替代率對再生混凝土基本力學(xué)性能的影響研究

王會(huì)娟 王一曉 張 昂 林新昊 王 娟

（中原科技學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，河南 鄭州 450000）

關(guān)鍵字：再生骨料；壓碎值；抗壓強(qiáng)度；抗折強(qiáng)度；流動(dòng)度；塑性；韌性

0 引言

建筑工程中絕大多數(shù)廢棄混凝土被當(dāng)作填充材料用于填筑作業(yè)，少數(shù)用于道路面層和基層中，房屋建筑工程中對再生混凝土的應(yīng)用技術(shù)尚未成熟，根據(jù)以往研究，再生骨料代替天然骨料后，混凝土的強(qiáng)度和耐久性會(huì)有不同程度的變化，如崔正龍等[1]探討了再生骨料混凝土的抗碳化能力，結(jié)果表明其抵抗碳化能力差，碳化速度幾乎比普通骨料混凝土快三倍。又如Manda[2]等人研究了相同配合比的再生商品混凝土與普通商品混凝土的滲透深度和吸水率，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)再生商品混凝土分別較普通商品混凝土增加了38%和44%。由于抗?jié)B性能較差，再生骨料混凝土的抗氯離子侵蝕能力、抗凍融循環(huán)破壞能力、抗硫酸鹽侵蝕能力等耐久性能也較普通商品混凝土差[3]。趙志青[4]等人研究不同替代率再生混凝土基本力學(xué)性能，認(rèn)為隨著再生骨料替代率的提高，再生混凝土強(qiáng)度有明顯降低趨勢。以往大部分研究結(jié)果雖然都表明，再生混凝土的強(qiáng)度以及耐久性能低于普通混凝土，但是沒有說明所使用的再生骨料類型，是否使用任何類型的再生骨料都會(huì)存在再生混凝土強(qiáng)度和耐久性低的問題，尚沒有明確的研究結(jié)果。

本試驗(yàn)采用壓碎值低于15%的道路破碎再生骨料，通過五種不同替代率再生骨料混凝土的坍落度試驗(yàn)、抗壓試驗(yàn)、抗折試驗(yàn)，分析在相同配合比情況下，不同骨料替代率對再生混凝土拌合物的流動(dòng)性、破壞過程與形態(tài)、應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€、彈性模量、應(yīng)力峰值、變形性能的影響關(guān)系，為再生骨料的工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)原材料中所用的膠凝材料為42.5普通硅酸鹽水泥，細(xì)骨料為南陽天然砂，細(xì)度模數(shù)2.3，堆積密度1.66×103kg/m3；天然粗骨料采用粒徑5mm～20mm的人工碎石，堆積密度1.48×103kg/m3，壓碎值11.6%，吸水率0.68%；再生骨料采用道路廢棄混凝土機(jī)械破碎，粒徑5mm～20mm，堆積密度1.25×103kg/m3，壓碎值14.7%，吸水率4.8%。拌合用水采用城市自來水，不摻加任何外加劑（見圖1）。

圖1 試驗(yàn)用骨料

1.2 試件制備

混凝土拌合物配合比采用水泥∶細(xì)骨料∶粗骨料∶水按照1∶2∶3∶0.5的比例拌制，試驗(yàn)中保持膠凝材料、細(xì)骨料、水的用量不變，粗骨料按照總質(zhì)量不變，分別采用再生骨料0%、25%、50%、75%、100%的質(zhì)量取代部分天然碎石。采用60L混凝土臥式強(qiáng)制式攪拌機(jī)，按照粗骨料、水泥、細(xì)骨料的順序依次加料，攪拌2min后加水再次攪拌2min后測定坍落度，裝入模具?？箟簭?qiáng)度試驗(yàn)采用150mm×150mm×150mm立方體試件，3個(gè)一組；抗折強(qiáng)度采用100mm×100mm×400mm長方體試件，3個(gè)一組，如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)用試件

