再生粗骨料最大粒径对再生混凝土强度影响试验研究

安新正,张龙娇,郭永民,王燕杰

(河北工程大学 土木工程学院,河北 邯郸 056038)

近些年来,再生混凝土的出现为解决混凝土工程必须的骨料问题,推动再生骨料的循环和资源化利用,促进土木工程领域的节能减排提供了切实可行的方案[1-2]。再生粗骨料在再生混凝土中的占比较大,对再生混凝土力学性能有较大的影响。付敏[3]通过试验研究,认为再生混凝土的韧性系数及延性比与骨料最大粒径之间存在一定的尺寸效应。孙家瑛等[4]对再生细骨料粒径分别为5、2.5、1.25、0.63、0.315和0.16 mm的再生混凝土试件进行了快速冻融循环试验研究,认为其抗冻性能随再生细骨料粒径尺寸的减小而逐渐下降。乔京生等[5]对再生粗骨料最大粒径分别为16、20、25、31.5和40 mm的再生混凝土试件进行了抗压试验研究,认为其抗压强度随再生粗骨料最大粒径的增大呈现出先逐渐增加而后转为逐渐减小的趋势。杜敏等[6]就粗骨料粒径对混凝土弯拉强度的影响进行了试验研究,认为在粗骨料体积率和水灰比相同条件下混凝土弯拉强度将会随粗骨料粒径的增大而减小。王江波等[7]的研究成果显示随粗骨料最大粒径的增大,混凝土抗压强度呈先增加而后降低的趋势。Elices等[8]的研究认为混凝土抗拉强度随粗骨料粒径的增大而呈减小的趋势。王瑞骏等[9]的研究成果表明再生粗骨料粒径对混凝土抗压强度的影响不容忽视。

综上来看,目前相关粗骨料最大粒径影响的研究主要集中在单一粒径级配对普通混凝土弯拉强度与抗压强度,以及再生混凝土抗压强度方面,而相关再生粗骨料最大粒径在多粒径级配下对再生混凝土弯拉强度、抗压强度影响的研究文献还相对较少,所以很有必要开展再生粗骨料最大粒径在多粒径级配下再生混凝土弯拉强度和抗压强度的研究,为此通过4种最大再生粗骨料粒径在不同再生粗骨料体积组合比例下,再生混凝土试块的弯曲抗拉试验和抗压试验,分析了再生粗骨料最大粒径对再生混凝土弯曲抗拉强度(弯拉强度)、抗压强度的影响程度,为再生混凝土的工程设计提供依据。

1 原材料、试块情况与试验方法

1.1 试验用原材料

(1)水泥:采用河北太行水泥股份有限公司生产的太行山牌P·O 42.5级普通硅酸盐水泥;(2)粗骨料:全部采用再生粗骨料。本文试验采用的再生粗骨料为邯郸市某拆除建筑物的废弃混凝土梁(采用钻芯法测得其混凝土的抗压强度值为40.3 MPa)经破碎机破碎,去除杂物,筛分而获得5～10、10～15、15～25和25～31 mm粒径区间的连续级配再生粗骨料(表1),符合《混凝土用再生粗骨料》(GB/T 25177—2010)[10]标准;(3)细骨料:采用沙河产天然河砂,其细度模数为1.6;(4)粉煤灰:采用邯峰电厂产Ι级粉煤灰,掺量为5%;(5)减水剂:采用减水率为25%的聚羧酸高效减水剂;(6)拌制用水:采用邯郸市用自来水。

表1 再生粗骨料基本物理性能指标Tab.1 Basic physical properties of recycled coarse aggregate

1.2 试验配合比与试块制作

由于再生粗骨料表面附着有老旧砂浆,其表面粗糙度比天然碎石骨料大,且吸水率高,影响再生混凝土的工作性能。因此,在拌制再生混凝土时依据再生粗骨料用量计算出附加用水量[11]。再生混凝土设计配合比为:水泥∶水∶砂∶再生粗骨料=1∶0.45∶1.97∶3.27。为了研究再生粗骨料最大粒径对再生混凝土性能的影响,本次试验采用最大粗骨料粒径分别为10、15、25和31 mm的4组再生粗骨料,共设计了4组再生混凝土棱柱体试块(100 mm×100 mm×400 mm)和立方体试块(100 mm×100 mm×100 mm),每组制作6个棱柱体试块和3个立方体试块。各组棱柱体试块和立方体试块的组号和编号,以及再生粗骨料组分的组合比例情况详见表2所示。

表2 A—D组试块组再生粗骨料的组合比例Tab.2 Combination ratio of recycled coarse aggregate in groups A—D

