再生骨料混凝土基本力學(xué)性能研究

徐 芊，葉麗敏，游尹琛，葉世昌

(福建農(nóng)林大學(xué) 金山學(xué)院 工程技術(shù)系, 福州 350116)

再生骨料混凝土是對(duì)廢棄混凝土進(jìn)行收集、破碎和篩分等處理后再次進(jìn)行利用的混凝土[1].發(fā)展再生骨料混凝土可以節(jié)約自然資源，同時(shí)可以保護(hù)環(huán)境，有利于建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[2-4].已有研究表明通常再生粗骨料的性能劣于天然粗骨料，導(dǎo)致再生骨料混凝土的各方面性能低于普通混凝土[5-8].在同配合比的情況下再生骨料混凝土的基本力學(xué)性能與普通混凝土存在較大差別[9-13]，因此有必要對(duì)其基本力學(xué)性能進(jìn)行研究以推廣其應(yīng)用.

本文以再生粗骨料取代率、水膠比和礦物摻合料為變量對(duì)再生骨料混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和彈性模量進(jìn)行研究，并通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立再生骨料混凝土的各基本力學(xué)性能預(yù)測(cè)模型.

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料

本試驗(yàn)水泥采用42.5普通硅酸鹽水泥；粉煤灰為III級(jí)粉煤灰；礦渣為S95級(jí)?；郀t礦渣微粉；所用碎石經(jīng)檢測(cè)可滿足《建設(shè)用卵石、碎石》(GB/T14685-2011)要求，其級(jí)配為5～20 mm；河砂細(xì)度模數(shù)為2.61；減水劑為聚羧酸減水劑.

因試驗(yàn)室破碎后的混凝土試塊原強(qiáng)度不一，難以把控.因此，本試驗(yàn)先使用原材制備出C40混凝土試塊，在28天時(shí)將試件壓碎、篩分并挑選后作為再生粗骨料.經(jīng)檢測(cè)其基本性能可以滿足《混凝土用再生粗骨料》(GB/T25177-2010)對(duì)III類再生粗骨料的要求.

1.2 混凝土配合比

試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)同時(shí)參考了《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ55-2011)和《再生混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(DG/TJ08-2018-2007).試驗(yàn)的變量主要包括再生粗骨料取代率、水膠比、礦物摻合料.具體配合比見表1.其中NC代表普通混凝土，RAC50和RAC70表示再生粗骨料取代率為50%和70%的再生骨料混凝土，F(xiàn)代表粉煤灰，S代表礦渣，其后的數(shù)值代表礦物摻合料取代水泥的百分比.

表1 再生骨料混凝土配合比(kg/m3)

1.3 基本力學(xué)性能試驗(yàn)過程

立方體抗壓試驗(yàn)和劈裂抗壓試驗(yàn)試件每組均3塊，尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，軸心抗壓試件每組3塊，尺寸為150 mm×150 mm×300 mm；彈性模量測(cè)試試件每組3塊，尺寸為150 mm×150 mm×300 mm.經(jīng)1 d拆模和7 d養(yǎng)護(hù)后分別于14、28、60 d對(duì)各組混凝土的各項(xiàng)基本力學(xué)性能進(jìn)行基本力學(xué)性能測(cè)試.基本力學(xué)性能試驗(yàn)如圖1，試驗(yàn)過程均按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50081-2002規(guī)定進(jìn)行操作.

2 基本力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度

再生骨料混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度如表2、3所示.

圖1 基本力學(xué)性能試驗(yàn)

表2 再生骨料混凝土不同齡期立方體抗壓強(qiáng)度值/MPa

表3 再生骨料混凝土不同齡期軸心抗壓強(qiáng)度值/MPa

2.1.1 再生粗骨料取代率對(duì)再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

使用再生粗骨料性能比天然粗骨料差，所以部分取代天然粗骨料會(huì)對(duì)再生混凝土的宏觀性能有負(fù)面影響.圖2為再生粗骨料取代率對(duì)再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度的影響.可見在本試驗(yàn)的各個(gè)測(cè)試齡期，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度均較普通混凝土低.相比于普通混凝土組，50%再生粗骨料取代率的再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度在14、28、60 d時(shí)分別降低了8.98%、7.82%和8.01%，70%再生粗骨料取代率的再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度在14、28、60 d時(shí)分別降低了13.36%、12.79%和13.94%；相應(yīng)地，50%再生粗骨料取代率的再生混凝土軸心抗壓強(qiáng)度在14、28、60 d時(shí)分別降低了4.58%、7.86%和5.64%，70%再生粗骨料取代率的再生混凝土軸心抗壓強(qiáng)度在14、28、60 d時(shí)分別降低了7.01%、10.81%和12.87%.

