硅灰強化再生混凝土抗壓強度尺寸效應(yīng)

蘇捷，朱君，史才軍，2，3，方志

（1.綠色先進土木工程材料及應(yīng)用技術(shù)湖南省重點實驗室（湖南大學），湖南長沙 410082；2.湖南省綠色先進土木工程材料國際科技創(chuàng)新合作基地（湖南大學），湖南長沙 410082；3.建筑安全與節(jié)能教育部重點實驗室（湖南大學），湖南長沙 410082）

混凝土是一種多相復合材料，通常由粗骨料、水泥砂漿基體和界面過渡區(qū)組成.再生混凝土采用再生骨料為粗骨料制備，其組成、結(jié)構(gòu)較普通混凝土更復雜.再生骨料通常殘留有陳舊砂漿且內(nèi)部存在大量微裂紋，影響骨料和界面過渡區(qū)的性能，導致再生混凝土和普通混凝土在受壓性能上存在較大差異［1-2］.肖建莊等［3-4］、朋改非等［5］和王占鋒等［6］的研究表明，再生混凝土的抗壓強度約為普通混凝土的80%.粗骨料與界面過渡區(qū)的性能是混凝土抗壓強度的主要影響因素［7-12］，有效提高再生混凝土受壓性能的關(guān)鍵在于改善再生骨料和界面過渡區(qū)的物理力學性能.Kim 等［13］和Saravanakumar 等［2］提出采用水泥外摻硅灰漿液強化可以改善再生骨料和界面過渡區(qū)的部分性能，由此將再生混凝土的強度提高約15%.白雷雷［14］測得了界面過渡區(qū)的孔隙和水化產(chǎn)物，發(fā)現(xiàn)未強化處理再生混凝土界面過渡區(qū)中孔隙多于普通混凝土和強化再生混凝土.強化再生混凝土界面過渡區(qū)中大量Ca（OH）2轉(zhuǎn)化為C-S-H 凝膠，界面過渡區(qū)較致密，孔隙含量明顯減少，改善了界面過渡區(qū)的性能，提高了混凝土的抗壓強度.

統(tǒng)計尺寸效應(yīng)理論認為尺寸效應(yīng)由材料內(nèi)部低強度單元引發(fā).蘇捷等［8-9］對混凝土尺寸效應(yīng)的研究表明，界面過渡區(qū)的強度較低，是引發(fā)尺寸效應(yīng)的主導因素.根據(jù)文獻［14］研究成果，再生混凝土中界面過渡區(qū)性能低于普通混凝土，抗壓強度的尺寸效應(yīng)將顯著增強.張瑩等［15］、張麗等［16］和楊海濤等［17］測得了不同尺寸和再生骨料取代率下再生混凝土立方體和棱柱體試件的抗壓強度，提出強度尺寸換算系數(shù)可取為1.16，大于規(guī)范［18］中給出的普通混凝土換算系數(shù)1.05.采用強化處理可改善再生骨料和界面過渡區(qū)的性能［14］，影響再生混凝土抗壓強度的尺寸效應(yīng)，但迄今強化處理對再生混凝土抗壓強度尺寸效應(yīng)影響的研究尚未見文獻報道.

目前國內(nèi)外對再生骨料強化處理后再生混凝土尺寸效應(yīng)的研究尚不充分，不足以為再生混凝土的結(jié)構(gòu)設(shè)計分析和工程應(yīng)用提供有效依據(jù).在我國混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范體系中，立方體抗壓強度是各項抗壓性能指標的基本代表值，具有重要地位.因此，本文對水泥外摻硅灰漿液強化處理再生混凝土立方體抗壓強度尺寸效應(yīng)進行較系統(tǒng)的試驗研究，分析強化處理及再生骨料取代率對抗壓強度尺寸效應(yīng)的影響，建立再生混凝土立方體抗壓強度的尺寸效應(yīng)律，為再生混凝土的推廣應(yīng)用提供可靠依據(jù).

