高温作用后再生混凝土强度的试验研究*

马彦飞,徐晓勇

(安阳师范学院土木建筑工程系,河南安阳455002)

0 引言

将废弃混凝土块经过加工、破碎、分级后,按一定的比例混合形成再生骨料,部分或全部代替天然骨料(主要是粗骨料)配制而成的新混凝土称为再生混凝土。再生混凝土具有减少建筑垃圾对环境的污染,降低天然砂石料开采量与开采能耗,保护生态环境等优点。国内外众多学者对再生混凝土在常温下的各种力学性能开展了诸多的试验研究,并取得了一定的成果,但再生混凝土经历高温(过火)后的力学性能研究相对较少。本试验着重研究了不同再生粗骨料取代率的再生混凝土的抗压和抗折强度随作用温度升降的变化规律。

1 试验设计

1.1 试验原材料

水泥为河南安阳湖波水泥公司生产的32.5R普通硅酸盐水泥,其表观密度为3100 kg/m3;砂为普通黄砂,细度模数为2.85;混凝土拌和、养护用水为安阳市城市自来水;天然粗骨料为连续级配的碎石,最大粒径为31.5 mm;再生粗骨料由拆除的某民用旧建筑物的废弃混凝土破碎加工而成。粗骨料的基本性能见表1。

表1 粗骨料的基本性能

1.2 混凝土的配合比设计

本研究共完成了NC-、RC-25、RC-50、RC-75、RC-100五个再生粗骨料取代率不同的试验系列,其再生粗骨料取代率分别为0、25%、50%、75%、100%。各组试件的水灰比均为0.45,砂率均为35%,各组混凝土的配合比见表2。

表2 混凝土的配合比

1.3 试块的制作、养护和试验方法

各组混凝土拌和物均采用人工搅拌,具体做法严格按照《普通混凝土拌和物性能试验方法》(GB/T 50080-2002)进行,试件浇筑24 h后拆模,在标注养护条件下养护至28 d后进行试验。每组混凝土浇筑150mm×150mm×150mm立方体试件10块,150mm×150mm×450mm棱柱体试件10块,所有试件均为一批浇注完成。

本研究高温试验设备采用上海生产的DRX-36型高温炉。试验设计经历的温度为20℃、200℃、400℃、600℃、800℃。每种温度下,各组立方体和棱柱体试块均为10块。按照预定处理温度和批次分别将试块放入高温炉内,高温前后认真观察试块的外观变化。本试验的升温机制参考已有研究成果,首先以20℃/min的速率迅速升温至预定最高温度后,恒温2.0 h后打开炉箱,让混凝土试块逐渐冷却至室温,而后进行试件的抗压、抗折强度试验。混凝土抗压强度和抗折强度的测定严格遵循《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)进行。

2 试验结果与分析

2.1 高温试验现象

试件在加热过程中,当温度升至200℃左右时,可以观察到高温炉内的试块蒸发出少量的水蒸气;在温度达到300℃左右时,水蒸气的量达到最大,而后逐渐减少;当温度升到500℃以后就不再有水蒸气出现。当高温炉内的温度在20～200℃时,混凝土试件外观完整,没有裂缝、缺角现象发生,试件颜色为青灰色;当温度升高到400℃时,试件表面出现细微的裂缝,并且试件颜色变为浅红色;当温度升高到600℃时,试件表面的裂缝宽度加大,个别试块出现了缺角、掉皮现象,试件颜色呈浅白色;当温度升到800℃时,有大量的掉皮现象,混凝土试块表面呈明显酥松状。在整个试验过程中,当温度升至500℃以上时,个别试件发生了爆裂现象。

