再生大骨料-自密实砂浆堆石混凝土力学性能研究

王建超，李华钰，裘子铭

(沈阳建筑大学土木工程学院，辽宁沈阳 110168)

0 引 言

再生大骨料自密实混凝土(recycled large aggregate self-compacting concrete，RLA-SCMRFC)是基于堆石混凝土[1-2]和再生混凝土基础之上发展出的一种新型混凝土，其保留了堆石混凝土的施工工艺，同时以废弃混凝土块体作为再生大骨料替代了堆石混凝土中的天然大粒径岩石。其施工过程主要为：将再生大骨料填入模板中，利用重力相互堆积形成堆石体，再倒入自密实混凝土，利用其高流动性填充再生大骨料堆石体之间的空隙，形成固结的混凝土结构[3-8]。这种混凝土继承了堆石混凝土水泥用量小、水化热少、热变形小、无需振捣的优点[1-9]，又可以重新利用废弃混凝土，是建筑垃圾回收再利用的有效方法[10-12]。

若使自密实混凝土有效填充到堆石体且保证堆石混凝土强度，自密实混凝土除了具有足够的流动性外，还要有足够的通过性能，以通过模具中的障碍孔隙而不失去均匀性[13-14]。国内外学者进行的通过性试验表明通过障碍时的自密实混凝土会表现出明显的流动性下降和离析稳定性下降[15-20]。这是由于自密实混凝土浆体在剪应力低于屈服应力时会保持静止，无法继续填充堆石体；自密实混凝土中的粗细集料颗粒在通过孔隙障碍时，停滞的颗粒连结而形成颗粒拱，进而发生堵塞。粗颗粒粒径与障碍间隙的关系对自密实混凝土的填充性能具有显著影响[19-21]。对堆石体而言，其骨料间隙与大骨料粒径密切相关[22]，为保证堆石混凝土填充密实，通常令大骨料粒径在100 mm以上，限制了堆石混凝土的应用范围。一些学者为扩大其应用范围，使用了自密实砂浆(self-compacting mortar，SCM)填充更小骨料粒径的堆石体[21-24]，对其填充性、力学性和耐久性等进行了研究，但以往的文献中未有对自密实砂浆填充再生大骨料堆石体的研究。

由于再生大骨料相比于天然大骨料具有更加粗糙的表面和更高的孔隙率[25]，用自密实砂浆填充再生大骨料堆石体时可能表现出更差的填充性。本文旨在通过对再生大骨料自密实砂浆堆石混凝土的力学性能研究，验证自密实砂浆填充再生大骨料堆石体的可行性，并对其强度、应力-应变关系提出预测模型，以拓展再生混凝土和堆石混凝土的应用范围。

1 试验概况

1.1 试验材料

水泥选用山水牌P.O42.5级水泥；粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰；细骨料为Ⅱ区中砂，细度模数为2.97；再生大骨料来源于沈阳建筑大学结构实验室的废弃试验梁，经过人工破碎、清洗和筛分筛选出粒径分别为(60±5) mm、(80±5) mm和(100±5) mm的块体。在水中浸泡2 d后于试件制作的30 min前从水池中取出，散去表面水分至饱和面干状态；减水剂为羧酸高效液体减水剂，减水效率为46%，试验前与水混合后使用；水为普通自来水。

1.2 自密实砂浆配合比

本试验所用砂浆的强度等级为M20、M30和M40，依据全计算配合比设计方法[26-27],运用正交试验，配制出满足工作性能的自密实砂浆，各配合比见表1。

表1 自密实砂浆配合比Table 1 Self-compacting mortar mix proportion

1.3 试验分组

试验设计了7组不同的再生大骨料-自密实砂浆混凝土RLA-SCMRFC试块，其中再生大骨料粒径分别为(60±5) mm、(80±5) mm及(100±5) mm，再生大骨料原始强度(与废弃混凝土试验梁同期浇筑的立方体抗压试验强度)分别为35.94、44.79、51.43 MPa，自密实砂浆强度分别为25.84、36.54、44.21 MPa。详细试件设计分组见表2。

表2 试验分组及结果Table 2 Test groups and results

1.4 试件制备

由于再生大骨料的粒径大于规范[12]中规定的标准试块的骨料最大粒径，故采用对大尺寸试件(尺寸为300 mm×300 mm×300 mm、300 mm×300 mm×600 mm)中心部位切割取芯的方式得到标准试块(尺寸为150 mm×150 mm×150 mm、150 mm×150 mm×300 mm)，以避免试块截面差异过大导致的离散性。

试验所用试件采用普通型堆石混凝土施工工艺进行：将再生大骨料放入大尺寸模具中形成再生大骨料堆石体，同时控制单一再生骨料替代率η在30%±1%范围，避免再生骨料替代率对RLA-SCMRFC力学性能产生影响；再将制备好的自密实砂浆沿模具的一个角倒入，浇筑过程无需振捣，完全依靠自密实砂浆自身的流动性填满整个模具内；标准条件养护28 d后，将300 mm×300 mm×300 mm的立方体试件和300 mm×300 mm×600 mm的棱柱体试件取芯切割成150 mm×150 mm×150 mm的立方体试件和150 mm×150 mm×300 mm的棱柱体试件，并将小试件表面用水泥浆抹平。

1.5 试验结果

根据《混凝土物理力学性能试验方法标准》[28]，使用沈阳建筑大学5 000 kN压力机进行立方体抗压试验、轴心抗压试验和劈裂抗拉试验，试验结果如表2所示。

2 结果分析

试件的立方体抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度见图1～3。由图1～3和表2可知：RLA-SCMRFC立方体抗压强度、轴心抗压强度和劈裂抗拉均随再生骨料粒径减小而减小，但减小幅度不大，再生骨料粒径由100 mm减小到80 mm和60 mm时，立方体抗压强度仅降低1.87%和5.97%，轴心抗压强度均降低10%，劈裂抗拉强度降低4%和8.8%。说明自密实砂浆在填充更小粒径的再生大骨料堆石体时，虽然受到的黏滞阻力增大，通道直径变小，造成填充密实度降低，但强度降低幅度不大，说明用自密实砂浆填充再生大骨料堆石体是可行的。

