再生粗骨料替代率对再生混凝土力学性能影响

姚宇峰,金宝宏，章海刚， 兰宏伟

(1.宁夏大学土木与水利工程学院， 宁夏银川750021;2.中国矿业大学银川学院土木工程系， 宁夏银川750021)



再生粗骨料替代率对再生混凝土力学性能影响

姚宇峰1，2,金宝宏1，章海刚1， 兰宏伟1

(1.宁夏大学土木与水利工程学院， 宁夏银川750021;2.中国矿业大学银川学院土木工程系， 宁夏银川750021)

为研究19～26.5 mm粒径范围内的再生粗骨料等质量替代同粒径范围内天然粗骨料的再生混凝土的力学性能影响，采用再生粗骨料替代率为0～100%等质量替代天然粗骨料拌制了11种C30混凝土，对不同替代率下的新拌混凝土进行了抗压和劈裂拉伸试验。结果表明：再生混凝土的抗压、劈裂拉伸破坏形态与普通混凝土基本一致。当再生粗骨料替代率分别为60%和0时，再生混凝土的抗压强度与劈裂拉伸强度分别达到最大。研究结果可为再生粗骨料应用于混凝土中提供指导和借鉴。

再生粗骨料; 再生混凝土; 抗压强度; 劈裂拉伸强度

0　引　言

再生集料混凝土(Recycled Aggregate Concerete，RAC)是指利用废弃混凝土破碎加工而成的再生集料部分或全部替代天然集料配制而成的新混凝土，简称再生混凝土。再生集料(Recycled Aggregate，RA)是指废弃混凝土经破碎加工后所得粒径在40 mm以下的集料[1]。

近年来，随着城市化进程的加快，每年都有许多旧的或邻近使用年限的建筑物被拆除，从而产生大量废弃混凝土[2]，再者，混凝土使用50年左右就成为废弃混凝土[3]。据统计，我国建筑垃圾年产量约8×107t[4]，引发了我国日益严重的资源与环境问题。而再生混凝土技术不仅可以从根本上解决废弃混凝土的处理问题，还可以减少因开采大量天然砂石造成的资源枯竭，而且还能减轻废弃混凝土对生态环境的污染，能够带来显著的社会、经济和环境效益,是一条节约资源、能源、减轻地球环境负荷及维护生态平衡的发展道路，这对我国有限的矿产与生态资源保护具有十分重要的意义。虽然国内外许多研究者对再生混凝土基本力学性能进行了大量研究[5-14]，但目前还没有发现针对一定粒径范围内不同替代率下再生粗骨料对混凝土力学性能影响的相关文献报道，更未发现何种粒径的再生粗骨料对于再生混凝土的力学性能影响较大的相关文献。为此，本工作主要研究19～26.5 mm粒径范围内不同替代率下再生粗骨料对再生混凝土的28 d抗压强度和劈裂拉伸强度的影响，并根据试验所得数据分析其影响规律，旨在为再生骨料在实际工程中的应用提供指导与借鉴。

1　试验

1.1材料与方法

1.1.1水泥及外加剂

本研究采用宁夏赛马厂生产的42.5R普通硅酸盐水泥，水泥细度为4.7%，外加剂为乌海成城交大建材有限公司生产的奈系高效能减水剂，掺量为水泥质量的2.5%～4%，减水率为20%。

1.1.2骨料

再生粗骨料(RC)为宁夏银川盈北村拆除的废弃混凝土，经机械破碎，人工筛选出19～26.5 mm的粗骨料，见图1，原始混凝土经回弹仪测试其强度为C30，压碎指标为14.3%，吸水率为4.8%；天然粗骨料(NC)采用宁夏银川镇北堡生产的人工碎石，粒径为5～31.5 mm连续级配，含泥量为0.17%，见图2；天然细骨料(NF)采用镇北堡人工水洗山砂。再生粗骨料(RC)、天然粗骨料(NF)的颗粒级配见表1。试验用水采用当地自来水。

图1　19～26.5 mm再生粗骨料Fig.1　19 ～ 26.5 mm recycled coarse aggregate

注：实际采用的天然粗骨料将会剔除粒径大于31.5 mm的粗骨料。

1.2试验混凝土配合比设计

再生混凝土应有良好的和易性才能用于民用建筑中，因而，试验设计目标为常见C30泵送混凝土。本研究共设计了11个试验组，每组中的水胶比、砂率、粗细骨料和用水量均不变，在此基础之上用再生粗骨料以替代率为0、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%的再生粗骨料等质量替代天然粗骨料，制作11组再生混凝土试件，具体每组配合比设计见表2。

以JGJ55——2011《普通混凝土配合比设计规程》[15]为参考，每立方米混凝土中水灰比、水泥用量和细骨料分别定为0.6、347.8 kg和695.7 kg；以替代率为0～100%的再生粗骨料替代天然粗骨料拌合混凝土并制作试件，当流动性达不到要求时，通过减水剂的掺量大小来改善和易性。

