自密实再生块体混凝土直剪性能试验研究

熊 焱，宋文彬，凌育洪，肖茁良

(1.华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室，广东，广州 510640；2.广西壮族自治区党委组织部干部规划办，广西，南宁 530022)

我国城镇规模不断扩大，基本建设需要消耗大量新混凝土[1−2]。与此同时，因为城市规划需要和自然灾害破坏，大批建筑物和构筑物拆除会产生大量废旧混凝土[3−4]。将废旧混凝土破碎、加工用来配制再生混凝土，并将其应用于工程中的做法成为废旧混凝土循环利用的简便、经济的方式之一[5−7]。在国外，再生混凝土在工程中的应用已趋向成熟[8−12]，但我国对再生骨料混凝土的应用在很长一段时间内还大多局限在铺路和制砖等非结构构件上[13]。2008年，吴波等[14]学者首次提出将新混凝土与废旧混凝土块体(特征尺寸：60 mm～350 mm)混合浇筑，形成再生块体混凝土的思想。相比于传统的再生骨料混凝土，采用再生块体混凝土可以节约40%～60%的破碎能，节省约30%的水泥，并极大缓解水化开裂问题，更有利于废旧混凝土在结构工程中的应用[15]。

近年，国内外学者对再生块体混凝土材料的力学性能研究已经取得了一定的成果[16−18]，并已成功将再生块体混凝土的多类构件应用于实际工程项目中[19−21]。同时，为提高再生块体混凝土在现场施工的浇筑效率和施工质量，考虑将普通新混凝土替换为高流动性的自密实混凝土，形成自密实再生块体混凝土。目前，我国学者对自密实再生块体混凝土材料的单轴受压力学性能已经进行了初步探索[22−24]，但是对于自密实再生块体混凝土的剪切性能报道较少。为了更全面地理解自密实再生块体混凝土结构的破坏机理，有必要对自密实再生块体混凝土的剪切性能进行深入研究。本文通过对自密实再生混凝土棱柱体试件的直剪性能和单轴受压性能的试验研究，分析了废旧混凝土块体取代率和块体特征尺寸等变化参数对试件直剪强度和抗压强度的影响，给出自密实再生块体混凝土直剪强度的预测公式，建立了直剪强度试验值和抗压强度计算值之间的关系。

1 试验概况

1.1 试验材料

废旧混凝土来自于广州市天河区某混凝土破碎厂的基坑梁。采样的同时钻取直径和高均为75 mm的圆柱体芯样若干。试验当天对废旧混凝土芯样进行抗压强度试验，测得其强度为48.3 MPa。如图1所示，将废旧混凝土用设备和人工的方式破碎成特征尺寸分别为67 mm、100 mm和133 mm的废旧混凝土块体，并将其分拣成3类。

图1 废旧混凝土块体Fig.1 Demolished concrete lumps (DCLs)

新混凝土选用高强度自密实商品混凝土，试验当天测得其立方体抗压强度为80.5 MPa。自密实混凝土详细配合比如表1所示。

表1 商品自密实混凝土的配合比 /(kg/m3)Table1 Mix proportions of commercial selfcompacting concrete

1.2 试件设计

试验共设计了29个棱柱体试件，其中20个棱柱体试件用于直剪试验，9个棱柱体试件用于轴压试验，试件具体参数如表2、表3所示。试件编号中，DS表示直剪试验试件，UC表示轴压试验试件；第一组数字表示废旧混凝土块体的特征尺寸，第二组数字表示废旧混凝土块体的取代率。

表2 直剪试验试件详细参数Table2 Details of direct shear test specimens

表3 轴压试验试件详细参数Table3 Details of uniaxial compression test specimens

1.3 试件制作

所有试件均采用卧式浇筑，浇筑过程如图2所示。浇筑开始前1 h，通过喷洒自来水的方式充分润湿废旧混凝土块体。正式浇筑时，先铺设约20 mm的自密实新混凝土到模板上，然后一次性投入润湿后的废旧混凝土块体到模板内，最后将自密实新混凝土置入模板内。浇筑完成后在试件上覆盖湿润的麻布并浇水养护7 d。浇水养护结束后，再自然养护3个月。同时，根据《自密实混凝土应用技术规程》(JGJ/T 283−2012)[25]进行自密实混凝土的性能指标测试，试验过程如图3和图4所示，自密实混凝土工作性能测试结果如表4所示。

