再生卵石骨料混凝土力学性能试验研究

陈宗平， 周春恒， 陈宇良， 黄 靖， 薛建阳

（1.广西大学 土木建筑工程学院，广西 南宁 530004；2.广西大学 工程防灾与结构安全教育部重点实验室，广西 南宁 530004）

再生混凝土是指将废弃混凝土经破碎、清洗、分级及按比例相互混合后作为部分或全部骨料所配制的混凝土，它能实现废旧混凝土的循环利用，促进建筑业的可持续发展，节能环保，具有很好的应用前景.近年来，国内外学者对再生混凝土的各种力学性能进行了大量研究，并取得了许多重要成果.文献［1－5］对各种规格再生粗骨料、不同孔隙率和不同取代率的再生混凝土进行了受力性能研究，结果表明，再生骨料的取代率、最大粒径、骨料级配、骨料含水率、水胶比等对再生混凝土的抗压性能有影响：随着再生骨料取代率的增加，其强度略有降低；随着水胶比的增大，其强度降低，而提高骨料含水率则能提高其强度；骨料粒径大、级配好的再生混凝土强度高.肖建庄等［5］、寇世聪等［6］、朋改非等［7］也分别采用不同强度等级、不同服役年限的原生混凝土作为再生粗骨料，并对这些再生混凝土的力学性能进行了研究，结果表明，再生骨料的取代率、水胶比、原生混凝土的强度及服役年限对再生混凝土的抗压强度均有影响：随着再生骨料取代率的增加，其强度略有降低；水胶比越大，其强度越低；原生混凝土的强度越低，则其峰值应力越低，并且不同强度等级废旧混凝土混合后得到的再生粗骨料，将显著降低再生混凝土的抗压强度；不同来源再生混凝土抗压强度的均值较单一来源再生混凝土小，而方差和变异系数较大.由于废旧混凝土来源广泛，存在着强度等级、服役龄期、骨料类型（卵石和碎石）等差异，导致用其配制的再生混凝土力学性能有所不同.目前国内外文献上，多数研究均是针对再生碎石粗骨料所配制的再生混凝土，而对于用再生卵石粗骨料配制的再生混凝土研究很少.中国地域辽阔，以卵石作为粗骨料的混凝土大量存在，而由于卵石与碎石在外形上差异显著，用其配制的再生混凝土力学性能会有所不同.为了完善再生混凝土基本理论，为其进一步推广应用奠定基础，本文以再生卵石骨科混凝土为研究对象，以再生卵石粗骨料取代率为变化参数，设计了99个试件开展试验研究，获取其性能指标，以期为再生卵石骨料混凝土的相关研究提供理论基础和试验依据.

1 试验概况

1.1 试验材料

以某工程检测中心完成的送检混凝土试块为骨料来源（原生混凝土龄期约为6个月）.选取强度等级为C30、卵石类粗骨料的原生混凝土，采用颚式破碎机破碎，经过筛分、清洗，得到再生卵石粗骨料；为便于研究，天然粗骨料也选用卵石，并采用相同条件筛分和清洗.选取粒径为5～20mm的连续级配骨料，如图1所示.水泥采用42.5R海螺牌普通硅酸盐水泥，细骨料为天然河砂，拌和水为城市自来水.

图1 天然卵石粗骨料及再生卵石粗骨料Fig.1 Natural pebble coarse aggregate and recycled pebble coarse aggregate

1.2 粗骨料物理性能测试

按照GBT 14685—2011《建筑用卵石、碎石》规定的试验方法，分别测试粗骨料的物理性能指标，具体见表1.由表1可见：与天然粗骨料相比，再生粗骨料的含水率、吸水率均明显增大，但表观密度和堆积密度却有所降低，这主要是再生骨料表面粘附着水泥基体以及破碎过程中存在于内部的微裂缝所致.

