高強(qiáng)再生粗骨料混凝土軸壓性能試驗(yàn)研究

王新 黃磊群 田小風(fēng) 陳炳霖

為了研究高強(qiáng)再生粗骨料混凝土軸壓性能，文章以再生粗骨料取代率、水膠比與膠凝材料用量為變化參數(shù)，設(shè)計(jì)制作了108個(gè)試件進(jìn)行棱柱體單軸抗壓試驗(yàn)。通過觀察試件的破壞過程及形態(tài)，獲取了棱柱體單軸受壓的抗壓強(qiáng)度，分析了再生粗骨料取代率、水膠比及膠凝材料用量對(duì)再生粗骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明：水膠比為0.28時(shí)，隨著粗骨料取代率的增加，高強(qiáng)再生粗骨料混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度整體上都有減小;當(dāng)膠凝材料用量為620 kg/m3時(shí)，隨著水膠比的增大，不同取代率高強(qiáng)再生粗骨料混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度持續(xù)減小，整體幅度在2.7%～27.5%之間;再生粗骨料混凝土應(yīng)用到實(shí)際建筑中時(shí)建議膠凝材料用量>620 kg/m3。

高強(qiáng)再生粗骨料;軸壓性能;水膠比;膠凝材料

U416.03A040115

0 引言

再生混凝土是指對(duì)廢混凝土塊進(jìn)行破碎、清洗和分級(jí)，然后按一定的比例相互配合以再生骨料的形式全部或部分代替天然骨料配制的混凝土[1]。隨著社會(huì)的發(fā)展，城市不斷擴(kuò)張，舊城改造不斷推進(jìn)，建設(shè)行業(yè)對(duì)于砂石骨料的需求在不斷增加。由于天然砂石骨料的過度開采，造成自然資源不斷枯竭，嚴(yán)重影響可持續(xù)發(fā)展道路[2]。另一方面，城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)每天產(chǎn)生的大量建設(shè)垃圾未經(jīng)處理，運(yùn)到城市郊區(qū)堆放，污染環(huán)境，浪費(fèi)土地資源。將廢棄的建筑垃圾資源利用起來是未來的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)[3-4]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)普通再生混凝土的基本力學(xué)性能研究已較成熟，但對(duì)高強(qiáng)再生粗骨料混凝土軸壓性能研究鮮少。為此，本文通過36組108個(gè)棱柱體試件的抗壓試驗(yàn)，觀察試件的破壞過程及形態(tài)，研究再生粗骨料取代率與水膠比對(duì)其宏觀力學(xué)性能的影響，以期為高強(qiáng)再生粗骨料混凝土的軸壓性能研究及工程實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)以再生粗骨料取代率、水膠比與膠凝材料用量為變化參數(shù)設(shè)計(jì)并制作了36組（每組3個(gè)，共108個(gè)）同一批次的棱柱體混凝土試件，試件尺寸為150 mm×150 mm×300 mm。其中再生粗骨料取代率分別為0%、30%、70%、100%，水膠比分別為0.28、0.32、0.36，膠凝材料（含水泥、粉煤灰、硅灰）分別為520 kg/m3、570 kg/m3、620 kg/m3。

各試件設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

1.2 試驗(yàn)材料及其性能

試驗(yàn)所用天然粗骨料為粒徑5～31.5 mm的連續(xù)級(jí)配。再生粗骨料采用原路面廢棄混凝土，經(jīng)過機(jī)器初步破碎、人工二次破碎后篩分成粒徑為5～20 mm的連續(xù)級(jí)配。參照《建設(shè)用卵石、碎石》[5]（GB/T 14685-2011）的測(cè)試方法，測(cè)得再生粗骨料的松散堆積密度為1 260 kg/m3，表觀密度為2 640 kg/m3，吸水率為3.2%，壓碎指標(biāo)為14.9%。

試驗(yàn)所用細(xì)骨料采用天然河砂，人工篩分成粒徑為4.75 mm以下，參照《建設(shè)用砂》[6]（GB/T 14684-2011）采用四分法取樣烘干后對(duì)細(xì)骨料進(jìn)行篩分試驗(yàn)，分計(jì)篩余如表2所示。