表4 自密实混凝土工作性能测试结果Table4 Test results of working performance of selfcompacting concrete

图2 试件浇筑过程Fig.2 Specimens casting

图3 坍落扩展度测试Fig.3 Slump expansion test

图4 J环试验Fig.4 J ring test

1.4 加载装置

直剪试验延用本团队对再生块体混凝土双面直剪试验的做法[26]，加载示意图如图5所示，加载装置采用5000 kN电液伺服压力机(图6)，采用力控制加载，加载速率为0.10 MPa/s[27]。单轴受压试验采用15 000 kN长柱压力机[28](图7)，加载速率为0.36 mm/min[29]。

图5 双面直剪试验示意图Fig.5 Schematic diagram of double-direct shear test

图6 直剪试验加载装置Fig.6 Direct shear test loading device

图7 单轴受压试验加载装置Fig.7 Uniaxial compression test loading device

2 试验结果

2.1 试验现象

1)直剪试验

试验机持续加载至极限荷载时，试件突然破坏，破坏前无明显征兆。图8分别展示了不同块体特征尺寸的棱柱体试件剪切破坏后的截面形态。

从图8中可以看出：

图8 直剪面破坏形态Fig.8 Failure mode of direct shear plane

1)试件的直剪破坏面较为平整，废旧混凝土块体均被剪开，剪切破坏绕开块体的现象并未发生，这表明自密实再生块体混凝土内的自密实新混凝土和废旧混凝土块体粘接良好。

2)自密实新混凝土的直剪破坏面较为光滑，破坏面处的粗骨料几乎全部被剪断。这是因为在强度相对较大的高强度混凝土中，剪切裂缝会同时通过砂浆和粗骨料，形成光滑的剪切破坏面[30]。

3)废旧混凝土块体的直剪破坏面较自密实新混凝土粗糙，破坏面处仅部分粗骨料被剪断，少量裂缝从粗骨料和砂浆的界面穿过，这是因为在一般强度的混凝土中，剪切裂缝在砂浆和相对较强的粗骨料周围传播[30]，本文所用的废旧混凝土块体强度较新混凝土低32.2 MPa，因此破坏面相对粗糙。

2)单轴受压试验

单轴受压试件的典型破坏形态如图9所示，加载过程中，裂缝首先出现在棱柱体角部，随着荷载的增加，表面混凝土脱落，试件上逐渐形成由四周指向中部的斜裂缝。达到峰值荷载时，试件发生脆性破坏，剥落面贯穿废旧混凝土块体和自密实新混凝土[31]，最终破坏形态呈角锥状。由此再次表明，在自密实再生块体混凝土中，废旧混凝土块体与新混凝土的界面不是显著薄弱部位。

图9 试件破坏形态Fig.9 Failure pattern of specimens

2.2 取代率对直剪强度的影响

块体特征尺寸s=100 mm时，所有试件直剪强度的实测值见表5。图10为块体特征尺寸s=100 mm时，试件直剪强度随块体取代率变化情况。从图中可以看出，随着废旧混凝土块体取代率的增加，试件的直剪强度呈下降趋势。块体取代率η为20%、30%时，试件直剪强度分别比新混凝土直剪强度下降约16.7%、24.3%。这表明当废旧混凝土块体强度远低于新混凝土时，再生块体的掺入一定程度上会降低试件的直剪强度。

表5 试件的直剪强度试验值Table5 Test values of direct shear strengths of specimens

图10 fs,com随废旧混凝土块体取代率η的变化关系Fig.10 Relationship between measured fs,com and replacement ratio of DCLs (η)

文献[22,26]提出了边长为300 mm的再生块体混凝土立方体抗压强度fcu,com,300的计算公式，当新、旧混凝土都为普通强度混凝土时，采用线性公式(1)进行计算精度较高，而当高强新混凝土与普通旧混凝土混合浇筑时，则采用非线性公式(2)进行计算，精度较高[22]。

