雄安新區(qū)綠色建筑混凝土材料的力學與滲流試驗研究

曾 寅，杜志芳，趙 龍，陳 靜，王 欣

(河北軟件職業(yè)技術學院，河北 保定 071000)

建筑工程的安全穩(wěn)定離不開建筑材料力學穩(wěn)定性，研究建筑材料力學特征對推動工程設計水平具有重要作用。滲流活動乃是工程防滲、抗?jié)B研究的重要關注點，混凝土材料作為重要防滲材料，研究其滲透特性具有重要意義。綠色建筑中再生混凝土的使用越來越廣泛，推動再生混凝土的力學及滲透特性研究乃是工程安全設計的要求。高勇、曹明偉根據(jù)混凝土顆粒流特點，利用仿真手段研究了不同配合比因素或試驗狀態(tài)對其力學特征的影響，豐富了對混凝土力學特性的研究成果。但不可忽視，一方面不僅需要考慮混凝土力學特性，同樣應研究其滲透特征，以綜合反映混凝土的使用前景，另一方面仿真計算與工程材料力學、滲透水平貼合度、精度均有一定差異。因而，劉思明、包瑞恩等設計不同類型的室內加載破壞試驗，研究單、三軸下混凝土的力學特征差異，推動對混凝土力學的認知水平。文章以雄安新區(qū)綠色再生混凝土為研究對象，探討此種綠色建筑材料的力學與滲透特性，為工程建設及綠色建筑設計提供基礎參照。

1 試驗概況

1.1 工程背景

雄安地區(qū)乃是我國又一個重要經濟特區(qū)，基建乃是經濟特區(qū)快速發(fā)展的重要舉措，確?；ㄔO施安全有效是工程設計的重點工作。目前，安置房工程乃是雄安建設持續(xù)專注的問題，文章研究對象為容東片區(qū)拆建工程，該工程預計拆除已有混凝土量超過2500m3，層高為3.3m，地下建筑采用防滲混凝土與防滲涂料作為抗?jié)B結構體系，整體建筑為框架剪力墻結構體系，沉降觀測表明每年最大不超過0.5mm。由于雄安容東片區(qū)建設資源緊張，而目前所拆除的混凝土經檢測完整性較好，且滿足新建安置房的性能要求，故工程設計部門考慮對已拆除建筑的混凝土進行回收再生，提升建筑綠色化設計施工。另一方面，雄安地區(qū)綠色再生混凝土在工程中使用必須考慮其力學穩(wěn)定性，探討不同配合比及狀態(tài)參數(shù)對再生混凝土力學特征的影響，此為工程設計及應用的基礎；在新建建筑地下防滲層中，再生混凝土的使用同樣需要考慮其滲透特性，確保工程防滲安全。

1.2 試驗介紹

為研究雄安新區(qū)綠色再生混凝土力學破壞特性與滲透特征，文章采用河北軟件職業(yè)技術學院建筑材料實訓室?guī)r石力學試驗機開展單軸力學加載試驗，而再生混凝土的滲透試驗采用實訓室達西流體測試儀。建材實訓室?guī)r石力學試驗機由電腦程序控制，可變換采用力學與變形控制方式，力學加載速率最大可為80kN/min，在試樣加載的線彈性變形階段采用力學控制，速率為15kN/min，變形控制方式分為軸向、環(huán)向變形，在力學加載試驗后期采用環(huán)向變形控制，速率為0.01mm/min。該試驗系統(tǒng)另配備有相應的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可實時獲得試驗過程中的力學特征數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集間隔可設定在0.1～1000s；數(shù)據(jù)采集裝置以外接耦合傳感器為主，包括軸向、環(huán)向變形傳感器，量程分別為-15～15mm、-10～10mm，試驗前已對各變形傳感器進行標定，確保試驗誤差低于標準值，試驗系統(tǒng)如圖1所示。試驗加載臺可根據(jù)不同類型試樣變換尺寸，試樣模具盒如圖2所示。

圖1 巖石力學試驗系統(tǒng)