試件成型1d后脫模，脫模后立即裝入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱，溫度（20±0.5）℃，濕度（95±1）%，養(yǎng)護(hù)28d后放置空氣中1周至氣干狀態(tài)后進(jìn)行試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)方法參照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GBT50081-2019進(jìn)行，再生骨料抗壓性能試驗(yàn)采用微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)（YAW-2000D）對試件進(jìn)行加載，加荷速率0.5MPa/s；抗折性能試驗(yàn)采用微機(jī)控制電液伺服萬能材料試驗(yàn)機(jī)（WAW-600D）對試件進(jìn)行加載，加荷速率0.05MPa/s。通過抗壓和抗折試驗(yàn)測得再生混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，分析不同配合比對再生骨料混凝土基本力學(xué)性能的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 拌合物性能

由于再生骨料由混凝土破碎而得，因此再生骨料與天然碎石相比，存在的原生態(tài)裂縫界面較多，一般包括三種情況，即沿骨料內(nèi)部的裂縫界面、砂漿與骨料結(jié)合處的裂縫界面、砂漿內(nèi)部的破損裂縫界面，因此，破碎后得到的再生骨料與普通天然碎石骨料相比，除了含有普通碎石之外，還含有孔隙率較高的砂漿硬塊，含裂縫界面較多的碎石與砂漿的結(jié)合體，一方面砂漿硬塊的孔隙率要遠(yuǎn)高于普通碎石，另一方面由于破碎外力引入混凝土的破壞裂縫的存在，因此，在再生骨料表面及內(nèi)部存在裂縫較多，其開口孔隙率要遠(yuǎn)高于普通碎石。由于再生骨料的開口孔隙率的增大，其吸水率也隨之提高，根據(jù)試驗(yàn)研究，本試驗(yàn)中所使用的天然碎石吸水率為0.68%，而再生骨料吸水率為4.8%，再生骨料吸水率是天然碎石的7倍左右，因此，在使用同樣的配合比的情況下，隨著再生骨料替代率的逐漸增大，所用再生骨料對混凝土拌合用水的吸收也在逐漸增大，造成實(shí)際拌合用水的減少。因此，再生骨料混凝土拌合物流動(dòng)性隨著再生骨料替代率的提高逐漸降低，如圖3所示，當(dāng)再生骨料替代率由0%增大到100%時(shí)，其拌合物坍落度值由135mm降低到36mm。另外，隨著再生骨料替代率的增加，對于上一級替代率的再生骨料拌合物坍落度下降率也不是定值，其中當(dāng)再生骨料從25%到50%時(shí)，坍落度下降率最大，當(dāng)再生骨料替代率超過75%之后，坍落度值雖然也在下降，但是下降率基本趨于平緩。不同替代率再生骨料混凝土坍落度變化情況見圖4。

圖3 不同替代率再生骨料混凝土坍落度值

圖4 不同替代率再生骨料混凝土坍落度減小率

2.2 破壞過程與形態(tài)

隨著再生骨料替代率的不斷增加，再生骨料混凝土的抗壓和抗折破壞形態(tài)也隨之變化，如圖5所示，當(dāng)再生骨料替代率較低時(shí)，無論抗壓破壞還是抗折破壞，其破壞形態(tài)表現(xiàn)出明顯的脆性破壞現(xiàn)象，其裂縫大多沿著砂漿內(nèi)部或骨料與砂漿的結(jié)合面產(chǎn)生，裂縫面產(chǎn)生不平整現(xiàn)象。當(dāng)再生骨料替代率較高時(shí)，其明顯的脆性破壞形態(tài)逐漸減弱，其韌性逐漸增大，再生骨料內(nèi)部貫通裂縫不斷增多，裂縫破裂面較為平整。

圖5 試件破壞形態(tài)

2.3 受壓應(yīng)力應(yīng)變曲線及彈性模量

由于再生骨料混凝土受壓能力是制約其應(yīng)用的關(guān)鍵因素，因此，采用微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)對試件進(jìn)行加載，得到不同替代率再生骨料混凝土的受壓應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€，如圖6所示。從圖中可以看出不同替代率再生骨料混凝土的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€與普通碎石混凝土的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€基本相同，分別由彈性階段、彈塑性階段和下降階段組成。對5種不同替代率的彈性階段進(jìn)行分析，當(dāng)再生骨料替代率從0%過渡到75%時(shí)，其彈性模量不斷增大，在75%替代率時(shí)達(dá)到最大值，之后逐漸下降，說明當(dāng)再生骨料替代率為75%時(shí)，混凝土的硬度最大。不同替代率再生混凝土彈性模量見表7。