本试验中新混凝土为自密实高强混凝土(抗压强度80.5 MPa)，而旧混凝土为普通强度混凝土(抗压强度48.3 MPa)。若将非线性公式(2)应用于尺寸为300 mm×300 mm×600 mm的自密实再生块体混凝土棱柱体试件，推导得到自密实再生块体混凝土棱柱体的直剪强度公式：

式中：fs,com,300表示尺寸为300 mm×300 mm×600 mm的自密实再生块体混凝土棱柱体的直剪强度；fs,new,300和fs,old,300分别表示尺寸为300 mm×300 mm×600 mm的新、旧混凝土棱柱体试件的直剪强度。

根据式(3)计算得出自密实再生块体混凝土组合棱柱体的直剪强度，与实测值对比见表6。自密实新混凝土棱柱体的直剪强度fs,new,300取表5中试件DS-0的直剪强度试验平均值。废旧混凝土棱柱体试件的直剪强度fs,old,300可根据以下推导得到；废 旧 混 凝 土 棱 柱 体(尺 寸 为100 mm×100 mm×300 mm)的直剪强度fs,old,100与废旧混凝土立方体(边长100 mm)的抗压强度fcu,old,100关系为fs,old,100/fcu,old,100=0.140[22]，fcu,old,100=fcu,old,150/0.95[32]，普通混凝土的直剪强度fs,b与棱柱体横截面边长b的定量关系为fs,b/fs,150=4.796b−0.32[26]，由此可计算得fs,old,300=5.01 MPa。

表6 试件直剪强度计算值与试验值的比较Table6 Comparison of calculated and test values of direct shear strengths of specimens

从表6可以看出，用非线性组合公式(3)预测自密实再生块体混凝土棱柱体的直剪强度的计算结果误差在13%以内，与线性公式计算结果相比具有较好精度。

2.3 块体特征尺寸对直剪强度的影响

取代率η=30时，所有试件的直剪强度的实测值见表7。图11为特征尺寸比β介于0.22～0.44时，自密实再生块体混凝土棱柱体的直剪强度fs,com随废旧混凝土块体特征尺寸s的变化情况。图12更清晰地展示了废旧混凝土块体特征尺寸比β对试件直剪强度的影响。

表7 试件的直剪强度试验值Table7 Test values of direct shear strengths of specimens

图11 fs,com随废旧混凝土块体特征尺寸s的变化情况Fig.11 Relationship between measured fs,comand characteristic size of DCLs (s)

从图11～图12中可知，当特征尺寸比β介于0.22～0.44时，试件的直剪强度随废旧混凝土块体特征尺寸的增大波动幅度在±2%以内，几乎呈水平变化，此时废旧混凝土块体特征尺寸对试件直剪强度的影响不明显。

图12 无量纲直剪强度随废旧混凝土块体特征尺寸比β的变化情况Fig.12 Variation of dimensionless shear strengths with characteristic ratio of DCLs (β)

2.4 块体特征尺寸对抗压强度的影响

单轴抗压试验与双面直剪试验中试件使用的自密实新混凝土和废旧混凝土都属于同一批且是同一天浇筑的，但因单轴抗压试验是在双面直剪试验之后的2个月才进行的，因此新、旧混凝土都有了一定的强度增长，单轴抗压试验当天实测的自密实新混凝土强度为90.3 MPa，废旧混凝土强度为52.6 MPa。

取代率η=30%时，所有试件的抗压强度的实测值分别见表8。图13为特征尺寸比β介于0.22～0.44时，自密实再生块体混凝土棱柱体的抗压强度fc,com随废旧混凝土块体特征尺寸s的变化情况。图14更清晰地展示了废旧混凝土块体特征尺寸比β对试件抗压强度的影响。

表8 试件的抗压强度试验值Table8 Test values of compressive strengths of specimens

从图13～图14可知，当特征尺寸比β介于0.22～0.44时，试件的抗压强度随废旧混凝土块体特征尺寸的增大波动幅度在±3%以内，此时废旧混凝土块体特征尺寸对试件抗压强度的影响不明显。

图13 fc,com随废旧混凝土块体特征尺寸s的变化情况Fig.13 Relationship between measured fc,com and characteristic size of DCLs (s)

图14 无量纲抗压强度随废旧混凝土块体特征尺寸比β的变化情况Fig.14 Variation of dimensionless compressive strengths with characteristic ratio of DCLs (β)

