破碎卵石再生混凝土折压比试验研究

安新正，刘浩楠，张翠霞，边金明，芈 峥

(河北工程大学 土木工程学院，河北 邯郸 056038)

近年来，建筑工业化进程的不断加快引发了环境问题和资源问题加剧。由于废弃旧建筑的拆除导致了大量建筑垃圾的随意堆弃,不仅污染环境,还占用大量土地资源[1]。另外，卵石具有质地坚硬、抗压强度大的优点[2]，被广泛应用于工程中，但天然卵石资源的过渡开采导致了级配较好的优质卵石资源稀缺，而一些不符合工程要求的大块废弃卵石被随意丢弃河道内，阻碍船只通行，存在极大的安全隐患。将大块卵石进行破碎后制成粗骨料应用于混凝土材料中是解决废弃卵石随意丢弃的重要途径。目前破碎卵石粗骨料混凝土已在工程中得到了广泛应用，在此背景下，如果将废弃混凝土破碎后制成再生粗骨料，以部分(或全部)取代为破碎卵石粗骨料，来生产满足工程需要的混凝土，不仅可以节省大量优质卵石资源，还可以解决建筑垃圾的安置问题。目前，大多数国内外学者的相关研究都集中在碎石粗骨料再生混凝土的强度以及耐久性研究方面[3-8]，对破碎卵石粗骨料再生混凝土的研究鲜有涉及。基于此，本文以废弃混凝土粗骨料取代率作为参量，分别设计制作了36个立方体试件与36个棱柱体试件来开展相关试验研究。通过试验研究，分析了破碎卵石再生混凝土在不同龄期下的抗压强度、抗折强度随废弃混凝土粗骨料取代率变化的规律，并分别建立了破碎卵石再生混凝土折压比、类折压比与废弃混凝土粗骨料取代率的相关关系计算公式。

1 试验概况

水泥：P.O 42.5级普通硅酸盐水泥；粉煤灰：Ⅱ级粉煤灰，掺量为10%；细骨料：细度模数为1.7的天然河砂；粗骨料：包括天然粗骨料和再生粗骨料，其中天然粗骨料采用连续级配的破碎天然卵石粗骨料(图1)，再生粗骨料采用废弃混凝土梁构件(强度等级为C30)经颚式破碎机破碎、筛分得到的连续级配的废弃混凝土再生粗骨料(主要成分为水泥砂浆块和表面粘连老旧砂浆的碎石块，其中水泥砂浆块含量约20%～30%，见图2)，粗骨料物理性能指标详见表1；水：邯郸市饮用自来水；减水剂：减水率为25%的高效聚羧酸液态减水剂。由于再生粗骨料吸水率较高，在进行配合比设计时按24 h吸水率计算附加用水量[9]。

图1 破碎卵石粗骨料Fig.1 Broken pebble coarse aggregate

图2 废弃混凝土再生粗骨料Fig.2 Recycled coarse aggregate from waste concrete

表1 粗骨料物理性能指标

2 配合比及试件制作

2.1 配合比

试验用破碎卵石再生混凝土中，废弃混凝土再生粗骨料取代率r分别取0%、15%、30%、45%，其对应的立方体试件组编号分别为RCLF0、RCLF15、RCLF30、RCLF45，对应的棱柱体试件组编号分别为RCLZ0、RCLZ15、RCLZ30、RCLZ45。破碎卵石再生混凝土详细配合比见表2[9]。减水剂用量均取4.17 kg/m3。

表2 破碎卵石再生混凝土配合比 (单位：kg·m-3)

2.2 试件制作与试验方法

基于试验研究的要求，100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件和100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体试件依照表2的配合比设计进行再生混凝土配制和试件浇筑工作，并在24 h完成试件拆模后，将所有试件送入标准养护室(养护温度(20±2)℃，湿度为≥95%)养护备用，养护龄期分别为3、14和28 d。

依照文献[10]要求的相关试验方法，各组试件的抗压强度、抗折强度试验在1 000 kN微机控制电液伺服万能试验机上进行，试验图见图3和图4。

图3 抗压强度试验Fig.3 Compressive strength test

图4 抗折强度试验Fig.4 Flexural strength test

3 试验结果与分析

3.1 抗压强度与抗折强度

破碎卵石再生混凝土抗压强度(fcu)以及抗折强度(ff)试验结果见表3和表4,为了更直观地反映出不同龄期下破碎卵石再生混凝土的抗压强度(fcu)以及抗折强度(ff)随废弃混凝土再生粗骨料取代率r的变化关系，本文以折线图的形式呈现fcu和ff随r的变化关系(图5、图6)。由图5、图6可以看出，随r的增加，fcu与ff变化趋势呈现先增后降，当r=30%时，fcu与ff均达到最大值。这是因为再生粗骨料孔隙较多且表面粗糙，这可以增大与水泥砂浆的接触面积，进而使界面粘结强度增大[11]。并且，在再生混凝土拌和过程中，再生粗骨料表面上粘连的砂浆块会快速吸收水分并与自由水结合形成薄膜，将吸收的水密封在内部[12]。在养护阶段，密封水被未水化的水泥颗粒吸收并反应，对fcu与ff的提升起有利作用。当粗骨料掺入过多时，fcu、ff均有所下降，这是由于再生粗骨料的强度极不平衡，又间接弱化了黏结界面的黏结强度。

