再生混凝土的材料特性及其结构性能综述

贾文洁, 张士萍, 方 钊

(1.安徽建筑大学土木工程学院 安徽 合肥 230061 2.南京工程学院建筑工程学院 江苏 南京 211167)

0 引言

建筑垃圾可分为石膏、废弃混凝土、废弃砖块、钢铁、沥青、废塑料、木材等。其中废弃混凝土和废弃砖是占比较大的建筑垃圾。废弃混凝土是在第二次世界大战以后才开始研究,日本的废弃混凝土利用率已达98%,美国有超20个州在使用再生混凝土[1]。国内对再生混凝土的研究起步于20世纪末,目前用再生混凝土建成的实体工程有北京建筑工程学院第六试验楼、中国建筑设计研究院科研办公楼、五角场镇340街坊商业办公用房等。废弃砖的研究是从20世纪90年代开始[2]。印度每年产生的砖废料占建筑垃圾总量的31%,美国在2012—2014年间产生了4400万吨砖废料,中国每年约产生4亿吨砖废料[3]。废弃混凝土块和废弃砖碎块经一系列的工艺处理,如初级筛选、分离表面的石膏、挤压破碎、清洗、按粒径筛分等。再按照设计要求将再生骨料、砂石、水泥等组合制成新混凝土或砌块,或是研磨成粉末。一般认为,普通混凝土抗压强度最大,再生混凝土次之,再生砖骨料混凝土最小。再生混凝土耐磨性好,其制备程序与工艺上已相对成熟。再生砖骨料混凝土耐火性能好,质量轻对抗震友好,磨成的粉末具有很好的火山灰活性。再生混凝土骨料和再生砖骨料的成分都极为复杂,所制成的新混凝土强度受诸多因素影响,徐变大,含水量大,不利于冻融循环。国内外对再生混凝土的研究起步较早,且相对完善,而对于再生砖骨料混凝土在有些方面还存在研究空白,通过对比,一是推动两种再生骨料相关规范的制定;二是对比分析可以更快地发现研究方向上的不足,以求最大限度地使用两种再生骨料;三是响应国内政策,缓解巨大的市场需求和对自然资源的依赖。由于材料的性能决定了构件的性能,而构件的性能又极大影响了框架的结构性能。因此文章从材料基本特性、材料力学性能、构件及结构性能3个角度简要评述国内外有关再生混凝土和再生砖骨料混凝土的文献,并对再生骨料的研究方向提出一些展望。

1 性能对比

1.1 材料基本性能

1.1.1 再生混凝土的材料性能

再生混凝土粗骨料的表观密度和堆积密度低,吸水率高,粉碎指数统计结果在15%左右[4-5]。当把再生骨料作为细骨料时,也有较大的吸水率[6],其制成的再生混凝土耐磨性随着取代率的增加而增加[7]。再生粗细骨料掺量为100%时,用水量比普通混凝土增加了22%,再生细骨料对材料性能的影响大于再生粗骨料[8]。

1.1.2 再生砖骨料混凝土的材料性能

1.2 材料力学性能

1.2.1 再生混凝土的力学性能

废弃混凝土在破碎的过程中,较大的压力会使得废弃混凝土内部产生大量裂缝。随着再生粗骨料含量的增加,试块的抗压强度、弹性模量降低[13]。艾洪祥等[6]发现,当细骨料取代率为20%时,再生混凝土有较好的抗压强度。陈鹏博等[14]通过试验,将原强度等级较高的粗细再生混凝土骨料按等比例加入到新混凝土当中,结果表明取代率为50%、75%的再生混凝土抗压强度可达C45、C40,取代率为100%的再生混凝土抗压强度也可达C35。左奇丽等[15]将粉煤灰加入不同取代率的再生粗骨料混凝土中,实验结果表明:再生粗骨料混凝土的抗压强度和抗拉强度在粉煤灰掺量为24%时最大,取代率每增加1%,抗拉强度减小约8 kPa,塌落度减小约1.2 mm。许金校等[16]综述了不同纤维的掺入对再生粗骨料混凝土的影响。2%的钢纤维可以提高再生混凝土的抗压、劈裂及抗折强度,1.2%的聚丙烯纤维可以提高再生混凝土的断裂能。

