再生混凝土经高温冷却后抗压强度试验研究

杨新青（淅川县鼎力建设工程有限公司，河南 南阳 473000）

城市化建设加速背景下，城市更新规模进一步扩大，其中部分早期的建筑物需进行改扩建，而改扩建中产生的大量建筑废弃物处理难度较高[1-2]。目前，我国建筑行业每年产生的废弃物已占到工业废弃物的20%左右，拆除的建筑垃圾约占城市垃圾的35%，其中，废弃混凝土占拆除建筑垃圾的34%左右[3]。由此可见，城市建筑垃圾已经对城市卫生健康、居民生活环境产生一定程度的负面影响。再生混凝土技术的应用能够在节约自然资源的基础上，降低废弃混凝土产生的污染，具有广泛研究意义。

针对再生混凝土的工程应用，马辉[4]基于混凝土塑性损伤原则，以圆钢管型再生混凝土组合柱拟静力试验为基础，对钢管强化约束效应和再生粗骨料取代率不利效应条件下，圆钢管型钢再生混凝土组合柱的抗震性能进行非线性分析，并获取骨架曲线、应力云图，通过有限元参数分析其常温下的抗震性能。在理论方面，蒋宝库[5]结合瓦拉文级配共识和富勒级配理论，分析了二维、三维层次下再生混凝土各种骨料的颗粒分布情况，并结合MATLAB 分析圆形普通混凝土几何模型，结合再生混凝土改进模型获取常温下的再生骨料简化模型。

目前，国内外学界已经针对再生混凝土、再生骨料的常温研究进行了一系列研究，但再生混凝土高温后的性能水平相关研究较少[6-7]。为此，分析不同再生骨料取代率混凝土经高温处理后的抗压强度水平差异，并分析再生混凝土高温后性能变化规律，以期为再生混凝土建筑物火灾后的性能评价提供参考。

1 材料及试件制备

1.1 原材料

试验所用再生粗骨料均来自某改扩建工程中产生的废弃混凝土，经过破碎和筛分后获取再生粗骨料，测试其性能，所得结果如表1所示。

表1 粗骨料基本性能

试验中所用水泥采购自南京三龙有限责任公司的P·O 42.5级水泥，所用水均为自来水，砂属普通天然中粗砂，天然粗骨料取普通碎石。

1.2 混凝土配合比

试验中混凝土设计强度等级为C30，设计再生混凝土配合比时需要注意再生粗骨料相较于天然普通碎石有更高吸水率，因而需要增加用水量以作补偿，所得混凝土配合比如表2所示。

表2 混凝土配合比

1.3 试件制备及养护

试验中先将水泥、砂石混合进行人工搅拌，然后加入粗骨料人工搅拌至混合均匀，加入水搅拌3min～5min。待混合物坍落度达到25mm～30mm后，将混合物浇筑到150mm×150mm×150mm 标准试模中，并对试模进行振动，直至其致密。用刮刀刨平表面，中间插入牢固，放入养护室28d 后取出干燥，15d 后进行高温试验[8-10]。

2 高温后抗压强度试验

2.1 试验设备

试验使用的高温炉为上海科诚工业炉设备厂生产的能量箱电阻炉（RS3-65-12型），除室温为20℃外，设定温度为200℃～800℃，每100℃设置一个温度梯度，每个温度梯度设置4 个再生混凝土试验块。将每组混凝土试块分批放入高温炉支架中，按试验方案逐一进行高温处理，观察并记录高温处理前后试件的外观变化。

2.2 升温降温机制

试验过程中炉膛温度提升至试验规定值后恒温处理约3h，可以有效提高混凝土残余强度稳定性，因而试验中升温方式为：无应力状态下以20℃/min 的速率逐步升温，温度提升至最高值后恒温处理2h，其中，温度梯度为200℃的再生混凝土试块恒温处理3h，高温处理结束后将试块置于室温20℃干燥条件下自然冷却[11]。

2.3 试验现象

试验过程中，再生混凝土试块经高温处理后逐渐变色，不同温度梯度混凝土试块最终颜色存在部分区别，其原因在于石块中水泥石分解并产生了多种颜色有差异的矿物，根据颜色变化，可以将混凝土受热温度划分为3类。