1.3 试验方法

将达到28 d标准养护时间的A—D组再生混凝土棱柱体试块及立方体试块从标准养护室内取出,并按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)[12]的相关要求,在微机控制电液伺服试验机上分别进行再生混凝土棱柱体试块的四点弯曲试验和立方体试块的抗压试验。四点弯曲试验简图如图1所示。

图1 四点弯曲试验示意图(单位:mm)Fig.1 Schematic diagram of four-point bending tests(unit:mm)

在试验过程中,注意观测并记录A—D组再生混凝土棱柱体试块和立方体试块中每个试块的破坏特征和极限荷载值,并依照文献[12]计算每个棱柱体试块和立方体试块的弯曲抗拉强度值和抗压强度值。各组棱柱体试块的弯拉强度(f)和立方体试块的抗压强度(cu)分别取该组内所有试验试块弯拉强度的平均值和试验试块抗压强度的平均值。各组再生混凝土材料的折压比(λ)取该组试块的弯拉强度与抗压强度的比值,即:λ=f/cu。

2 试验结果分析

2.1 试验结果

对标养28 d的A—D组试块分别进行了弯曲抗拉试验和抗压试验,弯拉强度采用6个试块的平均值,抗压强度采用3个试块的平均值。本文试验结果详见表3所示。由表3可知,再生骨料粒径越大,再生混凝土试块的不均匀性也越大。

表3 A—D组试块弯拉强度、抗压强度试验结果Tab.3 Test results of flexural tensile strength and compressive strength of test samples in groups A—D

2.2 再生粗骨料最大粒径对弯拉强度影响

由弯曲抗拉试验时观察到的破坏现象可以发现,A—D组再生混凝土棱柱体试块产生的裂缝均出现在施加荷载接近极限值时刻,且裂缝一旦出现就迅速发生断裂破坏,显示为脆性破坏特征。

图2 再生粗骨料最大粒径对弯拉强度的影响曲线Fig.2 Influence curve of maximum particle size of recycled coarse aggregate on flexural strength

2.3 再生粗骨料最大粒径对立方体抗压强度的影响

图3 再生粗骨料最大粒径对抗压强度影响曲线Fig.3 Influence curve of maximum particle size of recycled coarse aggregate on compressive strength

2.4 再生粗骨料最大粒径对折压比的影响

再生混凝土折压比是反映再生混凝土材料韧性程度的一个重要指标。λ越大,则再生混凝土材料的韧性程度就越好,反之则脆性越大。图4为λ随Φmax变化而变化的直方图。由图4及表3可以看出,Φmax的取值在10～31 mm范围内变化时,λ的取值范围在0.091～0.157之间变化,当Φmax的取值由10 mm逐渐增加到31 mm时,λ的值随Φmax取值的逐渐增大而呈现出逐渐减小的趋势。λ的最大值比最小值高出45.2%,这说明要想得到较优韧性性能的再生混凝土,在相同配合比条件下应优先考虑选取小粒径的再生粗骨料来配制再生混凝土材料。

图4 再生粗骨料最大粒径对折压比的影响曲线Fig.4 Influence curve of the maximum particle size of recycled coarse aggregate on the compression ratio

2.5 考虑最大粒径影响的弯拉强度与抗压强度关系

由图4可知,Φmax的取值在10～31 mm范围内变化时,λ的取值近似于线性变化。考虑Φmax对λ的影响,假设λ随Φmax变化符合式(1)计算模型。

λ=a+bΦmax

(1)

式中,a、b为试验常数。

基于试验数据,采用MATLAB软件对式(1)进行最小二乘法回归拟合分析,可得:a=0.185 9,b=-0.003 1,并将a、b的值代入式(1),可得式(2)。

λ=0.185 9-0.003 1Φmax

(2)

将λ=ff/fcu代入式(2),可得式(3)。式(3)即基于再生粗骨料最大粒径取值变化及立方体抗压强度的再生混凝土弯拉强度计算模型。该计算模型的计算值与试验值吻合较好。

ff=(0.185 9-0.003 1Φmax)fcu

(3)

3 结论

1)再生粗骨料最大粒径在10～31 mm范围内,再生混凝土的弯曲抗拉强度随再生粗骨料最大粒径的增大而减小。

2)再生粗骨料最大粒径在10～31 mm范围内,再生混凝土抗压强度随再生粗骨料最大粒径的增大呈现出先增加,而后减小的趋势,并且最大值介于再生粗骨料最大粒径15～31 mm之间。

3)随再生粗骨料最大粒径的逐渐增大,再生混凝土折压比呈现出逐渐减小的趋势。再生粗骨料最大粒径为31 mm时的折压比仅为最大粒径为10 mm时的45%左右。

4)建立了考虑再生粗骨料最大粒径影响的再生混凝土弯拉强度和立方体抗压强度的关系模型,可为基于抗压强度的再生混凝土弯拉强度的计算提供借鉴。