破碎卵石再生混凝土折壓比試驗研究

安新正，劉浩楠，張翠霞，邊金明，羋 崢

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

近年來，建筑工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快引發(fā)了環(huán)境問題和資源問題加劇。由于廢棄舊建筑的拆除導(dǎo)致了大量建筑垃圾的隨意堆棄,不僅污染環(huán)境,還占用大量土地資源[1]。另外，卵石具有質(zhì)地堅硬、抗壓強(qiáng)度大的優(yōu)點[2]，被廣泛應(yīng)用于工程中，但天然卵石資源的過渡開采導(dǎo)致了級配較好的優(yōu)質(zhì)卵石資源稀缺，而一些不符合工程要求的大塊廢棄卵石被隨意丟棄河道內(nèi)，阻礙船只通行，存在極大的安全隱患。將大塊卵石進(jìn)行破碎后制成粗骨料應(yīng)用于混凝土材料中是解決廢棄卵石隨意丟棄的重要途徑。目前破碎卵石粗骨料混凝土已在工程中得到了廣泛應(yīng)用，在此背景下，如果將廢棄混凝土破碎后制成再生粗骨料，以部分(或全部)取代為破碎卵石粗骨料，來生產(chǎn)滿足工程需要的混凝土，不僅可以節(jié)省大量優(yōu)質(zhì)卵石資源，還可以解決建筑垃圾的安置問題。目前，大多數(shù)國內(nèi)外學(xué)者的相關(guān)研究都集中在碎石粗骨料再生混凝土的強(qiáng)度以及耐久性研究方面[3-8]，對破碎卵石粗骨料再生混凝土的研究鮮有涉及。基于此，本文以廢棄混凝土粗骨料取代率作為參量，分別設(shè)計制作了36個立方體試件與36個棱柱體試件來開展相關(guān)試驗研究。通過試驗研究，分析了破碎卵石再生混凝土在不同齡期下的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度隨廢棄混凝土粗骨料取代率變化的規(guī)律，并分別建立了破碎卵石再生混凝土折壓比、類折壓比與廢棄混凝土粗骨料取代率的相關(guān)關(guān)系計算公式。

1 試驗概況

水泥：P.O 42.5級普通硅酸鹽水泥；粉煤灰：Ⅱ級粉煤灰，摻量為10%；細(xì)骨料：細(xì)度模數(shù)為1.7的天然河砂；粗骨料：包括天然粗骨料和再生粗骨料，其中天然粗骨料采用連續(xù)級配的破碎天然卵石粗骨料(圖1)，再生粗骨料采用廢棄混凝土梁構(gòu)件(強(qiáng)度等級為C30)經(jīng)顎式破碎機(jī)破碎、篩分得到的連續(xù)級配的廢棄混凝土再生粗骨料(主要成分為水泥砂漿塊和表面粘連老舊砂漿的碎石塊，其中水泥砂漿塊含量約20%～30%，見圖2)，粗骨料物理性能指標(biāo)詳見表1；水：邯鄲市飲用自來水；減水劑：減水率為25%的高效聚羧酸液態(tài)減水劑。由于再生粗骨料吸水率較高，在進(jìn)行配合比設(shè)計時按24 h吸水率計算附加用水量[9]。

圖1 破碎卵石粗骨料Fig.1 Broken pebble coarse aggregate

圖2 廢棄混凝土再生粗骨料Fig.2 Recycled coarse aggregate from waste concrete

表1 粗骨料物理性能指標(biāo)

2 配合比及試件制作

2.1 配合比

試驗用破碎卵石再生混凝土中，廢棄混凝土再生粗骨料取代率r分別取0%、15%、30%、45%，其對應(yīng)的立方體試件組編號分別為RCLF0、RCLF15、RCLF30、RCLF45，對應(yīng)的棱柱體試件組編號分別為RCLZ0、RCLZ15、RCLZ30、RCLZ45。破碎卵石再生混凝土詳細(xì)配合比見表2[9]。減水劑用量均取4.17 kg/m3。

表2 破碎卵石再生混凝土配合比 (單位：kg·m-3)

2.2 試件制作與試驗方法

基于試驗研究的要求，100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件和100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試件依照表2的配合比設(shè)計進(jìn)行再生混凝土配制和試件澆筑工作，并在24 h完成試件拆模后，將所有試件送入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室(養(yǎng)護(hù)溫度(20±2)℃，濕度為≥95%)養(yǎng)護(hù)備用，養(yǎng)護(hù)齡期分別為3、14和28 d。

