再生骨料混凝土強(qiáng)度離散性試驗(yàn)研究

陳海霞，宋學(xué)慶

(1.中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054；2.信息產(chǎn)業(yè)部電子綜合勘察研究院，陜西 西安 710054)

0 引 言

混凝土主要由水泥、砂子、碎石(或者卵石)組成，每立方米混凝土消耗的砂石骨料大約為1 700～2 000 kg。隨著混凝土使用量的增加，砂石資源日益枯竭，開(kāi)采成本不斷提高，直接導(dǎo)致天然砂石骨料供給量日益減少和價(jià)格逐年攀升，與此同時(shí)，全球范圍內(nèi)每年都要產(chǎn)生大量的廢棄混凝土、磚瓦等建筑垃圾[1-3]。數(shù)量龐大的建筑垃圾如果不能得到有效處理將對(duì)城市環(huán)境造成巨大的破壞。目前，再生骨料的再生過(guò)程和再生工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)出的骨料性能差異較大。一般先將廢棄混凝土、磚瓦等經(jīng)過(guò)處理和機(jī)械破碎，再進(jìn)行篩選分級(jí)，并按一定的比例混合，就可以生產(chǎn)出再生骨料。LIMBACHIYA M等在天然骨料中摻加再生混凝土骨料配制了再生混凝土，該項(xiàng)研究認(rèn)為在天然骨料中摻加適量再生骨料配制再生混凝土是可行的[4-7]。吳道堯等對(duì)再生骨料的基本性能開(kāi)展了研究，提出了再生骨料質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[8-11]。張瑩等對(duì)再生骨料混凝土的基本力學(xué)性能和再生骨料混凝土尺寸效應(yīng)[12-13]等進(jìn)行了研究，指出再生混凝土抗壓強(qiáng)度有明顯的尺寸效應(yīng)。王社良等對(duì)再生混凝土的基本力學(xué)性能進(jìn)行了研究，指出了再生混凝土力學(xué)性能與再生骨料摻量之間的關(guān)系[14-20]。

近年來(lái)，用再生骨料全部或者部分替代天然骨料，配制再生混凝土已經(jīng)應(yīng)用于工程實(shí)踐中。大多情況下，再生骨料由廢棄混凝土、磚瓦等經(jīng)過(guò)處理、破碎、分級(jí)制成。再生骨料特點(diǎn)有三：首先，再生骨料表面相對(duì)粗糙、骨料棱角相對(duì)較多；其次，部分再生骨料表面殘留、包裹著水泥砂漿；最后，機(jī)械破碎過(guò)程使再生骨料內(nèi)部產(chǎn)生大量細(xì)微裂紋，這種損傷導(dǎo)致再生骨料質(zhì)量相對(duì)較差，強(qiáng)度較低[2]。與再生骨料不同，天然骨料一般結(jié)構(gòu)堅(jiān)硬致密、孔隙率低，強(qiáng)度較高。眾多學(xué)者對(duì)再生骨料性能的離散性已經(jīng)進(jìn)行了初步研究，但是，關(guān)于再生混凝土強(qiáng)度離散性的研究較少。文中擬通過(guò)在天然骨料中摻加再生骨料配制4組骨料，對(duì)4組骨料壓碎指標(biāo)和吸水率的離散性進(jìn)行測(cè)試分析，用4組骨料配制混凝土，對(duì)混凝土進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，分析其抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的離散性及其與骨料的關(guān)系。4組骨料的組號(hào)分別為RA0，RA25，RA50和RA75，相應(yīng)的再生骨料占總骨料體積百分比分別為0%，25%，50%和75%，RA0稱(chēng)為天然骨料，RA25，RA50和RA75稱(chēng)為再生骨料。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

水泥標(biāo)號(hào)為PO.42.5，唐山冀東水泥股份有限公司生產(chǎn)。依據(jù)國(guó)家規(guī)范GB/17671-1999、GB/1346-2011和GB/1345-2005對(duì)水泥的強(qiáng)度、安定性、凝結(jié)時(shí)間和細(xì)度分別測(cè)定[21-23]，參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1，細(xì)度采用45 μm篩。

表1 水泥參數(shù)Table 1 Cement parameter indexes

粉煤灰的需水比、燒失量、細(xì)度及主要化學(xué)成分依據(jù)國(guó)家規(guī)范GB/T1596-2017分別測(cè)試[24]，參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2，細(xì)度采用45 μm篩。

