自密實再生骨料混凝土的基本力學性能*

余 芳， 姚大立， 胡紹金

(沈陽工業大學 建筑與土木工程學院， 沈陽 110870)

結合我國提出“節能減排”的基本國策，大力推廣應用再生混凝土具有重要的現實意義.再生骨料混凝土技術是將廢棄混凝土經過破碎、清洗、分級后，按一定的比例混合形成再生骨料，部分或全部代替天然骨料配制新混凝土的技術[1-2].目前再生骨料混凝土在國內已有較多研究和工程應用，但多為用再生骨料做部分替代[3-6].截止目前為止，以100%再生骨料作為粗骨料的再生骨料混凝土的試驗研究和工程應用還鮮有報道.

此外，自密實混凝土作為高性能混凝土的一種，具有良好的工作性能，在越來越多重要建筑工程中得到廣泛應用[7-9]，但是通過現有文獻檢索，在科學試驗研究和工程應用中還鮮有以再生骨料作為粗骨料的自密實再生骨料混凝土的相關報道.

本文以100%再生骨料作為粗骨料，研究抗壓強度等級為C30～C50的自密實再生骨料混凝土(RA-SCC)的基本力學性能，并比較其與天然骨料混凝土(NA-C)、自密實天然骨料混凝土(NA-SCC)力學性能之間的差異，具有重要的現實意義和應用價值.

1 試驗概況

1.1 試驗原材料

試驗用水泥為山水工源牌水泥，配制C30和C40混凝土時采用PS32.5級礦渣硅酸鹽水泥，配制C50混凝土時采用PO42.5級普通硅酸鹽水泥，其表觀密度為3 100 kg/m3；粉煤灰采用沈西熱電廠生產的1級粉煤灰，其表觀密度為2 200 kg/m3；細骨料均采用含泥量小于1%的天然水洗中砂，其表觀密度為2 620 kg/m3；天然粗骨料采用遼寧撫順生產的石灰石碎石，再生粗骨料為試驗室強度等級為C50的廢棄混凝土試塊，首先通過最大粒徑為20 mm的顎式破碎機破碎，經過180 L的立式攪拌機20 min強力攪拌，打磨去除骨料表面舊水泥漿，然后篩分而成，其實測主要性能如表1所示.減水劑采用遼寧省建筑科學研究院生產的LJ612型聚羧酸高效減水劑.

表1 粗骨料的基本性能Tab.1 Fundamental properties of coarse aggregate

1.2 試件設計與制作

本文試驗設計了3種強度(C30、C40、C50)、3種類型(天然骨料混凝土NA-C、天然骨料自密實混凝土NA-SCC、自密實再生混凝土RA-SCC)，共9種混凝土試件，試件配合比如表2所示.

表2 混凝土配合比Tab.2 Mixing proportions of concrete

基本力學性能試驗的加載制度參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T50081-2002)[10].采用130 L強制式攪拌機攪拌5 min后，將拌合物裝入試模中，NA-C混凝土置于振動臺上振實，NA-SCC和RA-SCC混凝土裝入試模后放置于水平地面，24 h后拆模，將拆模后的試件立即置于標準養護室內進行養護至28 d后再進行試驗.

2 試驗及結果分析

2.1 劈拉強度

本文試驗采用劈拉試驗測定試件劈拉強度，采用試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體，按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T50081-2002)測定混凝土的28 d劈拉強度ft，試驗結果如表3所示，其中，fcu為混凝土立方體抗壓強度.由表3可知，RA-SCC的劈拉強度發展規律與NA-C和NA-SCC相似，均隨著抗壓強度的提高而增大.將試件的劈拉強度與抗壓強度比值記作拉壓比[11]，由表3可以看出，抗壓強度等級為C30～C50的RA-SCC的拉壓比在1/17.4～1/15.4之間，比NA-SCC的拉壓比(1/15.2～1/12.9)降低了15.3%～21.9%，意味著RA-SCC的脆性比NA-SCC更大，表明粗骨料的自身特性對混凝土拉壓比有較大影響.與NA-C(1/13.0～1/12.6)相比，RA-SCC的拉壓比降低更多，達到23.4%～33.3%，這表明與NA-C相比，RA-SCC的脆性更加明顯，因此，普通混凝土抗震規范不宜直接用于RA-SCC的結構設計中，在高烈度地震區使用RA-SCC結構應采取必要的構造措施以保證結構的抗震性能.

