再生混凝土的材料特性及其結構性能綜述

賈文潔, 張士萍, 方 釗

(1.安徽建筑大學土木工程學院 安徽 合肥 230061 2.南京工程學院建筑工程學院 江蘇 南京 211167)

0 引言

建筑垃圾可分為石膏、廢棄混凝土、廢棄磚塊、鋼鐵、瀝青、廢塑料、木材等。其中廢棄混凝土和廢棄磚是占比較大的建筑垃圾。廢棄混凝土是在第二次世界大戰以后才開始研究,日本的廢棄混凝土利用率已達98%,美國有超20個州在使用再生混凝土[1]。國內對再生混凝土的研究起步于20世紀末,目前用再生混凝土建成的實體工程有北京建筑工程學院第六試驗樓、中國建筑設計研究院科研辦公樓、五角場鎮340街坊商業辦公用房等。廢棄磚的研究是從20世紀90年代開始[2]。印度每年產生的磚廢料占建筑垃圾總量的31%,美國在2012—2014年間產生了4400萬噸磚廢料,中國每年約產生4億噸磚廢料[3]。廢棄混凝土塊和廢棄磚碎塊經一系列的工藝處理,如初級篩選、分離表面的石膏、擠壓破碎、清洗、按粒徑篩分等。再按照設計要求將再生骨料、砂石、水泥等組合制成新混凝土或砌塊,或是研磨成粉末。一般認為,普通混凝土抗壓強度最大,再生混凝土次之,再生磚骨料混凝土最小。再生混凝土耐磨性好,其制備程序與工藝上已相對成熟。再生磚骨料混凝土耐火性能好,質量輕對抗震友好,磨成的粉末具有很好的火山灰活性。再生混凝土骨料和再生磚骨料的成分都極為復雜,所制成的新混凝土強度受諸多因素影響,徐變大,含水量大,不利于凍融循環。國內外對再生混凝土的研究起步較早,且相對完善,而對于再生磚骨料混凝土在有些方面還存在研究空白,通過對比,一是推動兩種再生骨料相關規范的制定;二是對比分析可以更快地發現研究方向上的不足,以求最大限度地使用兩種再生骨料;三是響應國內政策,緩解巨大的市場需求和對自然資源的依賴。由于材料的性能決定了構件的性能,而構件的性能又極大影響了框架的結構性能。因此文章從材料基本特性、材料力學性能、構件及結構性能3個角度簡要評述國內外有關再生混凝土和再生磚骨料混凝土的文獻,并對再生骨料的研究方向提出一些展望。

1 性能對比

1.1 材料基本性能

1.1.1 再生混凝土的材料性能

再生混凝土粗骨料的表觀密度和堆積密度低,吸水率高,粉碎指數統計結果在15%左右[4-5]。當把再生骨料作為細骨料時,也有較大的吸水率[6],其制成的再生混凝土耐磨性隨著取代率的增加而增加[7]。再生粗細骨料摻量為100%時,用水量比普通混凝土增加了22%,再生細骨料對材料性能的影響大于再生粗骨料[8]。

1.1.2 再生磚骨料混凝土的材料性能

1.2 材料力學性能

1.2.1 再生混凝土的力學性能

廢棄混凝土在破碎的過程中,較大的壓力會使得廢棄混凝土內部產生大量裂縫。隨著再生粗骨料含量的增加,試塊的抗壓強度、彈性模量降低[13]。艾洪祥等[6]發現,當細骨料取代率為20%時,再生混凝土有較好的抗壓強度。陳鵬博等[14]通過試驗,將原強度等級較高的粗細再生混凝土骨料按等比例加入到新混凝土當中,結果表明取代率為50%、75%的再生混凝土抗壓強度可達C45、C40,取代率為100%的再生混凝土抗壓強度也可達C35。左奇麗等[15]將粉煤灰加入不同取代率的再生粗骨料混凝土中,實驗結果表明:再生粗骨料混凝土的抗壓強度和抗拉強度在粉煤灰摻量為24%時最大,取代率每增加1%,抗拉強度減小約8 kPa,塌落度減小約1.2 mm。許金校等[16]綜述了不同纖維的摻入對再生粗骨料混凝土的影響。2%的鋼纖維可以提高再生混凝土的抗壓、劈裂及抗折強度,1.2%的聚丙烯纖維可以提高再生混凝土的斷裂能。

