砖骨料地聚物再生混凝土力学性能试验研究*

郑居焕 刘如月 颜桂云 王 迪 刘宪成

(闽台合作土木工程技术福建省高校工程研究中心，福建工程学院土木工程学院， 福州 350118)

随着我国经济的发展，城镇化进程加快，建筑的拆迁产生了大量的废弃黏土砖等建筑垃圾[1]，对环境土壤造成了严重的污染，同时建筑垃圾堆积也占用大片土地，对资源也是一种消耗。通过对建筑垃圾再利用的方式可有效解决其造成的空间堆积和环境污染问题，相应地对再生骨料基本力学性能研究也在近年来逐渐兴起[2]。

目前，再生骨料的来源主要集中在旧建筑回收的废弃混凝土，学者们对其进行了大量的理论和试验研究，包括再生混凝土粗骨料及其配合比、微观性能[3-4]和物理性能[5]。研究表明，再生混凝土中存在砂浆界面过渡区[6-8]，在新旧水泥砂浆结合时不致密且不稳定，由再生骨料配置再生混凝土的抗压强度[4,9-11]、抗拉劈裂强度[9,11]和弹性模量等力学性能通常低于普通混凝土。为了削弱或解决再生混凝土力学性能的缺陷，一般可通过外加剂来提高再生混凝土的强度和韧性。

黏土砖作为砌体结构拆除后的主要建筑垃圾，表现出表观密度低、吸水率高、破碎指数高等不良力学特性[12]，因此，再生砖骨料的利用率相对于其在实际建筑中的使用规模而言仍相对较小。此外，目前混凝土的制备主要用普通硅酸盐水泥作为胶凝材料，生产过程中产生的大量CO2，造成温室效应加剧。地聚物混凝土利用粉煤灰、矿渣等工业废弃物作为胶凝材料，可减轻CO2的排放；与普通硅酸盐水泥混凝土相比，其具有更好的力学和化学性能，如高抗压强度、低蠕变、与钢筋黏结性好等[13]。鉴于此，可考虑采用地聚物作为胶凝材料以减轻砖骨料再生混凝土强度低、性能差的性能缺陷。此外，矿渣的加入还可弥补早期砖骨料混凝土强度不足的缺陷。

目前已有的研究中，对砖骨料与地聚物结合的研究相对较少。本文提出一种以碱激发的粉煤灰基地质聚合物替代水泥作为胶凝材料，以废弃砖骨料代替石子等天然骨料，推动废弃黏土砖的循环再利用。通过对5组含不同砖骨料取代率(0%, 30%，50%，70%，100%)的地聚物再生混凝土试件进行单调受压试验，研究立方体抗压强度与砖骨料取代率的关系、轴心抗压强度和应力-应变曲线等，分析了砖骨料取代率对其弹性模量、峰值应变、极限应变的影响。基于已有的再生混凝土本构，结合试验结果得到了砖骨料地聚物再生混凝土的本构模型，以期推动废弃黏土砖的绿色再利用。

1 试验概况

1.1 试件设计与制作

砖骨料地聚物再生混凝土作为一种新型的绿色环保混凝土，相较于天然粗骨料，砖骨料的强度明显下降、吸水率显著提高、脆性增大。结合所需要配制混凝土的强度要求以及原材料的特性，确定砖骨料地聚物再生混凝土各原材料的组分关系以保持其有基本的应用强度是至关重要的。

基于此，为获得不同再生砖骨料取代率下的砖骨料地聚物再生混凝土的力学特性，在水玻璃充当碱激发剂的情况下，以砖骨料掺量为主要试验参数，设计并制作了45个砖骨料地聚物再生混凝土试件。其中，5组15个150 mm×150 mm×150 mm再生混凝土立方体试件用于测量立方体抗压强度，5组15个100 mm×100 mm×300 mm棱柱体试件用于测定弹性模量，以及5组15个同尺寸棱柱体试件用于棱柱体轴心受压试验，以研究砖骨料地聚物再生混凝土的抗压强度、弹性模量、应力-应变关系等基本力学性能。