依照文獻(xiàn)[10]要求的相關(guān)試驗方法，各組試件的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度試驗在1 000 kN微機(jī)控制電液伺服萬能試驗機(jī)上進(jìn)行，試驗圖見圖3和圖4。

圖3 抗壓強(qiáng)度試驗Fig.3 Compressive strength test

圖4 抗折強(qiáng)度試驗Fig.4 Flexural strength test

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度

破碎卵石再生混凝土抗壓強(qiáng)度(fcu)以及抗折強(qiáng)度(ff)試驗結(jié)果見表3和表4,為了更直觀地反映出不同齡期下破碎卵石再生混凝土的抗壓強(qiáng)度(fcu)以及抗折強(qiáng)度(ff)隨廢棄混凝土再生粗骨料取代率r的變化關(guān)系，本文以折線圖的形式呈現(xiàn)fcu和ff隨r的變化關(guān)系(圖5、圖6)。由圖5、圖6可以看出，隨r的增加，fcu與ff變化趨勢呈現(xiàn)先增后降，當(dāng)r=30%時，fcu與ff均達(dá)到最大值。這是因為再生粗骨料孔隙較多且表面粗糙，這可以增大與水泥砂漿的接觸面積，進(jìn)而使界面粘結(jié)強(qiáng)度增大[11]。并且，在再生混凝土拌和過程中，再生粗骨料表面上粘連的砂漿塊會快速吸收水分并與自由水結(jié)合形成薄膜，將吸收的水密封在內(nèi)部[12]。在養(yǎng)護(hù)階段，密封水被未水化的水泥顆粒吸收并反應(yīng)，對fcu與ff的提升起有利作用。當(dāng)粗骨料摻入過多時，fcu、ff均有所下降，這是由于再生粗骨料的強(qiáng)度極不平衡，又間接弱化了黏結(jié)界面的黏結(jié)強(qiáng)度。

表3 破碎卵石再生混凝土抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果

表4 破碎卵石再生混凝土抗折強(qiáng)度試驗結(jié)果

圖5 不同齡期下試件fcu隨r的變化關(guān)系曲線Fig.5 The relationship between fcu and r in different ages

圖6 不同齡期下試件ff隨r的變化關(guān)系曲線Fig.6 The relationship between ff and r in different ages

3.2 折壓比

折壓比α(α=ff/fcu)可以反映混凝土材料的韌性和抗裂性能[13-14]。當(dāng)α較高時，材料的韌性和抗裂性能較好；相反，α較低時，韌性和抗裂性能較差。折壓比α隨再生粗骨料取代率r的變化規(guī)律，如圖7所示。由圖7可知，與齡期為14、28 d相比，齡期為3 d的破碎卵石再生混凝土折壓比α沒有顯著的統(tǒng)一變化規(guī)律，且α相對較小，總體范圍在0.103 9～0.131 4之間。相比于r=0%，r=15%時的α降幅約為24.8%，但隨著r的進(jìn)一步增大，α變化幅度趨于穩(wěn)定。當(dāng)齡期為14 d時，α隨r的增加呈先增加后降低的趨勢，α在0.152～0.190范圍內(nèi)波動。與齡期為3 d和14 d相比，齡期為28 d時α變化幅度較小，在0.173～0.189范圍內(nèi)波動；且α隨著r的增大呈先增大后減小的趨勢，當(dāng)r<30%時,α隨r的增加而增加，當(dāng)r>30%時，折壓比α隨r的增加而顯著下降，當(dāng)r=30%時α達(dá)到最大，相比于r=0%其增幅為3.28%,此時抗裂性能以及韌性最好。

圖7 破碎卵石再生混凝土α隨r變化折線圖Fig.7 Broken line diagram of α changing with r of recycled concrete with broken pebbles

為了更直觀地反映出28 d齡期下破碎卵石再生粗骨料取代率r對折壓比α的影響規(guī)律，基于文獻(xiàn)[15]，建立了α與r的相關(guān)關(guān)系計算公式，即：

α=-0.000 021 6r2+0.000 82r+0.181

(1)

折壓比α隨粗骨料取代率r的變化趨勢見圖8。不難發(fā)現(xiàn)，r對ff/fcu的變化趨勢有重要影響，故根據(jù)公式(1)，進(jìn)一步得到了破碎卵石再生混凝土ff關(guān)于fcu與r的計算關(guān)系式，見式(2)：

ff=(-0.000 021 6r2+0.000 82r+0.181)fcu

(2)

