C40再生骨料摻量對混凝土力學(xué)性能的影響

　　摘 要: 再生混凝土的力學(xué)性質(zhì)是推動(dòng)廢棄混凝土資源化利用的基礎(chǔ)。試驗(yàn)研究了原生混凝土強(qiáng)度等級為 C40 混凝土的再生骨料摻量對混凝土和易性、力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，原生混凝土強(qiáng)度等級為 C40 混凝土的再生骨料自身強(qiáng)度能滿足 C30 混凝土要求，但是由于表面粗糙棱角多、吸水性大等原因?qū)炷梁鸵仔?、力學(xué)性能有不同程度影響。

　　關(guān)鍵詞: 再生骨料; 再生混凝土; 和易性; 力學(xué)性能

　　劉蘭君; 黃久旭; 劉森 山西建筑 2021-12-14

　　1 概述

　　近幾年來我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加快，產(chǎn)生了大量的建筑垃圾。據(jù)統(tǒng)計(jì)我國每年建筑垃圾存量高達(dá) 20 多億噸，廢棄混凝土占60% 左右[1]。當(dāng)前此類建筑垃圾除少量應(yīng)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(dá)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(huì)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(shí)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(yīng)用受到政府和建筑相關(guān)領(lǐng)域人員的廣泛關(guān)注。駱行文[5]、郭遠(yuǎn)新等[6]研究結(jié)果表明再生混凝土的抗壓強(qiáng)度會(huì)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(dāng)再生骨料取代率達(dá)到 50% 時(shí)，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度會(huì)高于相同配合比普通混凝土強(qiáng)度。而霍洪媛等[8]研究發(fā)現(xiàn)若使用 C20 ～ C35 低強(qiáng)度等級的原生混凝土獲取再生骨料，再生混凝土強(qiáng)度會(huì)隨再生骨料摻量的增加逐漸降低; 但若是采用 C40 ～ C45 高強(qiáng)度等級的原生混凝土制備再生骨料時(shí)，則再生骨料的摻量對再生混凝土強(qiáng)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(jié)果不盡相同，甚至存在許多差異。試驗(yàn)主要以再生骨料摻量為變量檢測混凝土 7 d，28 d 的力學(xué)性能，為再生混凝土的優(yōu)化和應(yīng)用提供一些參考方法。

　　2 試驗(yàn)材料與方法

　　2. 1 試驗(yàn)原材料

　　試驗(yàn)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(shù)性質(zhì)見表 1。天然粗骨料為當(dāng)?shù)亟ㄖ褂盟槭⒙咽? 再生粗骨料為當(dāng)?shù)亟ㄖ鸪膹U棄混凝土，其原生混凝土強(qiáng)度等級為 C40; 粗骨料粒徑 5 mm ～ 20 mm，其主要的力學(xué)性能指標(biāo)如表 2 所示，均符合 GB/T 14685—2011 建筑用卵石、碎石標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ類骨料要求。天然細(xì)骨料采用當(dāng)?shù)睾由埃?xì)度模數(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(dāng)?shù)刈詠硭|(zhì)符合我國建筑拌合物用水標(biāo)準(zhǔn)。

　　2. 2 試驗(yàn)方法

　　混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為 C30，以再生粗骨料取代率為變量，共設(shè)計(jì) NC，RAC - A，RAC - B，RAC - C，RAC - D 五組試驗(yàn)，再生骨料摻量分別為 0% ，25% ，50% ，75% ，100% ; 為滿足試驗(yàn)要求，每組需要制備 12 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試塊，養(yǎng)護(hù) 7 d， 28 d 后進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。對 RAC - C，RAC - D 組再生骨料進(jìn)行飽水處理?；炷僚浜媳仍O(shè)計(jì)參考了 JGJ 55—2011 普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程。有學(xué)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(shí)度，強(qiáng)度提高 4. 08% 左右[9]。因此本文配合比設(shè)計(jì)時(shí)，同樣以等量粉煤灰代替 10% 的水泥進(jìn)行試驗(yàn)，見表 3。

　　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(biāo)，包括混凝土保水性、流動(dòng)性和黏聚性。各組和易性檢測結(jié)果見表 4。坍落度變化趨勢見圖 1。

　　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(dá)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(gè)方面，一是因?yàn)樵偕橇媳砻娲植?，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，?dǎo)致實(shí)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(shí)同一水灰比下混凝土實(shí)際的拌合用水增多，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部黏聚性相對降低，流動(dòng)性提高，坍落度降低幅度逐漸減小。

