再生粗骨料最大粒徑對(duì)再生混凝土強(qiáng)度影響試驗(yàn)研究

安新正,張龍嬌,郭永民,王燕杰

(河北工程大學(xué) 土木工程學(xué)院,河北 邯鄲 056038)

近些年來(lái),再生混凝土的出現(xiàn)為解決混凝土工程必須的骨料問(wèn)題,推動(dòng)再生骨料的循環(huán)和資源化利用,促進(jìn)土木工程領(lǐng)域的節(jié)能減排提供了切實(shí)可行的方案[1-2]。再生粗骨料在再生混凝土中的占比較大,對(duì)再生混凝土力學(xué)性能有較大的影響。付敏[3]通過(guò)試驗(yàn)研究,認(rèn)為再生混凝土的韌性系數(shù)及延性比與骨料最大粒徑之間存在一定的尺寸效應(yīng)。孫家瑛等[4]對(duì)再生細(xì)骨料粒徑分別為5、2.5、1.25、0.63、0.315和0.16 mm的再生混凝土試件進(jìn)行了快速凍融循環(huán)試驗(yàn)研究,認(rèn)為其抗凍性能隨再生細(xì)骨料粒徑尺寸的減小而逐漸下降。喬京生等[5]對(duì)再生粗骨料最大粒徑分別為16、20、25、31.5和40 mm的再生混凝土試件進(jìn)行了抗壓試驗(yàn)研究,認(rèn)為其抗壓強(qiáng)度隨再生粗骨料最大粒徑的增大呈現(xiàn)出先逐漸增加而后轉(zhuǎn)為逐漸減小的趨勢(shì)。杜敏等[6]就粗骨料粒徑對(duì)混凝土彎拉強(qiáng)度的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究,認(rèn)為在粗骨料體積率和水灰比相同條件下混凝土彎拉強(qiáng)度將會(huì)隨粗骨料粒徑的增大而減小。王江波等[7]的研究成果顯示隨粗骨料最大粒徑的增大,混凝土抗壓強(qiáng)度呈先增加而后降低的趨勢(shì)。Elices等[8]的研究認(rèn)為混凝土抗拉強(qiáng)度隨粗骨料粒徑的增大而呈減小的趨勢(shì)。王瑞駿等[9]的研究成果表明再生粗骨料粒徑對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響不容忽視。

綜上來(lái)看,目前相關(guān)粗骨料最大粒徑影響的研究主要集中在單一粒徑級(jí)配對(duì)普通混凝土彎拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度,以及再生混凝土抗壓強(qiáng)度方面,而相關(guān)再生粗骨料最大粒徑在多粒徑級(jí)配下對(duì)再生混凝土彎拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度影響的研究文獻(xiàn)還相對(duì)較少,所以很有必要開(kāi)展再生粗骨料最大粒徑在多粒徑級(jí)配下再生混凝土彎拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的研究,為此通過(guò)4種最大再生粗骨料粒徑在不同再生粗骨料體積組合比例下,再生混凝土試塊的彎曲抗拉試驗(yàn)和抗壓試驗(yàn),分析了再生粗骨料最大粒徑對(duì)再生混凝土彎曲抗拉強(qiáng)度(彎拉強(qiáng)度)、抗壓強(qiáng)度的影響程度,為再生混凝土的工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 原材料、試塊情況與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)用原材料

(1)水泥:采用河北太行水泥股份有限公司生產(chǎn)的太行山牌P·O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥;(2)粗骨料:全部采用再生粗骨料。本文試驗(yàn)采用的再生粗骨料為邯鄲市某拆除建筑物的廢棄混凝土梁(采用鉆芯法測(cè)得其混凝土的抗壓強(qiáng)度值為40.3 MPa)經(jīng)破碎機(jī)破碎,去除雜物,篩分而獲得5～10、10～15、15～25和25～31 mm粒徑區(qū)間的連續(xù)級(jí)配再生粗骨料(表1),符合《混凝土用再生粗骨料》(GB/T 25177—2010)[10]標(biāo)準(zhǔn);(3)細(xì)骨料:采用沙河產(chǎn)天然河砂,其細(xì)度模數(shù)為1.6;(4)粉煤灰:采用邯峰電廠產(chǎn)Ι級(jí)粉煤灰,摻量為5%;(5)減水劑:采用減水率為25%的聚羧酸高效減水劑;(6)拌制用水:采用邯鄲市用自來(lái)水。