第1类温度区间为常温～300℃，在这一温度区间高温处理后混凝土试块并未发生明显的颜色变化，温度升高至100℃后出现大量蒸汽，而后逐渐消失，加热结束后混凝土外观颜色依旧以青灰色为主；第2类温度区间为400℃～600℃，在该温度梯度内处理后的混凝土试块表面颜色已出现明显变化，以灰褐色为主；第3 类温度梯度为600℃以上，经该温度梯度高温处理后的混凝土试块表面颜色呈现鹅黄色。但温度提升至600℃时混凝土表面始终未出现裂纹、裂缝，进一步提升温度至700℃时混凝土由于骨料膨胀而形成少量星形裂纹，但并未发生表面剥落问题，试验涉及温度区间内混凝土始终未发生爆裂。

其原因在于高温加热过程中，随温度升高，混凝土结构中部分水化物质逐渐脱去，首先游离水在100℃左右条件下大量溢出，这部分水分的蒸发反而对混凝土结构强度起到蒸汽养护作用，提高水泥颗粒之间连接效果[12-13]。进一步提高温度至300℃左右，水化硅酸二钙等水化物凝胶体受热破裂，导致混凝土结构强度逐渐下降。除此之外，混凝土水泥浆体中还含有一些十分坚固的结晶水或化合水，试验中所用温度难以改变其材质，因而混凝土结构性质并未发生明显变化。同时混凝土结构中含有大量骨料结构，水泥浆充斥了骨料结构中的空余空间并产生胶结作用，形成结构整体。试验加热过程中，水泥浆体收缩但骨料受热膨胀，导致骨料受到压应力而水泥浆体受到拉应力，高温处理结束后降至室温的混凝土结构依旧保持这一变形，影响结构强度。

2.4 试验结果

高温处理后，再生混凝土试块的残余抗压强度及标准差如表3所示。

表3 高温后试件抗压强度及标准差

表3 中数据包含各试件在同一再生粗骨料取代率、同一温度条件下的6个试块测试结果平均值，由其中数据可得，再生骨料取代率相同条件下，随高温处理所用温度提升，混凝土试件抗压强度逐渐下降。

再生骨料取代率不同条件下，各再生混凝土试块高温处理后的相对残余抗压强度如图1所示。

图1 高温后试件残余抗压强度

由图1可知，高温处理所用温度在300℃以下时，普通混凝土和再生混凝土相对残余抗压强度相差不多，均和常温数据相近。而当高温处理所用温度提升至300℃～600℃区间范围内，普通混凝土和再生混凝土的相对残余抗压强度都有快速而明显的下降，但再生混凝土的下降幅度明显更大。其中，RAC、NRAC 和NAC在600℃时的相对残余抗压强度分别为0.64、0.45 和0.49。可以看出在此温度范围内，不同骨料替代率的再生混凝土的相对残余抗压强度差异不大。当高温处理所用温度提升至600℃～800℃时，RAC 和NRAC 的相对残余抗压强度降幅逐渐下降，但NAC 降幅逐渐增加。温度提升至800℃时，NAC 相对残余抗压强度为0.30MPa、NRAC 为0.26MPa、RAC为0.33MPa，此时三者之间差异已较小。

究其原因在于再生粗骨料的分布难以达到绝对均匀，可能会使得混凝土结构内部出现损伤累积，部分区域在出现一定损伤后可能出现应力集中，在外界应力作用下加速混凝土损坏进程，或高温处理后再生骨料和水泥石之间粘结效果得到弱化，导致结构整体性变弱。300℃～600℃高温作用后，再生混凝土质地逐渐变松，导致混凝土抗压强度下降，下降幅度高于普通混凝土。而温度提升至800℃以上时普通混凝土和再生混凝土抗压强度均进一步下降，两者强度相差不多。300℃～600℃高温处理时，再生混凝土结构中所含水分大量蒸发，而再生骨料和水泥浆之间的结合效果对于水分的需求较高，因而导致再生混凝土强度快速下降。而粉煤灰能够在升温过程中发挥二次水化反应，为再生骨料和水泥浆之间结合提供足够水分，建议可以在再生混凝土中掺入适量粉煤灰改善高温抗压强度性能。

3 结语

（1）普通混凝土和再生混凝土经相同温度高温处理后并未出现外观上的明显差异，且20℃～800℃温度区间内再生混凝土试块均未出现爆裂。

（2）再生混凝土或普通混凝土在温度处于20℃～300℃范围内时，残余抗压强度和常温数值均未出现较大差异；提升温度至600℃以内时，无论普通混凝土还是再生混凝土，试件的相对残余抗压强度均出现快速明显下降，但其中再生混凝土具有显著更大的降幅，且再生骨料取代率并未对混凝土试件残余抗压强度产生明显影响；当高温处理所用温度提升至600℃～800℃时，再生混凝土降幅降低而普通混凝土残余抗压强度降幅增加，不同组混凝土试件残余抗压强度差异已较小。