配筋及不配筋再生块体/骨料混凝土的徐变行为

吴波 陈昭南 王辉

配筋及不配筋再生块体/骨料混凝土的徐变行为

吴波 陈昭南 王辉

（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）

为揭示再生块体/骨料混凝土的徐变性能，以再生块体取代率、再生粗骨料取代率、冲洪积土再生砂取代率、荷载比和配筋率为参数，开展了37个再生块体/骨料混凝土试件的受压徐变试验。研究表明：无论配筋与否，再生块体/骨料混凝土的徐变度相比再生骨料混凝土都有所增加，其中不配筋情况下增幅为10.1%，配筋情况下当配筋率为1.16%和1.57%时增幅分别为13.4%和11.5%；随着新混凝土中再生粗骨料取代率从30%增至50%，配筋和不配筋再生块体/骨料混凝土的徐变度都有所增大，增幅分别为7.4%和11.4%；新混凝土的细骨料由河砂全部替换为冲洪积土再生砂，对配筋和不配筋再生块体/骨料混凝土的徐变行为几乎没有影响，但两者的收缩变形均有所减小；随着配筋率从1.16%增大到1.57%，无论是再生骨料混凝土还是再生块体/骨料混凝土的徐变度都随之减小，减幅分别为5.0%和6.6%；配筋使得再生骨料混凝土和再生块体/骨料混凝土的收缩变形都有所降低，且随配筋率升高降幅扩大；随着新混凝土中再生粗骨料取代率从30%增至50%，再生块体/骨料混凝土的弹性模量变化不大；新混凝土的细骨料由河砂全部替换为冲洪积土再生砂，对再生块体/骨料混凝土的弹性模量几乎没有影响；荷载比不超过0.4时，可近似认为再生块体/骨料混凝土的徐变度与荷载比无关。

再生块体；再生粗骨料；冲洪积土再生砂；再生块体/骨料混凝土；徐变行为

我国基础设施建设的迅猛发展产生大量包括旧混凝土和工程渣土在内的工程废弃物，由此带来诸如环境污染、侵占土地等问题。再生块体/骨料混凝土将大尺度再生块体、小尺度再生粗骨料和工程渣土处理后所得再生砂同时予以循环利用，是解决上述问题的一条有效途径。再生块体/骨料混凝土指的是再生块体和再生骨料混凝土的混合物，其中新混凝土的粗骨料可部分或全部采用再生粗骨料，新混凝土的细骨料可部分或全部采用工程渣土处理后所得的再生砂，由此大幅提高混凝土内部各类废弃物的总含量。文献［1］从受压性能角度初步验证了再生块体/骨料混凝土的可行性。

国内外学者对再生骨料混凝土和再生块体混凝土的徐变行为已开展了相关研究。例如，肖建庄等［2］、Lye等［3］、邹超英等［4］和白国良等［5］的试验表明，再生骨料混凝土的徐变通常大于常规混凝土，且随再生骨料取代率的增加而增大。Tam等［6］研究发现，再生骨料混凝土的徐变也随着水灰比增加而增大，常规混凝土也有类似的规律。文献［7］通过试验发现，再生块体混凝土的基本徐变不仅大于再生块体来源的旧混凝土，也大于再生块体混凝土中的新混凝土，但当荷载比小于0.4时，再生块体混凝土的基本徐变近似与应力水平成线性关系。总体上看，无论是再生骨料混凝土还是再生块体混凝土，其徐变均较常规混凝土有所扩大，结构设计时应对此予以关注。

再生块体/骨料混凝土中各类废弃物的总含量明显高于再生块体混凝土和再生骨料混凝土，前者徐变行为相较于后两者有何差异，是再生块体/骨料混凝土工程应用中需特别关注的问题，但目前鲜见相关研究报道。为此，本研究开展了37个再生块体/骨料混凝土试件（包括17个不配筋试件和20个配筋试件）的受压徐变试验，考察了再生块体取代率、再生粗骨料取代率、冲洪积土再生砂取代率、荷载比和配筋率等参数对该类混凝土徐变行为的影响，以期为其实际工程应用奠定基础。