圖6 不同替代率再生混凝土受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖7 不同替代率再生混凝土彈性模量

2.4 應(yīng)力峰值分析

從圖6可以看出，不同替代率再生骨料混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線趨勢雖然基本相同，但是其應(yīng)力峰值卻不同，將五種不同替代率再生骨料混凝土的應(yīng)力峰值單獨(dú)摘出進(jìn)行分析比較，如圖8、圖9所示，從圖中數(shù)據(jù)分析可以看出，無論是抗壓強(qiáng)度還是抗折強(qiáng)度，當(dāng)再生骨料替代率從0%過渡到100%時(shí)，其強(qiáng)度有逐漸增大的趨勢，特別是在替代率為75%時(shí)達(dá)到最大值。另外，為便于分析不同替代率對再生混凝土的應(yīng)力影響，將替代率分別為25%、50%、75%、100%的再生混凝土的應(yīng)力峰值與0%替代率的混凝土應(yīng)力峰值的比值，作為應(yīng)力峰值影響系數(shù)，則該影響系數(shù)與再生骨料替代率之間的關(guān)系如圖10所示。從圖中可以看出，無論是抗壓試驗(yàn)還是抗折試驗(yàn)，其應(yīng)力峰值影響系數(shù)均隨替代率呈現(xiàn)規(guī)律性變化，當(dāng)替代率從0%增加到75%時(shí)，應(yīng)力峰值影響系數(shù)逐漸增大，且抗壓試驗(yàn)較抗折試驗(yàn)增大趨勢更加明顯；當(dāng)替代率超過75%時(shí)，應(yīng)力峰值影響系數(shù)又逐漸減小。因此，由應(yīng)力峰值與替代率之間的數(shù)據(jù)關(guān)系，可以分析出當(dāng)再生骨料替代率為75%時(shí)，對混凝土的應(yīng)力影響最大，在相同配合比的情況下，75%替代率的再生骨料混凝土應(yīng)力達(dá)到最大值。

圖8 不同替代率再生混凝土抗壓強(qiáng)度

圖9 不同替代率再生混凝土抗折強(qiáng)度

圖10 不同替代率再生混凝土抗壓抗折強(qiáng)度

2.5 變形影響分析

為研究替代率對再生混凝土變形性能的影響因素，將不同替代率再生混凝土的抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度的比值作為變形影響系數(shù)，其數(shù)值關(guān)系如圖11所示，隨著再生骨料替代率的增加，其抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度比值也呈現(xiàn)增大趨勢，說明隨著再生骨料替代率的增大，其再生混凝土的塑性和韌性也在逐漸增加。造成再生骨料塑性和韌性增大的原因，其一可能是由于再生骨料孔隙率高于天然碎石，其二可能是由于隨著再生骨料替代率的增加，在相同配合比情況下，其吸收拌合用水，使拌合物實(shí)際水灰比降低，致使其再生混凝土強(qiáng)度增加。該變形影響分析的結(jié)果與上述試塊破壞過程與形態(tài)吻合。

圖11 不同替代率再生混凝土變形影響分析

3 結(jié)束語

通過不同替代率再生混凝土抗壓試驗(yàn)和抗折試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：

（1）隨著再生骨料替代率的增大，再生混凝土拌合物的流動(dòng)性逐漸降低，而且50%的再生骨料替代率是一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，當(dāng)?shù)陀?0%替代率時(shí)，隨著替代率的增大流動(dòng)性減小程度較大，當(dāng)超過50%替代率時(shí)，減小程度逐漸趨于平緩。

（2）再生混凝土的抗壓和抗折應(yīng)力峰值，以及再生混凝土的彈性模量，均在再生骨料替代率為75%時(shí)達(dá)到最大值。

（3）隨著再生骨料替代率的增加，再生混凝土的塑性和韌性逐漸增大。

本試驗(yàn)所采用的再生骨料為壓碎值為15%以下的道路破碎再生骨料，其各方面性能并未隨著再生骨料替代率的增大而降低，反而對再生混凝土強(qiáng)度提升有促進(jìn)作用，今后需要擴(kuò)大再生骨料壓碎值對再生混凝土性能影響進(jìn)行研究，找出壓碎值對再生混凝土影響的臨界點(diǎn)，對工程建設(shè)提供理論依據(jù)。