再生自密實(shí)混凝土工作性能及基本力學(xué)性能研究

王連坤，陳偉杰，蔡凱鵬，劉杰，梁錫東，唐強(qiáng)

（五邑大學(xué) 土木建筑學(xué)院，廣東 江門 529020）

自密實(shí)混凝土（SCC）因自身免振搗可以實(shí)現(xiàn)致密和較好填充的效果，能很好地結(jié)合實(shí)際工程的需要. 隨著城市化的快速推進(jìn)，建筑拆除后廢棄固體垃圾的規(guī)模越來越大，其中大部分為廢棄混凝土塊和碎磚塊[1]. 廢棄建筑垃圾不僅擠占了本就用地緊張的城市空間，大量的粉塵還影響環(huán)境[2-4].有效利用廢棄混凝土塊和碎磚塊等廢棄建筑垃圾，可以很好地降低對(duì)自然的破壞，符合我國(guó)的綠色可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略[5].

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)再生自密實(shí)混凝土（RSCC）的工作性能和力學(xué)性能做了大量研究，吳春楊等[6-7]研究了廢棄混凝土為再生粗骨料的再生自密實(shí)混凝土，發(fā)現(xiàn)再生粗骨料取代率為50%時(shí)工作性能最好；而JU等[8]的試驗(yàn)表明混凝土基本力學(xué)性能隨再生粗骨料取代率的增加而下降；吳波[9]利用高強(qiáng)度自密實(shí)混凝土和低強(qiáng)度廢舊普通混凝土混合再澆筑，研究表明廢舊混凝土的取代率增大時(shí)，該SCC的抗壓強(qiáng)度和彈性模量逐漸降低；成全[10]則使用了小粒徑再生混凝土和普通粒徑再生紅磚分別取代天然粗骨料，研究表明兩種再生粗骨料都會(huì)使自密實(shí)混凝土的工作性能和力學(xué)性能下降，其中再生紅磚骨料的影響更大. 目前的試驗(yàn)大多針對(duì)單一來源的再生粗骨料取代自密實(shí)混凝土中的天然粗骨料進(jìn)行性能試驗(yàn)研究，但是實(shí)際的廢棄建筑垃圾來源是多樣的、混雜的，不同類型的再生粗骨料及其混合型再生粗骨料的再生自密實(shí)混凝土方面的研究有很大的實(shí)際價(jià)值. 由此，本文研究了單一再生粗骨料（再生碎混凝土塊、再生碎磚塊）的自密實(shí)混凝土和其混合型的再生磚混碎塊自密實(shí)混凝土，研究3種再生粗骨料在不同取代率下對(duì)自密實(shí)混凝土工作性能和基本力學(xué)性能的影響，并建立基本力學(xué)性能指標(biāo)換算公式，以期為工程應(yīng)用提供參考.

1 原材料及配合比

1.1 原材料

采用P.O 42.5R普通硅酸鹽水泥，I級(jí)粉煤灰，細(xì)骨料使用細(xì)度模數(shù)為2.67的河砂，減水劑采用減水率為20%的聚羧酸高效減水劑，水為江門市本地自來水.

粗骨料：天然粗骨料采用石灰石碎石，再生粗骨料則分為質(zhì)檢站廢棄的C30混凝土試塊破碎篩分形成的再生混凝土粗骨料和回收的舊紅磚塊破碎篩分后形成的再生磚粒粗骨料兩種，以及它們的混合再生磚混粗骨料. 參考文獻(xiàn)[11]，天然粗骨料與再生粗骨料粒徑一致，為5～16 mm，其中5～10 mm和10～16 mm兩種粒徑各占50%. 材料性能見表1.

表1 粗骨料物理性能

1.2 配合比設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)依據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[12]以及《自密實(shí)混凝土用用技術(shù)規(guī)程》[13]，使用其推薦的固定砂石體積法，配制出C50自密實(shí)混凝土. 經(jīng)過調(diào)整，最終的配合比設(shè)計(jì)如表2所示. 經(jīng)測(cè)試其坍落擴(kuò)展度為783 mm，28 d抗壓強(qiáng)度為53.8 MPa，符合配合比要求.