圖2 混凝土試樣模具盒

本試驗中為探討雄安地區(qū)再生混凝土力學特征影響因素，在容東片區(qū)安置房拆建區(qū)取樣，測定得知該片區(qū)建筑工程中混凝土配合比差異性主要體現(xiàn)在硅質含量、砂率兩個特征參數(shù)，其中該片區(qū)中再生混凝土后的硅質含量為3%、6%、9%、12%、15%，而砂率以20%～30%為主，文章將砂率組分為20%、22%、24%、26%、28%，在工廠對再生混凝土進行制作時，確保各組試樣配合比因素與設定一致。所有再生混凝土試樣進入實訓室后，均放置在養(yǎng)護箱內標養(yǎng)條件下24h，各組試驗方案具體見表1。

表1 試驗方案具體參數(shù)表

2 混凝土力學特征

2.1 硅質含量的影響

對不同硅質含量試樣進行力學加載破壞試驗，獲得如圖3所示的應力應變特征關系。依據(jù)圖中曲線變化可知，硅質含量愈多，再生混凝土試樣加載應力水平愈高，但硅質含量超過12%后，其態(tài)勢相反；硅質含量分別為9%、12%、15%在同一應變值下的加載應力較硅質含量為3%時分別增長了1.25倍、4.78倍、2.67倍，即硅質含量為15%的試樣的加載應力較硅質含量為12%的降低了36.5%。分析認為，再生混凝土屬受擾動影響后的材料，其力學穩(wěn)定性與其內部結構密切相關，而硅質含量高可提升內部結構密實度，特別是對于混凝土的開口孔隙，可有效降低由于內部孔隙而引起的混凝土結構失穩(wěn)率，故硅質含量在12%以內時與加載應力水平呈正相關；但不可忽視，當硅質含量過多，勢必會擠壓再生混凝土受擾動下的膠凝材料活動空間，出現(xiàn)局部薄弱面，最終導致混凝土試樣加載應力水平降低。由硅質含量影響加載應力水平可知，再生混凝土在工程回收利用時，應盡可能淘汰硅質含量超過12%的混凝土塊，提升回收再生混凝土力學穩(wěn)定性。

圖3 不同硅質含量的試樣應力應變曲線

從硅質含量影響變形特征可知，硅質含量愈高，則峰值應變愈低，硅質含量為3%、9%、12%、15%的四個試樣的峰值應變分別為2.46%、2.25%、2.01%、1.96%；另一方面，當硅質含量愈多時，再生混凝土線彈性變形模量愈高，硅質含量為3%的線彈性模量為10.55MPa，而硅質含量為9%、15%時較前者分別增長了44.9%、95.8%，平均硅質含量每增長3%，其線彈性模量可提高18.6%。筆者認為，硅質含量愈多，再生混凝土內部固態(tài)程度提升，相對的彈性變形能力亦增強，故彈性模量增大。

對不同硅質含量試樣分析，獲得各組試樣抗壓強度與硅質含量關系曲線，如圖4所示。從圖中可知，再生混凝土抗壓強度與硅質含量間具有影響變化節(jié)點，砂率22%時硅質含量為3%的試樣抗壓強度為19.4MPa，而硅質含量9%、15%試樣抗壓強度較前者分別增大了10.1%、23.1%；當硅質含量低于12%時，硅質含量每增大3%，試樣抗壓強度平均可增高9.2%，硅質含量超過12%后，其抗壓強度為遞減態(tài)勢。當砂率增至26%后，硅質含量對試樣抗壓強度影響基本一致，僅在量值上具有一定差異，表明砂率不影響硅質含量與再生混凝土力學特征關系。

