C40再生骨料掺量对混凝土力学性能的影响

刘兰君，黄久旭，刘 森

(1.商丘工学院土木工程学院，河南 商丘 476000；2.豫东黄泛区地下空间与岩土工程研究中心，河南 商丘 476000; 3.郑州通宝路桥有限公司，河南 郑州 450000)

1 概述

近几年来我国基础设施建设和城镇化进程不断加快，产生了大量的建筑垃圾。据统计我国每年建筑垃圾存量高达20多亿吨，废弃混凝土占60%左右[1]。当前此类建筑垃圾除少量应用于普通公路路基垫层、地基回填等；其他大都是采用露天堆放或郊区掩埋等粗放式处理。相比于欧盟、日本等发达国家废弃混凝土90%的利用率，我国的资源化利用率不足20%[2]。并且常规处理方式不仅会消耗大量人力、物力、占用有限的土地资源，对环境的影响也日益加剧，非常不利于我国建筑业的可持续发展。因此提高废弃混凝土的资源化利用必将成为我国建筑业实现绿色健康可持续发展战略的必然选择[3-4]，也因此再生骨料混凝土研究与应用受到政府和建筑相关领域人员的广泛关注。骆行文[5]、郭远新等[6]研究结果表明再生混凝土的抗压强度会随着再生骨料取代率的增加不断降低。肖建庄等[7]则指出当再生骨料取代率达到50%时，再生混凝土的抗压强度会高于相同配合比普通混凝土强度。而霍洪媛等[8]研究发现若使用C20～C35低强度等级的原生混凝土获取再生骨料，再生混凝土强度会随再生骨料掺量的增加逐渐降低；但若是采用C40～C45高强度等级的原生混凝土制备再生骨料时，则再生骨料的掺量对再生混凝土强度并无显著影响。不同研究者们对于再生骨料混凝土研究结果不尽相同，甚至存在许多差异。试验主要以再生骨料掺量为变量检测混凝土7 d,28 d的力学性能，为再生混凝土的优化和应用提供一些参考方法。

2 试验材料与方法

2.1 试验原材料

试验用水泥为商丘金湖波生产的湖波牌P.O42.5级普通硅酸盐水泥，其主要技术性质见表1。天然粗骨料为当地建筑使用碎石、卵石；再生粗骨料为当地建筑拆除的废弃混凝土，其原生混凝土强度等级为C40；粗骨料粒径5 mm～20 mm，其主要的力学性能指标如表2所示，均符合GB/T 14685—2011建筑用卵石、碎石标准Ⅱ类骨料要求。天然细骨料采用当地河砂，细度模数2.64，级配良好，表观密度为2 564 kg/m3。粉煤灰为商丘市火电厂生产的Ⅱ级粉煤灰，密度为2.34 g/cm3。另添加聚羧酸系高效减水剂(以下简称减水剂)，减水效果良好。拌合物用水为当地自来水，水质符合我国建筑拌合物用水标准。

表1 水泥的主要技术性质

表2 粗骨料物理性能指标

2.2 试验方法

混凝土设计强度等级为C30，以再生粗骨料取代率为变量,共设计NC,RAC-A,RAC-B,RAC-C,RAC-D五组试验，再生骨料掺量分别为0%,25%,50%,75%,100%；为满足试验要求，每组需要制备12个标准试块，养护7 d,28 d后进行力学性能试验。对RAC-C,RAC-D组再生骨料进行饱水处理。混凝土配合比设计参考了JGJ 55—2011普通混凝土配合比设计规程。有学者证明混凝土加入适量粉煤灰能够有效改善再生混凝土密实度，强度提高4.08%左右[9]。因此本文配合比设计时，同样以等量粉煤灰代替10%的水泥进行试验，见表3。

表3 C30混凝土配合比设计 kg/m3

3 再生混凝土和易性检测

混凝土的和易性是体现混凝土工作性能的重要指标，包括混凝土保水性、流动性和黏聚性。各组和易性检测结果见表4。坍落度变化趋势见图1。

表4 坍落度测试数据

由表4可知同一水灰比下随着再生骨料掺量的增加，混凝土坍落度逐渐减小。与普通混凝土相比，RAC-A，RAC-B，RAC-C，RAC-D组坍落度分别降低了2.2%，9.4%，5.6%，2.8%。其中在RAC-B组骨料掺量下坍落度降幅最大，达到了9.4%；RAC-C，RAC-D组坍落度降低量逐渐减少。分析原因有两个方面，一是因为再生骨料表面粗糙，多棱角，摩擦力大，另一方面是再生骨料吸水性比天然骨料大，导致实际水灰比小。但再生骨料掺量在50%以后坍落度呈逐渐上升的趋势，其原因是再生骨料经过饱水处理，吸水率大幅度降低，因此在拌合时同一水灰比下混凝土实际的拌合用水增多，导致混凝土内部黏聚性相对降低，流动性提高，坍落度降低幅度逐渐减小。

4 再生混凝土力学性能试验

混凝土作为自身复杂的非匀质材料，对其力学性能的试验是作为判定混凝土强度且是否满足工程实际的主要性能指标。当混凝土在竖向或偏心载荷作用下达到屈服极限时，混凝土承受载荷的作用越大，就表示混凝土抵抗破坏的能力就越强。