1.2.2 再生砖骨料混凝土的力学性能

如前所述,再生砖骨料有着高的吸水率,这影响了水灰比和水泥的水化作用,其次再生砖骨料本身就有较大的孔隙率。因此随着取代率的增加,试块的抗压强度、弹性模量、抗弯强度均降低[10,17]。而掺入级配较好的再生砖细骨料的混凝土试块抗压强度保持相当或略有提高,张裂抗拉强度和弹性模量降低[11]。Debieb等[9]发现当粗细再生砖骨料取代率分别为25%和50%时,粗细混合碎砖再生混凝土有着与天然骨料混凝土相似的特性。Wong等[3]将废砖粉作为水泥的替代品,得到了在保证有足够的SiO2含量和一定的细度等因素下,适当掺入可使混凝土有相当或更高的抗压强度,但过高的掺量会产生负面影响,废砖粉对水泥的取代率应小于20%。Zhang等[18]将不同掺量的聚丙烯纤维和聚酯纤维加入含30%黏土砖再生粗骨料混凝土试件中,纤维的掺入改善了再生砖骨料混凝土的抗压强度,劈裂抗拉强度。聚丙烯纤维在抗压强度、透水性、透气性方面优于聚酯纤维,当聚丙烯纤维用量为0.9 kg/m3时,试件的劈裂抗拉强度最高,其余性能也较好。张玉山[19]也通过试验发现,聚丙烯纤维掺入再生砖骨料混凝土柱后,裂缝最大宽度减小,开裂荷载得到提高。

1.3 构件及结构性能

材料的力学性能影响了由该材料组成的构件的力学性能,并最终影响由构件组成的框架的结构性能。而结构性能当中,最受关注的就是在地震作用下该结构的抗震性能,因为地震是土木工程结构最常见且最危险的一类工程灾害,以再生混凝土以及再生砖骨料混凝土构件和结构的抗震性能为主,阐述这两类结构的结构性能。

1.3.1 再生混凝土构件及结构的抗震性能

(1)再生混凝土构件的抗震性能

目前为止,对于再生粗骨料混凝土构件的抗震研究较为全面。白国良等[20]通过低周反复荷载试验,发现轴压比为0.15,再生混凝土框架柱取代率为100%时延性系数最大,再生骨料掺量从100%降到50%,耗能能力有所降低,抗震性能减小。胡琼等[21]提出小轴压比的再生混凝土柱发生延性破坏,大轴压比的再生混凝土柱发生脆性破坏,再生混凝土柱的滞回特性、能量耗散与普通混凝土柱相近。Chen等[22]测试了再生混凝土墙体低周反复荷载试验,结果表明:高轴压比下的墙体延性降低,弹塑性变形能力较好。刘强等[23]发现配筋率提高后,剪跨比为1的再生混凝土低矮剪力墙的承载力、延性提高。Murad等[24]发现15%的粉煤灰再生混凝土节点有最好的强度,经碳纤维布进行加固修复后的节点承载能力为未修复的两倍,破坏模式由剪切破坏转为延性破坏。刘子赫[25]通过模拟发现废弃纤维再生混凝土梁柱节点与普通混凝土梁柱节点均为底部集中破坏,当再生混凝土取代率为50%,废弃纤维长度为19 mm,轴压比为0.4,废弃纤维体积掺量为0.12%的节点抗震性能优于普通混凝土梁柱节点抗震性能。

