再生混凝土基本力學性能研究

□文/楊德健 高永孚

將廢棄混凝土重新運用于建筑工程中，可以節約資源，實現建筑業的可持續發展。再生混凝土工程應用，首先要了解它的基本力學性能。為此，天津市建筑設計院、天津城市建設學院土木工程系和天津市裕川環保制品有限公司進行了再生混凝土基本力學性能的試驗研究并取得初步成果。

再生混凝土抗壓強度及彈性模量試驗

試驗設計

試驗原材料包括42.5R級普通硅酸鹽水泥；細骨料為天然河砂、中砂；天然粗骨料為天然碎石，再生粗骨料是由廢棄混凝土經過破碎、篩分、顆粒整形之后得到的再生骨料，粗骨料的具體物理性能詳見表1。高效減水劑，減水率為0.75%；拌和水為普通自來水。

表1 粗骨料基本物理性能

再生混凝土的抗壓強度與彈性模量試驗按照GB／T 50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行測試。配制3個強度等級（C20、C30和C40），3種不同再生骨料取代率（30%、50%和100%）的再生混凝土，抗壓強度試件采用邊長100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，軸心抗壓強度采用邊長100 mm×100 mm×300 mm的棱柱體試件；通過RMT-150C試驗機來測試彈性模量，試件選用直徑50 mm、高100 mm的圓柱體試塊。

抗壓強度

按照普通混凝土的抗壓強度試驗方法，28 d后測試再生混凝土的立方體抗壓強度及棱柱體抗壓強度，結果見表2。

表2 再生混凝土強度測試結果

圖1和圖2是根據表2作出的抗壓強度與再生骨料取代率的關系。

圖1 再生混凝土立方體抗壓強度

圖2 再生骨料混凝土軸心抗壓強度

從表2及圖1和圖2可以看出，同一強度等級再生混凝土的抗壓強度基本大于普通混凝土，只有R30-50和 R30-100較普通混凝土略低。Yoda[1]、Ridzuan[2]、張亞梅[3]等也得出了再生混凝土強度有高于普通混凝土的趨勢的結論。在不摻加減水劑的情況下，再生骨料取代率為30%時，立方體抗壓強度達到最大；當超過30%以后，立方體抗壓強度降低。對于不同強度等級的再生混凝土，抗壓強度隨強度等級的提高而顯著提高。棱柱體抗壓強度變化規律和立方體抗壓強度變化規律完全相同。

從表2及圖1和圖2還可得知，摻加減水劑的再生混凝土不僅可以改善和易性，而且抗壓強度也大幅度提高，立方體抗壓強度比同取代率下不添加減水劑的再生混凝土增加了16.94%，軸心抗壓強度增加了13.3%。

再生混凝土強度高于普通混凝土的主要原因。

（1）再生粗骨料經過顆粒整形后各項性能明顯改善，顯著提高了堆積密度和密實度，降低了壓碎指標值，使之接近天然粗骨料[4]。

（2）再生骨料具有大量的微孔、微管，吸水率較大，使得再生骨料附近水灰比較大[5]。

再生混凝土取代率超過某一最佳值強度開始降低，這是由于再生骨料本身強度低，再生骨料與新水泥石基體的界面薄弱等原因，使得負效應占主導，從而降低了再生混凝土強度。

彈性模量

按照普通混凝土彈性模量的測試方法對再生混凝土的彈性模量進行了試驗分析，28 d后測試再生混凝土的彈性模量測試結果見表3。

表3 再生混凝土彈性模量測試結果 MPa

由表3和圖3看出，同一強度等級的再生混凝土彈性模量較普通混凝土低。隨著再生粗骨料取代率的增大，再生混凝土的彈性模量逐漸降低；對于不同強度等級的再生混凝土，再生混凝土的彈性模量隨水灰比的降低而提高。當再生骨料取代率為100%時，3種強度等級混凝土的彈性模量下降了21.2%～24.4%。在以往的彈性模量研究中，普遍認為再生混凝土的彈性模量較普通混凝土低，降低幅度大概在15%～40%[6]，與本試驗結論相符。

