基于二级配再生骨料的水工混凝土抗压强度研究

宋福生

（盘锦市大洼区水利服务中心，辽宁 盘锦 124200）

再生混凝土是新型环保建筑材料，其应用前景十分广泛。劈裂抗拉和单轴受压强度是评判再生混凝土结构变形及其承载力的重要依据，可为极限受压状态下构件的变形情况、破坏形态以及截面应力分布等研究提供参考依据。目前，针对再生混凝土力学性能诸多学者开展了一系列研究，并取得丰硕的成果，如陈宗平等试验探讨了混凝土强度与粗骨料替代率之间的关系，结果显示30%~40%取代率的混凝土性能达到最优；窦世聪等试验表明再生粗骨料来源于不同强度原生混凝土时，原生混凝土强度越高则再生混凝土力学性能越好；张波志等认为相较于普通混凝土，再生混凝土的抗压强度高而劈裂抗拉强度低；关壮等提出再生混凝土掺入高效减水剂能够增强其力学性能，并且劈裂抗拉和抗压强度会随着引气剂掺量的增加而减小[2-5]。然而，现有研究主要侧重于单一粒径再生粗、细骨料，大都未考虑骨料粒径对力学能的影响[6]。因此，文章选择5~30mm、20~30mm 和5~20mm 粒径的再生粗骨料，试验研究20%、40%、60%、80%、100%取代率时再生粗骨料等质量替代天然粗骨料(相同粒径)的二级配混凝土的劈裂抗拉和抗压强度，然后利用非线性回归方法建立劈裂抗拉与抗压强度之间的换算关系，以期为再生骨料取代率及其粒径的合理选择和再生混凝土的推广应用提供一定支持。

1 试验方案

1.1 原材料

本试验选用20~30mm和5~20mm连续级配碎石作为天然粗骨料，将同批次普通混凝土劈裂抗拉强度试验后的试块人工破碎，经筛分取20~30mm和5~20mm碎石作为再生粗骨料；细骨料为浑河中砂，细度模数2.6；水泥选用盘锦金润水泥有限责任公司生产的P·O42.5级水泥，比表面积345m2/kg，3d、28d抗压强度8.8MPa和50.1MPa，初、终凝时间185min和305min。外加剂选用苏博特GYQ®-Ⅳ高效引气剂和广东鑫瑞恒聚羧酸高效减水剂，拌和水用当地自来水。

1.2 配合比设计

以取代率和骨料粒径为变量，试验设计12 种二级配再生骨料水工混凝土，具体如下：①JC：普通混凝土；②PC1：5~30mm 粒径范围的二级配再生混凝土，取代率20%、40%、60%、80%、100%；③PC2：20~30mm、5~20mm（1 : 1 分配）粒径范围的二级配再生混凝土，取代率20%、40%、60%。鉴于再生骨料具有较强的吸水率特征，为达到良好的新拌混凝土和易性，按附加用水及拌和水两部分作为混凝土用水量，其中附加用水量等于再生骨料用水乘以其吸水率，通过试验测定再生骨料吸水率2.8%。依据《水工混凝土配合比设计规程》和天然骨料混凝土设计方法合理设计配合比见表1。

表1 试验配合比设计

1.3 试验方法

依据现行规范配制出12 组抗压强度和12 组劈裂抗拉强度试件，每组试件3 个，形态尺寸为100mm×100mm×100mm，合计72 个。试验时先用机械搅拌混合物，拌和均匀后装入标准钢膜，为保证混凝土密实性用振动台振捣，室内静置24h后拆模，然后放入标养室养护28d，养护相对湿度95%，温度(20±2)℃。养护完成后取出，设定加载速率0.5MPa/s，采用电液伺服试验机测定各组试件的抗压强度，而劈裂抗拉强度试验的加载速度设定为0.05MPa/s。

2 结果与分析

2.1 破坏形态分析

1）抗压破坏。当水工混凝土试件加载到一定程度时，表面逐渐出现沿上下受力面近似垂直的少许细小裂缝；持续增大荷载，裂缝数量增多且进一步延伸扩大向内部发展，混凝土表面逐渐出现鼓胀、剥落现象，当加载到极限荷载时混凝土完全破碎。

2）劈裂抗拉破坏。加载初期试件表面未发现明显裂缝，增大荷载上下受力点开始出现与受力面相垂直的细小裂缝，当加载到极限荷载时试件被迅速劈裂成两块，与此同时会发出响声。通过试验观察，再生与普通混凝土都是沿中心线附近被劈裂，两者的破坏形态相似，劈裂面大多沿骨料之间或砂浆与骨料接触处被劈裂，天然骨料发生破裂的很少[7-8]。