圖2 再生粗骨料取代率對(duì)再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

可見使用再生粗骨料取代天然粗骨料會(huì)導(dǎo)致再生混凝土抗壓強(qiáng)度降低.60 d齡期時(shí)50%取代率再生混凝土降低幅度對(duì)于立方體抗壓試件和軸心抗壓試件分別約為8.01%、5.64%.70%取代率再生混凝土強(qiáng)度降幅則分別相應(yīng)為13.94%和12.87%.

雖然再生骨料混凝土強(qiáng)度下降，但是降幅不是特別大，其強(qiáng)度仍然保持較高.

2.1.2 水膠比對(duì)再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

水膠比對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度有最為直接的影響.本試驗(yàn)測(cè)試了三組水膠比0.38、0.42和0.45對(duì)再生混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，如圖3所示.

圖3 水膠比對(duì)再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

可見水膠比同樣對(duì)再生混凝土有極為明顯的影響.水膠比越大再生混凝土強(qiáng)度越低.

0.42水膠比的再生混凝土與0.38水膠比的再生混凝土相比，14、28 d和60 d的立方體抗壓強(qiáng)度分別降低了11.93%、11.80%和13.26%；軸心抗壓強(qiáng)度則分別降低了6.21%、5.60%和8.13%.

0.45水膠比的再生混凝土與0.38水膠比的再生混凝土相比，14、28 d和60 d的立方體抗壓強(qiáng)度分別降低了21.56%、18.22%和17.80%；軸心抗壓強(qiáng)度則分別降低了14.12%、14.40%和14.11%.

2.1.3 礦物摻合料對(duì)再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

礦物摻合料對(duì)再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的影響如圖4所示.

30%粉煤灰取代率的再生混凝土與同等取代率未使用粉煤灰組相比，14、28 d和60 d的立方體抗壓強(qiáng)度分別降低了16.28%、16.77%和17.42%；軸心抗壓強(qiáng)度則分別降低了19.49%、15.20%和20.10%.

圖4 礦物摻合料對(duì)再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

30%粉煤灰和礦渣復(fù)摻取代率的再生混凝土與同等取代率未使用粉煤灰組相比，14、28 d和60 d的立方體抗壓強(qiáng)度分別降低了11.70%、13.46%和14.96%；軸心抗壓強(qiáng)度則分別降低了16.38%、10.67%和12.20%.

50%粉煤灰取代率的再生混凝土與同等取代率未使用粉煤灰組相比，14、28 d和60 d的立方體抗壓強(qiáng)度分別降低了25.46%、30.43%和27.84%；軸心抗壓強(qiáng)度則分別降低了22.03%、23.73%和28.95%.

50%粉煤灰和礦渣復(fù)摻取代率的再生混凝土與同等取代率未使用粉煤灰組相比，14、28 d和60 d的立方體抗壓強(qiáng)度分別降低了27.75%、32.92%和31.25%；軸心抗壓強(qiáng)度則分別降低了27.97%、28.53%和32.30%.

可見礦物摻合料的摻入會(huì)較為明顯降低再生混凝土的抗壓強(qiáng)度.將粉煤灰和礦渣復(fù)摻則能夠減少降低的程度.

2.2 再生骨料混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度

再生骨料混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)值見表4.

表4 再生骨料混凝土不同齡期劈裂抗拉強(qiáng)度值/MPa

2.2.1 再生粗骨料取代率對(duì)再生骨料混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

從圖5中可見，隨著再生粗骨料取代率的上升，再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度有所降低.50%再生粗骨料取代率時(shí)，再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度較天然混凝土在14 d和28 d時(shí)分別降低了1.79%和1.38%；70%再生粗骨料取代率時(shí)，再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度較天然混凝土在14 d和28 d時(shí)分別降低了7.16%和3.22%.