表1 再生粗骨料基本物理性能指標(biāo)Tab.1 Basic physical properties of recycled coarse aggregate

1.2 試驗(yàn)配合比與試塊制作

由于再生粗骨料表面附著有老舊砂漿,其表面粗糙度比天然碎石骨料大,且吸水率高,影響再生混凝土的工作性能。因此,在拌制再生混凝土?xí)r依據(jù)再生粗骨料用量計(jì)算出附加用水量[11]。再生混凝土設(shè)計(jì)配合比為:水泥∶水∶砂∶再生粗骨料=1∶0.45∶1.97∶3.27。為了研究再生粗骨料最大粒徑對(duì)再生混凝土性能的影響,本次試驗(yàn)采用最大粗骨料粒徑分別為10、15、25和31 mm的4組再生粗骨料,共設(shè)計(jì)了4組再生混凝土棱柱體試塊(100 mm×100 mm×400 mm)和立方體試塊(100 mm×100 mm×100 mm),每組制作6個(gè)棱柱體試塊和3個(gè)立方體試塊。各組棱柱體試塊和立方體試塊的組號(hào)和編號(hào),以及再生粗骨料組分的組合比例情況詳見(jiàn)表2所示。

表2 A—D組試塊組再生粗骨料的組合比例Tab.2 Combination ratio of recycled coarse aggregate in groups A—D

1.3 試驗(yàn)方法

將達(dá)到28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間的A—D組再生混凝土棱柱體試塊及立方體試塊從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)取出,并按照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)[12]的相關(guān)要求,在微機(jī)控制電液伺服試驗(yàn)機(jī)上分別進(jìn)行再生混凝土棱柱體試塊的四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)和立方體試塊的抗壓試驗(yàn)。四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)示意圖(單位:mm)Fig.1 Schematic diagram of four-point bending tests(unit:mm)

在試驗(yàn)過(guò)程中,注意觀測(cè)并記錄A—D組再生混凝土棱柱體試塊和立方體試塊中每個(gè)試塊的破壞特征和極限荷載值,并依照文獻(xiàn)[12]計(jì)算每個(gè)棱柱體試塊和立方體試塊的彎曲抗拉強(qiáng)度值和抗壓強(qiáng)度值。各組棱柱體試塊的彎拉強(qiáng)度(f)和立方體試塊的抗壓強(qiáng)度(cu)分別取該組內(nèi)所有試驗(yàn)試塊彎拉強(qiáng)度的平均值和試驗(yàn)試塊抗壓強(qiáng)度的平均值。各組再生混凝土材料的折壓比(λ)取該組試塊的彎拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值,即:λ=f/cu。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)標(biāo)養(yǎng)28 d的A—D組試塊分別進(jìn)行了彎曲抗拉試驗(yàn)和抗壓試驗(yàn),彎拉強(qiáng)度采用6個(gè)試塊的平均值,抗壓強(qiáng)度采用3個(gè)試塊的平均值。本文試驗(yàn)結(jié)果詳見(jiàn)表3所示。由表3可知,再生骨料粒徑越大,再生混凝土試塊的不均勻性也越大。

表3 A—D組試塊彎拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results of flexural tensile strength and compressive strength of test samples in groups A—D

