烧结砖瓦再生骨料级配对混凝土力学性能的影响

2010-02-27谢玲君翟爱良张壮壮叶路路

水利与建筑工程学报 2010年6期

谢玲君,翟爱良,王晖,张壮壮,叶路路

(山东农业大学水利土木工程学院,山东泰安271018)

0 前言

烧结砖瓦再生骨料是将废弃的烧结砖瓦破碎、清洗、分级后,按照一定的级配和比例混合形成的,用以配制中低强度混凝土的混凝土骨料[1～3]。与天然骨料相比,再生砖瓦骨料具有空隙率较高,堆积密度、表观密度较小,含水率、吸水率均较强以及骨料筒压强度较低的特点[4,5]。本文通过试验研究,发现再生骨料的级配、水泥浆的包裹作用等对再生混凝土性能的影响很大,而骨料级配既是影响混凝土性能的关键因素之一,也是混凝土配合比设计的一个主要参数[6],为此,本文重点对废弃烧结砖瓦再生骨料级配、水泥浆的包裹作用,分别对混凝土的强度和应力～应变关系的影响规律进行研究。

1 试验设备及试验技术

1.1 试验原材料

试件制作所选用的材料均为山东省常用工程建设材料:水泥选用泰安鲁润水泥制造有限公司生产的PC32.5强度等级的普通硅酸盐水泥;混凝土拌合用水为自来水公司自来水;砂子为中粗砂,粗骨料完全由再生砖瓦骨料替代。

试验选用建筑工地临时用房拆除后的废弃砖瓦,经实验测定,强度可达到Mu10,表面整洁,经人工破碎粒径值分别为5 mm～10mm,10 mm～16 mm,16 mm～20 mm,20 mm～25 mm的骨料;用水进行冲洗,去除表面附着的尘土及杂质。为进行对比研究,按计算用量取50%骨料采用水泥浆将其包裹,进行强化处理。具体处理过程如图1所示。测试的再生骨料的基本性能如表1所示,与废弃混凝土再生骨料特点类似,其堆积密度和表观密度均小于天然骨料,吸水率、压碎指标都大于天然骨料。

图1 废弃砖瓦骨料处理流程

表1 再生骨料的基本性能

1.2 试件制作养护及试验方法

按骨料的不同级配,试验控制同一配合比,按4种连续级配和2种单粒级配共分为12组,其中拌合水泥浆和未拌合水泥浆的各6组,3个试件为一组,试件尺寸均为100 mm×100 mm×100 mm。具体如表2所示。

试验混凝土拌合物均采用机器搅拌和振捣,按照GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能试验方法》操作,24 h后拆模,在标准养护条件下养护至28 d龄期测试其抗压强度,抗压强度及应力～应变关系曲线的测试按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》操作,压力机型号分别为NYL-2000D、电液伺服岩石三轴试验机SAW-2000。

表2 再生骨料试验级配设计

2 试验结果及分析

2.1 试件破坏形态

在单向压力作用下,从试件的外在破坏形态来看,不同砖瓦再生骨料级配混凝土的破坏形态与普通混凝土的破坏形态类似。

普通低强混凝土开始受力后大约在峰值的30%时已开始出现微裂缝,微裂缝首先从水泥浆与骨料之间的界面开始并沿着界面发展,随后在水泥浆中也出现微裂缝,这些微裂缝在混凝土内部越来越多,并逐渐连通,最后导致材料的宏观破坏[7]。

而废弃砖瓦骨料再生混凝土在加载的时候,不同级配及用水泥浆包裹的与未用水泥浆包裹的破坏形式均相似,现以用水泥浆包裹的5 mm～20 mm级配的砖瓦骨料为例说明。试块放到NYL-2000D型压力机上均匀加载,加荷速度按规范规定取每秒0.5 MPa,随着荷载的不断增大,试块表面开始出现细小的裂缝,如图2(a)所示,不同的是,废弃砖瓦再生混凝土中这些微裂缝首先是从骨料内部开始,并沿着骨料向水泥浆与骨料的界面发展;荷载继续增大,裂缝沿着受力方向发展,主要集中在试块的四个角部分,少量的裂缝在试块中出现,如图2(b)所示;荷载进一步增大,裂缝开始向试块中部发展,且试块表面开始鼓起、剥落,试块四角处出现很宽的裂缝,如图2(c)所示;随着荷载的继续增加,混凝土块大量剥落,试块四角完全剥落,最终成为四角锥,如图2(d)所示。

图2 试块破坏过程

2.2 水泥浆包裹的再生骨料级配对再生混凝土强度的影响

再生混凝土的抗压强度与骨料级配有着密切的关系[8],以用水泥浆包裹的再生砖瓦骨料为例,当再生粗骨料的级配较差时,再生骨料混凝土的强度较低,28 d强度只有20 MPa;而当再生粗骨料级配较合理时,再生骨料混凝土的强度较高,28 d强度可达25MPa以上。骨料级配对再生混凝土强度的影响,见表3。

表3 水泥浆包裹的再生骨料不同级配下混凝土的抗压强度实测值(kN)

图3 用水泥浆包裹的再生骨料混凝土不同级配抗压强度对比

由表3可以看出,尽管混凝土的配合比及水泥浆作用情况相同,但由于骨料粒径、比例和级配的不同,单轴抗压强度值也有所不同,总体来看,连续级配的强度与单粒级配相差不大,而连续级配略高于单粒级配。通过图3的直观对比可以发现,相同条件下,5 mm～16 mm级配再生混凝土强度最低,而5 mm～10 mm,5 mm～20 mm,5 mm～25 mm及10 mm～20 mm,16 mm～25 mm级配的再生混凝土,不论是14 d还是28 d的单轴抗压强度均很接近,其中5 mm～20 mm级配混凝土强度最高。

