不同粒径再生粗骨料二级配混凝土力学性能试验研究

王瑞骏，缑彦强，徐 帆

(西安理工大学水利水电学院，陕西西安710048)

0 引 言

再生混凝土作为一种新型材料，不仅环保，而且也符合建筑行业可持续发展的要求，因此具有广泛的应用前景。再生混凝土的的单轴受压和劈裂抗拉性能是研究再生混凝土结构承载力和变形等的主要依据，对于构件极限受压状态时的截面应力分布、破坏形态、变形情况等的分析具有重要意义。

近年来，国内外学者关于再生混凝土力学性能的研究，取得了一系列的成果。张波志等[1]研究发现，再生混凝土的抗压强度高于普通混凝土，而劈裂抗拉强度低于普通混凝土；寇世聪等[2]研究了不同强度等级的混凝土作为再生粗骨料的高性能再生混凝土的力学性能，发现再生混凝土的抗压强度与原生混凝土的强度成正比；陈宗平等[3]、郭樟根等[4]研究了不同粗骨料替代率下混凝土的力学性能，得出再生混凝土的最优取代率为30%～40%；ABDURRAHMAAN等[5]研究发现再生粗骨料取代率小于30% 时，对再生混凝土的抗压强度影响很小；PEREIRA等[6]、关壮等[7]通过试验研究发现掺加高效减水剂可以提高再生混凝土的力学性能，且随着引气剂含量的增大，再生混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度均呈减小趋势。然而，现有再生混凝土力学性能的研究均是针对单一粒径再生粗骨料或细骨料进行的，大多忽略了粗骨料粒径的影响[8，9]。为此，本文对5～20、20～30 mm及5～30 mm粒径范围内的再生粗骨料在不同取代率下等质量替代相同粒径范围内的天然粗骨料的二级配再生混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度进行了试验研究。结合试验数据，采用非线性回归方法，建立了不同粒径再生粗骨料混凝土立方体抗压强度与劈裂抗拉强度的换算关系，为再生混凝土的推广应用中合理的选取粗骨料粒径及取代率提供参考和依据。

表1 混凝土试件配合比

注：NC为普通混凝土；RCXX-N中XX表示再生粗骨料取代率XX%，N表示第N组试件。如RC30-1表示再生粗骨料取代率为30%的第1组试件。

1 试验概况

1.1 试验材料

试验所用天然粗骨料为经过筛分的5～20、20～30 mm连续级配的天然石子，再生粗骨料来自实验室测试完混凝土劈裂抗拉强度的同一批普通混凝土试块，通过人工破碎，筛分后粒径为5～20、20～30 mm；细骨料为西安灞河中砂(细度模数为2.5)；水泥为冀东水泥铜川有限公司生产的盾石牌P·C 32.5R普通硅酸盐水泥；中科院生产的高效聚羟基酸减水剂和高效三萜皂甙引气剂；试验用水为自来水。

1.2 试验混凝土配合比设计

试验设计了12种不同再生粗骨料取代率的二级配混凝土：①普通二级配混凝土；②再生粗骨料粒径为5～30 mm，取代率为30%、40%、50%、75%和100%的二级配再生混凝土；③再生粗骨料粒径分别为5～20、20～30 mm，取代率为30%、40%和50%的二级配再生混凝土(粒径为5～20、20～30 mm的粗骨料按1∶1分配)。考虑到再生粗骨料吸水率较大的特性，为保证混凝土具有良好的和易性，混凝土用水量分为拌和水及附加用水两部分。附加用水量等于再生骨料吸水率乘以再生骨料的用量，本试验中再生粗骨料吸水率通过试验测定为2.9%。试验采用天然骨料混凝土的配合比设计方法，参照JGJ55—2011《普通混凝土配合比设计规程》进行。具体设计配合比如表1所示。