除此之外,部分学者提出将钢嵌入到再生粗骨料混凝土结构构件中或钢管内部填充再生粗骨料混凝土,形成钢增强再生混凝土,并进行了一系列研究,如Ma等[26]制作了型钢再生混凝土柱,型钢再生混凝土柱的承载力与轴压比和箍筋比成正比,延性与轴压比成反比,与箍筋比成正比,其抗震性能与普通混凝土柱相当。Dong等[27]固定了全尺寸型钢高强再生混凝土柱的轴压比为0.54,剪跨比λ为1.92,发现再生混凝土掺量对型钢高强再生混凝土柱的影响不大,其抗震性能优于高强再生混凝土柱。Chen等、Xu等和张向冈[28-30]研究方钢管、圆钢管再生混凝土柱在地震作用下的破坏,主要为柱底钢管屈曲和再生混凝土的破碎压坏,圆形试件与方形试件延性系数均在3左右,且均可用于承重结构。

(2)再生混凝土结构的抗震性能

Xiao等[31]通过低周反复荷载试验,发现单层单跨的再生粗骨料混凝土框架有着与普通混凝土框架相当的抗震性能,随着再生混凝土骨料取代率的提高,抗震性能下降,但取代率较高的混凝土也可以满足抗震标准。王成刚等[32]通过逐步增大EI Centro地震波的加速度峰值对二层全再生粗骨料混凝土框架进行拟动力分析和时程分析。发现在弹性阶段框架有足够的刚度和承载力抵御多遇地震的作用,在塑性阶段,框架卸载后残余变形较小,框架各层的计算峰值位移随速度峰值的增大而增大,再生粗骨料混凝土框架抗震性能良好,软件模拟结果与试验结果吻合。王长青等[33]对6层再生粗骨料混凝土框架结构进行振动台试验,发现结构在8度多遇地震和罕遇地震下层间位移角大于规范要求,但结构仍然没有倒塌,说明结构有着良好的抗震能力。张华[34]模拟了5、8、11层钢筋混凝土结构,发现跨度的增加会使得结构变形,承载力减弱。梁柱配筋率、梁柱截面面积的增大使得结构承载力增大,在8度设防烈度下再生混凝土框架的抗震性能比普通混凝土框架弱,再生粗骨料混凝土框架在弹塑性阶段满足抗震要求,但在弹性阶段不满足。这可能是由于框架的楼层数量高而再生混凝土弹性模量低,导致再生混凝土的变形较大,因此再生混凝土在弹性阶段应满足什么样的抗震规范还需要进一步研究。

预制构件在建筑施工时可以快速安装,减少了再生混凝土浇筑带来的噪音,有利于环保。Xiao等[35]对6层预制再生混凝土框架进行振动台试验,研究结果表明在整个结构中,一二层的总和耗能最多,刚度退化最明显,后浇节点破坏比较严重的楼层,预制再生粗骨料混凝土框架有着与预制普通混凝土框架结构相当的变形能力和抗震能力。张华等[36]通过SAP2000对4、8、12层三榀四跨装配式框架结构的Pushover分析。结果表明:再生粗骨料混凝土取代率增加,结构基底剪力减小,顶点位移、层间位移角增大。结构高度越高,再生粗骨料混凝土取代率的不利影响越明显,高取代率的结构弹塑性变形能力在罕遇地震下满足抗震规范,8度(0.2g)多遇地震下不满足抗震规范。

刘杰[37]发现预制型钢再生粗骨料混凝土框架结构耗能性能良好,结构开裂晚,变形小,裂缝主要分布在后浇段、柱底部和新旧混凝土界面上。且轴压比越大,刚度及退化速率、残余变形、P-Delta效应响应越大,塑性转动能力、结构抗震性能越差。胡乐乐[38]通过有限元模拟发现,在多遇地震和罕遇地震作用下圆钢管再生粗骨料混凝土框架基底剪力减小,有较好的抗震性能。

卢家森等[39]对上海12层框架剪力墙结构的材料分项系数、保护层和构件设计方法、钢筋的锚固与链接等设计参数取值进行了说明,提出了一系列的验收要求,为建立更多的再生粗骨料混凝土实际结构提供了分析方法。肖建庄教授等[40]基于上海12层框架剪力墙结构,对再生粗骨料混凝土的力学参数、本构模型、阻尼比、轴压比限值,层间位移角限制等控制指标给出了关键意见。

