替代率对再生混凝土基本力学性能的影响研究

王会娟 王一晓 张 昂 林新昊 王 娟

（中原科技学院土木建筑工程学院，河南 郑州 450000）

关键字：再生骨料；压碎值；抗压强度；抗折强度；流动度；塑性；韧性

0 引言

建筑工程中绝大多数废弃混凝土被当作填充材料用于填筑作业，少数用于道路面层和基层中，房屋建筑工程中对再生混凝土的应用技术尚未成熟，根据以往研究，再生骨料代替天然骨料后，混凝土的强度和耐久性会有不同程度的变化，如崔正龙等[1]探讨了再生骨料混凝土的抗碳化能力，结果表明其抵抗碳化能力差，碳化速度几乎比普通骨料混凝土快三倍。又如Manda[2]等人研究了相同配合比的再生商品混凝土与普通商品混凝土的渗透深度和吸水率，试验结果发现再生商品混凝土分别较普通商品混凝土增加了38%和44%。由于抗渗性能较差，再生骨料混凝土的抗氯离子侵蚀能力、抗冻融循环破坏能力、抗硫酸盐侵蚀能力等耐久性能也较普通商品混凝土差[3]。赵志青[4]等人研究不同替代率再生混凝土基本力学性能，认为随着再生骨料替代率的提高，再生混凝土强度有明显降低趋势。以往大部分研究结果虽然都表明，再生混凝土的强度以及耐久性能低于普通混凝土，但是没有说明所使用的再生骨料类型，是否使用任何类型的再生骨料都会存在再生混凝土强度和耐久性低的问题，尚没有明确的研究结果。

本试验采用压碎值低于15%的道路破碎再生骨料，通过五种不同替代率再生骨料混凝土的坍落度试验、抗压试验、抗折试验，分析在相同配合比情况下，不同骨料替代率对再生混凝土拌合物的流动性、破坏过程与形态、应力应变全曲线、弹性模量、应力峰值、变形性能的影响关系，为再生骨料的工程应用提供理论依据。

1 试验概况

1.1 试验材料

本试验原材料中所用的胶凝材料为42.5普通硅酸盐水泥，细骨料为南阳天然砂，细度模数2.3，堆积密度1.66×103kg/m3；天然粗骨料采用粒径5mm～20mm的人工碎石，堆积密度1.48×103kg/m3，压碎值11.6%，吸水率0.68%；再生骨料采用道路废弃混凝土机械破碎，粒径5mm～20mm，堆积密度1.25×103kg/m3，压碎值14.7%，吸水率4.8%。拌合用水采用城市自来水，不掺加任何外加剂（见图1）。

图1 试验用骨料

1.2 试件制备

混凝土拌合物配合比采用水泥∶细骨料∶粗骨料∶水按照1∶2∶3∶0.5的比例拌制，试验中保持胶凝材料、细骨料、水的用量不变，粗骨料按照总质量不变，分别采用再生骨料0%、25%、50%、75%、100%的质量取代部分天然碎石。采用60L混凝土卧式强制式搅拌机，按照粗骨料、水泥、细骨料的顺序依次加料，搅拌2min后加水再次搅拌2min后测定坍落度，装入模具。抗压强度试验采用150mm×150mm×150mm立方体试件，3个一组；抗折强度采用100mm×100mm×400mm长方体试件，3个一组，如图2所示。

图2 试验用试件

试件成型1d后脱模，脱模后立即装入标准养护箱，温度（20±0.5）℃，湿度（95±1）%，养护28d后放置空气中1周至气干状态后进行试验。

1.3 试验方法

试验方法参照《混凝土物理力学性能试验方法标准》GBT50081-2019进行，再生骨料抗压性能试验采用微机控制电液伺服压力试验机（YAW-2000D）对试件进行加载，加荷速率0.5MPa/s；抗折性能试验采用微机控制电液伺服万能材料试验机（WAW-600D）对试件进行加载，加荷速率0.05MPa/s。通过抗压和抗折试验测得再生混凝土的应力-应变曲线，分析不同配合比对再生骨料混凝土基本力学性能的影响。

2 试验结果分析

2.1 拌合物性能

由于再生骨料由混凝土破碎而得，因此再生骨料与天然碎石相比，存在的原生态裂缝界面较多，一般包括三种情况，即沿骨料内部的裂缝界面、砂浆与骨料结合处的裂缝界面、砂浆内部的破损裂缝界面，因此，破碎后得到的再生骨料与普通天然碎石骨料相比，除了含有普通碎石之外，还含有孔隙率较高的砂浆硬块，含裂缝界面较多的碎石与砂浆的结合体，一方面砂浆硬块的孔隙率要远高于普通碎石，另一方面由于破碎外力引入混凝土的破坏裂缝的存在，因此，在再生骨料表面及内部存在裂缝较多，其开口孔隙率要远高于普通碎石。由于再生骨料的开口孔隙率的增大，其吸水率也随之提高，根据试验研究，本试验中所使用的天然碎石吸水率为0.68%，而再生骨料吸水率为4.8%，再生骨料吸水率是天然碎石的7倍左右，因此，在使用同样的配合比的情况下，随着再生骨料替代率的逐渐增大，所用再生骨料对混凝土拌合用水的吸收也在逐渐增大，造成实际拌合用水的减少。因此，再生骨料混凝土拌合物流动性随着再生骨料替代率的提高逐渐降低，如图3所示，当再生骨料替代率由0%增大到100%时，其拌合物坍落度值由135mm降低到36mm。另外，随着再生骨料替代率的增加，对于上一级替代率的再生骨料拌合物坍落度下降率也不是定值，其中当再生骨料从25%到50%时，坍落度下降率最大，当再生骨料替代率超过75%之后，坍落度值虽然也在下降，但是下降率基本趋于平缓。不同替代率再生骨料混凝土坍落度变化情况见图4。