圖5 再生粗骨料取代率對(duì)再生骨料混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

2.2.2 水膠比對(duì)再生骨料混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

從圖6中可見，水膠比對(duì)再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度有較大的影響.水膠比越大再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度越低.0.42水膠比的再生混凝土與0.38水膠比的再生混凝土相比，14 d和28 d的劈裂抗拉強(qiáng)度分別降低了2.86%和6.21%；0.45水膠比的再生混凝土與0.38水膠比的再生混凝土相比，14 d和28 d的劈裂抗拉強(qiáng)度分別降低了5.73%和10.11%.

圖6 水膠比對(duì)再生骨料混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

2.2.3 礦物摻合料對(duì)再生骨料混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

從圖7 可見，30%粉煤灰取代水泥導(dǎo)致再生骨料混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度在14 d和28 d時(shí)分別下降-0.52%和6.53%；50%粉煤灰組則分別下降9.38%和14.69%；粉煤灰和礦渣復(fù)摻整體下降幅度較低，30%復(fù)摻組14 d和28 d時(shí)分別下降0.78%和3.96%，50%復(fù)摻組則分別下降5.99%和10.72%.

可見礦物粉煤灰和礦渣的摻入會(huì)較為明顯地降低再生骨料混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度，但復(fù)摻組較單摻組下降幅度較小.

圖7 粉煤灰與礦渣復(fù)摻對(duì)再生骨料混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

2.3 再生骨料混凝土的彈性模量

再生骨料混凝土的彈性模量試驗(yàn)值見表5.

表5 再生骨料混凝土不同齡期彈性模量值/GPa

2.3.1 再生粗骨料取代率對(duì)再生骨料混凝土彈性模量的影響

再生粗骨料取代率對(duì)再生骨料混凝土彈性模量的影響見圖8.可見隨著再生粗骨料取代率的增加，各齡期再生骨料混凝土的彈性模量下降.50%粗骨料取代率時(shí)，再生骨料混凝土的彈性模量降低了9.81%、8.42%和8.00%，70%粗骨料取代率時(shí)，再生骨料混凝土的彈性模量降低了14.95%、14.04%和13.05%.

圖8 再生粗骨料取代率對(duì)再生骨料混凝土彈性模量的影響

2.3.2 水膠比對(duì)再生骨料混凝土彈性模量的影響

從圖9可見隨著水膠比的增加再生骨料的彈性模量降低.相較于RAC50，RAC50-b在14、28 d和60 d時(shí)分別降低7.51%、9.91%和7.55%，而RAC50-c則分別降低15.03%、15.80%和12.81%.

2.3.3 礦物摻合料對(duì)再生骨料混凝土彈性模量的影響

從圖10可見，30%粉煤灰取代水泥導(dǎo)致再生骨料混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度在14、28 d和60 d時(shí)分別下降13.21%、11.56%和11.67%；50%粉煤灰組則分別下降24.61%、20.52%和19.45%；粉煤灰和礦渣復(fù)摻整體下降幅度較低，30%復(fù)摻組14、28 d和60 d時(shí)分別下降0.26%、3.77%和3.20%，50%復(fù)摻組則分別下降18.39%、15.80%和14.42%.

圖9 水膠比對(duì)再生骨料混凝土彈性模量的影響

圖10 礦物摻合料對(duì)再生骨料混凝土彈性模量的影響

3 再生骨料混凝土的基本力學(xué)性能模型預(yù)測(cè)

3.1 再生混凝土抗壓強(qiáng)度公式

目前適用性最強(qiáng)的針對(duì)普通混凝土的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)的模型為ACI209模型[14]，其公式為：

(1)

其中：各參數(shù)的含義：fcu(28)為普通混凝土在28天時(shí)的實(shí)測(cè)強(qiáng)度；a和b分別為常數(shù)，和混凝土養(yǎng)護(hù)條件有關(guān)，正常普通養(yǎng)護(hù)的混凝土二者取值分別為4.0和0.85；

將本試驗(yàn)不同粗骨料取代率的再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度與ACI209模型計(jì)算得出的預(yù)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖11所示.可見ACI209模型對(duì)于再生混凝土的強(qiáng)度預(yù)測(cè)也能適用，預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)數(shù)值十分接近.

雖然在摻入礦物摻合料之后，再生混凝土強(qiáng)度降低，但是ACI公式中基數(shù)為混凝土本身28 d抗壓強(qiáng)度.將本試驗(yàn)不同礦物摻合料的再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度與ACI209模型計(jì)算得出的預(yù)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖12所示.可見除較早齡期14 d外，在長(zhǎng)齡期即混凝土強(qiáng)度穩(wěn)定后該預(yù)測(cè)模型也能較為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)摻入礦物摻合料的再生混凝土的強(qiáng)度.