表1 粗骨料物理性能指标Table 1 Properties of coarse aggregate

再生粗骨料表面粘附的水泥基体质量分数wM可根据其表观密度差计算而得：

式中：ρN，ρR分别为天然、再生粗骨料的表观密度，kg／m3；ρM为水泥基体的表观密度，参照文献［8］取1 500kg／m3.经计算得到再生卵石粗骨料表面粘附的水泥基体质量分数为3.8%.

1.3 再生混凝土力学性能试验

1.3.1 试件设计

考虑了11种再生卵石粗骨料取代率（质量分数，用R表示），从0%～100%递增，中间级差10%.一共制作了99个试件，其中150mm×150mm×150mm的立方体试件、150mm×150mm×300mm和150mm×150mm×550mm的棱柱体试件各11组，每组试件3个.

以取代率R为0%（对应于普通混凝土）为基准，按C30混凝土计算配合比.各组试件的配合比中，严格保持水胶比mW／mB、水泥（C）、砂（S）、粗骨料的总量不变，并且考虑了再生卵石粗骨料的吸水率，即随着取代率的增大，相应地增加了附加用水量.再生卵石骨料混凝土配合比见表2.

表2 再生卵石骨料混凝土的配合比Table 2 Mix proportions of recycled pebble aggregate concrete

1.3.2 试验加载方法

所有试件均在标准条件下养护28d后，按照GB／T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》中相关测定方法和要求进行试验.立方体抗压强度试验和棱柱体抗压强度试验分别采用150mm×150mm×150mm的标准立方体和150mm×150mm×300mm的标准棱柱体试件，在RMT－201试验机上进行.采用位移控制的加载制度，加载速率为0.01mm／s，通过采集系统，获取试件的荷载－位移全过程曲线.对于棱柱体试件，还要同时测量其弹性模量和泊松比，泊松比通过在试件相邻的两个侧面中部沿横向和纵向各贴一片电阻应变片获取.抗折强度试验采用150mm×150mm×550mm的标准棱柱体试件，在抗折试验机上进行.

2 试验结果及分析

2.1 试件破坏形态

再生卵石骨料混凝土立方体试件的破坏过程及其形态与普通混凝土相似.在接近破坏前，首先在其侧表面出现竖向裂缝.随着应力的不断增大，这些裂缝不断延伸，形成45°角左右的“X”形斜裂缝，混凝土逐渐剥落，呈45°角左右正倒相连的棱锥体，试件破坏.棱柱体试件在加载初期无肉眼可见的裂缝，在接近峰值应力时，试件中部首先出现少量竖向微裂缝.达到峰值应力后，随着应变继续增大，微裂缝持续发展、连通，形成斜裂缝，最终裂缝贯穿试件全截面.从破坏过程与形态上看，再生卵石骨料混凝土试件与普通混凝土相似.通过对试件破坏后断面的细致观察发现，裂缝主要出现在粗骨料与水泥砂浆基体的界面以及水泥砂浆基体内部.

2.2 立方体抗压强度与棱柱体抗压强度

再生卵石骨料混凝土的立方体抗压强度fcu及棱柱体抗压强度fc取每组3个试件的平均值，见表3.由表3可见，再生卵石骨料混凝土的立方体抗压强度及棱柱体抗压强度总体上大于取代率为0%的普通混凝土.对于立方体抗压强度，再生卵石骨料混凝土只有在取代率R为10%和20%时略小于普通混凝土，其余取代率下则均大于或等于普通混凝土，两者比值的变化范围为94%～138%；对于棱柱体抗压强度，再生卵石骨料混凝土只有在取代率R为10%和90%时略小于普通混凝土，两者比值的变化范围为96%～132%.

