再生粗骨料自密实混凝土基本力学性能

刘 清, 韩风霞, 于广明,2, 徐 鹏

(1.新疆大学 建筑工程学院, 新疆 乌鲁木齐 830047; 2.青岛理工大学 土木工程学院, 山东 青岛 266033)

再生粗骨料自密实混凝土(recycled coarse aggregate self-compacting concrete,RCASCC)是指将自密实混凝土中的天然粗骨料用再生粗骨料部分或全部替代而形成的混凝土,在继承自密实混凝土各种优点的同时,又利用了建筑垃圾循环再生粗骨料,从而达到保护环境、节约自然资源的目的[1].

国内外学者针对普通再生混凝土基本力学性能的研究较多,肖建庄[1-2]对再生混凝土力学性能、本构关系、耐久性和可持续发展理论作了全面探讨;Thomas等[3]探讨了再生骨料取代率对混凝土强度的影响,认为当再生骨料取代率为25%时不会对混凝土强度产生显著影响;肖建庄等[4-8]对普通再生混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度作了研究,发现一定范围内的再生粗骨料取代率会降低混凝土强度,并且分析了再生混凝土梁的抗弯性能,证明再生混凝土可以运用于工程实际;吴波等[9]将自密实混凝土和废旧混凝土块体混合浇筑,对所形成的自密实再生混合混凝土进行单轴受压试验,发现其抗压强度随着废旧混凝土块体掺量的增加而显著降低.

另外,目前对自密实混凝土(self-compacting concrete,SCC)的研究已经较为成熟,刘清等[10-13]对SCC的工作性能、力学性能及抗冻性能作了深入研究,得出了不同矿物掺和料、卵石形状指数和颗粒级配对SCC工作性能和力学性能的影响规律,以及SCC经过冻融循环前后的基本力学性能和应力-应变曲线变化规律.

迄今为止,对RCASCC的抗压、抗拉等基本力学性能和应力-应变本构关系研究的公开文献较少.因此,本文以再生粗骨料取代率(以下简称为取代率,用R表示)为变量,对RCASCC的工作性能和不同龄期下的基本力学性能进行试验研究,得到其工作性能和基本力学性能的变化规律,并得出适用于RCASCC的应力-应变本构方程参数,以期为RCASCC的数值模拟、理论研究和工程应用提供参考.

1 试验概况

1.1 试验原材料

水泥(C)采用新疆本地产P·O 42.5水泥.细骨料(S)采用天然河砂.天然粗骨料(NCA)采用5～20mm连续级配的卵石,其表观密度为2650kg/m3,压碎指标(质量分数,本文中的压碎指标、吸水率、取代率等均为质量分数)为3.88%;再生粗骨料(RCA)采用5～20mm连续级配的破碎废混凝土块,其表观密度为2515kg/m3,吸水率为6.85%,压碎指标为13.93%,级配见表1.矿物掺和料(FA)采用乌鲁木齐某电厂生产的Ⅱ级粉煤灰.外加剂(WRA)采用聚羧酸系高效减水剂,其固含量为20%.水(W)为自来水.

表1 再生粗骨料级配Table 1 Recycled coarse aggregate gradation

1.2 配合比

为保证各组RCASCC的强度等级均达到C30,以再生粗骨料取代率R=100%为基准组,对RCASCC进行试配.由于再生粗骨料存在高吸水率的特性,会影响RCASCC的工作性能,故采取预湿法对再生粗骨料进行预湿处理,使之成为饱和面干的再生骨料.参考JGJ T283—2012《自密实混凝土应用技术规程》进行配合比设计,通过试验调整,最终确定的RCASCC配合比如表2所示.

表2 RCASCC配合比Table 2 Mix proportion of RCASCC kg/m3

1.3 试件设计

本文以取代率R为0%、25%、50%、75%、100%设计并制作了强度等级不低于C30的2批RCASCC试件.其中1批为150mm×150mm×150mm 的标准立方体试件,每种取代率有12个试件,分别用于7、28、60d立方体抗压强度试验和 28d 劈裂抗拉强度试验;另1批为150mm×150mm×300mm的标准棱柱体试件,每种取代率有6个试件,分别进行28d轴心抗压强度和应力-应变试验(各有3个平行试件).