表3 劈拉強度試驗結果Tab.3 Test results of splitting tensile strength

2.2 棱柱體強度

棱柱體強度是混凝土構件設計的主要指標之一.本文采用試件尺寸為100 mm×100 mm×300 mm的棱柱體，按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T50081-2002)測得棱柱體強度fc，試驗結果如表4所示.由表4可知，RA-SCC的棱柱體強度隨抗壓強度的提高而提高，這與NA-C和NA-SCC的棱柱體強度發展規律一致.將各組試件的棱柱體強度與抗壓強度比值記作αc1，可以看出，抗壓強度等級為C30～C50的RA-SCC的αc1在1/1.28～1/1.20范圍內，與NA-C的αc1(1/1.40～1/1.28)和NA-SCC的αc1(1/1.35～1/1.24)相比略有提高，這說明自密實再生混凝土棱柱體強度與抗壓強度的差異最小.

表4 棱柱體強度試驗結果Tab.4 Test results of prism strength

2.3 抗折強度

抗折強度是評價混凝土構件受彎性能的一個重要指標.本文采用試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體，按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T50081-2002)測得混凝土28 d抗折強度fw，試驗結果如表5所示.由表5可知，隨著立方體抗壓強度的提高，RA-SCC的抗折強度緩慢提高，這與NA-C和NA-SCC的抗折強度發展相似.將抗折強度與立方體抗壓強度之比記作折壓比，可知抗壓強度等級為C30～C50的RA-SCC(1/18.2～1/18.0)和NA-SCC(1/18.7～1/18.1)的折壓比均約為1/18.0，這說明粗骨料的性質對折壓比幾乎無影響.但與NA-C的折壓比(1/17.2～1/16.2)相比，RA-SCC的折壓比(1/18.2～1/18.0)較低，這意味著在相等抗壓強度下，RA-SCC的抗折強度明顯較小，因此，簡單地按普通混凝土規范進行自密實再生混凝土受彎構件設計是不合適的.

表5 抗折強度試驗結果Tab.5 Test results of flexural strength

2.4 彈性模量

彈性模量是評價混凝土變形性能的主要指標，反映了混凝土抵抗變形的能力.為了比較RA-SCC與NA-C、NA-SCC的變形性能，采用試件尺寸為100 mm×100 mm×300 mm的棱柱體，按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T50081-2002)測定混凝土28 d彈性模量Ec，試驗結果如表6所示.根據以往文獻成果，不同學者對于普通混凝土建立的彈性模量計算公式分別為

(1)

(2)

我國規范[12]采用的是式(1)形式，文獻[13]采用的是式(2)形式.根據本文得到的RA-SCC彈性模量試驗結果按以上各式進行擬合，發現用式(2)形式的計算值與試驗值吻合較好，其相關系數為0.998 8，表達式為

表6 彈性模量試驗結果Tab.6 Test results of elastic modulus

(3)

圖1為彈性模量與抗壓強度關系，表6為彈性模量試驗結果.由圖1和表6可知，NA-C與NA-SCC對應的數據點均位于RA-SCC擬合曲線上方，這說明NA-C和NA-SCC的彈性模量均大于RA-SCC，這是由于再生骨料的彈性模量低于天然骨料而造成的.當抗壓強度等級不小于C40時，NA-C的彈性模量相對RA-SCC擬合曲線的偏離程度遠大于NA-SCC，而當抗壓強度等級小于C40時，NA-C的彈性模量相對RA-SCC擬合曲線的偏離程度與NA-SCC相近.這是因為當水膠比較小(抗壓強度等級不小于C40)時，混凝土的彈性模量主要取決于骨料的彈性模量和含量，骨料含量越高，混凝土的彈性模量越大；而當水膠比較大(抗壓強度等級小于C40)時，混凝土的彈性模量主要取決于水泥石的彈性模量，即水膠比的大小，此時骨料含量對彈性模量的影響較小.

圖1 彈性模量與抗壓強度關系Fig.1 Relationship between elastic modulus and compressive strength

3 結 論

本文對抗壓強度等級為C30～C50的RA-SCC、NA-C、NA-SCC進行劈拉、棱柱體抗壓、抗折以及彈性模量對比試驗，得到如下結論：

1) RA-SCC的劈拉強度隨混凝土抗壓強度的增加而增大，與NA-C和NA-SCC相比，RA-SCC的拉壓比更小，脆性更大；

2) RA-SCC的棱柱體強度隨混凝土抗壓強度的增加而增大，其棱柱體強度與抗壓強度的比值與NA-C、NA-SCC相比略有提高；

3) RA-SCC的抗折強度隨混凝土抗壓強度的增加而增大，其抗折強度與抗壓強度之比與NA-SCC基本相同，但顯著低于NA-C；

4) RA-SCC的彈性模量隨混凝土抗壓強度的增加而增大，其彈性模量低于NA-C和NA-SCC；

5) 根據試驗結果建立了RA-SCC的彈性模量與立方體抗壓強度的關系式，為RA-SCC的應用提供了設計依據.