自密实再生骨料混凝土不同龄期的力学性能*

2019-09-19姚大立谢关飞

沈阳工业大学学报 2019年5期

姚大立，余芳，谢关飞

(沈阳工业大学建筑与土木工程学院，沈阳 110870)

随着我国城市化建设的快速发展，城市建设产生大量建筑废弃物，因此带来严重的自然环境问题，建筑业作为资源消耗量较大行业之一，大力推广再生混凝土在建筑中的应用是消耗建筑废弃物的一种有效途径.再生骨料混凝土技术是将废弃混凝土经过破碎、清洗、分级后，按一定的比例混合形成再生骨料，部分或全部代替天然骨料配制新混凝土的技术，与普通混凝土相比，再生混凝土由于再生骨料自身的缺陷，使其力学性能、耐久性能和变形性能都低于普通混凝土，并且随着再生骨料替代率的提高，其再生混凝土的性能缺陷更加明显[1-2].

自密实混凝土由于具有良好的工作性能，使其在许多重大工程和标志性工程中得到广泛应用，并取得良好的技术效果[3].目前，关于自密实混凝土的材料性能和结构性能研究已取得丰富的研究成果[4-9].随着再生混凝土和自密实混凝土的广泛研究与应用，自密实再生骨料混凝土的研究必将大力推广再生混凝土在土木工程中的应用.通过文献检索发现，关于自密实再生骨料混凝土的力学性能研究和工程应用仍是一片空白，因此，研究自密实再生骨料混凝土的基本力学性能具有重要的现实意义和应用价值.

1 试验方案

1.1 试验原材料

试验用水泥为山水工源牌水泥，其中配制C30和C40混凝土采用PS32.5级矿渣硅酸盐水泥，配制C50混凝土采用PO42.5级普通硅酸盐水泥，其表观密度为3 100 kg/m3；粉煤灰采用沈西热电厂生产的I级粉煤灰，其表观密度为2 200 kg/m3；细骨料均采用含泥量小于1%的天然水洗中砂，其表观密度为2 620 kg/m3；天然粗骨料采用辽宁抚顺生产的石灰石碎石，再生粗骨料为试验室强度等级为C50的废弃混凝土试块经破碎、筛分而成，粒径范围均为5.00～20.00 mm，实测试验用天然骨料和再生骨料的表观密度分别为2 830和2 730 kg/m3；吸水率分别为0.91和5.10；压碎指标分别为8.71和14.7；减水剂采用辽宁省建筑科学研究院生产的LJ612型聚羧酸高效减水剂.

为保证RA-SCC质量，采取如下工艺来制备RA-SCC：颚式破碎机破碎；筛选(控制最大粒径)；搅拌机搅拌打磨；二次筛选(控制最小粒径).

1.2 试验配合比

为了便于试验结果分析，本文设计了相同强度等级的自密实再生骨料混凝土(RA-SCC)、天然骨料混凝土(NA-C)和自密实天然骨料混凝土(NA-SCC)，其中RA-SCC与NA-SCC采用相同配合比设计，如表1所示.

表1 混凝土配合比Tab.1 Mix proportion of concrete

1.3 试件制作与养护

本文共制作45组100 mm×100 mm×100 mm立方体试块，每组6个，分别测定其7、28、56、90 d的立方体抗压强度和劈裂抗拉强度.在立方体抗压强度试验中，加荷速度取0.8 MPa/s；在劈裂抗拉强度试验中，加荷速度取0.08 MPa/s[10].

2 试验结果及分析

2.1 立方体抗压强度

按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)[10]分别测试NA-C、NA-SCC和RA-SCC三种混凝土的7、28、56和90 d立方体抗压强度，测试结果如表2所示.由表2可以看出，随着养护时间的延长，RA-SCC混凝土的立方体抗压强度也随之增大.与NA-SCC相比较，RA-SCC的7 d立方体抗压强度分别降低了13.7%、7.6%和11.00%；28 d立方体抗压强度分别仅降低了1.7%、4.1%和0.1%.这是因为粉煤灰与水泥水化反应后的产物氢氧化钙发生二次水化反应生成凝胶体，有效地填充了再生骨料内部的裂隙和表面的孔洞，改善了RA-SCC的内部结构，使RA-SCC的抗压强度逐渐接近NA-SCC.然而，由于早期水泥水化反应不充分，限制了粉煤灰的二次水化反应速度，导致生成胶凝体数量有限，因此，RA-SCC的7 d抗压强度与NA-SCC相差较大.随着养护龄期的增长，水泥熟料不断发生水化，促使粉煤灰二次水化反应持续进行，进一步细化和改善再生骨料内外的孔隙特征，使RA-SCC和NA-SCC的56和90 d强度差异继续缩小.