1.3.2 再生砖骨料混凝土构件的抗震性能

国内外学者对再生砖骨料混凝土的力学、物理方面的研究较多。这些研究成果,为再生砖骨料混凝土建筑的设计应用奠定了一定的理论基础。国内学者主要对于再生砖骨料混凝土构件的抗震性能进行了一系列的研究。

杨涛[41]分析了再生砖骨料混凝土柱的抗震性能,发现柱的延性、承载力、耗能能力均低,而掺硅灰和混合纤维的再生砖骨料混凝土柱的抗震性能优于普通混凝土。程远兵等[42]对取代率为35%的再生砖骨料混凝土短肢墙进行低周反复加载试验,试验结果表明:抗震墙的承载力、延性、耗能能力低于普通混凝土抗震墙,但依旧满足抗震要求。刘汉清[43]使用组合砌体——再生砖骨料混凝土做框架,砖砌块填充墙体,进行综合分析,发现再生砖骨料混凝土与圈梁构造柱对砖砌墙体形成有效约束,墙体的抗震性能得到了增加。随着组合砌体中再生砖骨料混凝土墙体比例增加,墙整体的抗震性能也随之改善,且优于普通砌体墙。

2 对未来的展望及结论

基于以上抗震性能研究,可以看出再生骨料制成的构件及结构有足够的抗倒塌能力,再生骨料的使用具有很大的潜力,但是能够保障生命安全是使用再生骨料的前提。以下是基于上述的总结提出的再生骨料值得进一步研究的几个未来发展方向。

(1)对再生砖骨料混凝土框架节点领域暂无研究,有待进一步深化。框架结构由于节点的加固不足,故而容易呈现脆性破坏。尤其是预制框架中后浇节点的破坏较为严重,现浇节点较后浇节点与预制构件间的连接更为稳固,抗剪承载力更高,因此对再生砖骨料混凝土节点的研究必不可少。

(2)对钢增强再生砖骨料混凝土构件及结构的抗震性能领域暂无研究,有待进一步深化。钢的刚度大,受力性能和抗震性能好,钢与再生骨料的组合,可有效弥补再生骨料强度的缺陷,有些甚至不需要考虑取代率高所带来的问题,且组合整体的延性也较再生骨料混凝土有所增加。因此钢与再生骨料的组合有着很好的应用前景,无论是在力学、抗震性能还是组合形式上都值得进一步研究。

(3)对再生砖骨料混凝土足尺模型抗震性能的研究,有待进一步深化。再生混凝土抗震研究体系较再生砖骨料混凝土来说更成熟,再生砖骨料混凝土现阶段的研究为实验室缩尺模型,从缩尺模型转变为足尺模型,所受力的大小、各种变形等异常复杂,不可能严格按照等比例变化;缩尺模型使用的骨料粒径较小,界面特征与天然石子相近,导致缩尺模型的各性能相对较好;再生砖骨料在搅拌时容易出现分布不均匀,实验室配制与现场配制存在一定的差异。因此,对再生砖骨料混凝土足尺模型的研究以及建筑实例的研究任重而道远。

由以上分析可知,再生混凝土和再生砖骨料混凝土密度低、吸水率高;抗压强度、抗拉强度、弹性模量随着再生骨料取代率的增加而降低,在再生骨料中加入纤维可以提高再生混凝土和再生砖骨料混凝土的抗压强度、抗拉强度,也可以提高构件的延性、耗能能力。再生混凝土和再生砖骨料混凝土制成的构件经合理设计后可满足普通混凝土的抗震规范。在未来的研究中,再生砖骨料混凝土必定将越来越受到重视,其抗震性能研究也必定越来越丰富,其中利用试验或数值模拟的手段聚焦于再生砖骨料混凝土框架节点、再生砖骨料混凝土钢增强构件和结构以及再生砖骨料混凝土足尺结构等的抗震性能研究都是未来该领域的发展方向。