2.2 抗压强度试验

通过计算处理各组试件的抗压强度检测数据，建立取代率与抗压强度之间的关系，如图1 所示。

图1 骨料取代率与抗压强度关系线

由图1 可知，在取代率相同情况下，5~30mm粒径范围的试件抗压强度相比于20~30mm、5~20mm 粒径范围要高，这表明级配连续再生混凝土的抗压强度比级配不连续再生骨料高。取代率从0 增大到20% 时，5~30mm、20~30mm 和5~20mm粒径范围试件抗压强度明显提高，增长率依次为19.35%、14.71%、10.90%；取代率从20%增大到60%时，5~30mm、20~30mm 和5~20mm 粒径范围的试件抗压强度逐渐减小，减小幅度依次为5.94%、11.64%、5.65%，可见20~30mm 粒径范围的试件强度降幅最大，随取代率增大该组试件的抗压强度变幅最大，因此20~30mm 粒径范围的再生骨料是二级配再生混凝土强度的主要影响因素。取代率从80%增大到100%时，5~30mm 粒径范围的试件抗压强度维持不变。

深入分析产生以上变化趋势的原因，经破碎后的再生骨料棱角突出且表面更加粗糙，这使得水泥砂浆与骨料间的粘结力以及骨料间的摩擦力增大，从而增强了整体抗压强度；另外，在破碎过程中再生骨料内部形成许多微小裂缝，致使再生骨料低于天然骨料的承载力[9-10]。因此，取代率不同这两种作用结果具有明显差异，较小取代率时有利因素起主导作用，从而提高了抗压强度；取代率逐渐增加，骨料内部微小裂缝开始发挥主导作用，裂缝空隙处受压力作用时将出现应力集中，不利因素起决定作用，因此抗压强度又随着取代率的提高而逐渐减小。

2.3 劈裂抗拉强度试验

通过计算处理各组试件的劈裂抗拉强度检测数据，建立再生骨料取代率与再生混凝土劈裂抗拉强度之间的关系，如图2 所示。

图2 骨料取代率与劈裂抗拉强度关系线

由图2 可知，随再生骨料取代率的增加5~20mm 和5~30mm 粒径范围的试件劈裂抗拉强度变化趋势相似，取代率小于40%时表现出上升趋势，而取代率超过40%时表现出下降趋势，故取代率等于40%时的试件劈裂抗拉强度最高达到3.81MPa和4.08MPa，与普通混凝土相比分别提高5.83%和13.33%。取代率相同情况下，5~30mm 粒径范围的试件劈裂抗拉强度比5~20mm 粒径范围试件高，该变化特征与抗压强度相同；取代率从80%增大到100%时，5~30mm 粒径范围的试件劈裂抗拉强度基本相同。取代率0 增大到20%时，20~30mm粒径范围的试件劈裂抗拉强度逐渐升高，取代率从20%增大到60%时逐渐下降，故取代率20%时20~30mm 粒径范围的试件劈裂抗拉强度最高达到4.05MPa，与普通混凝土相比提高12.50%。

深入分析产生以上变化规律的原因，5~20mm粒径范围的再生骨料组成成分以废弃的水泥砂浆为主，粒径相同时其强度低于天然骨料，20~30mm粒径范围的再生骨料组成成分以废弃水泥砂浆包裹天然骨料为主，粒径相同时期强度略低于天然骨料，降幅较小，所以5~20mm 粒径范围的试件劈裂抗拉强度要小于20~30mm、5~30mm 粒径范围试件[11]。由于大量水泥砂浆与再生骨料相连，而许多未完全水化的矿物掺合料及水泥颗粒被包裹在再生骨料的水泥砂浆内部，这些颗粒发生二次水化反应增强了再生混凝土密实度及新旧砂浆与粗骨料的粘结力，所以试件劈裂抗拉强度随着取代率的增大要高于普通混凝土[12-15]。

2.4 抗压与劈裂抗拉强度的关系

依据《混凝土结构设计规范》中的规定建立劈裂抗拉与抗压强度之间的换算关系式，其表达式为：

式中：fcu、fts——混凝土抗压和劈裂抗拉强度；α、β——回归系数。

通过非回归分析，建立不同取代率不同骨料粒径二级配再生混凝土抗压与劈裂抗拉强度之间的换算关系式，如表2 所示，并进一步计算劈裂抗拉强度实测值与计算值之间的误差，如表3 所示。

表2 换算关系式

结果表明，通过非线性回归所建立的换算关系式具有较高的拟合精度，相关系数均超过95%，该换算关系式可以准确地反映试件抗压与劈裂抗拉强度之间的关系。

3 结 论

1）再生混凝土与普通混凝土都是沿中心线附近被劈裂，两者的破坏形态相似，大都沿骨料之间或天然骨料与砂浆的接触面断裂，天然骨料发生破裂的很少。

2）在取代率相同情况下，5~30mm 粒径范围的试件抗压强度相比于20~30mm、5~20mm 粒径范围要高，表明级配连续再生混凝土的抗压强度比级配不连续再生骨料高。取代率为20%时，5~30mm、20~30mm 和5~20mm 粒径范围试件抗压强度均达到最高。

3）取代率等于40%时，5~20mm 和5~30mm粒径范围的试件劈裂抗拉强度最高达到3.81MPa和4.08MPa，与普通混凝土相比分别提高5.83%和13.33%；取代率20%时，20~30mm 粒径范围的试件劈裂抗拉强度最高达到4.05MPa，与普通混凝土相比提高12.50%。20~30mm 粒径范围的再生骨料是二级配混凝土劈裂抗拉及抗压强度的主要影响因素。