表2 每立方米自密實(shí)混凝土配合比

2 工作性能和基本力學(xué)性能試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)配合比

本試驗(yàn)采用不同類型的再生粗骨料，包括再生碎混凝土（C）、再生碎紅磚（B）和再生磚混碎塊（BC），其中磚混碎塊為再生碎混凝土塊、再生碎磚粒的結(jié)合，質(zhì)量各占50%. NA組為天然粗骨料組，其他組別命名規(guī)則為再生混凝土的自密實(shí)混凝土（RSCC-C）、再生紅磚的自密實(shí)混凝土（RSCC-B）、再生磚混的自密實(shí)混凝土（RSCC-BC）. 附加水則根據(jù)《再生混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[14]的要求，以及肖建莊團(tuán)隊(duì)的研究[15]，設(shè)置每級(jí)取代率增加1.5%. 3類再生粗骨料取代的自密實(shí)混凝土配合比如表3所示.

表3 每立方米再生粗骨料自密實(shí)混凝土配合比 （kg）

2.2 工作性能試驗(yàn)

本次的RSCC試驗(yàn)主要進(jìn)行了坍落擴(kuò)展度、T500流經(jīng)時(shí)間、J環(huán)擴(kuò)展度、V型漏斗流空時(shí)間和阻塞比的測(cè)試，主要儀器有坍落度筒、坍落擴(kuò)展度盤、J環(huán)、V型漏斗、L型箱試驗(yàn)、抹刀、鋼尺、秒表等. 試驗(yàn)過程如圖1所示，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示.

圖1 工作性能試驗(yàn)

圖2 工作性能試驗(yàn)結(jié)果

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，坍落擴(kuò)展度值、J環(huán)值和阻塞比都隨著再生骨料的取代率增大而逐漸降低，RSCC-C分別下降了16.2%、16.5%和6.7%，RSCC-B分別下降了20.2%、28.5%和13.3%，RSCC-BC分別下降了17.1%、24.1%和10%，下降的幅度RSCC-B＞RSCC-BC＞RSCC-C；T500和V型漏斗時(shí)間都隨著再生粗骨料的取代率增長(zhǎng)而增加，RSCC-C分別增加了58.6%和22.4%，RSCC-B分別增加了62.9%和39.0%，RSCC-BC分別增加了62.9%和33.2%，上升幅度RSCC-B＞RSCC-BC＞RSCC-C.總體來說，再生自密實(shí)混凝土的工作性能隨再生粗骨料取代率的增加而降低；在相同的取代率下，RSCC-C和RSCC-BC的再生粗骨料取代率最大下降幅度都在75%處，RSCC-B取代率最大下降幅度則在100%處；在相同的取代率下，下降幅度RSCC-B＞RSCC-BC＞RSCC-C.

經(jīng)循環(huán)再生的粗骨料取代天然骨料后，工作性能有所降低有兩個(gè)原因：一個(gè)是表面的棱角或是針片狀顆粒使混凝土攪拌過程中產(chǎn)生內(nèi)部空隙，尤其在不同再生粗骨料來源的再生磚混骨料取代上表現(xiàn)明顯；另一個(gè)是膠凝材料水化反應(yīng)過程中，不同的粗骨料吸水能力有所不同，再生粗骨料的吸水性比天然粗骨料高，且殘存的水泥灰加強(qiáng)了吸水能力. 這些因素降低了再生自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性和間隙通過能力.

2.3 基本力學(xué)性能

基本力學(xué)性能試驗(yàn)?zāi)苤庇^地反映出混凝土的質(zhì)量，揭示破壞機(jī)理[16]，再生粗骨料的種類和取代率都會(huì)對(duì)混凝土的力學(xué)性能產(chǎn)生影響[17]. 對(duì)3種RSCC進(jìn)行28 d抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度等的基本力學(xué)性能測(cè)試，制作了11組150 mm× 1 50 mm× 1 50 mm 立方體進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試、11組150 mm× 1 50 mm× 1 50 mm 立方體進(jìn)行劈裂強(qiáng)度測(cè)試、11組150 mm× 1 50 mm× 1 50 mm棱柱體試塊進(jìn)行軸心抗壓強(qiáng)度測(cè)試以及相同組別的應(yīng)力-應(yīng)變曲線試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示.

圖3 基本力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

從圖3可以看出，隨著再生粗骨料的取代率增大，再生自密實(shí)混凝土的峰值應(yīng)變隨之增大，抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度都隨之下降，尤其軸心抗壓強(qiáng)度的影響最大；在同一取代率（梯度）下，力學(xué)性能下降幅度呈現(xiàn)的情況是RSCC-B＞RSCC-BC＞RSCC-C. RSCC-C 和RSCC-BC在75%取代率下力學(xué)性能下降幅度最大.