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

設(shè)計了5 組再生骨料取代率，分別為0%、25%、50%、75%和100%.在100%再生骨料取代率下，采用水膠比分別為0、0.8、1.0 和1.2 的水泥外摻硅灰漿液強化處理再生骨料，以分析強化處理對尺寸效應(yīng)的影響.再生骨料取代率為0%的試件為使用天然骨料的普通混凝土，為配合比設(shè)計的基準組，強度等級C30.每一再生骨料取代率和水泥外摻硅灰漿液水膠比的立方體試件制備3個尺寸，邊長分別為100 mm、150 mm 和200 mm，共計24 個規(guī)格.每一規(guī)格試件制備10個，總計成型240個試件.

1.2 原材料

混凝土主要材料：水泥為P.O 42.5 級普通硅酸鹽水泥.硅灰中SiO2質(zhì)量分數(shù)為95.6%，平均粒徑為0.1 μm，密度為2.37 g/cm3，比表面積為18 730 m2/kg.細骨料為最大粒徑5 mm、細度模數(shù)為2.4 的天然河砂.粗骨料分別采用天然骨料和再生骨料，天然骨料為粒徑范圍5～20 mm 的連續(xù)級配卵石；再生骨料，按表1 混凝土配合比，采用C30 混凝土構(gòu)件破碎后過20 mm篩得到.拌和水為自來水.

表1 混凝土配合比Tab.1 Mix Proportion of concrete

按照我國砂石材料規(guī)范［19］，測得天然骨料和再生骨料的性能指標列于表2.由表2 可知，再生骨料的表觀密度、堆積密度較天然骨料分別降低了6.1%和7.3%，含水率、吸水率和壓碎指標分別為天然骨料的7.3倍、7.1倍和3.7倍.

表2 粗骨料性能指標Tab.2 Properties of coarse aggregate

1.3 再生骨料強化處理

采用水泥外摻硅灰漿液對再生骨料浸泡處理，使?jié){液中的超細活性顆粒對再生骨料的微裂紋進行填充、黏合，改善再生骨料性能.水泥外摻硅灰漿液中水泥采用P.O 42.5 級普通硅酸鹽水泥，硅灰摻量為水泥質(zhì)量的10%.再生骨料的強化處理步驟如下：首先將再生骨料完全浸沒于水泥外摻硅灰漿液中，持續(xù)翻動骨料，使?jié){液充分滲入骨料.在漿液即將初凝前取出骨料，濾去多余漿液后在室溫下晾干，養(yǎng)護28 d后進行性能測試和制備再生混凝土.

實測不同水膠比下水泥外摻硅灰漿液強化處理后再生骨料的各項性能指標見表3.因具有水化活性的超細顆粒有效填補了再生骨料中的微裂縫，使得處理后再生骨料各項性能指標有所提高.由表2 和表3 可知，經(jīng)過水泥外摻硅灰漿液強化處理后，再生骨料的堆積密度和表觀密度較未處理的再生骨料分別提高了3.5%和2.6%，吸水率和壓碎指標分別降低了6.6%和40.5%.

1.4 配合比設(shè)計及加載裝置

由于再生骨料的含水率和吸水率明顯高于天然骨料（見表2），在確定拌和用水量時采用附加水法進行調(diào)整，附加水量由再生骨料質(zhì)量、吸水率和含水率綜合確定.再生混凝土所采用的基準配合比如表1所示，表中所列粗骨料配合比為再生骨料與天然骨料的之和.

所有試件均在成型24 h 后脫模，采用標準養(yǎng)護，養(yǎng)護齡期28 d.本試驗采用YA-2000 型電液伺服式壓力試驗機，按我國現(xiàn)行規(guī)范［18］對立方體抗壓強度進行測試.

2 抗壓強度

2.1 再生骨料取代率對抗壓強度的影響

將實測各再生骨料取代率下再生混凝土試件立方體抗壓強度繪于圖1，圖中抗壓強度值為同規(guī)格10 個試件強度的平均值.實測各規(guī)格試件立方體抗壓強度標準差范圍為0.63～1.02 MPa，變異系數(shù)范圍為0.72%～2.81%，表明強度測試結(jié)果穩(wěn)定，離散性較小.