图3 不同替代率再生骨料混凝土坍落度值

图4 不同替代率再生骨料混凝土坍落度减小率

2.2 破坏过程与形态

随着再生骨料替代率的不断增加，再生骨料混凝土的抗压和抗折破坏形态也随之变化，如图5所示，当再生骨料替代率较低时，无论抗压破坏还是抗折破坏，其破坏形态表现出明显的脆性破坏现象，其裂缝大多沿着砂浆内部或骨料与砂浆的结合面产生，裂缝面产生不平整现象。当再生骨料替代率较高时，其明显的脆性破坏形态逐渐减弱，其韧性逐渐增大，再生骨料内部贯通裂缝不断增多，裂缝破裂面较为平整。

图5 试件破坏形态

2.3 受压应力应变曲线及弹性模量

由于再生骨料混凝土受压能力是制约其应用的关键因素，因此，采用微机控制电液伺服压力试验机对试件进行加载，得到不同替代率再生骨料混凝土的受压应力应变全曲线，如图6所示。从图中可以看出不同替代率再生骨料混凝土的应力应变全曲线与普通碎石混凝土的应力应变全曲线基本相同，分别由弹性阶段、弹塑性阶段和下降阶段组成。对5种不同替代率的弹性阶段进行分析，当再生骨料替代率从0%过渡到75%时，其弹性模量不断增大，在75%替代率时达到最大值，之后逐渐下降，说明当再生骨料替代率为75%时，混凝土的硬度最大。不同替代率再生混凝土弹性模量见表7。

图6 不同替代率再生混凝土受压应力-应变曲线

图7 不同替代率再生混凝土弹性模量

2.4 应力峰值分析

从图6可以看出，不同替代率再生骨料混凝土的应力应变曲线趋势虽然基本相同，但是其应力峰值却不同，将五种不同替代率再生骨料混凝土的应力峰值单独摘出进行分析比较，如图8、图9所示，从图中数据分析可以看出，无论是抗压强度还是抗折强度，当再生骨料替代率从0%过渡到100%时，其强度有逐渐增大的趋势，特别是在替代率为75%时达到最大值。另外，为便于分析不同替代率对再生混凝土的应力影响，将替代率分别为25%、50%、75%、100%的再生混凝土的应力峰值与0%替代率的混凝土应力峰值的比值，作为应力峰值影响系数，则该影响系数与再生骨料替代率之间的关系如图10所示。从图中可以看出，无论是抗压试验还是抗折试验，其应力峰值影响系数均随替代率呈现规律性变化，当替代率从0%增加到75%时，应力峰值影响系数逐渐增大，且抗压试验较抗折试验增大趋势更加明显；当替代率超过75%时，应力峰值影响系数又逐渐减小。因此，由应力峰值与替代率之间的数据关系，可以分析出当再生骨料替代率为75%时，对混凝土的应力影响最大，在相同配合比的情况下，75%替代率的再生骨料混凝土应力达到最大值。

图8 不同替代率再生混凝土抗压强度

图9 不同替代率再生混凝土抗折强度

图10 不同替代率再生混凝土抗压抗折强度

2.5 变形影响分析

为研究替代率对再生混凝土变形性能的影响因素，将不同替代率再生混凝土的抗压强度与抗折强度的比值作为变形影响系数，其数值关系如图11所示，随着再生骨料替代率的增加，其抗压强度与抗折强度比值也呈现增大趋势，说明随着再生骨料替代率的增大，其再生混凝土的塑性和韧性也在逐渐增加。造成再生骨料塑性和韧性增大的原因，其一可能是由于再生骨料孔隙率高于天然碎石，其二可能是由于随着再生骨料替代率的增加，在相同配合比情况下，其吸收拌合用水，使拌合物实际水灰比降低，致使其再生混凝土强度增加。该变形影响分析的结果与上述试块破坏过程与形态吻合。

图11 不同替代率再生混凝土变形影响分析

3 结束语

通过不同替代率再生混凝土抗压试验和抗折试验，得出如下结论：

（1）随着再生骨料替代率的增大，再生混凝土拌合物的流动性逐渐降低，而且50%的再生骨料替代率是一个转折点，当低于50%替代率时，随着替代率的增大流动性减小程度较大，当超过50%替代率时，减小程度逐渐趋于平缓。

（2）再生混凝土的抗压和抗折应力峰值，以及再生混凝土的弹性模量，均在再生骨料替代率为75%时达到最大值。

（3）随着再生骨料替代率的增加，再生混凝土的塑性和韧性逐渐增大。

本试验所采用的再生骨料为压碎值为15%以下的道路破碎再生骨料，其各方面性能并未随着再生骨料替代率的增大而降低，反而对再生混凝土强度提升有促进作用，今后需要扩大再生骨料压碎值对再生混凝土性能影响进行研究，找出压碎值对再生混凝土影响的临界点，对工程建设提供理论依据。