圖8 28 d齡期時試件 α 隨r的變化趨勢Fig.8 The change trend of α with r at 28 d age

將實測值帶入公式(2)中，得到計算值ff′與實測值ff的比值總體在0.99～1.01之間，其均值為0.996，標(biāo)準(zhǔn)差為0.012，可見采用式(2)得到的計算值與實測值吻合較好。

3.3 類折壓比

為了進(jìn)一步擴(kuò)大折壓比的研究范疇，依據(jù)文獻(xiàn)[15]，將β(β=ff/fcu1/2)定義為類折壓比。類折壓比β隨再生粗骨料取代率r的變化規(guī)律，如圖9所示。由圖9可以看出，破碎卵石再生混凝土類折壓比β與折壓比α的變化趨勢基本相同，其中3 d齡期下β隨r的增加變化幅度相對較小，變化范圍在0.571～0.638之間，相比于14 d和28 d，3 d齡期下β無顯著變化規(guī)律；齡期為14 d和28 d時，β隨著r的增加均呈現(xiàn)先增后降的趨勢，其變化范圍分別為0.971～1.208、1.183～1.321。且在28 d齡期下，當(dāng)r<30%時,β隨r的增加逐漸增大，當(dāng)r=30%時，相比于r=0%時β增加了9.92%，達(dá)到最大值。當(dāng)r>30%時，β由1.33降低到1.19。可以看出相對于破碎卵石再生混凝土折壓比α，β不僅能反映α與r之間的關(guān)系，在一定程度上還可以將α與r之間的關(guān)系進(jìn)一步放大。

為了進(jìn)一步反映出齡期28 d時類折壓比β隨再生粗骨料取代率r的變化規(guī)律，基于文獻(xiàn)[15]，建立了β與r的相關(guān)關(guān)系計算公式，即：

β=-0.000 189r2+0.008 43r+1.20

(3)

類折壓比β與取代率r的相關(guān)關(guān)系變化趨勢見圖10。為更直觀反映出(fcu)1/2與r對ff的影響規(guī)律，根據(jù)公式(3)，進(jìn)一步得到了ff關(guān)于fcu1/2與r的計算關(guān)系式：

ff=(-0.000 189r2+0.008 43r+1.20)(fcu)1/2

(4)

將實測值帶入公式(4)中，得到破碎卵石再生混凝土的計算值ff′與實測值ff的比值總體在0.99～1.01之間，比值均值為0.995，標(biāo)準(zhǔn)差為0.016，可見采用式(4)得到的計算值與實測值吻合較好。由于試驗測值較少，以及采用材料均來源于邯鄲地區(qū)，現(xiàn)有數(shù)據(jù)并不全面，故α與r和β與r的相關(guān)關(guān)系公式僅可為破碎卵石再生混凝土抗壓強(qiáng)度fcu和抗折強(qiáng)度ff隨取代率r變化的關(guān)系提供參考。

圖9 破碎卵石再生混凝土 β 隨r變化曲線Fig.9 Graph of β with r of recycled pepple concret

圖10 28 d齡期時試件 β 隨r的變化趨勢Fig.10 The change trend of β with r at 28 d age

4 結(jié)論

1)在不同齡期下，隨著廢棄混凝土再生粗骨料取代率r的增加，破碎卵石再生混凝土的抗壓強(qiáng)度fcu與抗折強(qiáng)度ff的變化趨勢均表現(xiàn)為先升后降，當(dāng)廢棄混凝土再生粗骨料取代率r為30%時，其抗壓與抗折強(qiáng)度均達(dá)到最大值。

2)3 d齡期下的破碎卵石再生混凝土折壓比α與類折壓比β隨再生粗骨料取代率r的變化無統(tǒng)一顯著規(guī)律；14、28 d時破碎卵石再生混凝土的折壓比α與類折壓比β的變化趨勢一致，折壓比α與類折壓比β均隨r的增加均呈先增加后減小的趨勢，r=30%時，二者均達(dá)到最大值，此時破碎卵石再生混凝土的韌性以及抗裂性能達(dá)到最佳。

3)分別建立了齡期為28 d時破碎卵石再生混凝土折壓比α和類折壓比β與取代率r的計算公式，其計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好。