1.2 试验材料

以C50强度等级为基准，配制砖骨料掺量为0%的普通地聚物混凝土，通过等质量替换原则掺入砖骨料，配制含不同砖骨料取代率的地聚物再生混凝土，各材料配合比如表1所示。需要说明的是，本文通过砖骨料的取代率来反映混凝土强度的变化。

表1 不同砖骨料掺量的地聚物再生混凝土的配合比Table 1 Mix proportion of geopolymer recycled concrete with different replacement ratios of brick aggregates

配制砖骨料地聚物再生混凝土的原材料包含碱性激发剂、粉煤灰、矿渣、砂子、天然粗骨料、再生砖骨料、减水剂、缓凝剂。原材料的选取中，天然粗骨料和再生砖骨料的粒径和颗粒级配、砂的细度模数、水玻璃的模数、粉煤灰的质量等级等均会影响所配制混凝土的工作性能。

1.2.1碱性激发剂

水玻璃为采购自桐乡市恒立化工有限公司的工业级Na2SiO3，其为液体，呈无色透明黏稠状和浅色半透明黏稠状液体两种外观形态。而NaOH为纯度不小于95%的片状NaOH, 将片状NaOH、液体Na2SiO3(碱模数为3.32，波美度为38.6°Bé)和自来水按一定配比配制所需的碱性激发剂，通过三者的结合，将碱模数调为1.4(最佳)。

1.2.2粉煤灰与矿渣

粉煤灰为来自河南省巩义市元亨净水材料厂生产的Ⅱ级F类粉煤灰，掺入性能达标粉煤灰有助于提升地聚物混凝土的工作性能，同时减少了因混凝土所具有的流动性在拌制时带来的多余损失，使得后期混凝土的强度和耐久性得以保证。矿渣为来自山东晶新材料科技有限公司生产的高炉粒化S105矿渣粉，符合GB/T 18046—2008 《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》。矿渣参数见表2，两者的化学成分主要通过X射线荧光光谱仪(XRF)测得，见表3。

表2 矿渣的参数指标Table 2 Parameters of mineral powder

表3 矿渣和粉煤灰的化学成分Table 3 Chemical composition of mineral powder and fly ash %

1.2.3天然粗、细骨料

天然粗骨料主要为石子，其呈现的形状、粒径对配制地聚物混凝土的工作性能有重要影响。过大的粒径及不良的级配分布会导致地聚物混凝土的流动性变差，不利于其抗离析性。因此，对于配制地聚物混凝土所要求的天然粗骨料的粒径范围为26.5～31 mm。

本文采用的天然骨料为连续级配的碎石，粒径范围为4.75～26.5 mm，且根据GB/T 14685—2011《建筑用卵石和碎石》测定了其基本性能指标，如表4所示，可见其均符合要求。细骨料主要为中粗砂，过细的砂会降低地聚物混凝土的弹性模量和强度，过粗的砂会减弱混凝土之间的黏聚力，细骨料的性能指标如表5所示，符合GB/T 14684—2011《建设用砂》对于Ⅰ类砂的性能指标要求。

表4 天然粗骨料和砖骨料的性能指标Table 4 Property indexes of natural coarse aggregate and brick aggregate

表5 砂的参数指标Table 5 Parameter indexes of sand

1.2.4砖骨料

砖骨料来源为拆迁后遗留的砖骨料。将完整的红砖放入颚式破碎机中进行骨料破碎，通过5 mm和26.5 mm的筛网孔筛去粒径小于5 mm以及大于26.5 mm的砖骨料，保留粒径在4.75～26.5 mm之间的砖骨料。通过调整得到良好的级配来保证混凝土拌制过程中的和易性和强度。本文对再生砖骨料进行筛分后测定其颗粒级配、再生砖骨料的表观密度、吸水率和压碎指标，均符合GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》的规定，如表4所示。

1.3 加载装置及加载控制

采用万测公司生产的HCT306B微机控制电液伺服压力试验机作为加载试验机，以测定立方体试块在单轴受压时的应力-应变关系，如图1所示。设备能够承受的最大压力为3 000 kN, 精度为0.001 kN，加载时采用全过程位移加载，最小加载速率为0.05 mm/min。试验过程中的应力、应变通过DH3816静态数据采集仪进行实时采集，如图1所示，DH3816数据采集仪采集最小频率为5Hz，应变范围为±0.02。在压力机底部斜对角45°架设两个型号为YHD-500的位移计，用于测定其纵向压缩距离。

