Influence curve of the maximum particle size of recycled coarse aggregate on the compression ratio

2.5 考慮最大粒徑影響的彎拉強度與抗壓強度關系

由圖4可知,Φmax的取值在10～31 mm范圍內變化時,λ的取值近似于線性變化?？紤]Φmax對λ的影響,假設λ隨Φmax變化符合式(1)計算模型。

λ=a+bΦmax

(1)

式中,a、b為試驗常數。

基于試驗數據,采用MATLAB軟件對式(1)進行最小二乘法回歸擬合分析,可得:a=0.185 9,b=-0.003 1,并將a、b的值代入式(1),可得式(2)。

λ=0.185 9-0.003 1Φmax

(2)

將λ=ff/fcu代入式(2),可得式(3)。式(3)即基于再生粗骨料最大粒徑取值變化及立方體抗壓強度的再生混凝土彎拉強度計算模型。該計算模型的計算值與試驗值吻合較好。

ff=(0.185 9-0.003 1Φmax)fcu

(3)

3 結論

1)再生粗骨料最大粒徑在10～31 mm范圍內,再生混凝土的彎曲抗拉強度隨再生粗骨料最大粒徑的增大而減小。

2)再生粗骨料最大粒徑在10～31 mm范圍內,再生混凝土抗壓強度隨再生粗骨料最大粒徑的增大呈現出先增加,而后減小的趨勢,并且最大值介于再生粗骨料最大粒徑15～31 mm之間。

3)隨再生粗骨料最大粒徑的逐漸增大,再生混凝土折壓比呈現出逐漸減小的趨勢。再生粗骨料最大粒徑為31 mm時的折壓比僅為最大粒徑為10 mm時的45%左右。

4)建立了考慮再生粗骨料最大粒徑影響的再生混凝土彎拉強度和立方體抗壓強度的關系模型,可為基于抗壓強度的再生混凝土彎拉強度的計算提供借鑒。