再生混凝土力学性能试验研究*

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(1 陕西铁路工程职业技术学院，陕西渭南 714000；2 大连理工现代工程检测有限公司，辽宁大连 116024)

再生混凝土力学性能试验研究*

李娜1，冯琪2，南黄河1，何冰1，罗云荫1

(1 陕西铁路工程职业技术学院，陕西渭南 714000；2 大连理工现代工程检测有限公司，辽宁大连 116024)

在“低温加热-颗粒整形”工艺分离废弃混凝土的基础上，分析研究了再生粗骨料的性能以及再生混凝土的力学性能。实验结果表明：在水灰比和砂率相同的基础上，相较于素混凝土，当再生粗骨料代替率为40%时，再生混凝土7d和28d的抗压强度分别提高约6.9%和4.2%；再生混凝土的峰值应力变化与抗压强度变化趋势相同，且两者的提高原因皆源于弹性应变的提高。

再生粗骨料，低温分离工艺，弹性应变

随着生产力发展和城市化进程的加速，能源危机和全球变暖已被公认为是人类必须面对和亟待解决的问题[1]，因此“绿色”和“可持续发展”就成为现今材料发展的大趋势，然而在建筑业发展的同时，建筑物在拆建、改建和重建过程中产生了相当数量的建筑垃圾[2]，如果把这部分建筑垃圾进行简单的填埋，不仅占用大量农田，而且在清运过程中容易产生二次污染[3]，这就与“绿色”和“可持续发展”相违背，从而阻碍社会进步和经济发展，因此废弃混凝土再利用已成为世界各国关注的热点。

再生混凝土是将废弃混凝土经破碎、整形、分级后，按照一定的比例混合[4]，制备成与天然石子级配接近的骨料，采用部分或全部替代天然骨料配置而成。对再生粗骨料而言，其强度较基准骨料低，主要由于其在解体破碎过程中的损伤累积，导致再生混凝土强度常低于相同配合比的基准混凝土[5]。为提高再生骨料的品质，我国对废弃混凝土的分离方法进行了深入研究。目前，加热分离法是有效且对骨料损害最小的方法，但研究多集中于高温分离[6-8]，高温分离较之低温分离，在节约资源、控制成本方面略显劣势。因此，本文以节能和环保为基础，提出“低温加热-颗粒整形”工艺并对分离出的再生粗骨料的回收利用进行了试验研究。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

试验过程中所需的原材料包括：型号为P·O 42.5R的水泥，基准骨料为天然石子、天然砂，废弃混凝土为龄期两年的C30混凝土试块，再生骨料通过将废弃混凝土试块经“低温加热-颗粒整形”工艺分离得到，再生细粉粒径小于0.3mm通过将废弃混凝土试块经“低温加热-颗粒整形”工艺分离得到。

2.2 试验方法

废弃混凝土试块通过万能压力机进行破碎，并对破碎废弃料进行过筛，选用粒径不大于26.5mm的物料作为本次试验的再生料，将其在马弗炉中以40℃/min匀速加热至200℃，再经水泥试验磨粉磨3min，进行筛分处理，选择粒径5mm～26.5mm的粉末作为再生粗骨料(其性能如表1所示)，0.315mm～5mm的粉末为再生细骨料(其性能如表2和表3所示)，其余为再生细粉。

表1 再生粗骨料的性能Table 1 Properties of recycling coarse aggregate

表2 再生细骨料的颗粒级配Table 2 Grain composition of recycling fine aggregate

表3 再生细骨料与天然砂的性能Table 3 Properties of recycled fine aggregate and natural sand

将上述“低温加热-颗粒整形”工艺分离的再生粗骨料作为粗集料，在水灰比和砂率相同的基础上，通过调整再生粗骨料的取代率，制备C30再生粗骨料混凝土(配合比如表4所示)，以探求再生粗骨料对再生粗骨料混凝土强度的影响，并制作棱柱体试件测得各掺量下峰值应力应变，从各个方面分析混凝土强度变化的原因。

