C40再生骨料摻量對混凝土力學性能的影響

劉蘭君，黃久旭，劉 森

(1.商丘工學院土木工程學院，河南 商丘 476000；2.豫東黃泛區(qū)地下空間與巖土工程研究中心，河南 商丘 476000; 3.鄭州通寶路橋有限公司，河南 鄭州 450000)

1 概述

近幾年來我國基礎設施建設和城鎮(zhèn)化進程不斷加快，產(chǎn)生了大量的建筑垃圾。據(jù)統(tǒng)計我國每年建筑垃圾存量高達20多億噸，廢棄混凝土占60%左右[1]。當前此類建筑垃圾除少量應用于普通公路路基墊層、地基回填等；其他大都是采用露天堆放或郊區(qū)掩埋等粗放式處理。相比于歐盟、日本等發(fā)達國家廢棄混凝土90%的利用率，我國的資源化利用率不足20%[2]。并且常規(guī)處理方式不僅會消耗大量人力、物力、占用有限的土地資源，對環(huán)境的影響也日益加劇，非常不利于我國建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此提高廢棄混凝土的資源化利用必將成為我國建筑業(yè)實現(xiàn)綠色健康可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的必然選擇[3-4]，也因此再生骨料混凝土研究與應用受到政府和建筑相關領域人員的廣泛關注。駱行文[5]、郭遠新等[6]研究結果表明再生混凝土的抗壓強度會隨著再生骨料取代率的增加不斷降低。肖建莊等[7]則指出當再生骨料取代率達到50%時，再生混凝土的抗壓強度會高于相同配合比普通混凝土強度。而霍洪媛等[8]研究發(fā)現(xiàn)若使用C20～C35低強度等級的原生混凝土獲取再生骨料，再生混凝土強度會隨再生骨料摻量的增加逐漸降低；但若是采用C40～C45高強度等級的原生混凝土制備再生骨料時，則再生骨料的摻量對再生混凝土強度并無顯著影響。不同研究者們對于再生骨料混凝土研究結果不盡相同，甚至存在許多差異。試驗主要以再生骨料摻量為變量檢測混凝土7 d,28 d的力學性能，為再生混凝土的優(yōu)化和應用提供一些參考方法。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗原材料

試驗用水泥為商丘金湖波生產(chǎn)的湖波牌P.O42.5級普通硅酸鹽水泥，其主要技術性質見表1。天然粗骨料為當?shù)亟ㄖ褂盟槭⒙咽辉偕止橇蠟楫數(shù)亟ㄖ鸪膹U棄混凝土，其原生混凝土強度等級為C40；粗骨料粒徑5 mm～20 mm，其主要的力學性能指標如表2所示，均符合GB/T 14685—2011建筑用卵石、碎石標準Ⅱ類骨料要求。天然細骨料采用當?shù)睾由埃毝饶?shù)2.64，級配良好，表觀密度為2 564 kg/m3。粉煤灰為商丘市火電廠生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰，密度為2.34 g/cm3。另添加聚羧酸系高效減水劑(以下簡稱減水劑)，減水效果良好。拌合物用水為當?shù)刈詠硭|符合我國建筑拌合物用水標準。

表1 水泥的主要技術性質

表2 粗骨料物理性能指標

2.2 試驗方法

混凝土設計強度等級為C30，以再生粗骨料取代率為變量,共設計NC,RAC-A,RAC-B,RAC-C,RAC-D五組試驗，再生骨料摻量分別為0%,25%,50%,75%,100%；為滿足試驗要求，每組需要制備12個標準試塊，養(yǎng)護7 d,28 d后進行力學性能試驗。對RAC-C,RAC-D組再生骨料進行飽水處理。混凝土配合比設計參考了JGJ 55—2011普通混凝土配合比設計規(guī)程。有學者證明混凝土加入適量粉煤灰能夠有效改善再生混凝土密實度，強度提高4.08%左右[9]。因此本文配合比設計時，同樣以等量粉煤灰代替10%的水泥進行試驗，見表3。

表3 C30混凝土配合比設計 kg/m3

3 再生混凝土和易性檢測

混凝土的和易性是體現(xiàn)混凝土工作性能的重要指標，包括混凝土保水性、流動性和黏聚性。各組和易性檢測結果見表4。坍落度變化趨勢見圖1。

表4 坍落度測試數(shù)據(jù)

由表4可知同一水灰比下隨著再生骨料摻量的增加，混凝土坍落度逐漸減小。與普通混凝土相比，RAC-A，RAC-B，RAC-C，RAC-D組坍落度分別降低了2.2%，9.4%，5.6%，2.8%。其中在RAC-B組骨料摻量下坍落度降幅最大，達到了9.4%；RAC-C，RAC-D組坍落度降低量逐漸減少。分析原因有兩個方面，一是因為再生骨料表面粗糙，多棱角，摩擦力大，另一方面是再生骨料吸水性比天然骨料大，導致實際水灰比小。但再生骨料摻量在50%以后坍落度呈逐漸上升的趨勢，其原因是再生骨料經(jīng)過飽水處理，吸水率大幅度降低，因此在拌合時同一水灰比下混凝土實際的拌合用水增多，導致混凝土內部黏聚性相對降低，流動性提高，坍落度降低幅度逐漸減小。

4 再生混凝土力學性能試驗

混凝土作為自身復雜的非勻質材料，對其力學性能的試驗是作為判定混凝土強度且是否滿足工程實際的主要性能指標。當混凝土在豎向或偏心載荷作用下達到屈服極限時，混凝土承受載荷的作用越大，就表示混凝土抵抗破壞的能力就越強。

