再生混凝土力學性能試驗研究

李偉娜 （福州軟件職業技術學院，福建 福州 350000）

火災是高層及超高層建筑中經常遭遇的災害，嚴重威脅人類的生命財產，對混凝土的性能具有嚴重的不利影響。為了響應國家的政策，將火災后混凝土進行重復利用是解決上述廢棄混凝土堆積的有效方法。因此，分析不同影響因素對火災損傷廢棄再生混凝土各種性能的影響，對于優化設計其混凝土組成材料具有重要的指導作用[1-3]。

趙雪云等人[4]認為再生混凝土的強度在高受火溫度以及長受火時間作用時下降幅度更明顯；陳宗平等人[5-7]認為火災溫度越高，再生混凝土容易出現裂縫，導致極限承載力及抗彎剛度出現大幅下降。然而，現有針對災害再生混凝土的研究相對局限，缺乏系統的針對火災后再生混凝土工作性能及力學性能的分析。鑒于此，本文開展了不同舊料摻量下再生混凝土的燒失量、抗壓強度、承載力以及粘結性能的研究。研究可以有效評估火災損傷后混凝土的性能，并為災后廢棄材料的重復利用提供一定指導。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

混凝土采用的原材料包括砂、水泥、廢棄料、花崗巖碎石、水。其中，花崗巖碎石的最大粒徑為20mm，最小粒徑為5mm；河砂的細度模數為2.6；廢棄混凝土的最大粒徑為5mm，最小粒徑為2mm。再生混凝土的配合比設計流程按照規范JGJ 55-2011《普通混凝土配合比設計規程》[8]規定進行。文中所需的再生混凝土材料組成比例如表1所示。

表1 材料組成比例

1.2 試驗方法

制備的再生混凝土尺寸為150mm×150mm×150mm，用于分析再生混凝土的燒失量及抗壓強度。用上述混凝土制備型鋼構件，用于分析其承載力及粘結性能。承載力試驗采用混凝土受壓試驗；粘結性能采用混凝土推出試驗。為了分析再生混凝土在不同溫度環境的性能，文中涉及火災試驗，溫度設置為常溫、300℃、600℃，試驗時間為60min，記錄燃燒后型鋼混凝土構件的應變、滑移等數據。

2 試驗結果

2.1 常溫下再生混凝土抗壓強度分析

根據上述的測試方法及制備的材料類型，常溫下再生混凝土抗壓強度隨舊料摻量變化如表2 所示。從表2 中可以看出，隨著舊料摻量的增加，再生混凝土抗壓強度不斷下降。當再生混凝土的舊料摻量從0 增加至100%，再生混凝土的抗壓強度從32.3MPa 降低至25.1MPa，降低幅度達到22.3%。

表2 常溫下再生混凝土抗壓強度

2.2 火災后再生混凝土燒失量分析

根據上述的火災測試方法及制備的材料類型，火災后再生混凝土燒失量及混凝土顏色變化狀態如表3所示，本表中僅僅展示了未摻舊料及摻100%舊料再生混凝土的測試結果。從表3中可知，隨著燃燒溫度的增加，再生混凝土的質量損失率不斷增加，顏色從無變化到灰白色，表面開始出現裂紋且隨著燃燒溫度增加裂紋更加明顯。此外，摻入舊料后，再生混凝土的燒失量開始增加，即再生混凝土的抗火災性能下降。當受火溫度為600℃時，與未摻舊料混凝土相比，摻入100%的再生混凝土質量損失率從0.033 增加至0.05，增加幅度為51.5%；對于常規混凝土，當溫度從300℃增加至600℃，再生混凝土的燒蝕量從0.023增加至0.033，增幅為43.5%；對于再生混凝土，當溫度從300℃增加至600℃，再生混凝土的燒失量從0.035 增加至0.05，增幅為42.9%。上述研究結果表明，廢舊料的加入使得混凝土的抗火災性能下降，且該現象隨著受火溫度的增加更加明顯。