圖4 硅質含量與混凝土試樣抗壓強度關系

2.2 砂率的影響

由如圖5所示的不同砂率組試樣的力學試驗結果可知，砂率對再生混凝土試樣力學水平影響亦具有變化節(jié)點，當砂率位于24%以下及超過該值時，加載過程中應力水平分別為增長與降低特征。在應變1%時，相比砂率20%，砂率24%試樣加載應力增大了6.25倍，但砂率26%、28%試樣加載應力相比砂率24%試樣又分別減少了45.4%、68.9%。分析認為，砂率對再生混凝土力學水平影響具有一個關鍵節(jié)點，當超過關鍵節(jié)點砂率后，再生混凝土的應力水平為降低，這與合理砂率區(qū)間值有關，合理砂率值是再生混凝土最佳力學狀態(tài)的重要指標。本試驗中在砂率24%下峰值后應變延伸性較大，塑性變形較強，峰值后應力跌落幅度約為11.5%，而砂率20%、26%試樣峰值應力跌幅分別為60.4%、21.6%，表明合理砂率值下試樣的塑性較好，延展性較佳；從線彈性模量來看，砂率20%、26%下試樣彈性模量分別為8.93MPa、13.45MPa，而合理砂率24%下線彈性模量較之分別增長了1.12倍、減小了40.4%，故合理砂率值下再生混凝土的彈塑性變形能力俱佳。

圖5 不同砂率試樣應力應變曲線

同理，獲得砂率影響下再生混凝土試樣的抗壓強度變化特征，如圖6所示。從圖中可知，砂率對抗壓強度影響關系與硅質含量影響性具有相似性，最大強度均為變化節(jié)點，在硅質含量3%試驗組中，砂率24%下混凝土試樣的抗壓強度為28.64MPa，而砂率20%、26%、28%試樣抗壓強度相比前者分別減少了29.2%、15%、24.8%；在砂率遞增區(qū)間20%～24%，抗壓強度平均增幅為18.9%，而在遞減區(qū)間內抗壓強度的平均降幅為13.3%；表明超過合理砂率后，再生混凝土抗壓強度受砂率影響敏感度更高。當硅質含量增至9%后，該組試樣抗壓強度均有增長，但硅質含量不影響砂率對抗壓強度的促進與抑制作用，則硅質含量與砂率之間的耦合影響并無顯著關聯(lián)性。

圖6 砂率與混凝土試樣抗壓強度關系

3 混凝土滲透特性

為研究再生混凝土滲透特性，文章以達西流體測試為背景，完成不同組試樣的滲透特性試驗，以試樣滲透系數(shù)反映混凝土滲透特性，圖7為硅質含量、砂率影響下滲透系數(shù)變化特征。

圖7 再生混凝土滲透系數(shù)變化特征

從圖中可知，當處于同一砂率下，隨硅質含量增多，再生混凝土滲透系數(shù)遞減，即硅質成分的存在，可抑制再生混凝土內部滲流形成，提高混凝土內部密實度，有效阻流、抗?jié)B。在砂率20%時，硅質含量3%試樣的滲透系數(shù)為1.91×10-7cm/s，而含量9%、15%試樣的滲透系數(shù)相比前者減少了54.1%、69%；整體來看，在該砂率試驗組中，硅質含量每增大3%，混凝土試樣滲透系數(shù)平均降低24.7%。另一方面，當硅質含量超過12%后，其滲透系數(shù)降幅降低，即硅質成分對滲流活動的抑制效應減弱，此與內部孔隙填充“飽和”有關。當處于同一硅質含量時，不同砂率組試樣的滲透系數(shù)均以合理砂率值24%下的為最低，在硅質含量6%組中，其滲透系數(shù)為5.63×10-8cm/s，而其他砂率值試樣滲透系數(shù)均較高，該硅質含量中砂率20%、26%試樣滲透系數(shù)與合理砂率試樣具有138.5%、79.3%的偏差。分析認為，雄安新區(qū)基建采用綠色再生混凝土時，應考慮其砂率是否滿足合理砂率區(qū)間，這對混凝土材料抗?jié)B效果影響較大。

4 結論

(1)硅質含量對再生混凝土加載應力影響具有變化節(jié)點，含量低于12%時，硅質含量每增大3%，抗壓強度平均可增高9.2%，超過該含量后，抗壓強度遞減；硅質含量愈高，則峰值應變愈低，但彈性模量增大。

(2)再生混凝土力學水平影響具有合理砂率值，為24%，超過此合理砂率，抗壓強度降低；合理砂率試樣塑性較好，延展性較佳，峰值后應力跌落幅度約為11.5%。

(3)硅質含量增多，再生混凝土滲透系數(shù)遞減，但硅質含量超過12%后滲透系數(shù)降幅減??；以合理砂率24%試樣滲透系數(shù)為最低，再生混凝土的抗?jié)B性與合理砂率密切相關。