2.2 高温后混凝土试件的抗压强度

不同粗骨料取代率的再生混凝土高温作用后的抗压强度与作用温度的关系如图1所示。通过观察图1可知,再生混凝土与普通混凝土相似,试件的抗压强度都随着作用温度的升高而逐渐降低。当作用温度介于20～200℃时,普通混凝土试件的抗压强度降低十分明显,但再生混凝土抗压强度降低的速率明显较缓。分析其原因是随着作用温度的升高,混凝土内部自由水不断蒸发,试件内部形成了空隙和裂缝,从而导致其抗压强度降低。而再生混凝土内部的再生粗骨料表面粗糙、多空,能牢牢地锁住水分,减少自由水的蒸发,从而使其抗压强度降低趋缓。这一点对再生粗骨料取代率为75%和100%的再生混凝土表现得尤为突出。当作用温度升至400℃时,混凝土的抗压强度有所升高,甚至有的试块强度超过了室温的抗压强度。这是因为试件内部自由水的蒸发,水泥胶体因结合水脱逸而收紧,加强了水泥胶体与骨料的咬接,从而使混凝土的抗压强度有所提升。当作用温度超过400℃以后,混凝土试件的抗压强度急剧下降,这是因为骨料本身受热膨胀甚至破裂,这些内部损伤的积累促使试件界面裂缝不断扩展,最终导致试件的承载能力急剧下降。并且当作用温度超过400℃以后,再生粗骨料取代率为50%、75%、100%的再生混凝土的抗压强度都超过了普通混凝土,这是由于再生粗骨料粗糙的表面强化了与水泥胶体的界面接触,从而使高温作用对再生混凝土抗压强度的损伤减缓。2.3 高温后混凝土试件的抗折强度

图1 再生混凝土抗压强度与作用温度的关系

不同粗骨料取代率的再生混凝土高温作用后的抗折强度与作用温度的关系如图2所示。与抗压强度相似,再生混凝土的抗折强度随着作用温度的升高而整体上逐渐下降。其中再生粗骨料取代率为50%的再生混凝土试件的抗折强度随作用温度的升高而显著降低,两者呈现出较好的线性关系。分析其原因,是由于再生与天然粗骨料形成的级配造成的,或是试验结果的随机性造成的,这一现象还有待于从物质的微观结构角度进一步进行研究。在作用温度从200℃上升到400℃时,其再生粗骨料取代率为25%、75%、100%的再生混凝土的抗折强度几乎没有下降甚至有的试件还有小幅上升的现象,分析其原因还是由于自由水的蒸发导致水泥胶体和骨料的结合收紧。而随着作用温度的不断升高(超过400℃),试件内部结构不断膨胀开裂,导致混凝土试件的抗折强度急剧下降,最终当作用温度升到800℃左右时,试件几乎完全丧失了抗折能力。

图2 再生混凝土抗折强度与作用温度的关系

3 结论

⑴随着温度的升高,再生混凝土试件的颜色经历了由青灰色逐渐到暗红色再到浅灰白色的变化过程;同时试件表面逐渐出现了裂缝,且裂缝的宽度随着温度的升高而越来越大。

⑵与普通混凝土相似,再生混凝土试件的抗压、抗折强度随着温度的升高而整体上逐渐下降。

⑶当再生粗骨料取代率在50%以下时,高温作用后再生混凝土抗压强度与普通混凝土大致相当;而当再生粗骨料取代率在50%以上时,温度达到400℃后再生混凝土抗压强度明显高于普通混凝土。

⑷再生粗骨料取代率为50%的再生混凝土,其抗折强度随着温度的升高而显著下降。再生粗骨料取代率为25%、75%、100%的再生混凝土,其抗折强度在作用温度为200～400℃时,其抗折强度变化不大;而当温度超过400℃时,其抗折强度明显降低。

[1]GB/T 50080-2002.普通混凝土拌和物性能试验方法[S].

[2]GB/T 50081-2002.普通混凝土力学性能试验方法标准[S].

[3]黄运标.再生混凝土高温性能研究[D].上海:同济大学,2006.

[4]肖建庄,黄运标.高温后再生混凝土残余抗压强度[J].建筑材料学报,2006(3):255-259.

[5]薛丽皎.高温作用对再生粗集料性能影响的试验研究[J].四川建筑科学研究,2006(3):128-130.

[6]刘利先,吕龙,刘铮,等.高温下及高温后混凝土的力学性能研究[J].建筑科学,2005(3):16-20.