表3 火災后再生混凝土燒失量

2.3 火災后再生混凝土抗壓強度分析

受火后再生混凝土的抗壓強度隨著舊料摻量的演變規律如圖1所示。從圖1中可以看出，再生混凝土的抗壓強度隨著受火溫度的增加而逐漸遞減。對于常規混凝土而言，當受火溫度從常溫增加至600℃時，其抗壓強度從32.3MPa降低至15.1MPa，降幅達到53.3%；對于摻入100%舊料的再生混凝土而言，當受火溫度從常溫增加至600℃時，其抗壓強度從25.1MPa 降低至12.5MPa，降幅達到50.2%。常溫條件下，從舊料摻量為0 增加至100%，混凝土抗壓強度從32.3MPa 降低至25.1MPa，降低幅度為22.3%；300℃條件下，從舊料摻量為0 增加至100%，混凝土抗壓強度從25.4MPa 降低至15.2MPa，降低幅度為40.2%；600℃條件下，從舊料摻量為0 增加至100%，混凝土抗壓強度從15.1MPa 降低至12.5MPa，降低幅度為17.2%。這說明了高溫受火條件下，舊料摻量對混凝土抗壓強度的影響程度較小，這是由于再生混凝土遭受高溫燃燒后，所有類型再生混凝土的抗壓強度均嚴重下降，導致其變化率不是很顯著。上述分析結果表明受火條件下，舊料摻量越高，受火溫度越高，再生混凝土的強度越低。因此，為了提升再生混凝土的耐火性能，不可為了追求經濟效益，持續增加舊料的摻量[9-11]。

圖1 不同火災溫度下再生混凝土抗壓強度與舊料摻量相關關系

2.4 火災后型鋼再生混凝土柱承載力分析

不同受火溫度環境下舊料摻量為100%的型鋼柱再生混凝土的荷載-位移曲線如圖2所示。從圖2中可知，常溫條件和受火溫度為300℃條件下，再生混凝土柱的荷載-位移曲線比較近似，呈現先近似直線增加后緩慢增加再下降的趨勢。這三個階段分別為彈性階段，混凝土和型鋼共同承擔荷載的作用，隨著荷載的增加，混凝土和型鋼出現滑移導致混凝土表面出現裂縫；彈塑性階段，隨著荷載的增加，混凝土的表面逐漸出現開裂，混凝土出現剝落現象，型鋼開始屈服；最后是破壞階段，混凝土柱的承載力不斷下降，混凝土出現破損，僅僅有型鋼起到承載作用，但是其開始屈曲變形，導致整體再生混凝土柱的承載力急劇下降。對于受火溫度為600℃，相同位移條件下，型鋼柱再生混凝土柱的承載力顯著下降。

圖2 不同火災溫度下再生混凝土構件承載力分析

2.5 火災后型鋼再生混凝土粘結性能分析

不同受火溫度環境下舊料摻量為100%的型鋼柱再生混凝土相對滑移曲線如圖3所示。從圖3中可知，所有條件下型鋼再生混凝土柱的相對滑移曲線均呈現先快速增加后快速下降再快速上升的趨勢，存在兩個顯著的峰值。當溫度從300℃增加至600℃時，型鋼柱再生混凝土的峰值位移從12mm 增加至14mm，增加幅度為16.7%；最終滑移量從21mm 增加至23mm，增幅為9.5%。這表明火災溫度越高，型鋼柱再生混凝土的抗滑移能力快速減弱，導致滑移量增加。此外，600℃條件下，常規混凝土柱的峰值位移為6.5mm，最終滑移量為17mm，與其相比，舊料摻量為100%的型鋼柱再生混凝土的峰值位移增幅達115.4%，最終滑移量增幅為35.3%。這意味著摻入舊料后，型鋼柱再生混凝土的抗滑移能力顯著下降。

圖3 不同火災溫度下再生混凝土構件粘結性能分析

3 結語

（1）隨著舊料摻量的增加，再生混凝土抗壓強度不斷下降。當再生混凝土的舊料摻量從0 增加至100%，再生混凝土的抗壓強度從32.3MPa 降低至25.1MPa，降低幅度達到22.3%。

（2）隨著燃燒溫度的增加，再生混凝土的質量損失率不斷增加，顏色從無變化到灰白色；舊料的加入使混凝土的抗火災性能下降，且該現象隨受火溫度的增加更加明顯。

（3）舊料摻量越高，受火溫度越高，再生混凝土的強度越低。再生混凝土柱的荷載-位移曲線呈現先近似直線增加后緩慢增加再下降的趨勢；型鋼再生混凝土柱的相對滑移曲線呈現先快速增加后快速下降再快速上升的趨勢，存在兩個顯著的峰值。

（4）當溫度從300℃增加至600℃時，型鋼柱再生混凝土的峰值位移增加幅度為16.7%，最終滑移量增幅為9.5%；600℃條件下，與常規混凝土柱相比，舊料摻量100%的型鋼柱再生混凝土的峰值位移增幅達115.4%，最終滑移量增幅為35.3%。