1.3 试验方法

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，抗压强度试验制作了12组试件，劈裂抗拉强度试验制作了12组试件，试件均采用立方体试件，尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，每组3个试件，总计72个。混凝土试件均采用机械搅拌，标准钢模成型，振动台振捣密实，24 h后拆模，在温度为(20±2)℃ 、相对湿度为95%的标准养护箱内养护28 d。在计算机控制的电液伺服试验机上以0.5 MPa/s的速度连续均匀地加荷进行抗压强度试验，以0.05 MPa/s的速度连续均匀地加荷进行劈裂抗拉强度试验。

2 试验结果与分析

2.1 试件破坏形态

2.1.1 抗压强度试验

当荷载施加到一定程度，起初混凝土试件表面开始出现少许近似垂直于上下受力面的细小裂缝。随着荷载的继续增大，裂缝进一步延伸扩大，裂缝数增多，并向内部发展，试件表皮开始鼓胀、剥落。直至加载到极限荷载，混凝土试件完全破碎，并伴有声响。普通混凝土与再生混凝土试件的破坏形态如图1所示。

图1 混凝土试件抗压强度试验破坏形态

2.1.2 劈裂抗拉强度试验

加载初期，混凝土试件表面并无明显裂缝。随着荷载的增大，在上下受力接触点出现垂直于受力面的细小裂缝。当达到极限荷载时，试件在很短的时间内完全劈裂为两块，并发出明显声音。再生混凝土与普通混凝土的劈裂破坏形态基本相同，都是沿试件中心线附近劈裂为两块，劈裂面绝大多数都是沿天然骨料与水泥砂浆的接触面破裂及骨料间的水泥砂浆被劈裂，只有很少的天然骨料破裂。试件劈裂破坏形态如图2所示，破坏面如图3所示。

图2 混凝土试件劈裂抗拉试验破坏形态

图3 混凝土试件劈裂抗拉破坏面

2.2 抗压强度试验结果与分析

试验中每组试件的试验结果均按GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行处理。各组再生混凝土试件的抗压强度与再生粗骨料取代率的关系如图4所示。

图4 再生混凝土抗压强度与不同粒径再生粗骨料取代率的关系

由图4可以知道，在相同取代率下，再生粗骨料粒径为5～30 mm的再生混凝土比粒径为5～20、20～30 mm的再生混凝土的抗压强度高。说明再生粗骨料级配连续的再生混凝土比再生粗骨料级配不连续的再生混凝土抗压强度高。取代率为0～30%时，3种粒径的再生混凝土的抗压强度均增大，且取代率为30%时，3种再生混凝土的抗压强度均达到最大，再生粗骨料粒径为5～30 mm和5～20、20～30 mm的再生混凝土的抗压强度比普通混凝土分别增大19.29%、11.68%和14.95%。取代率为30%～50%时，3种粒径再生混凝土的抗压强度又逐渐降低，粒径为20～30 mm的再生混凝土降低幅度最大。当取代率为50%时，粒径为20～30 mm的再生混凝土的抗压强度比取代率为30%时降低了11.35%，而粒径为5～30 mm和5～20 mm的再生混凝土的抗压强度分别降低了5.47%和5.84%。可见3种粒径的再生粗骨料混凝土中，粒径为20～30 mm的再生混凝土的抗压强度随取代率的变化幅度最大，说明影响二级配再生混凝土抗压强度的主要是粒径为20～30 mm的再生粗骨料。粒径为5～30 mm的再生混凝土，取代率为75%～100%时，抗压强度基本不变。

出现以上变化的原因是再生粗骨料经破碎后，棱角突出，相比天然粗骨料表面粗糙，增大了骨料间的摩擦力及骨料与水泥砂浆间的粘结力，从而提高了再生混凝土的抗压强度。同时再生粗骨料在破碎的过程中，内部产生了一定数量的微小裂缝，致使其承载力与天然骨料相比有所降低。取代率不同，这两种作用也不同，当取代率较小时，有利因素作用较大，所以抗压强度有所提高；随着取代率的增大，再生骨料经内部的微小裂缝导致再生混凝土的孔隙率变大，受压时在裂缝空隙处产生应力集中，这种不利因素超过有利因素的作用，所以随取代率的增大再生混凝土的抗压强度又逐渐降低[3，9，10]。