1.2.2 再生磚骨料混凝土的力學性能

如前所述,再生磚骨料有著高的吸水率,這影響了水灰比和水泥的水化作用,其次再生磚骨料本身就有較大的孔隙率。因此隨著取代率的增加,試塊的抗壓強度、彈性模量、抗彎強度均降低[10,17]。而摻入級配較好的再生磚細骨料的混凝土試塊抗壓強度保持相當或略有提高,張裂抗拉強度和彈性模量降低[11]。Debieb等[9]發現當粗細再生磚骨料取代率分別為25%和50%時,粗細混合碎磚再生混凝土有著與天然骨料混凝土相似的特性。Wong等[3]將廢磚粉作為水泥的替代品,得到了在保證有足夠的SiO2含量和一定的細度等因素下,適當摻入可使混凝土有相當或更高的抗壓強度,但過高的摻量會產生負面影響,廢磚粉對水泥的取代率應小于20%。Zhang等[18]將不同摻量的聚丙烯纖維和聚酯纖維加入含30%黏土磚再生粗骨料混凝土試件中,纖維的摻入改善了再生磚骨料混凝土的抗壓強度,劈裂抗拉強度。聚丙烯纖維在抗壓強度、透水性、透氣性方面優于聚酯纖維,當聚丙烯纖維用量為0.9 kg/m3時,試件的劈裂抗拉強度最高,其余性能也較好。張玉山[19]也通過試驗發現,聚丙烯纖維摻入再生磚骨料混凝土柱后,裂縫最大寬度減小,開裂荷載得到提高。

1.3 構件及結構性能

材料的力學性能影響了由該材料組成的構件的力學性能,并最終影響由構件組成的框架的結構性能。而結構性能當中,最受關注的就是在地震作用下該結構的抗震性能,因為地震是土木工程結構最常見且最危險的一類工程災害,以再生混凝土以及再生磚骨料混凝土構件和結構的抗震性能為主,闡述這兩類結構的結構性能。

1.3.1 再生混凝土構件及結構的抗震性能

(1)再生混凝土構件的抗震性能

目前為止,對于再生粗骨料混凝土構件的抗震研究較為全面。白國良等[20]通過低周反復荷載試驗,發現軸壓比為0.15,再生混凝土框架柱取代率為100%時延性系數最大,再生骨料摻量從100%降到50%,耗能能力有所降低,抗震性能減小。胡瓊等[21]提出小軸壓比的再生混凝土柱發生延性破壞,大軸壓比的再生混凝土柱發生脆性破壞,再生混凝土柱的滯回特性、能量耗散與普通混凝土柱相近。Chen等[22]測試了再生混凝土墻體低周反復荷載試驗,結果表明:高軸壓比下的墻體延性降低,彈塑性變形能力較好。劉強等[23]發現配筋率提高后,剪跨比為1的再生混凝土低矮剪力墻的承載力、延性提高。Murad等[24]發現15%的粉煤灰再生混凝土節點有最好的強度,經碳纖維布進行加固修復后的節點承載能力為未修復的兩倍,破壞模式由剪切破壞轉為延性破壞。劉子赫[25]通過模擬發現廢棄纖維再生混凝土梁柱節點與普通混凝土梁柱節點均為底部集中破壞,當再生混凝土取代率為50%,廢棄纖維長度為19 mm,軸壓比為0.4,廢棄纖維體積摻量為0.12%的節點抗震性能優于普通混凝土梁柱節點抗震性能。