圖1 再生混凝土立方體抗壓強度Fig.1 Cubic compressive strength of recycled concrete

根據(jù)我國混凝土規(guī)范［18］，以邊長150 mm 試件作為抗壓強度試驗標準試件.分析圖1 數(shù)據(jù)可知：各再生骨料取代率下再生混凝土立方體抗壓強度均低于普通混凝土.再生骨料取代率為25%、50%、75%和100%下，邊長150 mm 標準立方體試件的抗壓強度值較同尺寸普通混凝土試件（取代率為0）分別降低了9.8%、10.7%、12.2%和17%，變化規(guī)律與肖建莊等［3-4］和朋改非等［5］的研究成果一致.

2.2 再生骨料強化對抗壓強度的影響

將實測100%再生骨料取代率下各水膠比水泥外摻硅灰漿液強化處理再生混凝土試件立方體抗壓強度繪于圖2，圖中抗壓強度值為同規(guī)格10 個試件強度的平均值.實測各規(guī)格試件立方體抗壓強度標準差范圍為0.54～1.05 MPa，變異系數(shù)范圍為0.68%～2.95%，表明測試結(jié)果穩(wěn)定，離散性較小.

圖2 硅灰強化再生混凝土立方體抗壓強度Fig.2 Cubic compressive strength of recycled concrete with silica-fume modification

分析圖2數(shù)據(jù)可知：100%再生骨料取代率下，經(jīng)過水膠比分別為0.8、1.0 和1.2 的水泥外摻硅灰漿液強化處理后，邊長150 mm 標準再生混凝土試件立方體抗壓強度值較未強化處理試件（水膠比為0）分別提高了11.1%、12.7%和8%，變化規(guī)律與Kim 等［13］和白雷雷［14］的研究成果一致.

3 尺寸效應(yīng)

3.1 再生骨料取代率對抗壓強度尺寸效應(yīng)的影響

參照文獻［10］，引入尺寸效應(yīng)度γ對再生混凝土立方體抗壓強度尺寸效應(yīng)進行定量分析.以邊長100 mm 試件為基準試件，定義立方體抗壓強度尺寸效應(yīng)度γ150和γ200分別如下：

式中：fcu，100、fcu，150和fcu，200分別為截面邊長為100 mm、150 mm 和200 mm 再生混凝土試件的立方體抗壓強度值，MPa.

由尺寸效應(yīng)度定義可知，尺寸效應(yīng)度值越大，代表不同尺寸試件立方體抗壓強度間差值所占基準試件強度比例越高，表明抗壓強度尺寸效應(yīng)趨于顯著.根據(jù)試驗結(jié)果，計算得到各規(guī)格再生混凝土立方體試件抗壓強度尺寸效應(yīng)度，并將尺寸效應(yīng)度γ150和γ200隨再生骨料取代率變化規(guī)律繪于圖3.

圖3 再生混凝土尺寸效應(yīng)度Fig.3 Scale effect parameters of recycled concrete

從圖3 可知：再生混凝土立方體試件抗壓強度尺寸效應(yīng)度隨再生骨料取代率提高而增大，表明尺寸效應(yīng)隨再生骨料取代率的提高呈增強趨勢.再生骨料取代率為25%、50%、75%和100%時，尺寸效應(yīng)度γ150比普通混凝土（取代率為0）分別提高了1.8%、4.9%、13.1%和18.8%，尺寸效應(yīng)度γ200分別提高了7.1%、14.7%、26.4%和40.9%，此規(guī)律與張麗等［16］和楊海濤等［17］的研究成果一致.