　　4 再生混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)

　　混凝土作為自身復(fù)雜的非勻質(zhì)材料，對其力學(xué)性能的試驗(yàn)是作為判定混凝土強(qiáng)度且是否滿足工程實(shí)際的主要性能指標(biāo)。當(dāng)混凝土在豎向或偏心載荷作用下達(dá)到屈服極限時(shí)，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(qiáng)?；炷亮W(xué)性能試驗(yàn)見圖 2。

　　4. 1 立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果

　　各組混凝土采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，檢測 7 d，28 d 抗壓強(qiáng)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(nèi)部應(yīng)力不斷增加，試塊側(cè)方表層開始出現(xiàn)細(xì)微裂縫。當(dāng)荷載繼續(xù)加載時(shí)，兩側(cè)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(kuò)展，并且向試塊內(nèi)部不斷延伸，試塊兩邊有輕微的突起。此時(shí)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(yàn)結(jié)果見表 5。抗壓強(qiáng)度變化曲線見圖 3。

　　4. 2 劈裂抗拉試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果

　　劈拉強(qiáng)度是混凝土抵抗受拉變形的能力，較高的劈拉強(qiáng)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(shí)試塊上、下部中心鋼墊塊位置幾乎同時(shí)出現(xiàn)細(xì)微裂縫; 荷載逐漸增大，上下部分的裂縫逐漸擴(kuò)大，裂縫沿著界面不斷向下擴(kuò)展并貫穿整個(gè)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(shí)，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(yàn)結(jié)果見表 6?？估瓘?qiáng)度變化曲線見圖 4。

　　4. 3 混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果分析

　　分析試驗(yàn)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(qiáng)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(dǎo)致孔隙率增大，與水泥石的黏結(jié)強(qiáng)度低，從而降低混凝土強(qiáng)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(qiáng) 度 分 別 降 低 了 11. 3% ，4. 8% ， 19. 1% ，29. 6% ; 28 d 抗壓強(qiáng)度分別降低了 4. 2% ，1. 8% ，20. 9% ，19% ; 7 d 抗拉強(qiáng)度分別降低 12. 6% ，4. 3% ，27% ， 38. 3% ; 28 d 抗拉強(qiáng)度分別降低了 5. 4% ，3. 3% ，14. 4% ， 21. 7% 。由各組試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，再生骨料摻量為 50% 時(shí)，強(qiáng)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(dǎo)致孔隙率大，強(qiáng)度降低，但是，再生骨料吸水性好，使得混凝土實(shí)際水灰比降低，所以強(qiáng)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(shí)際水灰比增大，導(dǎo)致這兩組強(qiáng)度急劇下降。同齡期各摻量抗拉強(qiáng)度比抗壓強(qiáng)度降低明顯，說明混凝土抗拉強(qiáng)度對孔隙率、界面黏結(jié)強(qiáng)度更加敏感。

　　5 結(jié)論

　　本文通過對 NC，RAC - A，RAC - B，RAC - C，RAC - D 組混凝土和易性、力學(xué)性能研究，得出如下結(jié)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(dá) 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(gè)方面，一是因?yàn)樵偕橇媳砻娲植?，多棱角，摩擦力? 另一方面是再生骨料吸水性比天然骨料大，導(dǎo)致實(shí)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(shí)同一水灰比下混凝土實(shí)際的拌合用水增多，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部黏聚性相對降低，流動(dòng)性提高。

　　2) 原生混凝土為 C40 等級的再生骨料強(qiáng)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(dǎo)致孔隙率增大，從而降低混凝土強(qiáng)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(qiáng) 度 分 別 降 低 了 11. 3% ， 4. 8% ，19. 1% ，29. 6% ; 28 d 抗壓強(qiáng)度分別降低了 4. 2% ， 1. 8% ，20. 9% ，19% ; 7 d 抗拉強(qiáng)度分別降低 12. 6% ，4. 3% ， 27% ，38. 3% ; 28 d 抗拉強(qiáng)度分別降低了 5. 4% ，3. 3% ， 14. 4% ，21. 7% 。

　　4) 再生骨料摻量為 50% 時(shí)，強(qiáng)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(dǎo)致孔隙率大，強(qiáng)度降低，但是，再生骨料吸水性好，使得混凝土實(shí)際水灰比降低，所以強(qiáng)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(shí)際水灰比增大，導(dǎo)致這兩組強(qiáng)度急劇下降。

　　5) 混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度對混凝土孔隙率、界面黏結(jié)強(qiáng)度更加敏感。