1.4 试验装置

试验装置为WHY-3000型微机控制全自动压力试验机和DH3816应变测量系统.为更好地获取荷载-位移全过程曲线,棱柱体试件应力-应变试验全过程采用位移控制,加载速率为0.005mm/s;立方体试件抗压强度和劈裂抗拉强度试验采用应力控制,加载速率分别为0.50MPa/s和0.05MPa/s.

在试件相邻两面中部粘贴纵向和横向应变片,用于测量棱柱体试件在荷载作用下的应变值.

2 工作性能

参考JGJ T283—2012,对不同取代率的RCASCC试件进行工作性能测试,测试指标分别为坍落扩展度、扩展时间T50、V形漏斗流出时间TV,结果见图1.由图1可见,随着取代率的增加,各组试件的坍落扩展度呈逐步下降趋势,V形漏斗流出时间和扩展时间呈逐步增加趋势,这说明加入再生粗骨料会损失RCASCC的流动性.这主要是再生粗骨料表面呈棱角状,会增大RCASCC在流动过程中的摩阻力所致.当取代率为25%时,对RCSASCC各项工作性能指标的影响并不显著,其坍落扩展度仅损失1.52%;当取代率达到75%时，其流动性能下降已较为明显,坍落扩展度损失已达6.82%.但总体来说,各组RCASCC试件的工作性能均能达到二级自密实混凝土指标,且不离析、不泌水.

图1 不同取代率下RCASCC试件的工作性能Fig.1 Working performance of RCASCC samples with different replacement rates

3 力学性能

3.1 立方体试件抗压破坏形态

对RCASCC立方体试件的破坏过程和抗压破坏形态进行观测,发现不同取代率的RCASCC试件抗压破坏形态并无明显差异,且其抗压破坏形态和破坏过程与普通混凝土(NC)基本相似.在弹性加载初期,试件并无明显变化;随着荷载逐渐增加,试件侧面中间部位开始出现细小的竖向裂缝→试件表面裂缝开始变宽变多→试件进入破坏阶段,其表面裂缝迅速变宽,并且以40°～45°斜向延长形成贯通裂缝,表面砂浆和部分粗骨料脱落,最终丧失承载力.剥去表面碎屑后形成如图2所示的破坏形态,破坏面暴露在外的主要是水泥砂浆基体,另一部分是粗骨料.粗骨料的破坏形态主要有2种：一是沿天然粗骨料与水泥砂浆界面区的黏结破坏;二是沿再生粗骨料的断裂破坏.

图2 RCASCC立方体试件的抗压破坏形态Fig.2 Compressive failure mode of RCASCC cubic sample

3.2 棱柱体试件抗压破坏形态

在加载过程中,RCASCC棱柱体试件均首先出现竖向细小裂缝,随着荷载增加,裂缝变宽、增多,并逐渐沿着纵向或斜向发展.达到极限荷载后,部分裂缝发展速度较快,形成多条纵向和斜向贯穿裂缝,同时伴随着表面混凝土脱落,试件形成若干柱状体,最终丧失承载力.RCASCC棱柱体试件的抗压破坏形态如图3所示.

图3 RCASCC棱柱体试件的抗压破坏形态Fig.3 Compressive failure mode of RCASCC prism sample

3.3 立方体试件劈裂抗拉破坏形态

在RCASCC立方体试件的劈裂抗拉试验过程中,其劈裂面及骨料的破坏形态如图4所示.在试验初期,试件无明显变化,随着荷载的持续增加,立方体试件内部积聚的拉应力不断增长,当到达极限拉应力时,试件垫条处突然间产生1道贯通裂缝,将试件劈裂成2部分,并无明显征兆.立方体试件断裂面上大部分为砂浆的基体拉裂,其中包括新砂浆和再生粗骨料中的旧砂浆基体;还有一部分为水泥浆体与天然粗骨料的黏结面被拉裂,以及个别天然粗骨料被拉裂,从而造成试件劈裂抗拉强度有所下降.个别天然粗骨料被拉裂的原因可能是经过破碎后的再生粗骨料使部分天然粗骨料内部产生了不同程度的损伤.