1　试验概况

1.1　试件设计

设计了5组不配筋再生块体/骨料混凝土持荷试件，每组2个试件，用以探究再生块体取代率（0、25%）、再生粗骨料取代率（30%、50%）、冲洪积土再生砂取代率（0、100%）和荷载比（0.3、0.4）对试件受压徐变的影响。相应地，设计了4个不配筋再生块体/骨料混凝土非持荷对照试件，用以确定环境温湿度变化对试件变形的影响。无论持荷与否，上述不配筋试件均为250×750 mm圆柱体。

从制备再生块体的废弃基坑梁上钻取3个150×300 mm圆柱体，其中2个用作持荷试件，1个用作非持荷对照试件，用以考察再生块体来源的旧混凝土的受压徐变及其因环境温湿度变化而产生的变形。不配筋试件采用“L#A#S#N#”标记，其中“L”表示再生块体取代率；“A”表示再生粗骨料取代率；“S”表示再生砂取代率；“N”表示试件荷载比。不配筋试件的参数见表1。

表1　不配筋试件的参数

设计了7组配筋再生块体/骨料混凝土持荷试件，每组2个试件，用以探究再生块体取代率（0、25%）、再生粗骨料取代率（30%、50%）、冲洪积土再生砂取代率（0、100%）、纵筋配筋率（512/1.16%、514/1.57%）和荷载比（0.3、0.4）对试件受压徐变的影响。相应地，设计了6个配筋再生块体/骨料混凝土非持荷对照试件，用以确定环境温湿度变化对试件变形的影响。无论持荷与否，上述配筋试件均为250×750 mm圆柱体。配筋试件采用“L#A#S#N#R#”标记，其中“L”、“A”、“S”和“N”的含义与不配筋试件相同，“R”表示纵筋配筋率。配筋试件的参数见表2。

1.2　材料特性

不配筋试件和配筋试件采用同一批新混凝土浇筑，新混凝土的配合比见表3。采用P.O 42.5R水泥作为胶凝材料；天然粗骨料和再生粗骨料的压碎指标分别为8.9%和14.5%，两者粒径范围均为5.0～26.5 mm；河砂和再生砂的细度模数分别为3.0和3.2，含泥量分别为0.62%和3.02%，吸水率分别为0.49%和0.96%。所用再生块体均由同一根基坑梁破碎加工而得，再生块体的特征尺寸约为80～120 mm。配筋试件的纵筋和箍筋均采用HRB400级，按照《金属材料室温拉伸试验方法》［9］测得钢筋的力学性能，见表4。

表2　配筋试件的参数

表3　新混凝土的配合比

表4　钢筋的实测力学性能

1.3　试件制作

图1（a）和图1（b）分别示出了不配筋试件和配筋试件的浇筑情况。对于再生块体取代率为0的试件，采用常规方法进行浇筑；对于再生块体取代率为25%的试件，采用分层浇筑法［10-11］进行浇筑，具体做法为：浇筑前对再生块体表面喷洒清水充分润湿，随后在模具内部浇筑一层约20 mm厚的新混凝土，再将再生块体和新混凝土交替投入模具内，同时采用振捣棒进行充分振捣，直至浇筑完成。所有试件均在自然环境下养护。

1.4　加载及测量装置

初始加载龄期为28 d，采用自平衡反力架（如图2所示）进行加载。安装试件时，采用高强石膏对试件的上、下端面进行找平处理。加载时，将同组的2个试件上下叠放于自平衡反力架中同时受荷。在力传感器和上部试件的顶面之间放置一块钢垫板以使试件均匀受荷。

图1　试件浇筑

图2　加载及测量装置

采用精度为10-3mm、量程为1 mm的千分表测量试件的竖向变形。每个试件上，均沿圆周等距布设了3个千分表，3个表的读数平均值作为试件的变形值。对于250×750 mm圆柱体，千分表的测量范围为试件高度方向的中部360 mm；对于150×300 mm圆柱体，千分表的测量范围为试件高度方向的中部150 mm。