表2　混凝土配合比Tab.2 Concrete composition

1.3试验方法

为保证每组试件所用混凝土均有较好的和易性，故制作试件前所测每组浇筑试件的混凝土塌落度均在170 mm时方可进行浇筑，整个试验过程以GB/T50080—2002《普通混凝土拌合物性能试验方法》[16]为标准。试件尺寸均为100 mm×100 mm×100 mm，新拌再生混凝土装模在振动台上振捣成型，24 h后拆模，在标准养护室养护28 d后，以GB/T50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》[17]为基准，在试验机上进行28 d抗压强度、劈裂拉伸强度测试。

2　试验结果与分析

2.1再生粗骨料对混凝土抗压强度的影响

2.1.1破坏形态

在混凝土试件抗压试验过程中，起初侧面表层形成裂缝并不断延伸，随之荷载的继续增加，试件表面开始鼓裂、剥落，尤其以中间剥落最为严重。将其表层剥开之后，最终形成中间较细上下较粗的破坏状态，环箍效应比较明显，见图3。从破坏形态来看，再生混凝土与普通混凝土基本一样。

2.1.2抗压强度试验结果

再生混凝土28 d抗压强度试验数据如表3所示。为了保证数据的准确性，每组试验制作6个试件，当测出的6个数值中最大值或最小值与平均值之差小于20%时，取6个数值的算术平均值，否则以中间4个试件的平均值作为该组试件的抗压强度。试验结果表明，所有数据与平均值之差均小于20%[18]，说明所测得数据偏离度较小，无异常，满足要求。

在粗骨料粒径范围为19～26.5 mm内进行等质量替代时，再生混凝土的抗压强度随着替代率的增大呈现先逐渐下降后逐渐增大再降低的波浪形上升的趋势，如图5所示，当再生粗骨料掺量为60%时其抗压强度最大。相对于再生粗骨料替代率为60%时，再生粗骨料替代率为0%、10%、20%、30%、40%、50%、70%、80%、90%、100%的再生混凝土的强度分别降低17.9%、22.1%、23.1%、9.6%、10.0%、9.9%、4.7%、6.9%、8.8%、13.9%，见表3。

导致再生粗骨料掺量为60%时抗压强度最大的原因，一是再生粗骨料表面结合的水泥浆体较为密实，经破碎之后其表面粗糙与新拌混凝土有很好的咬合力；二是由于再生粗骨料吸水率大而导致水灰比下降，并且吸水储水量大，待到混凝土水化时在外界压力作用下逐渐释放，使混凝土充分水化而提高其自身强度。但当再生粗骨料含量较大时其自身形成的再生粗骨料骨架强度小于天然粗骨料，故当再生粗骨料替代率越过60%时其强度逐渐下降。

表3　抗压强度试验结果Tab.3　Compressive strength test results

2.2再生粗骨料对混凝土劈裂拉伸强度的影响

2.2.1破坏形态

加载初期，试件表面未出现裂缝，随着荷载增加，裂纹从侧表面中部出现逐渐延伸至垫条处。当荷载继续增加，试件表面裂纹宽度增大，最后试件被劈裂拉伸成两部分，其劈裂拉伸面相对比较规整，见图4。

图3受压破坏试件

Fig.3Compression failure samples

图4劈裂拉伸试件破坏面

Fig.4Failure plane of splitting tensile specimen

2.2.2劈裂拉伸强度试验结果

再生混凝土28 d劈裂拉伸强度试验数据如表4所示，数据处理办法与抗压强度相同，各组数据误差均在20%以内，数据无异常，真实可靠。

在粗骨料粒径范围为19～26.5 mm内进行等质量替代时，再生混凝土的劈裂拉伸强度随着替代率的增大呈现先逐渐下降后逐渐增大再降低的波浪形下降的趋势，见图6，当再生粗骨料掺量为0时劈裂拉伸强度最大。相对于替代率为0的混凝土，替代率为10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%的再生混凝土的强度分别降低10.2%、11.9%、11.2%、9.6%、6.9%、3.3%、1.3%、3.0%、15.2%、18.8%，见表4。

导致再生粗骨料掺量为0时劈裂拉伸强度最大的原因，首先是再生粗骨料内部缺陷及其自身的微裂纹对抗压强度影响较小，但是对劈裂拉伸影响较大；其次是由于再生粗骨料与水泥之间粘聚力较小，受拉时易开裂。虽然再生粗骨料表面粗糙与周围截面摩擦力较大，但是对于抗劈裂拉伸强度贡献不大。

图5　再生粗骨料替代率与抗压强度关系曲线图Fig.5　Relationship between recycled coarse aggregate replacement rate and compressive strength图6　再生粗骨料替代率与劈裂拉伸强度关系曲线图Fig.6　Relationship between recycled coarse aggregate replacement rate and splitting tensile strength表4　劈裂拉伸试验结果Tab.4　Splitting tensile test results

3　结　语

通过在粗骨料粒径范围为19～26.5 mm内进行不同再生粗骨料替代形成的再生混凝土28 d抗压强度与劈裂拉伸强度试验，分析不同替代率再生粗骨料对再生混凝土28 d的抗压强度与劈裂拉伸强度的力学性能的影响。试验结果表明：① 28 d抗压强度随着再生粗骨料替代率的增加呈现出先逐渐降低后逐渐增大再降低波浪形上升的趋势，到替代率60%的最大抗压强度后逐渐下降，再生混凝土28 d抗压强度在替代率为60%时达到最大。② 28 d劈裂拉伸强度随着再生粗骨料替代率的增加呈现先逐渐下降后逐渐增大再降低的波浪形下降的趋势，再生混凝土28 d劈裂拉伸强度在替代率为0时最大。研究结果可为再生粗骨料在工程中的应用提供借鉴与参考。

[1]肖建庄.再生混凝土[M]. 北京:中国建筑工业出版社，2008：4.