表3 试件的立方体抗压强度与棱柱体抗压强度Table 3 Prism compressive strength and cube compressive strength of specimens

同时，由表3还可看出，随着取代率R的增大，再生卵石骨料混凝土的抗压强度指标呈波折上升的趋势.原因可能是一方面在废弃混凝土的破碎过程中，卵石骨料顺着原生纹理被破碎开，使得卵石粗骨料具有棱角且表面更粗糙，从而提高了水泥石与粗骨料间的界面黏结强度，同时再生粗骨料表面粘附的水泥基体在再生混凝土拌和过程中会迅速吸收部分水分，使其实际“水胶比”减少，从而导致其抗压强度随着取代率R的增大而增大；另一方面，再生粗骨料表面粘附的水泥基体会影响到新拌混凝土中水泥胶凝体与骨料之间的黏结性能，从而降低再生卵石骨料混凝土的抗压强度.当上述有利面大于不利面时，再生卵石骨料混凝土的抗压强度提高；反之则其抗压强度降低.

2.3 抗折强度

通过试验，获取了不同取代率下再生卵石骨料混凝土试件折断时的荷载，按下式计算其抗折强度ft：

式中：F为试件的破坏荷载；b，h，l0分别为试件的截面宽度、高度、计算跨度.本次试验中b＝150mm，h＝150mm，l0＝450mm.每组抗折强度取3个试件的平均值.各种取代率下再生卵石骨料混凝土的抗折强度见表4.由表4可见，再生卵石骨料混凝土的抗折强度总体上大于普通混凝土，只有在取代率R为10%和90%时略小于普通混凝土.与抗压强度相似，再生卵石骨料混凝土的抗折强度随取代率R的增加也呈现出增大的趋势，但并非单调上升，其变化范围为94%～123%.

表4 试件抗折强度Table 4 Flexural strength of specimens

2.4 实测应力－应变全曲线

通过实测的荷载－位移数据，可由下式得到试件受力过程中的应力－应变全过程曲线：

式中：N为轴向压力；A为试件的全截面面积；Δl为试件受力过程中的纵向压缩位移；l为试件的总长度.

图2给出了部分试件典型的应力－应变（σ－ε）全过程曲线.由图2可见，不同取代率R下再生卵石骨料混凝土的应力－应变曲线形状类似于普通混凝土，均经历了弹性阶段、弹塑性阶段、峰值点、下降段和收敛段的发展过程.将各取代率R下3组试件的应力、应变数据分别取平均值，再分别除以其峰值应力σc，峰值应变εc，然后以ε／εc作为横坐标，σ／σc作为纵坐标，得到图3.由图2，3可见，在曲线上升段，再生卵石骨料混凝土与普通混凝土基本一致，但其下降段则变得陡峭，表明再生卵石骨料混凝土的脆性比普通混凝土有所增加.

图2 试件的典型应力－应变曲线Fig.2 Typical stress－strain curves of specimens

2.5 弹性模量与泊松比

表5为各试件弹性模量E和泊松比ν的实测值.由表5可见，再生卵石骨料混凝土的弹性模量随着取代率的增加而有所降低，且均小于普通混凝土.各取代率下再生卵石骨料混凝土的泊松比为0.22～0.23，与普通混凝土接近.

图3 试件的σ／σc－ε／εc 曲线Fig.3 Complete stress－strain curves of specimens

表5 试件弹性模量与泊松比Table 5 Elastic modulus and Poisson's ratio of specimens

3 强度指标之间的换算关系

根据试验结果进行数值分析，提出了各取代率R下再生卵石骨料混凝土的棱柱体抗压强度与立方体抗压强度之间的换算公式为：

抗折强度与立方体抗压强度之间的换算公式为：

采用上述公式计算本文试件的棱柱体抗压强度f′c及抗折强度f′t，并与试验实测值fc，ft进行对比，如表6，7所示.

表6 试件的棱柱体抗压强度计算值与实测值对比Table 6 Comparison of calculated and measured prism compressive strength of specimens

表7 试件的抗折强度计算值与实测值对比Table 7 Comparison of calculated and measured flexural strength of specimens

4 结论

（1）再生卵石粗骨料与天然卵石粗骨料相比，其含水率、吸水率均明显增大，但表观密度和堆积密度却有所降低；再生卵石粗骨料表面附着的水泥基体质量分数为3.8%.