1.5　加载过程与环境温湿度

正式加载前，先施加25%的预定荷载，检查和调整试件的对中情况。在试件长期持荷过程中，混凝土的徐变发展会导致荷载降低，当实测荷载与预定荷载之间的偏差超过2%时，及时进行补载。

图3示出了试件所处的环境温湿度变化以及非持荷旧混凝土试件L100A0S0N0的实测应变-时间曲线。由图可知，最高温度和最低温度分别为32.6 ℃和7.7 ℃，平均温度为22.4 ℃；环境相对湿度的最大值和最小值分别为98.5%和30.0%，平均相对湿度为69.7%。实测应变-时间曲线当中的正值代表缩短，负值代表伸长，后同。千分表加长杆的线膨胀系数明显大于混凝土，故图中的实测应变反映的是因环境温度变化而导致的混凝土与加长杆之间的应变差。

图3　环境温湿度变化和L100A0S0N0的实测应变-时间曲线

2　试验结果与分析

2.1　弹性模量

正式加载完成后，测取不配筋试件的瞬时应变，结合所施加的荷载，可以得到试件的割线弹性模量，具体见表5。从表中可以看出：

（1）再生块体/骨料混凝土（L25A50S100N）的弹性模量相比再生骨料混凝土（即新混凝土，L0A50S100N40）有所降低，这是因为在本试验中新混凝土的抗压强度大于再生块体来源的旧混凝土（见表1）。

（2）对比试件L25A30S100N40和L25A50S100N40可知，当再生粗骨料取代率从30%增至50%时，再生块体/骨料混凝土的弹性模量变化不大，降幅仅为3.8%。

（3）对比试件L25A50S0N40和L25A50S100N40可知：当冲洪积土再生砂全部取代新混凝土中的河砂时，再生块体/骨料混凝土的弹性模量基本不变，降幅仅为 1.9%。

表5　不配筋试件的割线弹性模量

2.2　非持荷试件的变形

图4示出了非持荷对照试件的应变随时间的变化曲线。需要指出的是，非持荷对照试件的应变（主要是收缩应变）等于试件的实测应变减去混凝土与千分表加长杆之间因环境温度变化而引发的应变差（即图3所示L100A0S0N0的实测应变）。从图4可以看出：

（1）第202 d时，再生骨料混凝土配筋试件L0A50S100N0R1（配筋率为1.16%）和L0A50S100-N0R2（配筋率为1.57%）的应变分别为不配筋试件L0A50S100N0的72.8%和65.6%，再生块体/骨料混凝土配筋试件L25A50S100N0R1和L25A50S100N0R2的应变分别为不配筋试件L25A50S100N0的75.7%和63.6%。这表明无论是再生骨料混凝土还是再生块体/骨料混凝土，配筋试件的变形都小于不配筋试件，且降幅随着配筋率升高而增大，具体而言，纵筋配筋率1.16%时，二者的降幅分别达27.2%和24.3%；纵筋配筋率为1.57%时，二者的降幅分别达34.4%和36.4%。这是因为配筋率增大后，纵筋抵抗混凝土收缩变形的反作用力也随之增大。

图4　非持荷对照试件的应变-时间曲线

（2）第202 d时，随着再生粗骨料取代率从30%增至50%，配筋试件L25A30S100N0R2的应变相比L25A50S100N0R2偏小8.1%，而不配筋试件L25A30S100N0的应变相比L25A50S100N0偏小17.2%。这表明，纵筋对混凝土的收缩变形的抑制作用，减弱了因再生粗骨料取代率增加而引发的混凝土变形增大效应。

（3）第202 d时，新混凝土中细骨料全部采用冲洪积土再生砂的试件L25A50S100N0R2和L25A50S-100N0的应变相比细骨料全部采用河砂的试件L25A50S0N0R2和L25A50S0N0分别偏小12.2%和3.0%。这是因为总用水量相同时，冲洪积土再生砂的吸水率大于河砂，浇筑初期前者相比后者吸收的水分多，这些多吸收的水分在后期养护过程中可更好地形成内养护环境，一定程度上减缓了因混凝土内部水分逐渐丧失所引发的收缩变形。