图4 RCASCC立方体试件劈裂面及骨料的破坏形态Fig.4 Splitting surface and failure modes of aggregate of RCASCC cubic sample

4 试验结果与分析

4.1 立方体抗压强度

表3为RCASCC试件在不同龄期下的立方体抗压强度(fcu).由表3可见：取代率为0%、25%、50%、75%、100%的试件在3种龄期下的立方体抗压强度平均值分别为47.8、37.7、39.9、35.4、31.6MPa,若以取代率0%为基准组,则各组试件的立方体抗压强度平均值相对基准组的降低幅度分别为21.1%、16.5%、25.9%、33.8%,这说明再生粗骨料的掺入使得RCASCC抗压强度明显降低;不同取代率试件的7、28、60d立方体抗压强度平均值分别为30.0、41.3、44.2MPa,其值随着龄期的增长而升高,若以龄期7d为基准组,则不同取代率试件的28、60d立方体抗压强度平均值相对基准组分别升高了37.8%、47.4%.

表3 RCASCC试件在不同龄期下的立方体抗压强度Table 3 Cubic compressive strength of RCASCC samples under different ages

由表3还可见,随着取代率的增加,RCASCC试件的立方体抗压强度整体呈现非线性减小趋势.取代率从0%增加到25%时,试件RCASCC-25的各龄期立方体抗压强度均大幅下降;取代率从25%增加到100%时,各组试件的7d立方体抗压强度下降幅度减缓.究其原因,再生粗骨料的使用对RCASCC力学性能的影响存在两面性.正面效应是由于再生粗骨料表面存在较多毛细孔和细小裂缝,而在混凝土拌和之前均经过预湿水处理,使其成为吸水饱和状态,导致这些毛细孔和细小裂缝中存在部分水分,在混凝土养护过程中对再生粗骨料周围的水泥起到内养护作用,使其充分水化,增加了周围水泥基体的密实度；并且,此作用又能使粉煤灰充分参与水泥水化反应,生成C-S-H凝胶,使混凝土整体强度有所增加,且再生粗骨料取代率越大该正面效应越大.负面效应是由于再生粗骨料中存在部分水泥浆体,使其压碎指标增大、坚硬程度降低,造成混凝土强度降低,且再生粗骨料取代率越大该负面效应也越大.

另外,随着龄期的增长,各组试件的立方体抗压强度大体呈现非线性增长的趋势,前期强度增长速率快于后期,其中取代率为75%和100%的2组试件60d强度甚至低于其28d强度.众所周知,新拌混凝土强度随着龄期的增长一般呈增长趋势,本试验出现这种现象的原因并非是龄期增长所致.因为再生粗骨料自身存在的缺陷是随机分布的,而粗骨料作为RCASCC承受荷载的骨架,一旦被再生粗骨料大量替代,就会造成骨架中存在的缺陷增多,并且随机分布,这种随机分布可能造成60d龄期试件中的缺陷增多,使其立方体抗压强度低于28d之时.

综上所述,与其余取代率的RCASCC试件相比,RCASCC-50试件的立方体抗压强度略高,且稳定性较优.故从保证强度且尽量增加建筑垃圾利用率的角度出发,建议取代率取50%.

4.2 轴心抗压强度

各取代率下的RCASCC试件28d轴心抗压强度(fc)试验结果见图5.由图5可见：随着取代率的增加,RCASCC试件的轴心抗压强度基本呈现减小的趋势,取代率从0%增加到25%时降幅较小,而取代率从25%增加到50%时出现小幅升高现象;取代率从50%增加到75%时则大幅下降,取代率从75%增加到100%时降幅又减小.这说明0%～50%的取代率不会对RCASCC的轴心抗压强度产生较大影响,但取代率大于50%后会大幅降低其轴心抗压强度.

图5 各取代率下RCASCC试件的28d轴心抗压强度Fig.5 Axial compressive strength of RCASCC samples at 28d under different replacement rates

由图5和表3可以得到,RCASCC试件的28d轴心抗压强度平均值fc为34.0MPa,28d立方体抗压强度平均值fcu为41.3MPa.由此可得两者的关系为：

fc=0.823fcu

(1)

4.3 劈裂抗拉强度

各取代率下的RCASCC试件28d劈裂抗拉强度(ft)试验结果见图6.由图6可见：随着取代率的增加,RCASCC试件的劈裂抗拉强度呈现非线性减小趋势,取代率从0%到25%时降幅较大;取代率从25%到100%时基本上呈线性下降趋势,但降幅较小.