除此之外,部分學者提出將鋼嵌入到再生粗骨料混凝土結構構件中或鋼管內部填充再生粗骨料混凝土,形成鋼增強再生混凝土,并進行了一系列研究,如Ma等[26]制作了型鋼再生混凝土柱,型鋼再生混凝土柱的承載力與軸壓比和箍筋比成正比,延性與軸壓比成反比,與箍筋比成正比,其抗震性能與普通混凝土柱相當。Dong等[27]固定了全尺寸型鋼高強再生混凝土柱的軸壓比為0.54,剪跨比λ為1.92,發現再生混凝土摻量對型鋼高強再生混凝土柱的影響不大,其抗震性能優于高強再生混凝土柱。Chen等、Xu等和張向岡[28-30]研究方鋼管、圓鋼管再生混凝土柱在地震作用下的破壞,主要為柱底鋼管屈曲和再生混凝土的破碎壓壞,圓形試件與方形試件延性系數均在3左右,且均可用于承重結構。

(2)再生混凝土結構的抗震性能

Xiao等[31]通過低周反復荷載試驗,發現單層單跨的再生粗骨料混凝土框架有著與普通混凝土框架相當的抗震性能,隨著再生混凝土骨料取代率的提高,抗震性能下降,但取代率較高的混凝土也可以滿足抗震標準。王成剛等[32]通過逐步增大EI Centro地震波的加速度峰值對二層全再生粗骨料混凝土框架進行擬動力分析和時程分析。發現在彈性階段框架有足夠的剛度和承載力抵御多遇地震的作用,在塑性階段,框架卸載后殘余變形較小,框架各層的計算峰值位移隨速度峰值的增大而增大,再生粗骨料混凝土框架抗震性能良好,軟件模擬結果與試驗結果吻合。王長青等[33]對6層再生粗骨料混凝土框架結構進行振動臺試驗,發現結構在8度多遇地震和罕遇地震下層間位移角大于規范要求,但結構仍然沒有倒塌,說明結構有著良好的抗震能力。張華[34]模擬了5、8、11層鋼筋混凝土結構,發現跨度的增加會使得結構變形,承載力減弱。梁柱配筋率、梁柱截面面積的增大使得結構承載力增大,在8度設防烈度下再生混凝土框架的抗震性能比普通混凝土框架弱,再生粗骨料混凝土框架在彈塑性階段滿足抗震要求,但在彈性階段不滿足。這可能是由于框架的樓層數量高而再生混凝土彈性模量低,導致再生混凝土的變形較大,因此再生混凝土在彈性階段應滿足什么樣的抗震規范還需要進一步研究。

預制構件在建筑施工時可以快速安裝,減少了再生混凝土澆筑帶來的噪音,有利于環保。Xiao等[35]對6層預制再生混凝土框架進行振動臺試驗,研究結果表明在整個結構中,一二層的總和耗能最多,剛度退化最明顯,后澆節點破壞比較嚴重的樓層,預制再生粗骨料混凝土框架有著與預制普通混凝土框架結構相當的變形能力和抗震能力。張華等[36]通過SAP2000對4、8、12層三榀四跨裝配式框架結構的Pushover分析。結果表明:再生粗骨料混凝土取代率增加,結構基底剪力減小,頂點位移、層間位移角增大。結構高度越高,再生粗骨料混凝土取代率的不利影響越明顯,高取代率的結構彈塑性變形能力在罕遇地震下滿足抗震規范,8度(0.2g)多遇地震下不滿足抗震規范。

劉杰[37]發現預制型鋼再生粗骨料混凝土框架結構耗能性能良好,結構開裂晚,變形小,裂縫主要分布在后澆段、柱底部和新舊混凝土界面上。且軸壓比越大,剛度及退化速率、殘余變形、P-Delta效應響應越大,塑性轉動能力、結構抗震性能越差。胡樂樂[38]通過有限元模擬發現,在多遇地震和罕遇地震作用下圓鋼管再生粗骨料混凝土框架基底剪力減小,有較好的抗震性能。

盧家森等[39]對上海12層框架剪力墻結構的材料分項系數、保護層和構件設計方法、鋼筋的錨固與鏈接等設計參數取值進行了說明,提出了一系列的驗收要求,為建立更多的再生粗骨料混凝土實際結構提供了分析方法。肖建莊教授等[40]基于上海12層框架剪力墻結構,對再生粗骨料混凝土的力學參數、本構模型、阻尼比、軸壓比限值,層間位移角限制等控制指標給出了關鍵意見。