2.2 再生粗骨料最大粒徑對(duì)彎拉強(qiáng)度影響

由彎曲抗拉試驗(yàn)時(shí)觀察到的破壞現(xiàn)象可以發(fā)現(xiàn),A—D組再生混凝土棱柱體試塊產(chǎn)生的裂縫均出現(xiàn)在施加荷載接近極限值時(shí)刻,且裂縫一旦出現(xiàn)就迅速發(fā)生斷裂破壞,顯示為脆性破壞特征。

圖2 再生粗骨料最大粒徑對(duì)彎拉強(qiáng)度的影響曲線Fig.2 Influence curve of maximum particle size of recycled coarse aggregate on flexural strength

2.3 再生粗骨料最大粒徑對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度的影響

圖3 再生粗骨料最大粒徑對(duì)抗壓強(qiáng)度影響曲線Fig.3 Influence curve of maximum particle size of recycled coarse aggregate on compressive strength

2.4 再生粗骨料最大粒徑對(duì)折壓比的影響

再生混凝土折壓比是反映再生混凝土材料韌性程度的一個(gè)重要指標(biāo)。λ越大,則再生混凝土材料的韌性程度就越好,反之則脆性越大。圖4為λ隨Φmax變化而變化的直方圖。由圖4及表3可以看出,Φmax的取值在10～31 mm范圍內(nèi)變化時(shí),λ的取值范圍在0.091～0.157之間變化,當(dāng)Φmax的取值由10 mm逐漸增加到31 mm時(shí),λ的值隨Φmax取值的逐漸增大而呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)。λ的最大值比最小值高出45.2%,這說(shuō)明要想得到較優(yōu)韌性性能的再生混凝土,在相同配合比條件下應(yīng)優(yōu)先考慮選取小粒徑的再生粗骨料來(lái)配制再生混凝土材料。

圖4 再生粗骨料最大粒徑對(duì)折壓比的影響曲線Fig.4 Influence curve of the maximum particle size of recycled coarse aggregate on the compression ratio

2.5 考慮最大粒徑影響的彎拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度關(guān)系

由圖4可知,Φmax的取值在10～31 mm范圍內(nèi)變化時(shí),λ的取值近似于線性變化?？紤]Φmax對(duì)λ的影響,假設(shè)λ隨Φmax變化符合式(1)計(jì)算模型。

λ=a+bΦmax

(1)

式中,a、b為試驗(yàn)常數(shù)。

基于試驗(yàn)數(shù)據(jù),采用MATLAB軟件對(duì)式(1)進(jìn)行最小二乘法回歸擬合分析,可得:a=0.185 9,b=-0.003 1,并將a、b的值代入式(1),可得式(2)。

λ=0.185 9-0.003 1Φmax

(2)

將λ=ff/fcu代入式(2),可得式(3)。式(3)即基于再生粗骨料最大粒徑取值變化及立方體抗壓強(qiáng)度的再生混凝土彎拉強(qiáng)度計(jì)算模型。該計(jì)算模型的計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好。

ff=(0.185 9-0.003 1Φmax)fcu

(3)

3 結(jié)論

1)再生粗骨料最大粒徑在10～31 mm范圍內(nèi),再生混凝土的彎曲抗拉強(qiáng)度隨再生粗骨料最大粒徑的增大而減小。

2)再生粗骨料最大粒徑在10～31 mm范圍內(nèi),再生混凝土抗壓強(qiáng)度隨再生粗骨料最大粒徑的增大呈現(xiàn)出先增加,而后減小的趨勢(shì),并且最大值介于再生粗骨料最大粒徑15～31 mm之間。

3)隨再生粗骨料最大粒徑的逐漸增大,再生混凝土折壓比呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)。再生粗骨料最大粒徑為31 mm時(shí)的折壓比僅為最大粒徑為10 mm時(shí)的45%左右。

4)建立了考慮再生粗骨料最大粒徑影響的再生混凝土彎拉強(qiáng)度和立方體抗壓強(qiáng)度的關(guān)系模型,可為基于抗壓強(qiáng)度的再生混凝土彎拉強(qiáng)度的計(jì)算提供借鑒。