2.3　持荷试件的变形

持荷试件的实测应变减去加载时试件的瞬时应变与非持荷对照试件的实测应变就可得到持荷试件的徐变应变。因为不同持荷试件所施加的荷载不尽相同，为便于比较，采用徐变度（单位应力下的徐变应变）来进行对比。徐变度的计算公式如下［12］：

2.3.1不配筋试件

不配筋试件的徐变度随持荷时间的变化情况如图5所示，由图可知：

图5　不配筋试件的徐变度随持荷时间的变化

（1）持荷202 d时，再生块体/骨料混凝土试件L25A50S100N40的徐变度分别比再生骨料混凝土试件L0A50S100N40和旧混凝土试件L100A0S0N40增大10.1%和53.6%。这表明，虽然再生块体来源的旧混凝土由于龄期较长，导致其徐变度相比新混凝土（即再生骨料混凝土）明显降低，但再生块体的掺入并未对再生块体/骨料混凝土的徐变产生抑制作用，反而使其徐变度相比新混凝土有所增大。这是因为再生块体破碎过程中难免会产生微裂缝，长期压力的作用下这些微裂缝的闭合导致再生块体/骨料混凝土的徐变大于再生骨料混凝土。

（2）持荷202 d时，试件L25A50S100N40（再生粗骨料取代率为50%）的徐变度相比试件L25A30S100N40（再生粗骨料取代率为30%）偏高11.4%，即随着再生粗骨料取代率的增加，再生块体/骨料混凝土的徐变逐渐增大。这与文献［13］中有关再生骨料混凝土的徐变研究结果类似。

（3）持荷202 d时，再生块体/骨料混凝土试件L25A50S100N40（新混凝土中细骨料全部采用冲洪积土再生砂）的徐变度与试件L25A50S0N40（细骨料全部采用河砂）几乎相同，这表明采用再生砂替代河砂后，再生块体/骨料混凝土的徐变性能几无影响。这是因为冲洪积土再生砂与河砂不仅化学成分相近（例如，二者的SiO2含量基本相当［14］），而且再生砂的细度模数（3.2）也与河砂（3.0）较为接近。

（4）持荷202 d时，荷载比为0.4的试件L25A50S100N40的徐变度与荷载比为0.3的试件L25A50S100N30十分接近，前者仅比后者偏大4.1%。为此，当荷载比不超过0.4时，可近似认为再生块体/骨料混凝土的徐变度与荷载比无关。

2.3.2配筋试件

配筋试件的徐变度随持荷时间的变化情况如图6所示，从图中可以看出：

图6　配筋试件的徐变度随持荷时间的变化

（1）持荷202 d时，再生块体/骨料混凝土试件L25A50S100N40R1和试件L25A50S100N40R2的徐变度相比于各自对应的配筋再生骨料混凝土试件（即L0A50S100N40R1和L0A50S100N40R2）分别增加13.4%和11.5%，增幅总体位于15%以内。这主要是由在再生块体破碎的过程中再生块体所产生的微裂缝所致。

（2）持荷202 d时，再生骨料混凝土试件L0A50S100N40R2（配筋率为1.57%）的徐变度相比试件L0A50S100N40R1（配筋率为1.16%）偏小5.0%，而再生块体/骨料混凝土试件L25A50S100N-40R2（配筋率为1.57%）的徐变度相比试件L25A50S100N40R1（配筋率为1.16%）偏小6.6%。这表明无论是否配筋，再生骨料混凝土和再生块体/骨料混凝土的徐变度都随着配筋率的增大而减小。原因在于配筋率越大，纵筋对混凝土徐变的反向制约效应越明显。

（4）与前面不配筋试件类似，持荷202 d时，配筋再生块体/骨料混凝土试件L25A50S100N40R2（新混凝土中细骨料全部采用冲洪积土再生砂）的徐变度与试件L25A50S0N40R2（细骨料全部采用河砂）几乎相同，即采用冲洪积土再生砂替代河砂对配筋再生块体/骨料混凝土的徐变性能几乎没有影响。

