再生混凝土基本力学性能研究

□文/杨德健 高永孚

将废弃混凝土重新运用于建筑工程中，可以节约资源，实现建筑业的可持续发展。再生混凝土工程应用，首先要了解它的基本力学性能。为此，天津市建筑设计院、天津城市建设学院土木工程系和天津市裕川环保制品有限公司进行了再生混凝土基本力学性能的试验研究并取得初步成果。

再生混凝土抗压强度及弹性模量试验

试验设计

试验原材料包括42.5R级普通硅酸盐水泥；细骨料为天然河砂、中砂；天然粗骨料为天然碎石，再生粗骨料是由废弃混凝土经过破碎、筛分、颗粒整形之后得到的再生骨料，粗骨料的具体物理性能详见表1。高效减水剂，减水率为0.75%；拌和水为普通自来水。

表1 粗骨料基本物理性能

再生混凝土的抗压强度与弹性模量试验按照GB／T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测试。配制3个强度等级（C20、C30和C40），3种不同再生骨料取代率（30%、50%和100%）的再生混凝土，抗压强度试件采用边长100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件，轴心抗压强度采用边长100 mm×100 mm×300 mm的棱柱体试件；通过RMT-150C试验机来测试弹性模量，试件选用直径50 mm、高100 mm的圆柱体试块。

抗压强度

按照普通混凝土的抗压强度试验方法，28 d后测试再生混凝土的立方体抗压强度及棱柱体抗压强度，结果见表2。

表2 再生混凝土强度测试结果

图1和图2是根据表2作出的抗压强度与再生骨料取代率的关系。

图1 再生混凝土立方体抗压强度

图2 再生骨料混凝土轴心抗压强度

从表2及图1和图2可以看出，同一强度等级再生混凝土的抗压强度基本大于普通混凝土，只有R30-50和 R30-100较普通混凝土略低。Yoda[1]、Ridzuan[2]、张亚梅[3]等也得出了再生混凝土强度有高于普通混凝土的趋势的结论。在不掺加减水剂的情况下，再生骨料取代率为30%时，立方体抗压强度达到最大；当超过30%以后，立方体抗压强度降低。对于不同强度等级的再生混凝土，抗压强度随强度等级的提高而显著提高。棱柱体抗压强度变化规律和立方体抗压强度变化规律完全相同。

从表2及图1和图2还可得知，掺加减水剂的再生混凝土不仅可以改善和易性，而且抗压强度也大幅度提高，立方体抗压强度比同取代率下不添加减水剂的再生混凝土增加了16.94%，轴心抗压强度增加了13.3%。

再生混凝土强度高于普通混凝土的主要原因。

（1）再生粗骨料经过颗粒整形后各项性能明显改善，显著提高了堆积密度和密实度，降低了压碎指标值，使之接近天然粗骨料[4]。

（2）再生骨料具有大量的微孔、微管，吸水率较大，使得再生骨料附近水灰比较大[5]。

再生混凝土取代率超过某一最佳值强度开始降低，这是由于再生骨料本身强度低，再生骨料与新水泥石基体的界面薄弱等原因，使得负效应占主导，从而降低了再生混凝土强度。

弹性模量

按照普通混凝土弹性模量的测试方法对再生混凝土的弹性模量进行了试验分析，28 d后测试再生混凝土的弹性模量测试结果见表3。

表3 再生混凝土弹性模量测试结果 MPa

由表3和图3看出，同一强度等级的再生混凝土弹性模量较普通混凝土低。随着再生粗骨料取代率的增大，再生混凝土的弹性模量逐渐降低；对于不同强度等级的再生混凝土，再生混凝土的弹性模量随水灰比的降低而提高。当再生骨料取代率为100%时，3种强度等级混凝土的弹性模量下降了21.2%～24.4%。在以往的弹性模量研究中，普遍认为再生混凝土的弹性模量较普通混凝土低，降低幅度大概在15%～40%[6]，与本试验结论相符。

图3 再生骨料取代率和弹性模量的关系

再生混凝土弹性模量降低的原因是由于大量的砂浆附着于再生骨料上，而这些砂浆的弹性模量相对较低，同时再生骨料孔隙率较大，也会降低再生混凝土的弹性模量。再生混凝土的弹性模量降低，导致其在荷载的作用下变形增加。所以再生混凝土在用于结构构件时，需要考虑其引起的结构构件变形增大问题。

弹性模量与立方体抗压强度的关系

对于普通混凝土的弹性模量，在ACI规范和GB 50010-2002《混凝土结构设计规范》中，分别用式（1）和式（2）表示

为了更好地反映弹性模量和立方体抗压强度的关系，在试验数据基础上，综合国内外学者研究成果总结出关系曲线，见图4。

图4 再生混凝土抗压强度与弹性模量的关系

就图4所列数据进行统计回归分析，得出再生混凝土弹性模量计算公式

应力-应变全曲线试验研究

实测应力-应变全曲线

按再生粗骨料取代率不同将试验分为4组，每组取6个试件。试验所得的每条曲线均取自6块圆柱体全曲线的平均值。图5给出了实测的不同再生粗骨料取代率下再生混凝土的应力-应变全曲线。