混凝土力学性能试验见图2。

4.1 立方体抗压强度试验现象及结果

各组混凝土采用标准养护，检测7 d,28 d抗压强度。在加载初期，试块表面并未出现明显裂缝或表皮脱落现象；但随着荷载不断的增大，试块内部应力不断增加，试块侧方表层开始出现细微裂缝。当荷载继续加载时，两侧表层的裂缝开始向棱角蔓延，表皮慢慢脱落，裂缝不断向周围扩展，并且向试块内部不断延伸，试块两边有轻微的突起。此时裂缝迅速增长，仪器停止加载，完全破坏。破坏面上没有骨料被压碎的现象。试验结果见表5。抗压强度变化曲线见图3。

表5 各组混凝土抗压强度值

4.2 劈裂抗拉试验现象及结果

劈拉强度是混凝土抵抗受拉变形的能力，较高的劈拉强度能有效抵抗混凝土受到偏心拉压作用[10]。首先将两块劈裂钢垫条置于混凝土试块上下两面中心位置，然后在保证两块劈裂钢垫条对齐状态下开始加载，直至试件开裂。对混凝土施加压力时试块上、下部中心钢垫块位置几乎同时出现细微裂缝；荷载逐渐增大，上下部分的裂缝逐渐扩大，裂缝沿着界面不断向下扩展并贯穿整个试件。从破坏面来看，普通混凝土、再生混凝土受到劈拉作用时，破坏面较为平整，并未出现骨料被劈裂破坏情况。但是再生骨料掺量越多，裂缝发展的越快。试验结果见表6。抗拉强度变化曲线见图4。

表6 各组混凝土劈裂抗拉强度值

4.3 混凝土力学性能试验结果分析

分析试验现象发现，在各组混凝土中，破坏面上没有出现骨料被压碎、被劈裂的现象，说明原生混凝土为C40等级的再生骨料强度可以用于配置C30混凝土，但是由于再生骨料表面粗糙，没有经过优化处理，导致孔隙率增大，与水泥石的黏结强度低，从而降低混凝土强度。

与普通混凝土相比，RAC-A,RAC-B,RAC-C,RAC-D组混凝土7 d抗压强度分别降低了11.3%,4.8%,19.1%,29.6%；28 d抗压强度分别降低了4.2%,1.8%,20.9%,19%；7 d抗拉强度分别降低12.6%,4.3%,27%,38.3%；28 d抗拉强度分别降低了5.4%,3.3%,14.4%,21.7%。

由各组试验结果发现，再生骨料掺量为50%时，强度降低最少，RAC-A,RAC-B组再生骨料没有经过饱水处理，表面粗糙，导致孔隙率大，强度降低，但是，再生骨料吸水性好，使得混凝土实际水灰比降低，所以强度降低不太明显，然而RAC-C,RAC-D组再生骨料经过饱水处理，实际水灰比增大，导致这两组强度急剧下降。

同龄期各掺量抗拉强度比抗压强度降低明显，说明混凝土抗拉强度对孔隙率、界面黏结强度更加敏感。

5 结论

本文通过对NC,RAC-A,RAC-B,RAC-C,RAC-D组混凝土和易性、力学性能研究，得出如下结论：

1)与普通混凝土相比，RAC-A,RAC-B,RAC-C,RAC-D组坍落度分别降低了2.2%,9.4%,5.6%,2.8%。其中在RAC-B骨料掺量下坍落度降幅最大，达到了9.4%；RAC-C,RAC-D组坍落度降低幅度减小。分析原因有两个方面，一是因为再生骨料表面粗糙，多棱角，摩擦力大；另一方面是再生骨料吸水性比天然骨料大，导致实际水灰比小。但再生骨料掺量在50%以后坍落度呈逐渐上升的趋势，其原因是再生骨料经过饱水处理，吸水率大幅度降低，因此在拌合时同一水灰比下混凝土实际的拌合用水增多，导致混凝土内部黏聚性相对降低，流动性提高。

2)原生混凝土为C40等级的再生骨料强度可以用于配置C30混凝土，但是由于再生骨料表面粗糙，没有经过优化处理，导致孔隙率增大，从而降低混凝土强度。

3)与普通混凝土相比，RAC-A,RAC-B,RAC-C,RAC-D组混凝土7 d抗压强度分别降低了11.3%,4.8%,19.1%,29.6%；28 d抗压强度分别降低了4.2%,1.8%,20.9%,19%；7 d抗拉强度分别降低12.6%,4.3%,27%,38.3%；28 d抗拉强度分别降低了5.4%,3.3%,14.4%,21.7%。

4)再生骨料掺量为50%时，强度降低最少，RAC-A，RAC-B组再生骨料没有经过饱水处理，表面粗糙，导致孔隙率大，强度降低，但是，再生骨料吸水性好，使得混凝土实际水灰比降低，所以强度降低不太明显，然而RAC-C，RAC-D组再生骨料经过饱水处理，实际水灰比增大，导致这两组强度急剧下降。

5)混凝土劈裂抗拉强度对混凝土孔隙率、界面黏结强度更加敏感。