按表5所示的配合比，在再生粗骨料取代率为20%(试验得出的最佳掺量)基础上，加入30%再生细骨料替代天然砂制备混凝土(称再生混凝土)，讨论再生骨料对强度的影响，并在此基础上，加入20%细粉替代水泥，探求完全再生混凝土的性能(再生细骨料掺量为本课题前期研究中得出的最佳掺量)。

表4 再生粗骨料混凝土配合比Table 4 Mix proportion of recycled coarse aggregate concrete

表5 再生混凝土配合比Table 5 Mix proportion of recycled aggregate concrete

2 试验结果及分析

2.1 再生粗骨料混凝土的力学性能

表6所示为同水灰比、同砂率条件下，再生粗骨料替代率分别为0、20%、40%和60%情况下不同龄期的抗压强度值。图1为根据抗压强度值绘制成的强度变化趋势图，从图中可看出随着替代率的增大强度上升。当替代率为40%时，7天和28天的再生粗骨料混凝土较基准提高约6.9%和4.2%，而替代率为60%时强度有所降低，其值与基准强度持平。说明在水灰比和砂率相同的情况下，“单独”替换粗骨料，替代率在一定范围内，强度有所提高。这与吴淑海和张虹等[9-10]研究结果相同，即在配比和级配均相同的条件下，再生骨料与类似材质的天然骨料制成的混凝土相比，前者强度更高。

表6 再生粗骨料混凝土强度和流动度Table 6 Fluidity and strength of recycled coarse aggregate concrete

图1 再生粗骨料抗压强度Fig.1 Compressive strength of recycling coarse aggregate concrete

为进一步评价本工艺分离得到再生粗骨料的变形能力，对再生粗骨料混凝土棱柱体的峰值应力应变进行测试，其结果见表7，变化趋势如图2所示。图中峰值应力与立方体抗压强度变化相同，而峰值应变在替代率为60%时，相对基准试样提高约3%，表明再生粗骨料混凝土在短期加载的情况下，应力随应变增大而增大。从混凝土力学性能上看，弹性模量降低是峰值应力应变改变的根本原因。这里弹性模量指的是应力应变曲线中混凝土的原点弹性模量，而峰值点压应变由弹性应变和塑性应变组成，其中弹性应变为混凝土弹性阶段变形，按《普通混凝土力学性能试验方法》中取峰值压应力的0.4倍作为弹性应力值，可算出弹性阶段应变的大小，进而得到峰值点弹性应变比例，其值如表8所示。由弹性应变比例可得出：随再生粗骨料替代率增加峰值点弹性应变增加，即弹性阶段再生粗骨料混凝土应力应变曲线斜率较普通混凝土小，曲线增长缓慢，变形能力增强，立方体抗压强度增高，因此笔者认为再生粗骨料混凝土峰值应变增长的来源主要是弹性应变。

再生混凝土与普通混凝土类似，由水泥基材料、骨料和两者界面三相组成，其强度也由三者决定。首先由废弃混凝土中分离得到的再生粗骨料，在分离和整形的过程中受到外力作用，使原骨料中少量已有裂纹的粗骨料沿岩石解理破裂，从而达到“棱角增强”和“坚固性选优”的目的。其次尽管再生粗骨料经过多次整形，但其表面仍有残余水泥石附着，其较强的亲水性使再生骨料与新水泥基材料的界面水灰比变大，过渡区内结构相对疏松且厚度增加，当再生骨料大量替代天然骨料时新旧ITZ界面增厚，混凝土的第三相强度降低，整体强度也随之下降，实验中发现当替代率为60%时大部分裂缝沿骨料破坏，而替代率为20%和40%时多为骨料破坏，表明在一定替代率范围内，再生混凝土的强度由骨料决定，而超过范围则由骨料与新水泥基材料间的界面强度决定。

表7 再生粗骨料混凝土的峰值应力应变和弹性模量Table 7 Peak stress -strain and elasticity modulus of recycled coarse aggregate concrete