表2 粉煤灰參數(shù)Table 2 FA parameter indexes %

骨料的粒徑范圍是5～10 mm，天然骨料與再生骨料的性能參數(shù)見(jiàn)表3，骨料的參數(shù)測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)按GB/T14685-2011測(cè)定[25]。再生骨料主要由廢棄磚瓦等組成，其吸水率是天然骨料的11.5倍，壓碎指標(biāo)值是4.3倍，均明顯大于天然骨料[2]。拌合混凝土用水采用普通自來(lái)水。砂采用天然河砂。減水劑摻加量按0.5%，聚羧酸減水劑。

表3 骨料參數(shù)Table 3 Aggregate parameter indexes

1.2 配合比1.2 混凝土配合比及拌合養(yǎng)護(hù)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了4組混凝土配合比，具體見(jiàn)表4，RA0，RA25，RA50，RA75分別代表再生骨料占總骨料體積百分比為0%，25%，50%和75%?；炷涟柚七^(guò)程為，先將骨料、水泥、粉煤灰加入攪拌機(jī)拌合大約1 min，拌合均勻后再將水和減水劑一起加入拌合大約2 min。裝模振搗密實(shí)養(yǎng)護(hù)1 d，脫模后在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d，養(yǎng)護(hù)室溫度為20±2 ℃，濕度大于95%。

表4 配合比Table 4 Mix proportions

1.3 試驗(yàn)方法

抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度參考國(guó)標(biāo)GB50081-2011進(jìn)行試驗(yàn)[26]，抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)加載速率為10 kN/s，抗折強(qiáng)度試驗(yàn)加載速率為0.5 kN/s，試件的養(yǎng)護(hù)齡期為28 d。抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)每組6個(gè)試樣，強(qiáng)度取其平均值。骨料的壓碎指標(biāo)和吸水率進(jìn)行6次取樣測(cè)試，取其平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

骨料的壓碎指標(biāo)和吸水率測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5，混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6，壓碎指標(biāo)、吸水率、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)見(jiàn)表7。

2.2 骨料性能離散性

再生骨料基本性能包括壓碎指標(biāo)、吸水率、表觀密度、堆積密度和含泥量等，其吸水率范圍大約在3%～10%，壓碎指標(biāo)范圍大約在10%～30%，相比天然骨料，再生骨料的性能差異很大，性能指標(biāo)的測(cè)試數(shù)據(jù)更為離散。已有的研究表明，在上述的骨料性能指標(biāo)中壓碎指標(biāo)和吸水率對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響更敏感[10]。

骨料的壓碎指標(biāo)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5，可以看出，天然骨料RA0的壓碎指標(biāo)最小，為9%，隨著再生骨料體積百分比的增加，再生骨料RA25，RA50，RA75的壓碎指標(biāo)分別為17.1%,25.4%和32.2%，依次增大。每組骨料的壓碎指標(biāo)做了6次測(cè)試，依據(jù)測(cè)試結(jié)果繪制壓碎指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差，如圖1所示，變異系數(shù)如圖2所示。對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行離散性分析，可以明顯看出其標(biāo)準(zhǔn)差隨總骨料中再生骨料體積百分比增大依次增大(虛線為趨勢(shì)線)，所以再生骨料的性能差異比天然骨料大的多，考慮到原始數(shù)據(jù)尺度的影響，進(jìn)一步計(jì)算得到其變異系數(shù)進(jìn)行分析，可以明顯的看到天然骨料的變異系數(shù)在一個(gè)水平上，即0.095，但其他3組再生骨料的變異系數(shù)在另一個(gè)水平上，即0.197(RA25，RA50，RA75對(duì)應(yīng)的變異系數(shù)分別為0.211，0.185，0.195，0.197指的是平均值)。因此再生骨料的壓碎指標(biāo)相比天然骨料差異大、更加離散。

表5 壓碎指標(biāo)和吸水率Table 5 Crushing indexes and water absorption

表6 抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度Table 6 Compressive strength and flexural strength

表7 標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)Table 7 Standard deviation and variation coefficient

圖1 壓碎指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差 Fig.1 Standard deviation of crushing index