表3 破碎卵石再生混凝土抗压强度试验结果

表4 破碎卵石再生混凝土抗折强度试验结果

图5 不同龄期下试件fcu随r的变化关系曲线Fig.5 The relationship between fcu and r in different ages

图6 不同龄期下试件ff随r的变化关系曲线Fig.6 The relationship between ff and r in different ages

3.2 折压比

折压比α(α=ff/fcu)可以反映混凝土材料的韧性和抗裂性能[13-14]。当α较高时，材料的韧性和抗裂性能较好；相反，α较低时，韧性和抗裂性能较差。折压比α随再生粗骨料取代率r的变化规律，如图7所示。由图7可知，与龄期为14、28 d相比，龄期为3 d的破碎卵石再生混凝土折压比α没有显著的统一变化规律，且α相对较小，总体范围在0.103 9～0.131 4之间。相比于r=0%，r=15%时的α降幅约为24.8%，但随着r的进一步增大，α变化幅度趋于稳定。当龄期为14 d时，α随r的增加呈先增加后降低的趋势，α在0.152～0.190范围内波动。与龄期为3 d和14 d相比，龄期为28 d时α变化幅度较小，在0.173～0.189范围内波动；且α随着r的增大呈先增大后减小的趋势，当r<30%时,α随r的增加而增加，当r>30%时，折压比α随r的增加而显著下降，当r=30%时α达到最大，相比于r=0%其增幅为3.28%,此时抗裂性能以及韧性最好。

图7 破碎卵石再生混凝土α随r变化折线图Fig.7 Broken line diagram of α changing with r of recycled concrete with broken pebbles

为了更直观地反映出28 d龄期下破碎卵石再生粗骨料取代率r对折压比α的影响规律，基于文献[15]，建立了α与r的相关关系计算公式，即：

α=-0.000 021 6r2+0.000 82r+0.181

(1)

折压比α随粗骨料取代率r的变化趋势见图8。不难发现，r对ff/fcu的变化趋势有重要影响，故根据公式(1)，进一步得到了破碎卵石再生混凝土ff关于fcu与r的计算关系式，见式(2)：

ff=(-0.000 021 6r2+0.000 82r+0.181)fcu

(2)

图8 28 d龄期时试件 α 随r的变化趋势Fig.8 The change trend of α with r at 28 d age

将实测值带入公式(2)中，得到计算值ff′与实测值ff的比值总体在0.99～1.01之间，其均值为0.996，标准差为0.012，可见采用式(2)得到的计算值与实测值吻合较好。

3.3 类折压比

为了进一步扩大折压比的研究范畴，依据文献[15]，将β(β=ff/fcu1/2)定义为类折压比。类折压比β随再生粗骨料取代率r的变化规律，如图9所示。由图9可以看出，破碎卵石再生混凝土类折压比β与折压比α的变化趋势基本相同，其中3 d龄期下β随r的增加变化幅度相对较小，变化范围在0.571～0.638之间，相比于14 d和28 d，3 d龄期下β无显著变化规律；龄期为14 d和28 d时，β随着r的增加均呈现先增后降的趋势，其变化范围分别为0.971～1.208、1.183～1.321。且在28 d龄期下，当r<30%时,β随r的增加逐渐增大，当r=30%时，相比于r=0%时β增加了9.92%，达到最大值。当r>30%时，β由1.33降低到1.19。可以看出相对于破碎卵石再生混凝土折压比α，β不仅能反映α与r之间的关系，在一定程度上还可以将α与r之间的关系进一步放大。

为了进一步反映出龄期28 d时类折压比β随再生粗骨料取代率r的变化规律，基于文献[15]，建立了β与r的相关关系计算公式，即：

β=-0.000 189r2+0.008 43r+1.20

(3)

类折压比β与取代率r的相关关系变化趋势见图10。为更直观反映出(fcu)1/2与r对ff的影响规律，根据公式(3)，进一步得到了ff关于fcu1/2与r的计算关系式：

ff=(-0.000 189r2+0.008 43r+1.20)(fcu)1/2

(4)

将实测值带入公式(4)中，得到破碎卵石再生混凝土的计算值ff′与实测值ff的比值总体在0.99～1.01之间，比值均值为0.995，标准差为0.016，可见采用式(4)得到的计算值与实测值吻合较好。由于试验测值较少，以及采用材料均来源于邯郸地区，现有数据并不全面，故α与r和β与r的相关关系公式仅可为破碎卵石再生混凝土抗压强度fcu和抗折强度ff随取代率r变化的关系提供参考。

图9 破碎卵石再生混凝土 β 随r变化曲线Fig.9 Graph of β with r of recycled pepple concret

图10 28 d龄期时试件 β 随r的变化趋势Fig.10 The change trend of β with r at 28 d age

4 结论

1)在不同龄期下，随着废弃混凝土再生粗骨料取代率r的增加，破碎卵石再生混凝土的抗压强度fcu与抗折强度ff的变化趋势均表现为先升后降，当废弃混凝土再生粗骨料取代率r为30%时，其抗压与抗折强度均达到最大值。

2)3 d龄期下的破碎卵石再生混凝土折压比α与类折压比β随再生粗骨料取代率r的变化无统一显著规律；14、28 d时破碎卵石再生混凝土的折压比α与类折压比β的变化趋势一致，折压比α与类折压比β均随r的增加均呈先增加后减小的趋势，r=30%时，二者均达到最大值，此时破碎卵石再生混凝土的韧性以及抗裂性能达到最佳。

3)分别建立了龄期为28 d时破碎卵石再生混凝土折压比α和类折压比β与取代率r的计算公式，其计算结果与试验结果吻合较好。