不同粗骨料取代率再生混凝土力学性能试验研究

王占锋，王社良，翁光远

(1.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安710055;2.陕西交通职业技术学院公路工程系，陕西西安710018)

0 引言

随着城市改造废弃混凝土引发的环境问题日益突出，直接丢弃不仅要占用大量的耕地污染环境，而且还要花费大量运费.有效回收利用废弃混凝土形成再生混凝土，对于保护环境、节约资源具有重要意义［1］.近年来国内外学者进行了相关研究，取得了很多成果.但是，以往的研究中大多采用再生粗骨料全部替代天然粗骨料，未能充分反映不同再生粗骨料取代率对再生混凝土力学性能的影响［2－3］.再生混凝土与天然骨料混凝土相比，组成成分复杂，在破碎过程中，两种混凝土的基本性能相差较大.若要将再生混凝土用到钢筋混凝土结构中，对其强度指标和弹性模量进行测试非常重要.因此，笔者对再生混凝土的基本力学性能进行研究，并将不同再生粗骨料取代率的混凝土试验结果与天然骨料混凝土进行对比分析，找出强度指标之间的变化规律，为再生混凝土的后续研究提供参考依据.

1 再生混凝土配合比设计

为研究不同再生粗骨料取代率对再生混凝土力学性能的影响，选定0%、30%、50%、70%和100%5种不同取代率进行试验，测定其立方体抗压强度、棱柱体抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度和弹性模量，试验方法按照GB/T50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行［4］.再生混凝土配合比设计［5］如表1，拌合投料顺序如图1.

表1 再生混凝土配合比Tab.1 Recycled concrete mix

图1 再生混凝土投料流程Fig.2 Transverse and longitudinal

2 再生混凝土的力学性能

2.1 再生混凝土立方体抗压强度

观察再生混凝土立方体抗压强度试件破坏的全过程，发现其破坏形态与普通混凝土相似，如图2.试验结果如图3.分析图3可知：随着再生粗骨料取代率的增加，再生混凝土立方体抗压强度逐渐提高.当再生粗骨料取代率为0%时，再生混凝土立方体抗压强度为32.70 MPa，当再生粗骨料取代率为30%、50%、70%和100%时，再生混凝土立方体抗压强度比普通混凝土分别提高了10%、6%、20%和20%，平均值为14%.

2.2 再生混凝土棱柱体抗压强度

观察再生混凝土棱柱体抗压强度试件破坏的全过程，发现其破坏形态与普通混凝土相似，见图4.试验结果如图5.分析图5可知：随着再生粗骨料取代率的增加，再生混凝土棱柱体抗压强度逐渐提高.当再生粗骨料取代率为30%、50%、70%和100%时，再生混凝土棱柱体抗压强度比普通混凝土分别提高了33%、28%、46%和45%，平均值为38%.出现这种现象的原因与再生粗骨料的性能有关，再生混凝土棱柱体抗压强度随着再生混凝土立方体抗压强度的增加而提高，这与普通混凝土的变化规律一致［6］.

2.3 再生混凝土抗拉强度

观察再生混凝土劈裂抗拉强度试件破坏的全过程，发现其破坏形态与普通混凝土相似，见图6.试验结果如图7.分析图7可知：随着再生骨料取代率的不断增加，再生混凝土劈裂抗拉强度均有所降低，但总体来说，其劈裂抗拉强度变化不大.分析原因可能是再生粗骨料的多孔结构所决定的，多孔结构改变了界面过渡区水化产物的微观结构，从而导致劈裂抗拉强度降低.在结构逐渐密实以后，再生混凝土的强度将会得到提高.

2.4 再生混凝土抗折强度

观察再生混凝土抗折强度试件破坏的全过程，发现其破坏形态与普通混凝土相似，见图8.试验结果如图9.分析图9可知：随着再生粗骨料取代率的增加，再生混凝土的抗折强度呈先降低后提高的变化趋势.随着再生粗骨料取代率的增加，其吸水率也就增加，水泥浆体中的实际水灰比增大，砂浆强度随着降低，所以再生混凝土抗折强度会降低，当再生粗骨料取代率增加到100%，再生混凝土抗折强度完全取决于再生粗骨料的强度.

2.5 再生混凝土弹性模量

再生混凝土弹性模量的测试方法和试验结果分别见图10和图11.分析图11可知，再生混凝土的弹性模量随着再生粗骨料取代率的增加而降低.产生该现象的原因有两个方面，一是再生粗骨料的孔隙率大，二是再生粗骨料中含有大量废弃水泥砂浆，为多孔物质，对弹性模量产生的负效应远大于正效应.

图8 再生混凝土抗折破坏形态图Fig.8 Failure of flexural strength of RAC

3 再生混凝土力学性能指标间换算关系

综合分析国内外对于混凝土立方体抗压强度与棱柱体抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度和之间的弹性模量换算关系［6－9］，得出它们之间的关系方程为结合本试验的数据结果，通过非线性回归得出以下关系式，如表2.经分析，发现所得到的关系式的拟合精度很高，分别为90%、93%、97%和90%，能较好地反映实测数据之间的关系，更贴近真实情况.

表2 再生混凝土力学性能指标间的换算关系Tab.2 Conversion relationship of mechanical property

4 结论

(1)再生混凝土立方体抗压强度和棱柱体抗压均随着再生粗骨料取代率的增加而逐渐提高，且棱柱体抗压强度随着立方体抗压强度的提高而提高，而弹性模量是随着再生粗骨料取代率的提高而降低.产生该现象的原因有两个方面，一是再生粗骨料的表面粗糙程度比较大，二是再生粗骨料表面包裹着水泥砂浆.

(2)随着再生粗骨料取代率的不断增加，再生混凝土劈裂抗拉强度均有一定程度的降低，但总体来说，其劈裂抗拉强度变化不大;而抗折强度是先降低后提高.再生粗骨料的多孔结构改变了界面过渡区水化产物的微观结构，是其主要影响因素也是需要我们进一步研究的问题.

(3)结合试验数据采用非线性回归方法，建立再生混凝土立方体抗压强度与棱柱体抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度以及弹性模量的换算公式，这对以后再生混凝土的试验研究和强度预测有一定的借鉴作用.

［1］张雷顺，张晓磊，闫国新.再生混凝土无腹筋梁斜截面受力性能试验研究［J］.郑州大学学报：工学版，2006，27(2)：18 －23.

［2］邢振贤，周曰农.再生混凝土基本性能研究［J］.华北水利水电学院学报，1998，6(6)：30－32.

［3］LIMBACHIY M C，LEELAWAL T，DHIRR K.Use of recyeled conerete aggregate in high-strength conerete［J］.Materials and Struetores，2000，33(233)：5 －8.

［4］中国建筑科学研究院.GB/T 50081—2002，普通混凝土力学性能试验方法标准［S］.北京：中国建筑工业出版社.2003.

［5］中国建筑科学研究院.JGJ 55—2011，普通混凝土配合比设计规程［S］.北京：中国建筑工业出版社.2011.

［6］过镇海，时旭东.钢筋混凝土原理和分析［M］.北京：清华大学出版社，2003：30 －42.

［7］中国建筑科学研究院.GB 50010—2011，混凝土结构设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社.2011.

［8］李佳彬.再生混凝土基本力学性能研究［D］.上海：同济大学建筑工程系，2004.

［9］RIRUAL A R M.The influence of recycled aggregate concrete on the early compressive strength and drying shrinkage of conctere［C］.Proceedings of the international conference on strucrural engineering，Mechanics and Computation.Cape Town，South Africa，2001，8(8)：1415 －1421.