图6 各取代率下RCASCC试件的28d劈裂抗拉强度Fig.6 Splitting tensile strength of RCASCC samples at 28d under different replacement rates

GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》中规定普通混凝土劈裂抗拉强度ft与立方体抗压强度fcu的换算关系为：

(2)

根据本文试验所得的图6和表3中RCASCC的28d劈裂抗拉强度和28d立方体抗压强度数据,通过式(2)拟合后的换算关系见式(3),其中的参数a=0.09145、b=1.01388,拟合曲线见图7.图7中同时列出了文献[14-16]中的劈裂抗拉强度和立方体抗压强度试验值,与本文拟合曲线对比后发现两者吻合良好,说明式(3)可以较准确地反映RCASCC劈裂抗拉强度和立方体抗压强度之间的换算关系.

(3)

图7 RCASCC试件的劈裂抗拉强度和立方体抗压强度关系Fig.7 Relationship between ft and fcu of RCASCC samples

4.4 应力-应变曲线

采集各组试件的荷载-位移试验数据并整理后,通过式(4)、(5)转化为应力-应变(σ-ε)曲线.

σ=F/A

(4)

ε=ΔL/L

(5)

式中：F为轴向荷载;A为试件截面积;ΔL为轴向压缩位移;L为试件高度.

每组3个平行试件受力过程中的应力-应变曲线如图8所示.由图8可见：即便每组3个平行试件的配合比完全相同,但其应力-应变曲线仍然存在一定的差异,尤其是曲线下降段的离散性较大.这主要是因为RCASCC是由水、天然粗骨料、再生粗骨料、砂、水泥、矿物掺和料以及外加剂经过拌和、硬化形成的非均质建筑材料,其力学性能必定存在一定的离散性和差异性,离散性的大小与原材料的质量和性质有着密不可分的关系.

图8 每组3个平行试件的应力-应变曲线Fig.8 Stress-strain curves of 3 parallel samples in each group

4.5 无量纲化应力-应变曲线

为便于指标的评价和计算，本文将每组3个平行试件的应力-应变试验数据进行无量纲处理,然后绘制这些试件的无量纲应力-应变曲线；从每组3条曲线中各选取1条下降段采集较为完整的曲线,并将其汇总于同一坐标系,横坐标为ε/εc(εc为峰值应力所对应的应变值),纵坐标为σ/σc(σc为峰值应力).最终选取试件RCASCC-0-1,RCASCC-25-3,RCASCC-50-3,RCASCC-75-3,RCASCC-100-1的无量纲应力-应变曲线,如图9所示.由图9可见,不同取代率的RCASCC试件无量纲应力-应变曲线均经历了弹性上升、弹塑性上升、峰值点、下降、下降段拐点、残余阶段,各曲线上升段基本重合,下降段曲线有一定离散性.

图9 RCASCC的无量纲应力-应变曲线及其拟合曲线Fig.9 Nondimensionalizational stress-strain curves and fitting curve of RCASCC

4.6 RCASCC本构方程

过镇海[17]早在上世纪90年代就提出了普通混凝土的单轴受压本构方程,其表达式为上升段和下降段分开的分段函数,x轴、y轴分别是无量纲应变、应力,见式(4).

(4)

式中：a1、b1分别是控制应力-应变曲线上升段和下降段的参数.

图9的RCASCC无量纲应力-应变曲线表明，RCASCC的应力-应变曲线形状与普通混凝土相似,故可考虑应用普通混凝土的单轴受压本构方程(式(4))来拟合RCASCC的应力-应变曲线.分析发现，当式(4)中的a1=0.7时,拟合曲线的上升段与试验曲线的上升段基本重合；当b1=4～11时,拟合曲线的下降段与试验曲线的下降段可以拟合,当b1=7 时拟合最好.a1=0.7、b1=7时的拟合曲线也列于图9.建议当对RCASCC的应力-应变曲线进行理论计算和数值模拟时可采用式(4),对控制参数可选取a1=0.7、b1=7.

5 结论

(1)采用再生粗骨料替代天然骨料可以适配出工作性能满足规范要求的自密实混凝土,随着取代率的增加,RCASCC的流动性能随之下降.

(2)RCASCC的破坏过程和破坏形态与NC基本相似,随着龄期的增长,RCASCC的抗压强度呈现非线性增长趋势,且前期增长速率大于后期.

(3)随着取代率的增加,RCASCC的立方体抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度总体呈现下降趋势,但取代率为50%时,其立方体抗压强度和轴心抗压强度高于取代率为25%的试件.从保证强度且尽量增加建筑垃圾利用率的角度出发,建议再生粗骨料的取代率取为50%左右.

(5)建议RCASCC的本构关系可采用普通混凝土的单轴受压本构方程,控制参数取值a1=0.7、b1=7.