由表2計(jì)算可知，在Ⅱ區(qū)級(jí)配范圍內(nèi)，天然砂的細(xì)度模數(shù)為2.6，處于2.3～3.0之間，屬于中砂。另外參照規(guī)范[6]，對(duì)細(xì)骨料進(jìn)行了物理性能試驗(yàn)，其松散堆積密度為1 610 kg/m3，表觀密度為2 660 kg/m3，含泥量為1.05%。

試驗(yàn)所用水泥采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，具體性能指標(biāo)如表3所示。粉煤灰采用二級(jí)粉煤灰，參照《用于水泥和混凝土的粉煤灰》[7]（GB/T 1596-2005）測(cè)試方法，45 μm方孔篩余62.3%，比表面積為550.7m2/kg，燒失量為0.3%。拌養(yǎng)用水采用城市自來水，減水劑采用YZ-M聚羧酸高性能減水劑，減水率為25%，摻量為1%。混凝土配合比如表4所示。

1.3 混凝土配置及養(yǎng)護(hù)條件

高強(qiáng)再生粗骨料混凝土的配置參照《普通混凝土拌和物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[8]（GB/T 50080-2002）進(jìn)行，所有試件都進(jìn)行相同環(huán)境條件下的自然養(yǎng)護(hù)。

1.4 加載裝置及制度

混凝土基本力學(xué)性能試驗(yàn)參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[9]（GB/T 50081-2002）進(jìn)行加載，加載裝置采用YAW-10000J微機(jī)控制電流伺服壓剪試驗(yàn)機(jī)。加載制度為0.02 mm/s的位移控制加載，預(yù)壓100 kN后加載試件，加載至荷載降到峰值荷載的85%時(shí)停止加載。

2 破壞形態(tài)分析

高強(qiáng)再生粗骨料混凝土棱柱體試塊破壞形態(tài)以貫穿豎向裂縫為主，裂縫的分岔較少。加載初期，裂縫首先出現(xiàn)在棱柱體試塊的端部。隨著加載的進(jìn)行，豎向裂縫數(shù)量增多，且豎向裂縫逐漸由端部向試塊中部延伸。棱柱體試塊經(jīng)歷峰值荷載后，裂縫延伸貫穿整個(gè)試塊，且大多數(shù)試塊的裂縫呈平行狀。進(jìn)入破壞階段后，高強(qiáng)再生粗骨料混凝土棱柱體試塊出現(xiàn)成塊剝落現(xiàn)象。通過觀察棱柱體試塊的破壞面可知，試塊的破壞面貫穿粗骨料和水泥石，有明顯的劈裂痕跡。根據(jù)上述破壞過程可知，高強(qiáng)再生粗骨料棱柱體試塊呈現(xiàn)較明顯的脆性，這主要是因?yàn)樵偕止橇吓c天然粗骨料相比，其內(nèi)部具有較多的初始細(xì)小裂紋和粘結(jié)缺陷，與普通混凝土的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)存在一定差異。

3 影響因素分析

3.1 粗骨料取代率對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

圖1表示粗骨料取代率對(duì)高強(qiáng)再生混凝土軸心抗壓強(qiáng)度的影響。

由圖1（a）可見，水膠比為0.28時(shí)，隨著粗骨料取代率的增加，高強(qiáng)再生粗骨料混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度整體上都有減小，膠凝材料為520 kg/m3時(shí)幅度在2.8%～18.3%之間，膠凝材料為570 kg/m3時(shí)幅度在0.9%～4.9%之間，膠凝材料為620 kg/m3時(shí)幅度在8.8%～17.8%之間。故當(dāng)水膠比為0.28時(shí)，用再生粗骨料取代天然粗骨料建議膠凝材料用量為570 kg/m3。

由圖1（b）可見，當(dāng)水膠比為0.32，膠凝材料為520 kg/m3時(shí)，隨著取代率的增大，高強(qiáng)再生粗骨料混凝土軸心抗壓強(qiáng)度先增大后減小，最優(yōu)取代率為30%。但膠凝材料用量>520 kg/m3后，抗壓強(qiáng)度呈先減小后增大的趨勢(shì)。