混凝土力學性能試驗見圖2。

4.1 立方體抗壓強度試驗現(xiàn)象及結果

各組混凝土采用標準養(yǎng)護，檢測7 d,28 d抗壓強度。在加載初期，試塊表面并未出現(xiàn)明顯裂縫或表皮脫落現(xiàn)象；但隨著荷載不斷的增大，試塊內部應力不斷增加，試塊側方表層開始出現(xiàn)細微裂縫。當荷載繼續(xù)加載時，兩側表層的裂縫開始向棱角蔓延，表皮慢慢脫落，裂縫不斷向周圍擴展，并且向試塊內部不斷延伸，試塊兩邊有輕微的突起。此時裂縫迅速增長，儀器停止加載，完全破壞。破壞面上沒有骨料被壓碎的現(xiàn)象。試驗結果見表5。抗壓強度變化曲線見圖3。

表5 各組混凝土抗壓強度值

4.2 劈裂抗拉試驗現(xiàn)象及結果

劈拉強度是混凝土抵抗受拉變形的能力，較高的劈拉強度能有效抵抗混凝土受到偏心拉壓作用[10]。首先將兩塊劈裂鋼墊條置于混凝土試塊上下兩面中心位置，然后在保證兩塊劈裂鋼墊條對齊狀態(tài)下開始加載，直至試件開裂。對混凝土施加壓力時試塊上、下部中心鋼墊塊位置幾乎同時出現(xiàn)細微裂縫；荷載逐漸增大，上下部分的裂縫逐漸擴大，裂縫沿著界面不斷向下擴展并貫穿整個試件。從破壞面來看，普通混凝土、再生混凝土受到劈拉作用時，破壞面較為平整，并未出現(xiàn)骨料被劈裂破壞情況。但是再生骨料摻量越多，裂縫發(fā)展的越快。試驗結果見表6。抗拉強度變化曲線見圖4。

表6 各組混凝土劈裂抗拉強度值

4.3 混凝土力學性能試驗結果分析

分析試驗現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，在各組混凝土中，破壞面上沒有出現(xiàn)骨料被壓碎、被劈裂的現(xiàn)象，說明原生混凝土為C40等級的再生骨料強度可以用于配置C30混凝土，但是由于再生骨料表面粗糙，沒有經(jīng)過優(yōu)化處理，導致孔隙率增大，與水泥石的黏結強度低，從而降低混凝土強度。

與普通混凝土相比，RAC-A,RAC-B,RAC-C,RAC-D組混凝土7 d抗壓強度分別降低了11.3%,4.8%,19.1%,29.6%；28 d抗壓強度分別降低了4.2%,1.8%,20.9%,19%；7 d抗拉強度分別降低12.6%,4.3%,27%,38.3%；28 d抗拉強度分別降低了5.4%,3.3%,14.4%,21.7%。

由各組試驗結果發(fā)現(xiàn)，再生骨料摻量為50%時，強度降低最少，RAC-A,RAC-B組再生骨料沒有經(jīng)過飽水處理，表面粗糙，導致孔隙率大，強度降低，但是，再生骨料吸水性好，使得混凝土實際水灰比降低，所以強度降低不太明顯，然而RAC-C,RAC-D組再生骨料經(jīng)過飽水處理，實際水灰比增大，導致這兩組強度急劇下降。

同齡期各摻量抗拉強度比抗壓強度降低明顯，說明混凝土抗拉強度對孔隙率、界面黏結強度更加敏感。

5 結論

本文通過對NC,RAC-A,RAC-B,RAC-C,RAC-D組混凝土和易性、力學性能研究，得出如下結論：

1)與普通混凝土相比，RAC-A,RAC-B,RAC-C,RAC-D組坍落度分別降低了2.2%,9.4%,5.6%,2.8%。其中在RAC-B骨料摻量下坍落度降幅最大，達到了9.4%；RAC-C,RAC-D組坍落度降低幅度減小。分析原因有兩個方面，一是因為再生骨料表面粗糙，多棱角，摩擦力大；另一方面是再生骨料吸水性比天然骨料大，導致實際水灰比小。但再生骨料摻量在50%以后坍落度呈逐漸上升的趨勢，其原因是再生骨料經(jīng)過飽水處理，吸水率大幅度降低，因此在拌合時同一水灰比下混凝土實際的拌合用水增多，導致混凝土內部黏聚性相對降低，流動性提高。

2)原生混凝土為C40等級的再生骨料強度可以用于配置C30混凝土，但是由于再生骨料表面粗糙，沒有經(jīng)過優(yōu)化處理，導致孔隙率增大，從而降低混凝土強度。

3)與普通混凝土相比，RAC-A,RAC-B,RAC-C,RAC-D組混凝土7 d抗壓強度分別降低了11.3%,4.8%,19.1%,29.6%；28 d抗壓強度分別降低了4.2%,1.8%,20.9%,19%；7 d抗拉強度分別降低12.6%,4.3%,27%,38.3%；28 d抗拉強度分別降低了5.4%,3.3%,14.4%,21.7%。

4)再生骨料摻量為50%時，強度降低最少，RAC-A，RAC-B組再生骨料沒有經(jīng)過飽水處理，表面粗糙，導致孔隙率大，強度降低，但是，再生骨料吸水性好，使得混凝土實際水灰比降低，所以強度降低不太明顯，然而RAC-C，RAC-D組再生骨料經(jīng)過飽水處理，實際水灰比增大，導致這兩組強度急劇下降。

5)混凝土劈裂抗拉強度對混凝土孔隙率、界面黏結強度更加敏感。