图1 试验装置示意Fig.1 The schematic diagram of the test set-up

用丙酮清理干净试件表面，并选择试件较光滑的表面作为抗压承受面，将试件抗压承受面中心与压力机压板中心对齐。预估混凝土试块强度在20～50 MPa之间，通过0.2 mm/min的位移控制加载方式对试件进行预加载，待加载至6 kN时，对各项设备的读数进行校对调整，直至符合试验要求；先通过1 kN/s的力控制加载方式加载至峰值荷载的80%，再采用0.2 mm/min的位移控制方式加载至试验结束。当试块破坏较严重时，判定为试验结束。

2 试验结果及分析

2.1 立方体试件的破坏模态

取代率不同的试件其最终破坏模态如图2所示，虚线表示试件裂缝位置，框选部分为混凝土碎裂脱落的位置。由图2可知，无砖骨料取代的立方体试件受压过程中在底部边缘面先出现裂缝，而后由底部边缘向平面中心和裂缝所在立面中心呈45°角斜向发展，试块最终破坏主要呈现由外及内的混凝土碎块脱落，并有贯穿整个内部截面的竖向裂缝出现。部分砖骨料取代的试块在受压过程的裂缝开展中混凝土出现碎裂，尽管砖骨料因自身材料性能缺陷，其强度较低，但作为地聚物和石子之间的媒介，加强了两者界面的黏结能力，提高了试件的延性。在破坏模态上，砖骨料取代的试件其裂缝主要出现在边界处，呈斜向剪切发展，混凝土碎块慢慢剥落，最后在纵截面出现一条斜向贯穿裂缝，试件周边被压碎但无明显爆裂，呈裂而不散的状态。砖骨料地聚物再生混凝土试件的破坏均由粗骨料周围截面过渡区浆体的破坏导致，破坏后的试件仍是整体的，碎块中的断裂往往为砖骨料的断裂。

a—GRBAC-0； b—GRBAC-30； c—GRBAC-50； d—GRBAC-70； e—GRBAC-100。图2 混凝土立方体试块28 d破坏模态Fig.2 Failure modes of concrete cubes at 28 d

2.2 立方体试件的抗压强度

图3给出了不同砖骨料取代率下的立方体试件在不同龄期下的抗压强度。可知，不含砖骨料的试块强度随龄期的增长，其强度与龄期呈线性增长。加入砖骨料后，立方体强度前期增长速率缓慢，强度主要来源于后期的增长。但砖骨料取代率为50%，70%，100%时，试块14 d内的强度数值与增长规律均相似；砖骨料对试块强度的影响主要体现在后期强度的发展。随着砖骨料取代率的增加，不同龄期下的立方体试件抗压强度总体呈下降趋势。需注意的是，当砖骨料取代率在50%～70%之间时，由于50%砖骨料取代率的试件存在返水现象，导致其抗压强度低于70%砖骨料取代率的试件，后续研究中应注意避免该现象的出现。

图3 混凝土立方体试块不同龄期强度变化规律Fig.3 Strength of concrete cubes at different ages

2.3 棱柱体试件的破坏模态

单调荷载下每组3个棱柱体试件的最终破坏模态如图4所示。可知：试件的破坏过程本质上为混凝土试件内部裂纹不断开展最终贯穿全截面的过程。随着荷载的增加，地聚物与再生骨料之间的黏结截面遭受破坏，从出现微裂缝到进一步裂缝扩展，最终骨料与基体间的界面黏结力丧失，整体上混凝土呈斜向开裂，局部边界混凝土碎裂、砖骨料脱落。破坏过程可分解为以下几个部分：

a—GRBAC-0； b—GRBAC-30； c—GRBAC-50； d—GRBAC-70； e—GRBAC-100。图4 棱柱体试件最终破坏模态Fig.4 Failure modes of prism specimens

1)初期。应力σ≤0.35fck时，棱柱体试件所承受的应力相对较小。随荷载的增加，试件没有明显变化特征，表面并无细微裂纹，试件轴向受压下保持完好，其应力-应变曲线呈直线关系。此时，试块处于弹性受压状态。