取代率η=30%时，边长为300 mm的自密实再生块体混凝土棱柱体的轴心抗压强度fc,com,300的计算值列于表9。本文对边长为150 mm的高强自密实新混凝土和废旧混凝土的立方体抗压强度进行了实测，边长为300 mm的普通强度旧混凝土立方体抗压强度fcu,old,300=fcu,old,150 /1.15[33]，边长300 mm的高强新混凝土立方体抗压强度fcu,new,300=fcu,new,150/1.06[34]，边长为300 mm的普通强度废旧混凝土立方体抗压强度和尺寸为300 mm×300 mm×600 mm棱柱体抗压强度关系fc,old,300=0.8×fcu,old,300[22]，边长为300 mm的高强自密实混凝土立方体抗压强度和尺寸为300 mm×300 mm×600 mm棱柱体抗压强度关系fc,old,300=0.98×fcu,old,300[22]。

表9 试件抗压强度计算值与试验值的比较Table9 Comparison between calculated and measured compressive strengths of specimens

2.5 直剪强度和抗压强度的关系

所有试件的直剪强度实测值fs,com与抗压强度计算值fc,com的比值列于表10。从表中可以看出，自密实再生块体混凝土的直剪强度和抗压强度之比，随着废弃混凝土块体取代率和特征尺寸的变化基本上保持不变，剪压比可近似取值为0.1。

表10 试件直剪强度试验值与抗压强度计算值的比值Table10 Ratio of test value of direct shear strength to calculated compressive strength of specimens

2.6 文献比较

文献[26]针对普通高强新混凝土和普通强度废旧混凝土混合浇筑而成的再生块体混凝土的直剪性能进行了试验研究。表11对该文献与本文的研究进行了对比。从表中可以看出：

表11 本文与文献[26]的比较Table11 Comparison between this paper and literature [26]

1)本文所用的新混凝土为高强自密实混凝土，而文献[26]所用的新混凝土为普通高强混凝土，废旧混凝土均为普通混凝土，新、旧混凝土强度差分别为32.2 MPa和39.1 MPa。

2)当抗压强度接近时，自密实混凝土的直剪强度要略低于普通混凝土的直剪强度，产生这种现象的原因是因为外剪力主要由骨料本身、骨料互锁和骨料与砂浆间的咬合力决定，而自密实混凝土使用的粗骨料较普通混凝土粗骨料粒径更小且形状更为规整，这在一定程度上降低了骨料与砂浆间的咬合作用，同时也降低了骨料互锁现象的发生概率。

3)当新旧混凝土强度差相差不大时，自密实再生块体混凝土的直剪强度普遍略低于再生块体混凝土的直剪强度，进一步使得采用非线性公式预测自密实再生块体混凝土的直剪强度较线性公式精度高，这主要是由于自密实新混凝土的直剪强度较普通混凝土的直剪强度略低的缘故。

4)自密实再生块体混凝土的剪压强度比与普通再生块体混凝土的剪压强度比非常接近，排除试验等一些客观因素的影响，可认为二者近似相等。

3 结论

本文开展了29个自密实再生块体混凝土棱柱体试件的双面直剪试验和单轴受压试验，得到如下结论：

(1)试件的直剪破坏面较为平整，自密实再生块体混凝土内的自密实新混凝土和废旧混凝土块体粘接情况良好。

(2)自密实新混凝土强度高于废旧混凝土时，自密实再生块体混凝土试件直剪强度因再生块体的掺入而劣化，试件的直剪强度可根据式(3)进行预测。

(3)块体特征尺寸比介于0.22～0.44时，块体特征尺寸对自密实再生块体混凝土的直剪强度和抗压强度的影响不明显，可以近似忽略。

(4)自密实再生块体混凝土的直剪强度和抗压强度之比，随着废弃混凝土块体取代率和特征尺寸的变化基本上保持不变，剪压比近似可取为0.1。

(5)再生块体混凝土中，当新、旧混凝土抗压强度或强度差接近时，自密实混凝土直剪强度略低于普通混凝土直剪强度，采用非线性公式计算自密实再生块体混凝土直剪强度比线性公式精度更高。

(6)自密实再生块体混凝土的剪压比与普通再生块体混凝土的十分接近，可近似认为二者相等。