3　结论

（1）新混凝土中再生粗骨料取代率从30%增至50%，再生块体/骨料混凝土的弹性模量变化不大；新混凝土的细骨料由河砂全部替换为冲洪积土再生砂，对再生块体/骨料混凝土的弹性模量几无影响。

（2）配筋使得再生骨料混凝土和再生块体/骨料混凝土的收缩变形都有所降低，且随配筋率升高降幅扩大，纵筋配筋率1.57%时二者的降幅分别达34.4%和36.4%；配筋减弱了因新混凝土中再生粗骨料取代率增加而引发的收缩变形增大效应。

（3）当新混凝土的细骨料由河砂全部替换为冲洪积土再生砂时，配筋和不配筋再生块体/骨料混凝土的收缩变形均有所减小，但二者的徐变行为都几无变化。

（4）无论是否配筋，再生块体/骨料混凝土的徐变度相比再生骨料混凝土都有所增加，但增幅小于15%；随着配筋率增大，配筋再生骨料混凝土和配筋再生块体/骨料混凝土的徐变度都随之减小。

（5）随着新混凝土中再生粗骨料取代率增加，配筋和不配筋再生块体/骨料混凝土的徐变度都有所增大，但配筋可在一定程度上减缓该增大效应。

（6）荷载比不超过0.4时，可近似认为再生块体/骨料混凝土的徐变度与荷载比无关。

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Creep Behavior of Reinforced and Unreinforced Recycled Lump/Aggregate Concrete

WU Bo CHEN Zhaonan WANG Hui

（State Key Laboratory of Subtropical Building Science，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China）

Compressive creep tests on thirty-seven recycled lump/aggregate concrete (RLAC) specimens were carried out to reveal the creep behavior of RLAC by taking the replacement ratio of demolished concrete lumps (DCLs), replacement ratio of recycled coarse aggregates (RCAs), replacement ratio of recycled sand rooted from alluvial-proluvial (A-P) soil, stress level and reinforcement ratio as parameters. The results show that the specific creep of reinforced/unreinforced RLAC is greater than that of reinforced/unreinforced recycled aggregate concrete (RAC). The increase rate of RLAC is 10.1% when unreinforced and the increase rate is 13.4% and 11.5% when the reinforcement ratio is 1.16% and 1.57%, respectively As the replacement ratio of RCAs in new concrete increased from 30% to 50%, the specific creep of reinforced/unreinforced RLAC increased by 7.4% and 11.4% respectively; when the fine aggregate (i.e., river sand) of new concrete is completely replaced by the recycled sand from A-P soil, the creep behavior of reinforced/unreinforced RLAC shows almost no change, but both of the shrinkage deformation decreased. As the reinforcement ratio increases from 1.16% to 1.57%, the specific creep of RLAC and RAC decrease by 5.0% and 6.6%, respectively. Reinforcement reduces the shrinkage deformation of RAC and RLAC, and the reduction grows with the increase of reinforcement ratio. As the replacement ratio of RCAs in new concrete increased from 30% to 50%, the elastic modulus of RLAC have little change and it is also almost free from the impact of replacing the fine aggregate (i.e., river sand) of new concrete with the recycled sand from A-P soil; and when the stress level is less than 0.4, the specific creep of RLAC is nearly deemed as irrelevant to the stress level.

demolished concrete lump；recycled coarse aggregate；recycled sand rooted from alluvial-proluvial soil；recycled lump/aggregate concrete；creep behavior

Supported by the Key-Area Research and Development Program of Guangdong Province （2019B111107003） and the National Natural Science Foundation of China （52078219）

TU528

1000-565X（2022）07-0035-08

10.12141/j.issn.1000-565X.220046

2022-01-27

广东省重点领域研发计划项目（2019B111107003）；国家自然科学基金资助项目（52078219）

吴波（1968-），男，博士，研究员，主要从事建筑固废再生利用与结构抗灾研究。E-mail： bowu@scut.edu.cn