1.3.2 再生磚骨料混凝土構件的抗震性能

國內外學者對再生磚骨料混凝土的力學、物理方面的研究較多。這些研究成果,為再生磚骨料混凝土建筑的設計應用奠定了一定的理論基礎。國內學者主要對于再生磚骨料混凝土構件的抗震性能進行了一系列的研究。

楊濤[41]分析了再生磚骨料混凝土柱的抗震性能,發現柱的延性、承載力、耗能能力均低,而摻硅灰和混合纖維的再生磚骨料混凝土柱的抗震性能優于普通混凝土。程遠兵等[42]對取代率為35%的再生磚骨料混凝土短肢墻進行低周反復加載試驗,試驗結果表明:抗震墻的承載力、延性、耗能能力低于普通混凝土抗震墻,但依舊滿足抗震要求。劉漢清[43]使用組合砌體——再生磚骨料混凝土做框架,磚砌塊填充墻體,進行綜合分析,發現再生磚骨料混凝土與圈梁構造柱對磚砌墻體形成有效約束,墻體的抗震性能得到了增加。隨著組合砌體中再生磚骨料混凝土墻體比例增加,墻整體的抗震性能也隨之改善,且優于普通砌體墻。

2 對未來的展望及結論

基于以上抗震性能研究,可以看出再生骨料制成的構件及結構有足夠的抗倒塌能力,再生骨料的使用具有很大的潛力,但是能夠保障生命安全是使用再生骨料的前提。以下是基于上述的總結提出的再生骨料值得進一步研究的幾個未來發展方向。

(1)對再生磚骨料混凝土框架節點領域暫無研究,有待進一步深化?？蚣芙Y構由于節點的加固不足,故而容易呈現脆性破壞。尤其是預制框架中后澆節點的破壞較為嚴重,現澆節點較后澆節點與預制構件間的連接更為穩固,抗剪承載力更高,因此對再生磚骨料混凝土節點的研究必不可少。

(2)對鋼增強再生磚骨料混凝土構件及結構的抗震性能領域暫無研究,有待進一步深化。鋼的剛度大,受力性能和抗震性能好,鋼與再生骨料的組合,可有效彌補再生骨料強度的缺陷,有些甚至不需要考慮取代率高所帶來的問題,且組合整體的延性也較再生骨料混凝土有所增加。因此鋼與再生骨料的組合有著很好的應用前景,無論是在力學、抗震性能還是組合形式上都值得進一步研究。

(3)對再生磚骨料混凝土足尺模型抗震性能的研究,有待進一步深化。再生混凝土抗震研究體系較再生磚骨料混凝土來說更成熟,再生磚骨料混凝土現階段的研究為實驗室縮尺模型,從縮尺模型轉變為足尺模型,所受力的大小、各種變形等異常復雜,不可能嚴格按照等比例變化;縮尺模型使用的骨料粒徑較小,界面特征與天然石子相近,導致縮尺模型的各性能相對較好;再生磚骨料在攪拌時容易出現分布不均勻,實驗室配制與現場配制存在一定的差異。因此,對再生磚骨料混凝土足尺模型的研究以及建筑實例的研究任重而道遠。

由以上分析可知,再生混凝土和再生磚骨料混凝土密度低、吸水率高;抗壓強度、抗拉強度、彈性模量隨著再生骨料取代率的增加而降低,在再生骨料中加入纖維可以提高再生混凝土和再生磚骨料混凝土的抗壓強度、抗拉強度,也可以提高構件的延性、耗能能力。再生混凝土和再生磚骨料混凝土制成的構件經合理設計后可滿足普通混凝土的抗震規范。在未來的研究中,再生磚骨料混凝土必定將越來越受到重視,其抗震性能研究也必定越來越豐富,其中利用試驗或數值模擬的手段聚焦于再生磚骨料混凝土框架節點、再生磚骨料混凝土鋼增強構件和結構以及再生磚骨料混凝土足尺結構等的抗震性能研究都是未來該領域的發展方向。