再生粗骨料對破碎卵石混凝土抗壓性能影響研究

羋 崢，安新正，邊金明，張 冰，馬曉楠

(河北工程大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

隨著我國建筑業(yè)的發(fā)展，天然山石的消耗量巨大，在開采山石的同時，對環(huán)境的破壞也隨之加大。而我國河流資源豐富，河流兩岸及河床天然堆積著大量河卵石，由于河卵石長期處于風(fēng)化及雨水侵蝕的環(huán)境，使其表面光滑、圓潤，經(jīng)破碎加工后，可用于混凝土中替代天然山石。目前碎石粗骨料混凝土的研究較為充分，而破碎卵石混凝土的研究相對較少。何銳等人[1]利用數(shù)字圖像處理技術(shù)，得出碎石、破碎卵石、卵石三者在混凝土內(nèi)部的擠嵌程度由緊密到分散。粗骨料在混凝土中起骨架支撐和傳遞應(yīng)力的作用，其擠嵌程度對性能有很大的影響。所以，對破碎卵石混凝土的研究也十分必要。與此同時，在建筑業(yè)中建造和拆除時會產(chǎn)生大量的建筑垃圾，對于這些廢棄物，無法采取掩埋與堆棄的處理方式。人們將廢棄物破碎作為粗骨料，很大程度上解決了廢棄建筑材料無法安置的問題。針對于再生粗骨料取代天然山石的研究已十分全面，并且適用于實際工程[2-5]。而再生粗骨料取代破碎卵石研究相對較少，本文主要以再生粗骨料取代率r、齡期為變化因素，并基于超聲聲速研究再生粗骨料破碎卵石混凝土的抗壓性能。

1 試驗材料

水泥：太行山P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥；天然粗骨料：破碎的天然鵝卵石；再生粗骨料：河北工程大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗室廢棄的混凝土梁構(gòu)件，經(jīng)過人工破碎、清洗、篩分后得到的連續(xù)級配的再生粗骨料，篩分結(jié)果見表1；細(xì)骨料：天然河沙，細(xì)度模數(shù)1.6，含泥量1.1%；粉煤灰：Ⅰ級粉煤灰；減水劑：高效聚羧酸液態(tài)減水劑，減水率25%；水：邯鄲市自來水。粗骨料性能指標(biāo)試驗結(jié)果見表2所示。

2 配合比及試件制作

配合比設(shè)計符合文獻[6]的要求，本文采用的再生粗骨料24 h吸水率為4.83%，考慮到再生粗骨料的吸水率較高[7]，根據(jù)其用量，需加入相應(yīng)的附加用水，試驗配合比如表3所示。

試驗共設(shè)計4種再生粗骨料取代率(等質(zhì)量取代，r=0%、r=15%、r=30%、r=45%)，測其在不同齡期(3、7、14、28、45 d)下的立方體抗壓強度，共制作72個150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件。試驗使用J30型強制式攪拌機采用多步攪拌工藝拌制再生混凝土[8]，攪拌前，對攪拌機進行裹漿處理，之后將砂、天然粗骨料、再生粗骨料及70%的水加入攪拌20 s，再將水泥與粉煤灰加入攪拌40 s，最后加入剩余的水和減水劑攪拌120 s出料。將拌好的混凝土分層倒入事先涂好脫模劑的模具中，逐層插搗，并用橡膠錘輕擊模具外壁，待大量氣泡冒出后，抹平澆筑面，24 h后拆模并進行室內(nèi)自然養(yǎng)護。

表1 再生粗骨料的篩分結(jié)果

3 試驗方法

3.1 抗壓強度試驗

依照《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2002)[9]的相關(guān)要求進行試驗，使用YES-2000壓力試驗機進行抗壓強度測試。

3.2 混凝土超聲聲速的測試

使用瑞士TICO超聲波測試儀對不同取代率、齡期均為28 d的單軸受壓下的再生混凝土立方體試塊進行實時超聲波檢測，試塊共12塊。測試方法采用對測法，在試塊非壓力面的兩對側(cè)面的對角線上共選取六對測點，如圖1所示。測試時，使用耦合劑(凡士林)保證發(fā)射端探頭n(n=1～6)、接收端探頭n′(n′=1′～6′)與試塊充分耦合，通過公式(1)計算該壓應(yīng)力下的超聲聲速。

表2 天然及再生粗骨料性能指標(biāo)

表3 再生混凝土配合比

(1)

試塊單軸受壓時，分級加載，在此定義一個變量Yi，它是每級所受壓應(yīng)力與齡期28 d的抗壓強度之比，見公式(2)。記錄并計算Yi(i=1～5)分別為0、0.2、0.4、0.6、0.8時，不同取代率、28 d齡期的超聲聲速。

(2)

式中：r—再生粗骨料取代率；i—加載等級；Vn—第n對測點的超聲聲速；Vr,σi—取代率為r、壓應(yīng)力為σi下的超聲聲速；σi—不同壓力下的單軸壓應(yīng)力；fcu—再生混凝土試塊28 d抗壓強度；Yi—不同壓力下的單軸壓應(yīng)力系數(shù)。