2)当应力增长至0.35fck≤σ≤0.85fck时，随荷载的增加，试件从弹性受压状态进入弹塑性阶段，表面开始出现细微裂纹，并向纵向不断延伸、发展。试件整体有微小的变形且部分位置出现碎屑脱落的情况。

3)当应力增长至0.85fck≤σ≤1.0fck时，试块已经达到其峰值应力，混凝土表面的竖直裂缝已非常明显，随着荷载的增加，内部有清晰的混凝土开裂声传出，裂缝增宽、增长并逐渐贯穿整个外表面。

4)在峰值承载力之后，砖骨料取代的试件相较于普通地聚物试件呈现出更好的延性，砖骨料的加入增强了骨料与基体之间的界面黏结力，破坏时较普通地聚物混凝土表现出更好的延缓破裂的能力，试件的最终破坏往往由试件边缘的裂缝开展导致碎块的分离脱落所导致。

2.4 棱柱体试件的应力-应变曲线

不同砖骨料取代率情况下，每组3个砖骨料地聚物再生混凝土棱柱体试件的应力-应变全曲线如图5所示。可知，随着砖骨料的取代率增加，峰值应力降低较多，GRBAC-30、GRBAC-50、GRBAC-70、GRBAC-100分别较GRBAC-0下降了10.57%、23.65%、16.96%、33.36%。其中，70%砖骨料取代的试件强度高于50%砖骨料取代的试件。这可能是由于养护时采用内养护方法，提高了界面养护区强度。由于砖骨料的返水效应，砖骨料过渡界面区更加致密，形成更少的孔隙，因此出现强度异常升高的现象。

a—GRBAC-0； b—GRBAC-30； c—GRBAC-50； d—GRBAC-70； e—GRBAC-100。 试件1； 试件2； 试件3。图5 棱柱体试件应力-应变曲线Fig.5 Stress-strain curves of prism specimens

砖骨料取代率对试件应力-应变曲线的影响如图6所示。可知GRBAC-0对应的峰值应变和极限应变最小，GRBAC-30、GRBAC-50、GRBAC-70对应的峰值应变相差不大，GRBAC-30、GRBAC-50对应的极限应变相同；对于砖骨料全取代的试件GRBAC-100，其强度出现明显下降，但延性明显提升，试件的峰值应变与极限应变均远高于其余试件，推测可能是砖骨料比石子对于地聚物混凝土内部的微小空隙有更好的填充和黏结性能，致使试块即使在经过峰值后，依靠内部的强黏结作用，改变了试件的破坏过程，在曲线下降段仍存在延缓破坏的黏结作用，试件不会发生突然的脆性破坏，而是斜向裂缝继续扩展。此外，试件的弹性模量随着砖骨料取代率的增加而明显下降，这导致了试件峰值应变点的延后。综上，砖骨料的掺入和取代率的变化会显著影响试件的延性和弹性模量。

图6 砖骨料变化对应力-应变影响曲线Fig.6 The effect of replacement ratio of brick aggregates on stress-strain curves

2.5 试验参数分析

2.5.1峰值应力

表6列出了各砖骨料取代率的棱柱体试件峰值应力。可知，对于同一配合比的混凝土试块，当进行砖骨料的取代后，随砖骨料的增加，其峰值应力整体呈下降趋势。

表6 试块峰值应力Table 6 Peak stresses of specimens MPa

2.5.2弹性模量

本次试验的砖骨料地聚物再生混凝土弹性模量取为原点至0.4fc的割线斜率，其结果详见表7。

表7 试件弹性模量Table 7 Elastic modulus of specimens

由表7可知，随着砖骨料取代率的上升，弹性模量出现明显下降，GRBAC-50、GRBAC-100分别较GRBAC-0下降了42.69%、59.62%，大于其峰值应力下降的幅度。由于砖骨料中的碱性成分较少，外部荷载大于界面过渡区的黏结能力，使试件出现斜向开裂，最终导致试件破坏。