而从表3表明,5 mm～10mm级配混凝土的抗压强度相对离散性最大,而随着骨料级配的混合度越高,相对的标准差越小,骨料强度越稳定,其中5 mm～25 mm级配混凝土相对最稳定,说明级配混合度越高,骨料之间的密实度越好,从而混凝土强度也越高,性能越稳定。

2.3 水泥浆拌合作用对再生混凝土强度的影响

再生砖瓦骨料包裹与未包裹水泥浆对再生混凝土抗压强度值的影响较大,各级配抗压强度实测值见表4。

表4 拌浆与未拌浆再生骨料混凝土的抗压强度实测值(kN)

图4 水泥浆包裹情况对混凝土的抗压强度的影响

从表4、图4可以发现,相同配合比、相同级配组合的再生混凝土,其强度差也很明显,主要是因为水泥浆的包裹作用,使骨料本身的强度有很大程度的提高;另外,由于在废弃砖瓦骨料表面包裹了一层水泥浆,使其在混凝土拌合时与水泥、砂、水等有更好的粘合效果,从而增加接触面的粘结力,进而提高了混凝土试件的强度。

由图4的直观对比可以看出,相同配合比的再生混凝土,对骨料进行水泥浆处理对于再生混凝土强度的影响很明显,不论是连续级配还是单粒级配均有不同程度的提高;其中5 mm～10 mm及16 mm～25 mm级配时,水泥浆拌合的作用对再生混凝土强度的提高相对最明显;5 mm～16 mm与5 mm～20 mm级配时,水泥浆拌合作用影响相对最小,但对再生混凝土的强度也有一定程度的提高;而5 mm～20mm级配时,水泥浆拌合与不拌合的再生混凝土强度均为所有级配中最高的,且离散性小,稳定性较高,比较适合选用。

2.4 应力～应变关系曲线

图5、图6为实压的废弃砖瓦骨料再生混凝土的应力～应变曲线,其形状与普通混凝土加载的应力～应变曲线形状相似。加荷初期,荷载和位移大致成线性关系,曲线的斜率基本保持不变;当荷载加至试件的最大承载力的40%～50%左右时,试件开始出现微裂缝;随着荷载的增加,骨料本身及骨料与水泥砂浆的粘结面上的裂缝也逐渐增多,同时,曲线的斜率不断变小,曲线也逐渐的趋于缓和,直到荷载达到试件所能承受的最大承载力时,斜率降为零,达到极限荷载;然后随着试件变形的继续增大,荷载开始下降,裂缝继续扩展,直至在试件内连通,导致整体破坏。

图5 未用水泥浆包裹再生骨料混凝土的应力～应变曲线

图6 水泥浆包裹骨料再生混凝土应力～应变曲线

从图中可以看出,不同级配的混凝土试件在相同配合比的情况下,其曲线形状也基本相同,均由上升段和下降段组成。同时可以发现,不拌浆再生混凝土的曲线相对离散,最高强度的级配也较明显;而拌浆再生骨料混凝土的曲线相对集中,强度值也很接近,说明拌浆后再生砖瓦骨料的性能较稳定。

图5表明,未用水泥浆包裹的再生骨料混凝土在上升段比较集中且曲线平滑,从接近最大承载力开始,不同级配之间的曲线出现明显差异,此时试块已出现较大裂缝,而再生砖瓦骨料混凝土的破坏形式主要是骨料先破碎然后导致骨料与水泥浆的粘结面开裂,这说明未用水泥浆包裹时,不同骨料粒径及级配对混凝土强度的影响很大。

由图6可以发现,用水泥浆包裹后的再生骨料混凝土无论是上升段还是在接近最大承载力的时候,其曲线形状总体上均较接近,说明水泥浆对骨料的包裹在一定程度上增强了骨料的强度和与水泥浆的粘结力,从而使其性能更接近,但是不同级配之间仍存在差异。而通过曲线形状的对比,可以筛选出该配合比下强度最高的废弃砖瓦再生骨料级配。

图7 水泥浆包裹情况对混凝土应力～应变曲线的影响

通过图7(a)～(f)各图中的峰值比较可以看出,用水泥浆包裹的再生砖瓦骨料比未用水泥浆包裹的再生骨料所配制的混凝土单轴抗压强度提高很多,且其下降段斜率变化更快,表明其脆性变大。

通过相同配合比下同一级配的混凝土再生骨料应力～应变曲线的对比,可以明显看出,弹性加载阶段,拌浆骨料的混凝土与不拌浆骨料的混凝土曲线形状相似,均接近于直线,具有一定的斜率,而拌浆混凝土的弹性阶段要比不拌浆混凝土的更长,应力值增长更高;在裂缝的稳定扩展阶段,两条曲线均趋于平缓,斜率也逐渐降低,直至达到试件的最大承载力,用水泥浆包裹的再生骨料混凝土的峰值比未用水泥浆包裹的再生骨料混凝土均有明显提高,其中图7(e)(f)提高最大,水泥浆的包裹作用最明显,且随着大粒径骨料的增大而加强;在下降阶段,水泥浆包裹骨料的再生混凝土比未用水泥浆包裹骨料的再生混凝土下降更快,这与砖瓦骨料本身的强度与用水泥包裹骨料后的强度及破坏形式有关,说明拌浆后的骨料脆性增强。