图5 再生混凝土应力-应变全曲线

由图5可以看出，再生粗骨料取代率对混凝土的应力-应变全曲线有较大影响，但均由上升段和下降段组成且存在比例极限点、临界应力点、峰值点、反弯点和收敛点。随着再生粗骨料取代率的增加，应力-应变全曲线上升段的斜率逐渐减小，表明再生混凝土的弹性模量降低；下降段变陡，表明材质变脆。当再生粗骨料的取代率增大时，再生混凝土的峰值应力逐渐增大，其原因是再生骨料与新拌水泥砂浆之间有很好的相容性，彼此存在发生化学反应的可能；再生骨料表面粗糙，界面咬合力强；再生骨料吸水率大，能吸收新拌水泥砂浆中多余的水分，既降低了粗骨料表面的水灰比，也降低了混凝土拌和物的有效水灰比。

由图5还可看出，再生混凝土的峰值应变较普通混凝土略微增加，在达到峰值应力之前再生混凝土的变形能力较普通混凝土略好。峰值应变和混凝土的弹形模量有关，再生骨料的性质决定了再生混凝土的弹形模量比普通混凝土变形模量小。因此，再生混凝土峰值应变比普通混凝土的峰值应变大。

应力-应变全曲线方程

以σ/fc和ε/εp为坐标的应力-应变全曲线见图6，其中σ为应力，ε为应变。

图6 再生混凝土无量纲的应力-应变全曲线

将试验所得的数据用最小二乘法计算拟合，分别得到再生骨料替代率为R=30%和R=100%时的应力-应变全曲线方程及全曲线与实测的全曲线对比，见图7和图8。

图7 R=30%时应力-应变拟合全曲线与实测的全曲线

图8 R=100%时应力-应变拟合全曲线与实测的全曲线

结论

（1）再生混凝土的立方体抗压强度及棱柱体抗压强度基本大于普通混凝土，再生骨料取代率为30%时为最佳状态，强度最高。再生混凝土的强度随水灰比的减小而增加。

（2）混凝土减水剂可明显改善再生混凝土的和易性并提高混凝土强度，建议C40以上强度等级的再生混凝土添加减水剂。

（3）本文提出了再生混凝土抗压强度与弹性模量的关系式。研究表明，再生混凝土的弹性模量较普通混凝土低，而且随着再生粗骨料取代率的增加而降低，对于取代率为100%的再生混凝土，弹性模量下降了21.2%～24.4%。

（4）再生混凝土的应力-应变全曲线与普通混凝土应力-应变全曲线类似，分上升段和下降段且峰值应变和峰值应力随再生粗骨料取代率的增加而增加，但下降段曲线较普通混凝土陡，说明再生混凝土的材质变脆。

[1]Yoda K.,Yoshikane T.Recycl ed cement and recycl ed concr et e in Japan[A].Pr oceedings of the Int ernational Conf er ence on Demol ition and Reuse of Concret e and Masonr y[C].1988：527-536.

[2]Ridzuan A R M et al.The inf l uence of r ecycl ed aggregat e concr et e on t he ear l y compressive str ength and dr ying shr inkage of concr et e[A].Proceedings of the International Conf er ence on St ruct ural Engineering,Mechanics and Computat ion[C].2001：1415-1421.

[3]张亚梅，秦鸿根，孙 伟，等.再生混凝土配合比设计初探[J].混凝土与水泥制品,2002，（1）：7-9.

[4]张 健，李秋义，杜 俊，等.高性能再生混凝土强度试验研究[J].青岛理工大学学报，2008，29（6）：16-21.

[5]张利娟，徐亦冬.再生混凝土的抗压强度与弹性模量研究[J].低温建筑技术,2008，（1）：6-8.

[6]徐 蔚.再生混凝土的单轴受压性能[J].混凝土,2006，（10）：21-23.

[7]宋 灿，邹超英，徐 伟.再生混凝土基本力学性能的试验研究[J].低温建筑技术，2007，（3）：15-16.

[8]李旭平.再生混凝土基本力学性能研究(Ⅰ)——单轴受压性能[J].建筑材料学报,2007,10（5）：598-603.

[9]金 昌.再生混凝土力学性能指标试验研究[D].武汉：武汉理工大学（硕士学位论文）,2008.

[10]徐 蔚.再生粗骨料取代率对混凝土基本性能的影响[J].混凝土,2006，（9）：45-47.

[11]王军强，陈年和，蒲 琪.再生混凝土强度和耐久性能试验[J].混凝土,2007，（5）：53-56.

[12]张俊文.再生混凝土梁的力学性能和梁的受弯性能研究[D].南京：南京林业大学（硕士学位论文）,2008.

[13]José M.V.Gómez-Soberón.Porosit y of recycl ed concr et e wit h subst itution of r ecycl ed concr et e aggr egate An experimental study[J].Cement and Concr ete Resear ch，2002，（32）：1301-1311.

[14]杨 曦.再生混凝土梁正截面抗裂性能和裂缝宽度试验研究[D].南京：南京航空航天大学（硕士学位论文）,2008.

[15]M.Casuccio,M.C.Torr i j os,G.Giaccio,R,Zer bino.Fail ur e mechanism of recycl ed aggr egate concr et e[J].Constr uct ion and Bui l ding Mat erial s，2008，（22）：1500-1506.

[16]过镇海.混凝土的强度和变形——试验基础与本构关系[M].北京：清华大学出版社，1997.