表2 混凝土试验结果Tab.2 Experimental results of concrete

注：fcu为混凝土立方体抗压强度；ft为混凝土劈裂抗拉强度.

为了研究RA-SCC随不同龄期的强度发展规律，并将不同龄期时立方体抗压强度值与28 d混凝土抗压强度的比值定义为强度发展系数，结果如图1所示.从图1可以发现，抗压强度等级为C30～C50的RA-SCC的7 d强度发展系数在0.49～0.54范围内，与NA-C(0.49～0.58)和NA-SCC(0.50～0.57)基本相同，说明RA-SCC与NA-C、NA-SCC的早期强度发展速率基本一致，粉煤灰和再生骨料对RA-SCC的早期强度影响较小.随着混凝土龄期的增长，RA-SCC的强度发展比NA-C更加显著，以C30为例，RA-SCC的56和90 d强度发展系数分别为1.17和1.19，而NA-C仅为1.03和1.07.这是由于粉煤灰二次水化反应随水泥水化反应的进行而充分发展的结果.与NA-SCC相比，RA-SCC的56和90 d强度发展系数略优于NA-SCC，NA-SCC的56和90 d的强度发展系数均为1.14.这是由于再生骨料表面疏松多孔会吸收拌合水中的部分水分，造成RA-SCC的实际水胶比降低，导致抗压强度有所提高.

2.2 劈裂抗拉强度

按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)[10]测定混凝土28 d劈裂抗拉强度ft，试验结果如图2所示.由图2可以看出，随着抗压强度等级的提高，RA-SCC的劈裂抗拉强度也随之提高，这与NA-C和NA-SCC劈裂抗拉强度的变化规律是一致的.通过表2中的数据发现，与NA-SCC相比，同等抗压强度等级下RA-SCC的劈裂抗拉强度降低了17.5%～21.3%，这是由于再生骨料表面附着了较多的旧水泥浆，显著影响了水泥浆体与骨料之间的粘结作用，同时再生骨料内部存在较多裂隙，也会影响骨料之间的机械咬合作用.与NA-C相比，RA-SCC的劈裂抗拉强度降低了38.3%～56.1%，造成这种结果的原因，除了再生骨料自身性质的影响外，NA-C中粗骨料含量显著高于RA-SCC也是主要原因之一，粗骨料含量越高意味着骨料之间的机械咬合力越好，因此劈裂抗拉强度也越高.

图1 强度发展系数与龄期的关系Fig.1 Relationship between strength evolution coefficient and curing period

图2 劈裂抗拉强度比较Fig.2 Comparison of splitting tensile strength

对表2中的试验结果进行回归分析，可得出28 d劈裂抗拉强度与28 d立方体抗压强度的线性关系，即

ft，28=0.043 02fcu，28+0.760 5

(1)

该线性关系是本文试验28 d立方体抗压强度介于34～51 MPa的拟合结果，相关系数为0.996.

2.3 拉压比性能

拉压比为劈裂抗拉强度与立方体抗压强度之比，混凝土拉压比性能是混凝土脆性的主要标志，混凝土强度越高，拉压比越小，脆性越大，韧性越小，已有研究[11]表明：普通混凝土的拉压比为0.058～0.125，且强度越高，拉压比越小.本文中涉及到NA-C、NA-SCC和RA-SCC三种混凝土的拉压比值如表2所示.图3为混凝土拉压比对比.由图3可知，RA-SCC的拉压比随着抗压强度等级的提高而降低，与NA-C和NA-SCC的拉压比发展规律一致.此外，通过表2中拉压比的分析可以得出，RA-SCC的拉压比均值较NA-C的拉压比降低28.9%，较NA-SCC的拉压比降低17.8%.这说明RA-SCC的脆性特征较NA-C和NA-SCC更加明显，这意味着RA-SCC应用于高烈度地震区应采取必要的构造措施以保证结构的抗震性能.