[2]万慧文，水中和，林宗寿，等.再生混凝土的环境评价[J]. 武汉理工大学学报，2003，25(4)：17-20.

[3]邓寿昌，张学兵，罗迎社.废弃混凝土再生利用的现状分析与研究展望[J]. 混凝土，2006，11(3)：20-24.

[4]陆凯安.我国建筑垃圾的现状与综合利用[J]. 建筑工业信息，2005，6(2)：18-21.

[5]黄靖.不同粗骨料种类再生混凝土的基本性能试验研究[D]. 南宁:广西大学,2012.

[6]邱树恒，王军，冯庆革，等.建筑垃圾再生粗细骨料对混凝土强度的影响[J]. 广西大学学报(自然科学版)，2011，36(3)：518-524.

[7]周静海，何海进，孟宪宏，等.再生混凝土基本力学性能试验[J]. 沈阳建筑大学学报(自然科学版)，2010,26(3)：465-467.

[8]RIDZUAN A R M, DIAH A B M, HAMIR R, et al. The influence of recycled aggregate concrete on the early compressive strength and drying shrinkage of concrete[C]// Proceedings of the International Conference on Structural Engineering,Mechanics and Computation. Cape Town, South Africa:Department of Civil Engineering Press，2001:1415-1421.

[9]李佳彬，肖建庄，孙振平.再生粗骨料特性及其对再生混凝土性能的影响[J]. 建筑材料学报,2004,7(4)：391-395.

[10]MANDAL S，GUPTA A. Strength and durability of recycled aggregate concrete[C]//IABSE Symposium Report.Melbourne，Australia: International Association for Bridge and Structural Engineering, 2002:345-356.

[11]AHMAD S H. Properies of concrete made with North Carolina recycled coarse and fine aggregates[R]. North Carolina: Department of Civil Engineering,North Carolina State University. 2004.

[12]Sagoe-Crentsil K K，Brown T.Taylor.S H.Performance of concrete made with commercially produced coarse recycled concrete aggregate[J]. Cement and Concrete Research，2001，31:707-712.

[13]李秋义.混凝土再生骨料[M]. 北京:中国建筑工业出版社,2011.

[14]王长青.再生混凝土结构性能研究最新进展[J]. 建筑结构,2014,44(22)：60-65.

[15]中华人民共和国行业标准.普通混凝土配合比设计规程(JGJ55-2011)[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2011.

[16]中华人民共和国行业标准.普通混凝拌合物性能试验方法(GB/T50080-2002)[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2003.

[17]中华人民共和国行业标准.普通混凝土力学性能试验方法标准(GB/T50081-2002)[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2003.

[18]郑德明,钱红萍.土木工程材料[M]. 北京:机械工业出版社,2009.

(责任编辑唐汉民裴润梅)

Influence of replacement rate of recycled coarse aggretrate on mechanical properties of recycled concrete

YAO Yu-feng1,2, JIN Bao-hong1， ZHANG Hai-gang1， LAN Hong-wei1

(1.School of Civil and Hydraulic Engineering，Ningxia University，Yinchuan 750021，China；2.Department of Civil Engineering，China University of Mining and Technology Yinchuan College，Yinchuan 750021，China)

To study the influence of replacement rate of recycle coarse aggregate with the size of 19～26.5 mm on the mechanical properties of recycle concrete when the natural coarse aggregate was replaced by the recycle coarse aggregate with the same quality, 11 kinds of C30 recycled coarse aggregate concrete specimens, the replacement rate of which ranged from 0 to 100%, were subjected to compression and splitting tensile tests. Results showed that the failure modes of the recycle concrete and concrete made of natural coarse aggregate are almost the same. In particular, when the replacement rates of recycle coarse aggregate were 60% and 0, the compressive strength and splitting tensile strength reached the maximum respectively, which could provide guidance and reference for the application of recycled coarse aggregate.

recycled coarse aggregate; recycled concrete; compressive strength; splitting tensile strength

2016-01-14；

2016-05-23

国家自然科学基金资助项目(11162015)；宁夏回族自治区大学生创新试验项目(20150152)

金宝宏(1968—)，男，北京人，宁夏大学教授； E-mail:jinbaohong@163.com。

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1187

TU528.59

A

1001-7445(2016)04-1187-07

引文格式：姚宇峰，金宝宏，章海刚,等.再生粗骨料替代率对再生混凝土力学性能影响[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(4)：1187-1193.