2.5.3峰值应变与极限应变

本次试验的混凝土峰值应力与极限应变如表8所示。极限应变取应力下降峰值应力的30%处所对应的应变。

表8 试件峰值应变与极限应变Table 8 Peak strain and ultimate strain of specimen

由表8可知，随着砖骨料取代率的升高，试件的峰值应变与极限应变均呈现增长趋势，说明随着砖骨料取代率的增加，混凝土的变形性能有所改善。

3 本构关系模型

本文基于过镇海[14]提出的应力-应变模型公式，结合试验结果进行拟合以得到砖骨料地聚物再生混凝土的本构模型。该本构模型分为上升段与下降段，上升段为多项式形式：

y=ax+(3-2a)x2+(a-2)x3

x≥0(1a)

下降段表达式为：

x≥1 (1b)

其中x=ε/εc,y=σ/σc

式中：σc为混凝土的峰值应力；εc为混凝土的峰值应变；a和b作为两个单独的参数，分别影响其应力-应变模型的上升段与下降段。同时，应变的取值范围较大，有利于曲线的拟合。

试验所测地聚物再生混凝土应力-应变全过程曲线经无量纲化处理后变成分别以x=ε/εc、y=σ/σc为横、纵坐标的应力-应变全曲线，如图7所示。可见：a值越大，曲线上升段越陡，斜率越大，上升段曲线下包含的面积越小，表明此类混凝土弹性变形越小，刚度越大；反之，a值越小，则曲线的弹性变形越大。而b值越大，y值越小，即曲线的下降段破坏过程越快速，材料的脆性越明显；反之，b值越小，混凝土的延性越好。

a—BAGRC-0； b—BAGRC-30； c—BAGRC-50； d—BAGRC-70； e—BAGRC-100。 试验曲线； 拟合曲线。图7 单调荷载下应力-应变曲线拟合结果与试验结果对比Fig.7 Comparisons of the fitting results and test results for stress-strain curves under monotonic load

砖骨料取代率作为影响地聚物再生混凝土基本性能的重要参数，因此在考虑砖骨料取代率的情况下，采用最小二乘法对曲线进行回归分析得到a和b的关系式。

a=0.734 7r+0.221 1

(2a)

b=3+0.53r-0.13

(2b)

式中：r为砖骨料取代率。

根据式(1)、(2)拟合得到不同砖骨料取代率下的试件应力-应变曲线，并与试验结果进行对比，具体如图7所示。可知，曲线的上升段拟合度较高，而试验的下降段曲线因为已经出现了内部开裂，容易受到其他因素的影响，故总体下降段的匹配度较低。但总体上，拟合得到的应力-应变仍能较好地反映砖骨料地聚物再生混凝土的应力-应变发展情况。

4 结束语

通过对含不同砖骨料取代率(0, 30%，50%，70%，100%)的地聚物再生混凝土试件进行单调受压试验，研究其立方体抗压强度、应力-应变曲线与砖骨料取代率的关系，并对棱柱体试件的峰值应力、弹性模量、峰值应变和极限应变等进行分析，得到如下结论：

1)砖骨料地聚物再生混凝土呈现斜向剪切裂缝破坏，混凝土碎块慢慢剥落，最终在纵截面出现一条斜向贯穿裂缝，试件周边混凝土被压碎但未出现爆裂，呈裂而不散的状态。随着砖骨料取代率的升高，其抗压强度呈下降趋势，但延性有所提高。

2)棱柱体试件的整体受压破坏分为 4 个阶段：σ≤0.35fc时为弹性阶段；0.35fc≤σ≤0.85fc时为弹性阶段往塑性阶段的过渡阶段，表面有微裂缝出现；0.85fc≤σ≤1.0fc时，试件表面开始破坏，内部有声响及裂缝扩展；峰值过后，试件破坏并丧失承载力。

3)砖骨料的掺入和取代率的变化会显著影响棱柱体试块的峰值性能、延性和弹性模量。随着砖骨料取代率的增大，混凝土的强度下降呈梯度化，其弹性模量明显降低；峰值应变与极限应变均随着取代率的增加而增大。

4)以砖骨料取代率为参数，通过拟合分析得到了棱柱体两段式应力-应变模型中参数a、b与砖骨料取代率r的关系，建立了砖骨料地聚物再生混凝土的本构模型。