2.3 劈裂抗拉强度试验结果与分析

图5为不同粒径再生粗骨料混凝土劈裂抗拉强度与再生粗骨料取代率的关系。由图5可知，粗骨料粒径为5～30 mm和5～20 mm的再生混凝土的劈裂抗拉强度随取代率的变化趋势基本相似，当取代率<40% 时，劈裂抗拉强度呈增大趋势，当取代率>40%时，劈裂抗拉强度逐渐减小，且取代率在40% 时，劈裂抗拉强度均达到最大，分别为4.11 MPa和3.82 MPa，比普通混凝土增大了14.17%和6.11%。与抗压强度一样，在同一取代率下，粒径为5～30 mm的再生混凝土比粒径为5～20 mm的再生混凝土的劈裂抗拉强度高。当取代率为75%～100%时，粒径为5～30 mm的再生混凝土劈裂抗拉强度基本不变。粒径为20～30 mm的再生混凝土的劈裂抗拉强度在取代率为30%时逐渐增大，在取代率为30%～50%时又逐渐降低，取代率为30%时劈裂抗拉强度最大，为4.07 MPa，比普通混凝土增大了13.06%。原因是粒径为5～20 mm的再生粗骨料大多是由废弃混凝土中的水泥砂浆组成，其强度没有相同粒径天然骨料高，而粒径为20～30 mm的再生粗骨料大多是由废弃混凝土中的水泥砂浆包裹天然骨料组成，其强度与相同粒径天然骨料相比降低幅度不大，因此粗骨料粒径为5～20 mm的再生混凝土比粒径为20～30 mm及5～30 mm的再生混凝土的劈裂抗拉强度小。由于再生粗骨料中含有大量的水泥砂浆，而再生粗骨料的水泥砂浆内存在许多未完全水化的水泥颗粒及矿物掺合料颗粒，这些颗粒在再生混凝土内部发生二次水化反应，增强了粗骨料与新旧砂浆的粘结力及密实度，因此随着取代率的增大，再生混凝土劈裂抗拉强度比普通混凝土有所增大[11]。

图5 再生混凝土劈裂抗拉强度与不同粒径再生粗骨料取代率的关系

3 再生混凝土立方体抗压强度与劈裂抗拉强度的换算关系

GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》中规定，普通混凝土立方体抗压强度与劈裂抗拉强度之间的换算关系为

(1)

式中，fts为混凝土劈裂抗拉强度；fcu为混凝土立方体抗压强度；α、β为回归参数。

采用式(1)回归分析不同粒径再生粗骨料在不同取代率下的二级配再生混凝土的劈裂抗拉强度与立方体抗压强度之间的换算关系。结合本文试验结果，通过非线性回归得到关系式见表2。采用表2中的公式计算得到的试件劈裂抗拉强度值与试验实测值的对比如表3所列。由表3可知，所得关系式拟合精度较高，达到95%以上，能较好地反映两者之间的关系。

表2 再生混凝土立方体抗压强度与劈裂抗拉强度的换算关系

表3 再生混凝土劈裂抗拉强度计算值与实测值对比

4 结 论

(1)再生混凝土与普通混凝土的劈裂破坏形态基本相同，都是沿试件中心线附近劈裂为两块，劈裂面绝大多数都是沿着天然骨料与水泥砂浆的接触面及骨料间的水泥砂浆破裂，只有极少的天然粗骨料破裂。

(2)相同取代率下，再生粗骨料粒径为5～30 mm的二级配再生混凝土比粒径为5～20 mm和20～30 mm的二级配再生混凝土的抗压强度高。当再生粗骨料取代率为30%时，二级配再生混凝土的抗压强度最大。

(3)粗骨料粒径为5～20 mm及5～30 mm的二级配再生混凝土，再生粗骨料取代率为40%时，劈裂抗拉强度最大；粗骨料粒径为20～30 mm的二级配再生混凝土，再生粗骨料取代率为30%时，劈裂抗拉强度最大。

(4)影响二级配再生混凝土抗压强度及劈裂抗拉强度的主要是粒径为20～30 mm的再生粗骨料。

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