圖3 再生骨料取代率和彈性模量的關系

再生混凝土彈性模量降低的原因是由于大量的砂漿附著于再生骨料上，而這些砂漿的彈性模量相對較低，同時再生骨料孔隙率較大，也會降低再生混凝土的彈性模量。再生混凝土的彈性模量降低，導致其在荷載的作用下變形增加。所以再生混凝土在用于結構構件時，需要考慮其引起的結構構件變形增大問題。

彈性模量與立方體抗壓強度的關系

對于普通混凝土的彈性模量，在ACI規范和GB 50010-2002《混凝土結構設計規范》中，分別用式（1）和式（2）表示

為了更好地反映彈性模量和立方體抗壓強度的關系，在試驗數據基礎上，綜合國內外學者研究成果總結出關系曲線，見圖4。

圖4 再生混凝土抗壓強度與彈性模量的關系

就圖4所列數據進行統計回歸分析，得出再生混凝土彈性模量計算公式

應力-應變全曲線試驗研究

實測應力-應變全曲線

按再生粗骨料取代率不同將試驗分為4組，每組取6個試件。試驗所得的每條曲線均取自6塊圓柱體全曲線的平均值。圖5給出了實測的不同再生粗骨料取代率下再生混凝土的應力-應變全曲線。

圖5 再生混凝土應力-應變全曲線

由圖5可以看出，再生粗骨料取代率對混凝土的應力-應變全曲線有較大影響，但均由上升段和下降段組成且存在比例極限點、臨界應力點、峰值點、反彎點和收斂點。隨著再生粗骨料取代率的增加，應力-應變全曲線上升段的斜率逐漸減小，表明再生混凝土的彈性模量降低；下降段變陡，表明材質變脆。當再生粗骨料的取代率增大時，再生混凝土的峰值應力逐漸增大，其原因是再生骨料與新拌水泥砂漿之間有很好的相容性，彼此存在發生化學反應的可能；再生骨料表面粗糙，界面咬合力強；再生骨料吸水率大，能吸收新拌水泥砂漿中多余的水分，既降低了粗骨料表面的水灰比，也降低了混凝土拌和物的有效水灰比。

由圖5還可看出，再生混凝土的峰值應變較普通混凝土略微增加，在達到峰值應力之前再生混凝土的變形能力較普通混凝土略好。峰值應變和混凝土的彈形模量有關，再生骨料的性質決定了再生混凝土的彈形模量比普通混凝土變形模量小。因此，再生混凝土峰值應變比普通混凝土的峰值應變大。

應力-應變全曲線方程

以σ/fc和ε/εp為坐標的應力-應變全曲線見圖6，其中σ為應力，ε為應變。

圖6 再生混凝土無量綱的應力-應變全曲線

將試驗所得的數據用最小二乘法計算擬合，分別得到再生骨料替代率為R=30%和R=100%時的應力-應變全曲線方程及全曲線與實測的全曲線對比，見圖7和圖8。

圖7 R=30%時應力-應變擬合全曲線與實測的全曲線

圖8 R=100%時應力-應變擬合全曲線與實測的全曲線

結論

（1）再生混凝土的立方體抗壓強度及棱柱體抗壓強度基本大于普通混凝土，再生骨料取代率為30%時為最佳狀態，強度最高。再生混凝土的強度隨水灰比的減小而增加。

（2）混凝土減水劑可明顯改善再生混凝土的和易性并提高混凝土強度，建議C40以上強度等級的再生混凝土添加減水劑。

（3）本文提出了再生混凝土抗壓強度與彈性模量的關系式。研究表明，再生混凝土的彈性模量較普通混凝土低，而且隨著再生粗骨料取代率的增加而降低，對于取代率為100%的再生混凝土，彈性模量下降了21.2%～24.4%。

（4）再生混凝土的應力-應變全曲線與普通混凝土應力-應變全曲線類似，分上升段和下降段且峰值應變和峰值應力隨再生粗骨料取代率的增加而增加，但下降段曲線較普通混凝土陡，說明再生混凝土的材質變脆。

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