再生混凝土基本力学性能研究

2014-12-31柳炳康王成刚

合肥工业大学学报（自然科学版） 2014年1期

胡波，柳炳康，王成刚

（合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230009）

目前，全世界每年混凝土使用量大约为20×108，砂石用量要在34×108t以上；我国每年混凝土使用量约13～14×108m3，每年有18×108m3左右的砂石集料被开采，且其需求量呈逐年增加的趋势，长期如此天然骨料资源必将趋于枯竭。另一方面，当混凝土结构达到使用年限，或是由于市政建设等原因大量旧建筑物需要被拆迁，以及地震等自然灾害的破坏作用，会产生大量的建筑垃圾。

废弃混凝土的再生利用是一个亟需解决的课题。将废弃混凝土块体经过回收、破碎、筛分后，按一定的比例与级配混合形成再生骨料，可代替天然骨料制成新的建材产品，既能解决开山采石对天然生态环境造成的破坏，又能减少城市废弃物的填埋占地和环境污染问题，可带来巨大的社会效益、经济效益和环保效益［1］。

本文主要研究再生混凝土抗压强度、劈裂强度、抗折强度等强度指标以及弹性模量、本构关系等基本力学性能。通过回归分析得到再生混凝土各强度指标间换算关系，并对再生混凝土峰值应变、弹性摸量和应力－应变曲线进行了研究，可为再生混凝土技术实际应用提供试验依据。

1 试验材料及性质

实验所采用的水泥为巢湖牌32.5矿渣硅酸盐水泥，砂为普通黄砂，表观密度为2.623g／cm3；天然骨料为连续级配碎石，再生骨料为某路面废弃混凝土破碎而成。

再生集料颗粒中，黏附的砂浆层或破碎后的砂浆颗粒会有较多明显气孔，碎石形态则同原水泥混凝土碎石，再生骨料表面形态如图1所示。废弃混凝土块经破碎后得到的再生骨料，内部存在大量的微裂缝［2－4］。普通和再生集料的级配筛分结果如图2所示，实验配制了C20、C30 2种不同强度等级的混凝土，水灰比变化在0.42～0.57之间，砂率变化在28%～35%之间，其中C20为7组，C30为11组。再生混凝土中，再生骨料的取代率为100%。试件均在标准条件下养护7d和28d，分别取出进行相关试验。棱柱体抗压强度、劈裂强度、抗折强度与立方体抗压强度的试验均按照文献［5］进行，而弹性模量和应力－应变曲线的测定则主要依据文献［6－7］。

图1 再生骨料形态

图2 骨料级配

2 试验结果及分析

各种常规力学试验中，再生混凝土试件与普通混凝土试件破坏形态相似。再生集料表面附着水泥砂浆，新老砂浆之间界面过渡区是再生混凝土薄弱部位，其破坏路径往往从界面过渡区开始，界面处裂纹延伸，裂缝逐渐扩展、贯穿，导致整个混凝土块体的破坏。再生粗骨料对混凝土的抗压强度和棱柱体抗压强度影响较大，但对其劈裂强度和抗拉强度影响较小。与普通混凝土相比，再生混凝土立方体抗压强度下降2%～20%，棱柱体抗压强度下降2%～19%；抗折强度下降4%～24%，但一般都能达到4MPa或5MPa，满足工程需要；其抗拉强度一般也都能达到2.5MPa或3.0MPa，试验中没有观察到显著的下降趋势。再生混凝土抗拉强度可取为立方体抗压强度的1／15～1／12；抗折强度可取为立方体抗压强度的1／8～1／6，这也与普通混凝土基本类似，fcu与c／w关系及各力学指标间的关系，如图3所示。

图3 fcu与c／w关系及各力学指标间的关系

2.1 水灰比对强度的影响

水灰比（c／w）是影响再生混凝土强度的最重要因素，根据鲍罗米公式：

其中，fcu、fce分别为28d混凝土抗压强度和水泥抗压强度；A、B为骨料系数。对再生混凝土强度与水灰比间关系进行回归分析，得到A＝0.504；B＝0.123，拟合结果与实测值比较如图3a所示。

2.2 龄期对再生混凝土强度的影响

图4a～图4c分别列出了再生混凝土在7～28d时的立方体抗压强度、劈裂强度和抗折强度。可以看出，再生混凝土7d立方体抗压强度约为28d时的70%。其中，C30级的再生混凝土立方体抗压强度与C20级相比，在7d至28d间强度有较大增长。C20级和C30级再生混凝土的劈裂强度7d时约为28d时的60%，同时2级再生混凝土在不同龄期时劈裂强度大小接近。C20级和C30级再生混凝土，其抗折强度在7d和28d时差别不大。图4d给出了28d时的再生混凝土抗折棱柱体抗压强度，可以看出，与立方体抗压强度相比，C20级和C30级再生混凝土的棱柱体抗压强度差别较小。