從表4可以看出，再生碎紅磚塊取代的自密實(shí)混凝土下降幅度比再生碎混凝土塊的基本力學(xué)性能下降幅度約為1.7～3.2倍，而再生磚混粗骨料的自密實(shí)混凝土力學(xué)性能在兩者之間.

表4 再生粗骨料自密混凝土基本力學(xué)性能變化幅度表

經(jīng)過顎式破碎機(jī)碾碎篩分而成的再生粗骨料，表面粗糙且內(nèi)部也產(chǎn)生了很多微裂縫，導(dǎo)致再生粗骨料的性能比天然粗骨料要弱. 特別是再生碎磚塊本身強(qiáng)度就不高，經(jīng)過機(jī)械破碎后性能進(jìn)一步下降，致使再生碎磚取代的自密實(shí)混凝土基本力學(xué)性能比再生碎混凝土粗骨料取代的力學(xué)性能下降幅度要更大.

3 基本力學(xué)性能指標(biāo)換算公式

建立RSCC基本力學(xué)性能指標(biāo)間的關(guān)系式，可以更好地根據(jù)抗壓強(qiáng)度推測(cè)出劈裂強(qiáng)度和軸心抗壓的大概范圍. 由此，建立RSCC-C、RSCC-B、RSCC-BC3種再生自密實(shí)混凝土齡期為28 d的劈裂強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度關(guān)系式、軸心受壓強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度關(guān)系表，分析不同來源再生粗骨料自密實(shí)混凝土的力學(xué)性能換算關(guān)系式. 力學(xué)性能間關(guān)系如圖4所示.

圖4 RSCC力學(xué)性能間關(guān)系

傳統(tǒng)的基本力學(xué)性能換算關(guān)系式是建立在天然粗骨料配制的混凝土或自密實(shí)混凝土上的，因此需要建立關(guān)于不同種類再生粗骨料自密實(shí)混凝土基本力學(xué)性能指標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算式. 參考《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[18]中力學(xué)性能指標(biāo)的換算關(guān)系，以及金昌[19]、曹鑫鋮[20]、劉清[21]等的模型，設(shè)定劈裂—抗壓強(qiáng)度換算模型為b y=ax，軸心受壓-抗壓強(qiáng)度模型為y=ax+b. 根據(jù)再生自密實(shí)混凝土基本力學(xué)性能指標(biāo)間的關(guān)系圖，擬合出基本力學(xué)性能間換算公式，如表5所示.

表5 RSCC基本力學(xué)性能指標(biāo)換算公式表

4 結(jié)論

采用再生碎混凝土、再生碎磚、再生磚混等建筑廢棄物為再生粗骨料制作出3種再生自密實(shí)混凝土，研究其工作性能和基本力學(xué)性能隨取代率的發(fā)展趨勢(shì)與骨料的性能差異相關(guān)后發(fā)現(xiàn)，用再生碎混凝土、再生碎紅磚和再生碎磚混3種再生粗骨料取代后的再生自密實(shí)混凝土，工作性能都隨取代率的增加而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，下降幅度RSCC-B＞RSCC-BC＞RSCC-C. RSCC-C和RSCC-BC的再生粗骨料取代率在75%處下降幅度最大，RSCC-B最大降幅則在100%處. 而RSCC基本力學(xué)性能隨取代率的增加而降低，并且降低的趨勢(shì)與工作性能基本一致，說明基本力學(xué)性能與工作性能相關(guān). 使用了再生碎磚粒取代的再生自密實(shí)混凝土強(qiáng)度顯然更低，RSCC-B強(qiáng)度下降幅度為RSCC-C的1.7～3.2倍之間，RSCC-BC則在兩者之間. 但是再生粗骨料的取代率不宜過高，特別是再生碎紅磚，會(huì)較大幅度降低自密實(shí)混凝土的基本力學(xué)性能. 擬合的劈裂-抗壓強(qiáng)度計(jì)算式和軸心受壓-抗壓強(qiáng)度指標(biāo)換算公式與試驗(yàn)結(jié)果有較好的吻合，適用于該類型的再生粗骨料自密實(shí)混凝土.

本文在研究力學(xué)性能中的應(yīng)力-應(yīng)變?cè)囼?yàn)時(shí)，只采用了峰值應(yīng)變值來進(jìn)行對(duì)比研究. 后續(xù)可以根據(jù)等應(yīng)變加載的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€，結(jié)合公式計(jì)算出彈性模量，并擬合出本構(gòu)模型，以此更加深入地研究不同來源再生粗骨料對(duì)自密實(shí)混凝土的影響.