由圖1（c）可見，當(dāng)水膠比為0.36時(shí)，不同膠凝材料用量都隨著取代率的增大，高強(qiáng)再生粗骨料混凝土軸心抗壓強(qiáng)度整體呈波動(dòng)上升的趨勢(shì)。可見水膠比達(dá)到0.36后，可以實(shí)現(xiàn)再生粗骨料替換天然骨料以達(dá)到混凝土抗壓強(qiáng)度的可能性。

3.2 水膠比對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

下頁(yè)圖2表示水膠比對(duì)高強(qiáng)再生混凝土軸心抗壓強(qiáng)度的影響。

由圖2（a）可見，膠凝材料用量為520 kg/m3時(shí)，隨著水膠比的增加，不同取代率的高強(qiáng)再生粗骨料混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度整體上不斷減小。取代率越大，隨著水膠比的增加，抗壓強(qiáng)度下降的幅度越小，與天然粗骨料混凝土相比，全再生粗骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度下降幅度變小得更為明顯。

由圖2（b）可見，當(dāng)膠凝材料用量為570 kg/m3時(shí)，在水膠比分別為0.28與0.36的情況下，隨著取代率的增加，抗壓強(qiáng)度變化不明顯。但水膠比為0.32時(shí)，隨著取代率的增加，抗壓強(qiáng)度較為離散。

由圖2（c）可見，當(dāng)膠凝材料用量為620 kg/m3時(shí)，隨著水膠比的增大，不同取代率高強(qiáng)再生粗骨料混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度持續(xù)減小，整體幅度在2.7%～27.5%之間。

3.3 膠凝材料用量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

圖3表示膠凝材料用量對(duì)高強(qiáng)再生混凝土軸心抗壓強(qiáng)度的影響。

由圖3（a）可見，水膠比為0.28時(shí)，隨著膠凝材料用量的增加，未摻再生粗骨料與全再生粗骨料高強(qiáng)混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度都持續(xù)增大，30%與70%取代率的混凝土強(qiáng)度表現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢(shì)。

由圖3（b）可見，當(dāng)水膠比為0.32時(shí)，隨著膠凝材料用量的增加，不同取代率下高強(qiáng)再生混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度離散程度呈先增大后減小的趨勢(shì)，膠凝材料用量為570 kg/m3與520 kg/m3相比，試件的軸心抗壓強(qiáng)度離散程度顯著增大。

由圖3（c）可見，當(dāng)水膠比為0.36時(shí)，除取代率為30%以外，隨著膠凝材料用量的增大，不同取代率的高強(qiáng)再生粗骨料混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度較為接近。因此再生粗骨料混凝土應(yīng)用到實(shí)際施工中建議膠凝材料用量>620 kg/m3。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）水膠比為0.28時(shí)，隨著粗骨料取代率的增加，高強(qiáng)再生粗骨料混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度整體上都有減小;當(dāng)水膠比為0.32，膠凝材料為520 kg/m3時(shí)，隨著取代率的增大，高強(qiáng)再生粗骨料混凝土軸心抗壓強(qiáng)度先增大后減小，最優(yōu)取代率為30%;水膠比達(dá)到0.36后，可以實(shí)現(xiàn)再生粗骨料替換天然骨料來達(dá)到混凝土抗壓強(qiáng)度的可能性。

（2）當(dāng)膠凝材料用量為570 kg/m3時(shí)，水膠比為0.28與0.36的情況下，隨著取代率的增加，抗壓強(qiáng)度變化不明顯;當(dāng)膠凝材料用量為620 kg/m3時(shí)，隨著水膠比的增大，不同取代率高強(qiáng)再生粗骨料混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度持續(xù)減小，整體幅度在2.7%～27.5%之間。

（3）隨著膠凝材料用量的增加，未摻再生粗骨料與全再生粗骨料高強(qiáng)混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度都持續(xù)增大，30%與70%取代率的混凝土強(qiáng)度表現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢(shì)。再生粗骨料混凝土應(yīng)用到實(shí)際施工中時(shí)，建議膠凝材料用量>620 kg/m3。

參考文獻(xiàn)

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[6]GB/T 14684-2011，建設(shè)用砂[S].

[7]GB/T 1596-2005，用于水泥和混凝土的粉煤灰[S].

[8]GB/T 50080-2002，普通混凝土拌和物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].

[9]GB/T 50081-2002，普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].