(2)

圖11 再生混凝土抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值與ACI209模型預(yù)測(cè)值對(duì)比

圖12 再生混凝土抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值與模型預(yù)測(cè)值對(duì)比

3.2 再生混凝土抗劈裂抗拉強(qiáng)度公式

目前行業(yè)內(nèi)使用較為普遍的劈裂抗拉強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型主要有ACI 318模型[15]、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50010-2010》推薦的模型以及肖建莊[1]推薦的再生混凝土劈裂抗拉預(yù)測(cè)模型.這些模型的原理均以混凝土抗壓強(qiáng)度為基礎(chǔ)來推測(cè)其劈裂抗拉強(qiáng)度.

將上述各模型的預(yù)測(cè)值與本試驗(yàn)實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見圖13.可見各個(gè)模型對(duì)本試驗(yàn)再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的預(yù)測(cè)性不佳.參考各模型使用的預(yù)測(cè)模型，使用如下公式對(duì)本試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合：

(3)

經(jīng)過擬合分析，得到c=0.72，d=0.46.相關(guān)系數(shù)為0.74，有較好擬合效果，擬合結(jié)果見圖14.

3.3 再生混凝土彈性模量公式

目前行業(yè)內(nèi)使用較為普遍的劈裂抗拉強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型主要有ACI 209模型、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50010-2010》推薦的模型以及肖建莊推薦的再生混凝土彈性模量預(yù)測(cè)模型.這些模型的原理也是以混凝土抗壓強(qiáng)度為基礎(chǔ)來推測(cè)其彈性模量.

圖13 再生混凝土劈裂強(qiáng)度實(shí)測(cè)值與模型預(yù)測(cè)值對(duì)比

圖14 再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度實(shí)測(cè)值與模型預(yù)測(cè)值對(duì)比

將上述各模型的預(yù)測(cè)值與本試驗(yàn)實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見圖15.可見ACI 308對(duì)本試驗(yàn)再生混凝土彈性模量的預(yù)測(cè)值雖然也存在較大偏差，但較其他組接近.因此，對(duì)該模型進(jìn)行如下修正：

(4)

經(jīng)過擬合分析，得到c=0.632，d=0.665.相關(guān)系數(shù)為0.87，可見有較好擬合效果，擬合結(jié)果見圖16.

圖15 再生混凝土彈性模量實(shí)測(cè)值與模型預(yù)測(cè)值對(duì)比

圖16 再生混凝土彈性模量實(shí)測(cè)值與模型修正值對(duì)比

4 結(jié) 論

1)雖然再生骨料混凝土強(qiáng)度下降，但是降幅不是特別高，通過合理控制配合比其強(qiáng)度仍然保持較高；

2)隨著再生粗骨料取代率的增加，再生骨料混凝土的各力學(xué)性能均降低.50%和70%再生粗骨料取代率的再生混凝土在28 d時(shí)抗壓強(qiáng)度分別降低了7.8%和10.8%～12.79%，劈裂抗拉強(qiáng)度分別降低了1.4%和3.2%，彈性模量則分別降低了8.4%和14.0%.

3)再生骨料混凝土的水膠比越大，再生骨料混凝土的各力學(xué)性能均降低.0.42和0.45水膠比的再生骨料混凝土與0.38水膠比組對(duì)比28 d抗壓強(qiáng)度分別下降約5.6%～11.8%和14.4%～18.2%，劈裂抗拉強(qiáng)度分別降低了6.2%和10.1%，彈性模量則分別降低了9.9%和15.8%.

4)礦物摻合料的摻入導(dǎo)致再生骨料混凝土的各力學(xué)性能降低.30%～50%的粉煤灰或粉煤灰和礦渣復(fù)摻導(dǎo)致再生骨料混凝土28 d抗壓強(qiáng)度降低10.7%～32.9%，劈裂抗拉強(qiáng)度降低4.0%～14.7%，彈性模量則降低了3.8%～20.5%.

5)現(xiàn)存在的基本性能預(yù)測(cè)模型對(duì)再生骨料混凝土存在較大偏差.基于本試驗(yàn)建立的再生骨料混凝土基本力學(xué)性能預(yù)測(cè)模型能夠較好預(yù)測(cè)再生骨料混凝土的實(shí)際情況.