圖1 超聲波檢測示意圖Fig.1 Ultrasonic inspection schematic

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 再生粗骨料取代率及齡期對抗壓強度的影響

立方體抗壓強度fcu取每組三個試件的算術(shù)平均值，如果存在最大值或最小值超過中間值的15%時，取中間值作為其強度值；如果最大值、最小值均大于中間值的15%時，需重新進行試驗。不同取代率、齡期下的抗壓強度試驗結(jié)果見圖2。

圖2 立方體抗壓強度和取代率之間的關(guān)系Fig.2 The relationship between cubic compressive strength and substitution rate

從圖2可以看出，隨著取代率r的增加，再生混凝土抗壓強度均有所提高，呈先上升后下降的增長趨勢。當(dāng)r=15%、30%、45%時，養(yǎng)護齡期為3 d的立方體抗壓強度分別增長了23.3%、36.9%、28.1%，其中當(dāng)r=30%時，抗壓強度最高，早期強度最優(yōu)。當(dāng)r未超過30%時，抗壓強度在不斷增長，主要原因是破碎廢棄混凝土所制成的再生粗骨料的強度比破碎卵石要高，破碎后的再生粗骨料表面棱角也較多，又提高了骨料在混凝土中的嵌固程度。再生粗骨料中含有大量砂漿顆粒，其吸水率比較高，在攪拌時，砂以及水泥等細(xì)小顆粒在水的作用下形成薄膜，將部分水分封鎖在粗骨料中，在養(yǎng)護階段，粗骨料中的水與未水化的水泥顆粒作用，提高了試件整體的水化程度，對立方體抗壓強度起有利作用[10]。當(dāng)r在30%后，其抗壓強度開始降低，r=45%與r=30%的抗壓強度相比，3 d降低了6.5%，7 d降低了2.5%，14 d降低了1.4%，28 d減低了0.8%，說明這種有利的作用，隨著r的增加在減小，這是由于再生骨料的強度不均衡，成分復(fù)雜所造成，但在45 d時上升了1.7%，這是由于再生骨料仍剩有部分水分，為殘余未水化的水泥顆粒提供了條件，使得強度略有增長。因此，對施工進度有要求的工程，不易摻入大量的再生粗骨料，r=30%時的性能相對更為突出；而摻入大量再生粗骨料的混凝土雖在r=45%時的強度繼續(xù)提高，但后期強度及其它基本性能仍值得我們進一步研究。

4.2 單軸受壓下的超聲聲速分析

在同一坐標(biāo)軸下做出齡期均為28 d、不同粗骨料取代率下再生混凝土超聲聲速隨單軸壓應(yīng)力系數(shù)的變化規(guī)律圖，如圖3所示。

根據(jù)圖3中不同取代率下的曲線走勢，很容易可以看出再生混凝土的超聲聲速與壓應(yīng)力系數(shù)有著密切的聯(lián)系。當(dāng)壓應(yīng)力系數(shù)在0.2以下時，隨著壓應(yīng)力系數(shù)增加，超聲聲速反而也在增加，出現(xiàn)這種情況的原因為：首先，再生粗骨料及卵石在破碎的過程中產(chǎn)生細(xì)微裂縫，在無壓力作用下，細(xì)微裂縫降低了超聲波的傳播速度，在開始加壓后，這些細(xì)微裂縫逐步閉合，提高了超聲波的傳播速度；其次，在澆筑過程中產(chǎn)生了初始缺陷，在壓力作用下，各材料發(fā)生彈性變形，減小的初始缺陷的影響，使得超聲波的傳播速度有所提高。當(dāng)壓應(yīng)力系數(shù)大于0.2時，隨著壓應(yīng)力系數(shù)的增加，超聲聲速在逐漸減低，這是由于隨著壓應(yīng)力的增加，再生混凝土內(nèi)部的裂縫數(shù)量不斷增加并逐漸開展，降低了超聲波的傳播速度。在壓應(yīng)力系數(shù)從0增長到0.2的過程中，隨著取代率的提高，其超聲聲速分別增長了0.009、0.077、0.084、0.095 km/s，再生粗骨料取代率越高，骨料中的細(xì)微裂縫數(shù)量就越多，單軸受壓下，超聲波的傳播速度提高的就越多。當(dāng)壓應(yīng)力系數(shù)超過0.6后，各取代率下超聲聲速均呈快速下降趨勢。在同一壓應(yīng)力系數(shù)下，隨著取代率的提高，超聲聲速為先增加后降低趨勢，在r=30%時，超聲聲速最大，承壓性能最好。

5 結(jié)論

1)隨著再生粗骨料取代率的增加，再生粗骨料破碎卵石混凝土的抗壓強度均有所提高，呈先增大后減小的增長趨勢。r=30%時，增幅最大，為36.9%，r>30%時，增幅開始減小。

2)不同齡期下的立方體抗壓強度對r的敏感程度不同。當(dāng)齡期為3 d時，隨著r的增加，抗壓強度的增長趨勢尤為明顯，r對于早期強度影響較大；齡期28 d后，這種增長趨勢開始減小。

3)隨著壓應(yīng)力系數(shù)的增加，各取代率下的超聲聲速呈先增加后減小趨勢，在壓應(yīng)力系數(shù)為0.2時取得最大值；在同一壓應(yīng)力系數(shù)下，隨著取代率的提高，超聲聲速先增加后降低，并在r=30%時取得最大值。