（2）再生卵石骨料混凝土的破坏过程及形态与普通混凝土相似，试件破坏时均表现为粗骨料与水泥胶凝体界面之间的黏结失效.

（3）与普通混凝土相比，再生卵石骨料混凝土的各项强度指标有略微增大之势.对于立方体抗压强度，只有在取代率为10%和20%时略小于普通混凝土；对于棱柱体抗压强度，只有在取代率为10%和90%时略小于普通混凝土；对于抗折强度，只有在取代率为10%和90%时略小于普通混凝土.再生卵石骨料混凝土强度随着取代率增加所呈现的变化趋势与以往再生碎石骨科混凝土的研究结论有所差异，这可能是由于再生卵石与碎石的表面差异所致.

（4）各取代率下再生卵石骨料混凝土的弹性模量均小于普通混凝土；再生卵石骨料混凝土的泊松比为0.22～0.23，与普通混凝土接近.

（5）再生卵石骨料混凝土的应力－应变全曲线形状与普通混凝土相似，各曲线在上升段基本重合，但下降段则变得陡峭，且离散较大，其峰值应变均大于普通混凝土.这种变化规律与以往再生碎石骨科混凝土的研究结论基本一致.

（6）提出了再生卵石骨料混凝土的棱柱体抗压强度与立方体抗压强度换算公式，以及抗折强度与立方体抗压强度之间的换算公式，其计算值与试验值均吻合较好.

［1］ OIKONOMOU N D.Recycled concrete aggregates［J］.Cement and Concrete Composites，2005，27（2）：315－318.

［2］ POON C S，SHUI Z H，LAM L，et al.Influence of moisture states of natural and recycled aggregates on the slump and compressive strength of concrete［J］.Cement and Concrete Research，2004，34（1）：31－36.

［3］ ACHTEMICHUK S，HUBBARD J.The utilization of recycled concrete aggregate to produce controlled lowstrength materials without using Portland cement［J］.Cement and Concrete Composites，2009，31（8）：564－569.

［4］ EVANGELISTA L，de BRITO J.Durability performance of concrete made with fine recycled concrete aggregates［J］.Cement and Concrete Composites，2010，32（1）：9－14.

［5］ 肖建庄，杜江涛.不同再生粗集料单轴受压应力－应变全曲线［J］.建筑材料学报，2008，11（1）：111－115.XIAO Jianzhuang，DU Jiangtao.Complete stress－strain curve of concrete with different recycled coarse aggregates under uniaxial compression［J］.Journal of Building Materials，2008，11（1）：111－115.（in Chinese）

［6］ 寇世聪，潘智生.不同强度混凝土制造的再生骨料对高性能混凝土力学性能的影响［J］.硅酸盐学报，2012，40（1）：7－11.KOU Shicong，PAN Zhisheng.Effect of quality of parent concrete on the mechanical properties of high performance recycled aggregate concrete［J］.Journal of the Chinese Ceramic Society，2012，40（1）：7－11.（in Chinese）

［7］ 朋改非，黄艳竹，张九峰.骨料缺陷对再生混凝土力学性能的影响［J］.建筑材料学报，2012，15（1）：80－84.PENG Gaifei，HUANG Yanzhu，ZHANG Jiufeng.Influence of defect in recycled aggregate on mechanical properties of recycled aggregate concrete［J］.Journal of Building Materials，2012，15（1）：80－84.（in Chinese）

［8］ 钱晓倩，詹树林，金南国.建筑材料［M］.北京：中国建筑工业出版社，2009：1－10.QIAN Xiaoqian，ZHAN Shulin，JIN Nanguo.Building meterial［M］.Beijing：China Building Industy Press，2009：1－10.（in Chinese）