图2 再生粗混凝土应力应变Fig.2 Strain and stress of recycling aggregate concrete

表8 再生粗骨料混凝土的峰值应变Table 8 Peak strain of recycled coarse aggregate concrete

2.2 再生骨料混凝土的力学性能

表9为再生骨料混凝土立方体抗压强度表，图3为根据立方体强度值绘制成的折线图，从A0和B的强度变化可看出在保持水灰比和砂率不变的情况下，30%再生细骨料替代天然砂后，7天和28天强度均降低约9%。这与再生细骨料自身的性能有关，其吸水率过高，不但降低了拌合物的坍落度，而且使水泥基材料强度以及与骨料的粘结应力都有所降低。

再生细骨料中混有部分硬化水泥颗粒，当替代部分天然砂时，其“真实的砂率”相对基准混凝土而言有所降低，是再生细骨料混凝土强度降低的原因之一。其次，再生细骨料有石屑和硬化水泥石掺入，强度和坚固性都大大降低。最后，再生细骨料吸水率偏高，使过渡区内水灰比进一步提高，造成界面厚度增加且与骨料间的粘结力下降，是再生细骨料混凝土强度下降的主要原因。另外实验中裂缝界面均沿骨料破坏，再次表明再生细骨料混凝土强度降低的原因起自细骨料本身的性能。

表9 再生骨料混凝土流动度及强度Table 9 Fluidity and strength of recycling aggregate concrete

图3 再生骨料抗压强度对比Fig.3 Compressive strength of recycling aggregate concrete

图3为再生混凝土的抗压强度对比，C强度较A0降低约50%，其原因在于20%的细粉替代水泥后，胶凝材料活性指数降低，进而在拌合混凝土的过程中，“水灰比”较设计时降低，立方体抗压强度自然随着降低。图4为再生混凝土破坏形态图，从图中可看出A0和C的裂缝有明显区别。C试样由于加入再生细粉，当出现裂缝后立方体试件立即被破坏，且破坏模式变现为较强的脆性剪切破坏，而A0则趋于倒相连的四角锥形。

图4 再生混凝土的破坏形态Fig.4 Failure appearance of recycled concrete

3 再生骨料混凝土再利用的前景

将大量混凝土废弃物再利用，所需技术设备简单且处理费用低，相比现阶段垃圾清运和购买建筑材料所需费用而言，具有较大的赢利空间，满足经济的可行性。当今世界正处于能源匮乏和环境污染加剧的状态，如能科学有效地分离废弃混凝土，不但可节约砂石等自然资源，更能促进资源与环境协调发展，符合我国科学发展观念，利于建筑业的可持续发展。

4 结论

(1)在水灰比和砂率相同的条件下，随再生粗骨料替代率提高再生粗骨料混凝土强度略微上升，且在一定替代率范围内，再生粗混凝土的强度由骨料决定，而超过范围则由骨料与水泥间的界面强度决定。

(2)最终提出再生粗骨料混凝土配合比为W∶C∶S∶G=178∶380∶810∶950。

(3)再生粗骨料混凝土峰值应变较普通混凝土提高，其中峰值应变提高的主要来源是弹性应变的提高。

(4)再生细骨料自身性能的下降对再生细骨料混凝土强度降低起决定作用。

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ExperimentalResearchontheMechanicalPropertiesofRecycledConcrete

LI Na1，FENG Qi2，NAN Huang-he1，HE Bing1，LUO Yun-yin1

(1 Shaanxi Railway Institute，Weinan 714000，Shaanxi，China；2 Dalian Institute of Technology，Modern Engineering Detection Co. LTD，Dalian 116024，Liaoning，China)

Based on the “Low temperature heating-particle shaping” process for separating waste concrete，the performance of recycled coarse aggregate，combined with the mechanical properties of the recycled concrete，were analyzed systematically in this paper. Compared to the reference concrete，all the results showed that the compressive strength of recycled concrete，which prepared by 40% replacement ratio of recycled coarse aggregate，was improved by 6.9% and 4.2% at 7d and 28d，respectively. The changes of peak stress followed that of the compressive strength，which caused by the improvement of the corresponding elastic strain.

recycled coarse aggregate，low temperature separating process，elastic strain

TQ 172.71

陕西省教育厅自然科学基金专项(16JK1172)；陕西省高性能混凝土工程实验室专项课题(G2015-01)