图4 不同龄期下的各力学指标值

2.3 fc、fsp、ff 与fcu 的关系

文献［8］给出了轴心抗压强度与立方体抗压强度关系：

本文通过对实验数据进行拟合得到再生混凝土棱柱体抗压强度与立方体抗压强度间的关系（如图3b所示）为：

文献［8－9］对混凝土劈裂强度fsp和抗压强度fcu给出的关系分别为（4）式、（5）式：

其中，fcu已考虑了由棱柱体换算成立方体的换算因子0.76。分别采用2种规范的表达形式，拟合可得再生混凝土劈裂强度与立方体抗压强度的关系为：

从图3c可以看出，依照文献［9］的公式表达形式得到的拟合公式，与试验值较为吻合，拟合效果较好。

文献［9］采用（8）式、文献［10］采用（9）式反映混凝土抗折强度ff和抗压强度fcu的关系：

文献［9］所建议公式中的fcu也考虑了由棱柱体换算成立方体的换算因子。本文拟合得到的关系与文献［10］中的公式相近，如图3d所示。本文得到的公式为：

2.4 弹性模量

文献［8－9］对混凝土给出的弹性模量计算分别为（11）式、（12）式：

其中，a＝2.2；b＝34.7。

弹性模量和应力－应变曲线试验结果和拟合结果如图5所示。

图5 弹性模量和应力－应变曲线试验结果和拟合结果

再生混凝土弹性模量与普通混凝土相比，下降8%～15%。如图5a所示，在较低强度等级下，按（12）式计算得到的弹性模量值严重偏低，而按照（11）式计算，则会过高估计。这表明普通混凝土的弹性模量计算公式不再适用于再生混凝土。参考文献［8］的计算公式，拟合再生混凝土弹性模量实验数据，分别得出a＝2.9，b＝24.5。再生混凝土弹性模量试验结果还表明，再生混凝土的泊松比大致在0.15～0.22之间，与普通混凝土相比，变化不大。

2.5 单轴压应力下应力－应变关系曲线

混凝土的应力－应变曲线包括上升段和下降段，是其力学性能的全面宏观反映，峰值点处的最大应力对应着棱柱体抗压强度，此时的应变为峰值应变；曲线斜率为其弹性模量，原点处的斜率又称为初始弹性模量；下降段是其峰值应力后的残余强度；曲线的形状和曲线与横轴所围的面积反映了其塑性变形能力的大小。

图5b所示为本次试验测得的再生混凝土应力－应变曲线上升段。再生混凝土应力－应变曲线与普通混凝土相似，有如下特点：

（1）σ＜0.30fc时，应力－应变曲线为直线段。

（2）0.30fc＜σ＜0.65fc时，应力－应变曲线近似按照直线变化。

（3）0.65fc＜σ＜fc时，试件表面尚无明显裂缝，应力－应变曲线的斜率逐渐减小，接近峰值应变时曲线近似为水平线。

（4）σ＞fc时，试件上裂缝出现，此裂缝短而细，平行于加载方向。此后很短的时间内，贯通的斜裂缝形成，试件依靠肢体和缝间摩擦力抵抗外荷载，同时试件上还出现了纵向或略斜的分支裂缝。

与普通混凝土相比，再生混凝土的应力－应变曲线也具有比例极限点、临界应力点、峰值点等特征点。同一水灰比、砂率，再生混凝土应力－应变曲线上升段斜率小于普通混凝土，这主要是因为再生混凝土的弹性模量低于普通混凝土。再生混凝土的峰值应变则普遍大于普通混凝土。对C20混凝土，再生混凝土与普通的峰值应变相差不大，约为0.000 1左右，而对C30混凝土则相差较大，约为0.000 2。再生混凝土峰值应变变大，主要是由再生骨料弹性模量较低所造成的。

同时还发现再生混凝土的峰值应变还随着强度的增加而增加，这一点也与普通混凝土相似。如图5c所示，采用类似普通混凝土的强度－应变峰值的关系，对再生混凝土的峰值应变与棱柱体强度间关系进行回归：

采用文献［8］附录C中建议使用的混凝土单轴受压应力－应变曲线上升段形式的方程，对试验测得曲线进行拟合：

其中，σ0、ε0分别为峰值应力及其所对应的应变。经过拟合后发现对于再生混凝土，k＝2.26。参数a有相应的物理和几何含义，即混凝土初始切线模量和峰值割线模量比值（E0／Es）。k值越大即表明当应力达到峰值时，弹性模量降低得越厉害，变形越大。相反k值越小，表明应力达到峰值时，试件变形越小。这与试验中发现的再生混凝土的峰值应变普遍高于普通混凝土是一致的。图5d分别给出了归一化后的实测和计算应力－应变曲线，可以看出，计算曲线与实测曲线吻合很好。