自密實包漿再生混凝土早期抗拉抗扭強度性能研究

侯玉飛

寧夏大學新華學院 工程與應用科學系 寧夏 銀川 750021

我們在施工現場進行現澆混凝土時，由于工人澆筑順序出錯、大風陰雨天氣或者振搗沒有到指定位置，使得混凝土的強度與設計不符，從而使混凝土強度不足。在工業建筑中大體積混凝土構件或者剪力墻中，鋼筋直徑往往較大、間距較小，混凝土澆筑時粗骨料不能順利通過鋼筋空隙，使得構件下部稀漿較多，且振搗棒無法振搗到構件底部，密實度達不到要求。且施工中振搗器械噪音較大，對周邊居民有一定影響，振搗抹平壓光需要配合人工數量較多，不經濟。自密實包漿混凝土更加環保節能。在實際工程應用中自密實混凝土可以做到不離析、不泌水的澆筑過程，在充實模板有效包裹鋼筋的過程中不需要人工振搗，這大大降低了施工單位在現澆混凝土中的勞動力，而且與傳統混凝土澆筑相比，不會產生噪音污染，優化了工作環境，且可以增加夜間施工的時間，得到了施工單位廣泛的好評。而將再生骨料與自密實混凝土按照一定比列進行包裹形成的再生骨料自密實混凝土又大大提高了經濟效益和社會效益。但隨著混凝土強度等級的提高，收縮較大，彈性模量也增大，而抗拉強度卻提高不多，在持續拉應力的作用下，混凝土會產生一定的裂縫甚至開裂。在混凝土還沒有凝結硬化時，水泥膠凝材料在變成水泥石得時候，水化放熱的過程中產生一系列的微孔且體積收縮，收縮總量一般不超過300με。自二世紀90年代推廣商品混凝土以及相應的混凝土泵松施工工藝以來，收縮量已增加到400με到500με，免震的自密實混凝土甚至已達到800με到1000με甚至更大。而受力構件是最后的凝結硬化的固體材料，按照其實際受力性能而言，混凝土不是彈性材料，水凝膠材料流動具有一定的塑性，所以混凝土材料在受力的情況下為彈塑性材料。研究應力應變曲線可以知道，混凝土的變形與彈性模量有直接關系。混凝土承受拉應力產生裂縫，當混凝土達到極限承載能力時，材料順著裂縫斷裂，這是拉應力作用下產生裂縫的危害。目前眾多學者通過改變骨料替代率、加入摻合料或外加劑來改善其力學性能做出了一系列研究。曹周陽[1]研究發現摩擦因數和pb＿coh參數對數值試樣的彈性模量和劈裂抗拉強度影響不大；pb＿ten參數對數值試樣的力學性能的影響較大；王少江[2]研究發現使用墊塊測得的劈拉強度比使用方墊條高20%左右；宋紫薇[3]研究發現摻入適量鋰渣，尤其在后期，鋰渣能夠與水泥水化產物發生二次水化反應,對再生混凝土的強度有一定提升，但摻入過多，則會產生反作用；廖栩[4]研究發現較小的軸向壓力對極限抗扭承載力及扭轉剛度均影響甚微，所有試件均表現出較好的延性。承載力受外鋼管強度影響較大，受混凝土強度影響較小，夾層混凝土對組合抗扭強度提高的作用隨含鋼率的增大而減小。陳全有[5]研究發現通過對扭矩-轉角（T-θ）分析，當n≤0.2時，極限抗扭承載力是增大的；當n＞0.2時，極限抗扭承載力有所下降。閆保民研究發現從鋼纖維混凝土的定義出發，對其增強機理進行探索,詳細討論了配合比、實驗室試驗方法、基本力學工作性能,總結得出了鋼纖維混凝土與普通混凝土相比,抗拉、抗彎、抗剪和抗扭強度、抗沖擊、抗疲勞和耐疲勞等方面力學性能有較大增長。黃俠研究發現養護齡期為28d時，鋼渣砂混凝土的彈性模量均大于普通混凝土；且隨著鋼渣砂摻量的增加，混凝土的彈性模量也隨之增加。

由此可以說明，對直接改善骨料性能的研究相對較少，從本質上說，以下幾個方面對于混凝土的性能起著關鍵作用：①通用水泥硬化后的強度。②水泥與砂石的粘結強度。③骨料級配和鋼筋的強度。本試驗預先采用水泥砂漿對再生粗骨料包裹處理，減少由于其吸水產生一定的裂縫。研究其對再生混凝土抗拉、劈裂強度的影響。

1 試驗設計

1.1 試驗材料

由于混凝土材料就地取材，因此具有一定的地方性，屬于地方性材料。本次試驗材料粉煤灰選自寧夏鹽池縣隆輝水泥制品有限公司生產的，指標性能如表1；水泥選用的是42.5R普通硅酸鹽水泥，也由寧夏鹽池縣隆輝水泥制品有限公司生產的，性指標能如表2所示；細骨料使用的是水洗中砂，它出自寧夏高沙窩，經水洗人工篩分出來；分別從大水坑、惠安堡、鹽池縣城地區廢棄建筑物或構筑物內提取廢棄的混凝土，由人工和機械破碎后的粗骨料為本次試驗的再生粗骨料，其指標性能如表3所示；再生粗骨料采用總膠小于380kg/m3的水泥漿進行預包漿處理[6]。