根據(jù)統(tǒng)計尺寸效應(yīng)理論，試件強度的尺寸效應(yīng)由內(nèi)部低強度單元引發(fā)，與材料組成結(jié)構(gòu)密切相關(guān).因再生骨料取代率的不同導致混凝土的組成結(jié)構(gòu)具有差異，普通混凝土由天然骨料、新水泥砂漿基體和骨料-新砂漿界面過渡區(qū)三部分組成，再生混凝土中除上述三個部分外，還包含再生骨料和再生骨料-新砂漿界面、骨料-陳舊砂漿-新砂漿界面等多種界面過渡區(qū).已有關(guān)于混凝土的研究成果表明［8-9］，界面過渡區(qū)強度較骨料和砂漿更低且離散性較大，是產(chǎn)生尺寸效應(yīng)的主導因素.白雷雷［14］提出未強化處理再生混凝土的界面過渡區(qū)含有較多空隙，性能顯著低于普通混凝土中的界面過渡區(qū).因此，包含多種界面過渡區(qū)的再生混凝土中各相材料離散性比普通混凝土更為顯著，且這種離散性隨再生骨料取代率的增大呈增強的趨勢，使得抗壓強度尺寸效應(yīng)更顯著.此外，與普通混凝土所采用均質(zhì)性較高的天然骨料不同，再生混凝土中的再生骨料性能離散性更顯著，導致低強度單元出現(xiàn)概率更高，增強了試件抗壓強度的尺寸效應(yīng).

3.2 強化處理對立方體抗壓強度尺寸效應(yīng)的影響

根據(jù)實測100%再生骨料取代率下經(jīng)不同水膠比水泥外摻硅灰漿液強化處理后再生混凝土立方體試件的抗壓強度，計算得到尺寸效應(yīng)度γ150和γ200值，并將其隨漿液水膠比變化規(guī)律繪于圖4.

圖4 強化再生混凝土尺寸效應(yīng)度Fig.4 Scale effect parameters of recycled concrete with silica-fume modification

分析圖4 可知：強化處理使得再生混凝土的尺寸效應(yīng)度有所降低.經(jīng)過水膠比為0.8、1.0 和1.2 的水泥外摻硅灰漿液強化處理后，尺寸效應(yīng)度γ150較未強化的再生混凝土（水膠比為0）分別降低了6.2%、6.8%和5.1%，尺寸效應(yīng)度γ200分別降低了10.3%、19.2%和7.5%.由表2 和表3 可知，經(jīng)強化處理后，再生骨料的強度和各項性能指標明顯改善，其壓碎指標和吸水率較未處理的骨料降低了40.5%和6.6%，表明漿液中活性顆粒可以滲入并填充再生骨料并修復骨料表面陳舊砂漿中的微裂紋，減少了界面過渡區(qū)中的孔隙，具有明顯的修補增強作用.由于漿液的修補增強作用，減少了再生骨料及界面過渡區(qū)的缺陷，提高了再生骨料和界面過渡區(qū)的均質(zhì)性，使得再生混凝土中各相材料性能的離散性減小，降低了尺寸效應(yīng).此外，硅灰中的SiO2質(zhì)量分數(shù)較高，能與陳舊砂漿中的Ca（OH）2反應(yīng)生成C-S-H 膠體，改善了再生混凝土界面過渡區(qū)的力學性能［14］，從而延緩了在荷載作用下的試件中微裂縫的開展.在上述因素共同作用下，強化處理后再生混凝土的立方體抗壓強度尺寸效應(yīng)較未處理的再生混凝土明顯減小.當水膠比為1.0 時，因為漿液兼具較好的流動性和強度，所以其對再生骨料及界面過渡區(qū)綜合性能的提升幅度最大，尺寸效應(yīng)下降的幅度也最大.結(jié)合漿液水膠比對再生混凝土立方體抗壓強度和尺寸效應(yīng)的影響進行分析，可知采用1.0水膠比水泥外摻硅灰漿液對再生骨料進行強化處理可獲得最優(yōu)的抗壓強度和最低的尺寸效應(yīng).因此，可以認為水膠比1.0 為再生骨料強化處理的最優(yōu)水膠比.

3.3 強化處理對立方體抗壓強度尺寸換算系數(shù)的影響

我國混凝土規(guī)范［18］以尺寸換算系數(shù)為尺寸效應(yīng)指標，將邊長100 mm 和200 mm 試件立方體抗壓強度折算為標準150 mm 試件立方體抗壓強度.根據(jù)本文立方體抗壓強度實測結(jié)果，計算得到普通混凝土、未經(jīng)強化處理再生混凝土和最優(yōu)水膠比下強化再生混凝土立方體抗壓強度尺寸換算系數(shù)fcu，150/fcu，100分別為0.953、0.935 和0.946；尺寸換算系數(shù)fcu，150/fcu，200分別為1.067、1.103和1.077，表明采用最優(yōu)水膠比強化再生混凝土立方體抗壓強度的尺寸效應(yīng)與普通混凝土較為接近，相應(yīng)尺寸換算系數(shù)可近似取為混凝土規(guī)范［18］中所給出的0.95 和1.05.未經(jīng)強化處理再生混凝土尺寸效應(yīng)顯著強于普通混凝土和強化處理再生混凝土，采用混凝土規(guī)范［18］中換算系數(shù)0.95 和1.05將偏于不安全.