圖2 壓碎指標(biāo)的變異系數(shù)Fig.2 Variation coefficient of crushing index

圖3 吸水率的標(biāo)準(zhǔn)差 Fig.3 Standard deviation of water absorption

圖4 吸水率的變異系數(shù) Fig.4 Variation coefficient of water absorption

分析表5中骨料的吸水率測(cè)試結(jié)果可知，天然骨料RA0的吸水率為1.1%，隨著再生骨料體積百分比的增加，RA25，RA50和RA75的吸水率依次增大，分別為3.1%，6.3%和8.7%。每組骨料的吸水率進(jìn)行了6次測(cè)試，依據(jù)測(cè)試結(jié)果繪制吸水率標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)圖。吸水率的標(biāo)準(zhǔn)差如圖3所示，隨著總骨料中再生骨料體積百分比增大依次增大(虛線為趨勢(shì)線)，因此再生骨料的吸水率差異比天然骨料大的多。吸水率的變異系數(shù)如圖4所示，可以明顯地看到天然骨料吸水率的變異系數(shù)在在一個(gè)水平上，即0.089，其他3組再生骨料的變異系數(shù)在另一個(gè)水平上，即0.213(指的是其他3組再生骨料變異系數(shù)的平均值，RA25，RA50，RA75對(duì)應(yīng)的變異系數(shù)分別為0.243，0.219，0.176)。通過(guò)對(duì)骨料的壓碎指標(biāo)和吸水率進(jìn)行測(cè)試分析，可以非常明顯的看到，與天然骨料相比，再生骨料的性能差異很大，性能指標(biāo)的測(cè)試數(shù)據(jù)更為離散。

2.3 抗壓強(qiáng)度

表6中抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，隨著再生骨料體積百分比逐漸增加，抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)[2]。當(dāng)再生骨料體積百分比從0%增加到25%時(shí)，強(qiáng)度從47.2 MPa增加到50.2 MPa，相當(dāng)于6%的增幅，當(dāng)再生骨料體積百分比從25%增加到75%時(shí)，強(qiáng)度出現(xiàn)小幅度下降，減小到41.5 MPa，相當(dāng)于12%的降幅。圖5為抗壓強(qiáng)度與再生骨料含量關(guān)系(虛線為趨勢(shì)線)，可以明顯看出，隨著總骨料中再生骨料體積百分比增大，混凝土強(qiáng)度出現(xiàn)少許增加后逐漸降低。

一般來(lái)說(shuō)，混凝土抗壓強(qiáng)度的主要影響因素是水膠比和骨料強(qiáng)度[15]。當(dāng)再生骨料體積百分比增加時(shí)，混凝土強(qiáng)度先呈現(xiàn)出小幅增加的趨勢(shì)，原因可能是相對(duì)于天然骨料而言，再生骨料的吸水率較大(天然骨料RA0的吸水率為1.1%，再生骨料RA25，RA50和RA75的吸水率分別為3.1%，6.3%和8.7%)。隨著再生骨料體積百分比的增加，水膠比相對(duì)減小，間接導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度小幅度增加。強(qiáng)度后下降的原因有以下兩點(diǎn)，其一是再生骨料的強(qiáng)度范圍一般在10～20 MPa之間，相對(duì)于天然骨料較低，其二是再生骨料的孔隙率相對(duì)于天然骨料較高，由于孔隙的存在，在軸向壓力作用下，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度下降。隨著再生骨料體積百分比繼續(xù)增加，再生骨料強(qiáng)度低、孔隙率高的影響越來(lái)越明顯，因此混凝土強(qiáng)度隨著再生骨料體積百分比的繼續(xù)增加反而降低[2]。

圖5 抗壓強(qiáng)度Fig.5 Compressive strength

混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差和吸水率，見(jiàn)表7。依據(jù)表7計(jì)算結(jié)果繪制抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差與再生骨料體積百分比關(guān)系曲線如圖7所示，抗壓強(qiáng)度變異系數(shù)與再生骨料體積百分比關(guān)系曲線，如圖8所示。對(duì)于用天然骨料RA0配制的混凝土，抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差是3.42 MPa，對(duì)于用再生骨料RA25，RA50和RA75配制的混凝土，抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差依次是5.7，5.94，5.67 MPa，可以看出，天然骨料和再生骨料對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差明顯不在一個(gè)水平上。為了更客觀的分析抗壓強(qiáng)度的離散性，對(duì)其變異系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，隨著總骨料中再生骨料體積百分比從0%增加到75%，其變異系數(shù)依次是0.072，0.114，0.128，0.137，總的趨勢(shì)是變異系數(shù)依次增大，但更為明顯的是，和標(biāo)準(zhǔn)差表現(xiàn)出的規(guī)律一樣，即用天然骨料配制的混凝土和用再生骨料配制的混凝土，兩者的變異系數(shù)明顯不在一個(gè)水平上(用天然骨料配制的混凝土，變異系數(shù)是0.072，對(duì)于用再生骨料配制的混凝土，變異系數(shù)平均值是0.126)?？箟簭?qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)表明采用再生骨料配制的混凝土相比采用天然骨料配制的混凝土，其抗壓強(qiáng)度離散性較大。本次試驗(yàn)的其他條件并沒(méi)有發(fā)生變化，水灰比、加料順序、攪拌時(shí)間、養(yǎng)護(hù)條件都是一致的，只是骨料不同，因此，可以得出混凝土抗壓強(qiáng)度的離散性增大是骨料的離散性導(dǎo)致的。