表1 粉煤灰技術性能指標

表2 42.5R硅酸鹽水泥技術性能指標

表3 粗骨料的基本性能

1.2 試驗方案

本試驗共設計了7個試驗組。其中第1組中沒有摻入再生骨料；2、3、4組中摻入未包漿再生骨料替代率分別為30%、50%、70%；5、6、7組中摻入未包漿再生骨料替代率分別為30%、50%、70%且骨料包漿，試驗配合比見表4。用水泥凈漿對再生骨料進行包漿處理，粉煤灰摻量分別為20%、30%、40%，包漿后將其晾干，在標準養護環境下分別 養護3d、28d、60d晾干使用[7]。

表4 配合比設計/ kg·m-3

試驗中每組需制作9塊100 mm×100 mm×500mm的長方體試件，3塊試件用于抗拉強度的試驗，3塊試件用于抗扭強度的試驗，3塊試件用于劈裂強度的試驗。制作好的試件在標準環境下養護3d、28d、60d后進行試件測定。

2 試驗結果

試驗證明，混凝土配比中石子的最大粒徑和鋼筋間距的差值相對多的時候，體積比是影響混凝土流動性能的主要原因。石子粒徑對混凝土流動性能的影響非常弱。倘若混凝土配比中石子的最大粒徑和鋼筋間距的差值不大的情況下，便要考慮石子粒徑、片型以及級配對混凝土流動性能的影響。所以試驗配合比時，要嚴格控制水、砂子、石子、水泥、外加劑的用量，由于混凝土的流動性和抗離析性能是成反比的，所以配比時要找到平衡點，使得混凝土的流動性和抗離析性都比較好是設計配合比的重要環節。

自密實包漿再生混凝土的坍落擴展度及齡期28d抗拉、劈裂強度試驗結果見表5。

表5 混凝土的塌落擴展度及抗拉、劈裂強度試驗結果

2.1 抗拉強度

試驗證明在拉應力的作用下，由于混凝土的抗拉強度相對于抗壓強度而言是比較弱的，所以在承受外力的情況下，混凝土構件均會在受力位置處產生貫穿性裂縫。為了減小這個裂縫，將未包漿再生骨料替代率分別為30%、50%、70%，制作9塊100 mm×100 mm×500mm的長方體試件，3塊試件用于齡期3d抗拉強度的試驗，3塊試件用于齡期28抗扭強度的試驗，3塊試件用于齡期60d抗拉強度的試驗。制作好的試件在標準環境下養護3d、28d、60d后進行試件測定。

由圖1可知：本試驗得出的不同替代率的包漿再生混凝土的抗拉強度的最佳取代率在50%左右。

圖1 不同齡期不同替代率下再生混凝土的抗拉強度

2.2 扭轉分析

混凝土受扭的實質是混凝土截面上剪應力造成的，剪應力在混凝土的截面上作用時，呈現出一個扇形分布，如圖2所示，四邊受力較大而中間受力較小，中間四邊形邊上受力大，角點處受力較小。說明混凝土構件在受扭的時候它的裂縫是沿著斜向進行的。沿著四周旋轉而上，這些裂縫通常都是在構件表面向較長方向發展，不會向內部延伸[8]。將未包漿再生骨料替代率分別為30%、50%、70%，進行試驗研究，得出的不同替代率的包漿再生混凝土的抗扭強度的最佳取代率在50%左右且裂縫較少。

圖2 受扭剪應力分布

3 機理分析

本質上說一方面再生骨料內部本身存在許多裂縫，強度相對較低，同時表面殘存較多的舊水泥漿，這些舊砂漿與新水泥砂漿的結合能力很差[9]，且再生骨料越多這種效應對混凝土強度影響越顯著，將骨料包漿處理后，水泥自身的水化反應以及粉煤灰與水泥水化的產物反應生成的水化硅酸鈣等可以填補骨料的裂縫，增強骨料的強度和自身的密實度。

而建筑住宅的裂縫問題更加突出，由于住戶經常活動的區域在板所在的區域，而這成了裂縫敏感區域，在后期處理裂縫的問題上，付出的人工比5年前幾乎增加了將近5倍，消耗的經費則增長了約3倍。因此對再生骨料進行預包裹處理后可以提高再生混凝土的抗拉、劈裂強度、抗扭強度，從而減少裂縫的產生[10]。

4 結論

（1）隨著再生粗骨料替代率的增加，大大減弱了坍落擴展度，經過水泥漿包裹以后的再生粗骨料拌合而成的自密實再生混凝土，其性能得到了很好的優化。

（2）不管再生粗骨料用不用水泥漿包裹，混凝土的抗拉、劈裂、抗扭強度均隨著骨料替代率的增加而減少，但在30%，50%，70%的替代率下，包漿的再生混凝土較于未包漿相比，抗拉、劈裂、抗扭強度均有所提高，這說明經過水泥漿包裹處理后的再生粗骨料拌合的自密實混凝土，其工作性能可以得到較大的改善。

（3）包漿的再生骨料在骨料替代率為50%的條件下配置的混凝土的抗拉、劈裂與抗扭性能最接近于基準組混凝土。