RLA-SCMRFC立方体抗压强度、轴心抗压强度和劈裂抗拉强度均随再生大骨料原始强度和自密实砂浆配置强度增大而增大，但自密实砂浆强度的影响更为显著。RLA-SCMRFC轴心抗压强度与立方体抗压强度的比值变化范围在0.65～0.71之间， 这一值略小于普通混凝土；劈裂抗拉强度与立方体抗压强度的比值变化范围在0.055 8～0.070 9之间，且SCM强度对其影响明显较大。

通过对试验数据进行拟合，得到立方体抗压强度和轴心抗压强度转换公式为

fc,rfc=α1fcu,rfc

(1)

式中：α1为转换系数，对于再生大骨料-自密实砂浆堆石混凝土取0.67。

立方体抗压强度和劈裂抗拉强度转换公式为

(2)

表3给出了强度计算值及相对误差。由表3可知，相对误差均在合理范围内。

表3 强度计算值及相对误差Table 3 Calculation value of strength and relative error

以Wu等[29]提出的公式为基础，以表2试验数据为依据，对公式中相关系数进行修正，提出适用于再生大骨料-自密实砂浆堆石混凝土立方体抗压强度的计算公式，见式(3)。

(3)

Ka=0.001 5d+0.839 9

(4)

式中：Ka为再生骨料粒径影响系数。

将实测值与式(3)计算值列于表3中，可以看出相对误差均在合理范围内，该公式精度较好。

3 单轴受压应力-应变曲线

图4为试验得到的再生大骨料-自密实砂浆混凝土棱柱体轴心受压应力-应变(σ-ε)曲线，因试验条件限制，仅取其上升阶段。可以看出，RLA-SCMRFC的轴心受压性能与普通混凝土相似。加载初期和荷载达到极限荷载的80%之前，应力-应变曲线几乎处于线弹性阶段。这从侧面说明再生大骨料与自密实砂浆之间有良好的界面特性，并没有过早发生塑性变形。随着荷载的增加，当应力达到极限强度的80%～100%时，应力-应变曲线斜率开始变小，此时开始发生了塑性变形。从构件表面开始出现了裂缝，并随着荷载的进一步增大，裂缝迅速扩展。随着荷载到达峰值应力，裂缝逐渐增多，直到构件发生破坏。

图5为试件的静态弹性模量。由图5可知：RLA-SCMRFC的静态弹性模量随再生骨料粒径、再生骨料强度和自密实砂浆强度的增大而增大，其中再生骨料强度和自密实砂浆强度影响较大，再生骨料粒径影响较小。图6为试件的峰值压应变。由图6可知：峰值压应变随再生骨料粒径、再生骨料强度和自密实砂浆强度的增大而增大，但再生骨料粒径对其影响很小，再生骨料强度和自密实砂浆强度的影响较为明显。

对试验结果进行拟合，提出RLA-SCMRFC静态弹性模量Ec,rfc计算公式为

(5)

峰值压应变εp,rfc计算公式为

(6)

表4列出了静态弹性模量和峰值压应变实测值与计算值之间的相对误差。可以看出，最大相对误差为9.98%，公式精度较高。

表4 静态弹性模量和峰值压应变Table 4 Static elasticity modulus and peak compressive strain

对单轴受压应力-应变曲线横、纵坐标进行量纲一化处理，以x=ε/εp,rpc和y=σ/fr,rfc为横、纵坐标，绘制出各组构件轴心受压的归一化应力-应变曲线(图7)。

基于江见鲸等[30]提出的多项式型本构模型，对原式中的系数进行修正，得出再生大骨料-自密实砂浆堆石混凝土单轴受压本构模型，表达式见式(7)。

y=ax3+bx3+cx

(7)

b=-1.590 3a-0.479 8

(8)

c=0.600 8a+1.512 5

(9)

a=[(0.041 5fcu,SCM-1.731 8)(-0.021 4d+

4.297)+10.435]/0.826 5

(10)

基于欧盟CEB-FIP MC90规范提出的有理分式型本构模型，对原式中相关系数进行修正，得出再生大骨料-自密实砂浆堆石混凝土单轴受压本构模型，表达式见式(11)。

(11)

K=[-0.006 4fcu,SCM+1.547 2)(0.000 3d+

1.261 6)(-0.032fcu,old+2.784 3)-

1.269 3]/0.705 4

(12)

从图7可以看出，多项式型本构模型和有理分式型本构模型得到的结果都可以很好地与实测结果相吻合。

4 结语

(1)RLA-SCMRFC的抗压强度、劈裂抗拉强度、弹性模量和峰值应变分别随着再生骨料粒径、再生骨料强度以及自密实砂浆强度的增大而增大。RLA-SCMRFC轴心抗压强度与立方体抗压强度的比值变化范围在0.65～0.71之间，略小于普通混凝土。劈裂抗拉强度与立方体抗压强度比值同普通混凝土近似。

(2)各种工况下试件的应力-应变曲线发展规律同普通混凝土大致相同，破坏形态也同普通混凝土类似，通过对试验数据的拟合，得到多项式型本构模型和有理分式型本构模型，两者都可以很好地与试验值相吻合。

(3)自密实砂浆能够充分填充更小骨料粒径构成的堆石体，用自密实砂浆替代自密实混凝土填充堆石体是可行的。