圖6 抗壓強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差Fig.6 Standard deviation of compressive strength

圖7 抗壓強(qiáng)度的變異系數(shù)Fig.7 Variation coefficient of compressive strength

2.4 抗折強(qiáng)度

抗折強(qiáng)度與再生骨料含量關(guān)系如圖8所示(虛線為趨勢(shì)線)，可以明顯看出，隨著總骨料中再生骨料體積百分比增大，混凝土抗折強(qiáng)度出現(xiàn)少許增加后逐漸降低。當(dāng)再生骨料體積百分比為0%和25%時(shí)，抗折強(qiáng)度分別為5.5 MPa和5.8 MPa，增加的幅度大約為5%，當(dāng)再生骨料體積百分比為75%時(shí)，抗折強(qiáng)度為4.9 MPa，下降的幅度大約為16%。原因是，用再生骨料配制的混凝土，其內(nèi)部通常情況下存在一些缺陷，導(dǎo)致其抗折強(qiáng)度較低、韌性較低。4組骨料RA0，RA25，RA50和RA75，再生骨料體積百分比依次增大，部分再生骨料表面附著了一層硬化水泥砂漿，導(dǎo)致骨料與新舊砂漿界面之間膠結(jié)較為薄弱[2]，與此同時(shí)，再生骨料在制備過(guò)程中一般采用機(jī)械破碎，破碎過(guò)程會(huì)導(dǎo)致骨料產(chǎn)生損傷和裂縫，這些影響因素使再生骨料的性能下降，性能差異變大。因此，隨著總骨料中再生骨料體積百分比的增大，其抗折強(qiáng)度降低。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，單從抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的角度講，對(duì)于用再生骨料配制的混凝土，總骨料中再生骨料體積百分比存在一個(gè)分界點(diǎn)，大約是25%，此時(shí)對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度最大。

圖8 抗折強(qiáng)度Fig.8 Flexural strength

圖9 抗折強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差Fig.9 Standard deviation of flexural strength

圖10 抗折強(qiáng)度的變異系數(shù)Fig.10 Variation coefficient of flexural strength

圖9和圖10為依據(jù)表7中混凝土抗折強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)繪制的抗折強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差與再生骨料體積百分比關(guān)系曲線和抗折強(qiáng)度變異系數(shù)與再生骨料體積百分比關(guān)系曲線。對(duì)于用天然骨料配制的混凝土，抗折強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差是0.58 MPa，對(duì)于用再生骨料配制的混凝土，抗折強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差依次是0.85，0.68和0.65 MPa，用再生骨料配制的混凝土其標(biāo)準(zhǔn)差顯然大于用天然骨料配制的混凝土。采用變異系數(shù)進(jìn)一步進(jìn)行分析[27-28]，當(dāng)總骨料中再生骨料體積百分比為0%時(shí)，其變異系數(shù)是0.106，當(dāng)體積百分比為25%，50%，75%時(shí)，其變異系數(shù)依次為0.148，0.128，0.141(平均值為0.139)，同樣，用再生骨料配制的混凝土其變異系數(shù)顯然大于用天然骨料配制的混凝土，和標(biāo)準(zhǔn)差表現(xiàn)出的規(guī)律一致?？拐蹚?qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)分析表明采用天然骨料配制的混凝土相比采用再生骨料配制的混凝土，其抗折強(qiáng)度離散性較小。如上節(jié)所述，本次試驗(yàn)的其他條件并沒(méi)有發(fā)生變化，因此混凝土抗折強(qiáng)度離散性增大的原因只能是骨料性能離散性增大所導(dǎo)致的。

3 結(jié) 論

1)通過(guò)對(duì)骨料的壓碎指標(biāo)和吸水率進(jìn)行測(cè)試分析可以得到，與天然骨料RA0相比，再生骨料RA25，RA50和RA75的性能差異很大，性能指標(biāo)的測(cè)試數(shù)據(jù)更為離散，但其離散性與再生骨料摻量對(duì)應(yīng)關(guān)系不明顯。

2)在天然骨料中摻加適量再生骨料配制混凝土是可行的，摻加部分再生骨料后，混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度隨再生骨料體積百分比增加表現(xiàn)出先增大后降低，變化大約幅度在+5%～-16%之間，體積百分比為25%時(shí)對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度最大。

3)通過(guò)對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)分析，表明采用再生骨料RA25，RA50和RA75配制的混凝土相比采用天然骨料RA0配制的混凝土，其抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度離散性較大。

4)在混凝土強(qiáng)度檢測(cè)評(píng)定中應(yīng)充分認(rèn)識(shí)再生混凝土強(qiáng)度離散型較大的特點(diǎn)，具體的工作有待進(jìn)一步研究。