4 尺寸效應(yīng)律

基于經(jīng)典統(tǒng)計尺寸效應(yīng)理論和非局部理論［20］，Bazant 提出了受壓條件下與試件尺寸D和抗壓強度σN有關(guān)的計算公式［21］：

式中：m、Bft和D0為常數(shù)，通過試驗數(shù)據(jù)的擬合來確定；D為試件尺寸.

為驗證式（3）對再生混凝土立方體抗壓強度尺寸效應(yīng)分析的適用性，以本文試驗數(shù)據(jù)以及文獻［3-6］和文獻［14-17］中的立方體抗壓強度σN值和對應(yīng)的試件尺寸D為依據(jù)，以尺寸效應(yīng)律系數(shù)m、Bft和D0為參數(shù)，采用最小二乘法進行參數(shù)擬合.擬合所采用的數(shù)據(jù)來自63 組再生混凝土立方體試件，試件抗壓強度范圍為23.5～33.8 MPa，再生骨料取代率范圍為0～100%，水泥外摻硅灰漿液水膠比為0 和1.0，涵蓋試件尺寸范圍為100～200 mm，具有較好的代表性.將得到的再生混凝土立方體抗壓強度尺寸效應(yīng)律中參數(shù)m、Bft和D0的取值列于表4.

表4 不同取代率下再生混凝土尺寸效應(yīng)公式參數(shù)值Tab.4 Parameters in the scale effect equation with various replacement ratio

各規(guī)格試件擬合結(jié)果的相關(guān)系數(shù)范圍為0.774～0.992，表明試驗實測值與公式結(jié)果吻合較好，式（3）可較好地預測再生混凝土的立方體抗壓強度.

通過整理表4 的數(shù)據(jù)，建立再生骨料取代率和水泥外摻硅灰漿液水膠比與尺寸效應(yīng)律系數(shù)m、Bft和D0的關(guān)系，如式（4）～（6）.采用式（4）～（6）可對再生混凝土立方體抗壓強度尺寸效應(yīng)律參數(shù)進行計算.

式中：R和w分別為再生骨料取代率和水泥外摻硅灰漿液水膠比.

5 結(jié)論

1）再生混凝土抗壓強度明顯低于普通混凝土，隨再生骨料取代率的提高，再生混凝土立方體抗壓強度呈降低趨勢.100%取代率下200 mm 再生混凝土立方體抗壓強度較普通混凝土低17%.

2）采用水泥外摻硅灰漿液強化處理可有效提高再生混凝土的抗壓強度，經(jīng)強化后再生混凝土立方體抗壓強度較未處理時提高約12.7%.

3）再生骨料取代率對混凝土立方體抗壓強度的尺寸效應(yīng)有較大的影響，尺寸效應(yīng)隨著再生骨料取代率的提高而增大.再生骨料取代率100%下再生混凝土抗壓強度尺寸效應(yīng)度較普通混凝土提高約40.9%.

4）再生骨料經(jīng)強化處理后，再生混凝土抗壓強度的尺寸效應(yīng)明顯下降.當水泥外摻硅灰漿液的水膠比為1.0時下降的幅度最大，尺寸效應(yīng)度較未經(jīng)處理試件下降約19.2%.

5）不同再生骨料取代率和水泥外摻硅灰漿液水膠比下，基于能量釋放的Bazant 尺寸效應(yīng)理論與實測結(jié)果吻合良好.根據(jù)擬合結(jié)果，提出了Bazant理論參數(shù)的經(jīng)驗計算公式，擬合結(jié)果吻合良好.