骨料侵蚀程度对再生混凝土力学性能的影响研究

贾宝玲，路 威，贾 飞

(1.杨凌职业技术学院，陕西 杨凌 712100；2.北京中水科工程总公司，北京 100048;3.中国水利水电科学研究院，北京 100048；4.西安理工大学，陕西 西安 710048)

0 引 言

随着建筑业的快速发展，建筑垃圾源源不断地增多，大量建筑垃圾带来了许多环境问题和社会问题，同时处理巨量的建筑垃圾需花费大量的人力和物力[1-5]，世界各国建筑及环保部门也越来越重视建筑垃圾的回收和再利用。再生粗骨料是通过破碎已废弃的混凝土构件来生产的，由于水泥浆附着在再生粗骨料的表面，因此再生粗骨料不同于天然粗骨料。将废弃混凝土破碎来制备再生粗骨料，最后与天然粗骨料按一定比例配制得到再生混凝土。这种混凝土解决了大量废旧混凝土处理难度大和由此带来环境污染、垃圾堆积等问题，符合人类社会可持续发展的理念[6-10]。

程东辉等[11]和刘庆涛等[12]研究发现，与普通混凝土相比，再生混凝土的基本力学性能较差，且随着再生粗骨料含量的增加而降低，但纤维的加入可以有效地改善其基本力学性能。陈宗平等[13]研究了再生粗骨料取代率、试件尺寸、水灰比、龄期、混凝土强度等参数对再生混凝土力学性能的影响。Su Y S等[14]研究发现再生混凝土在三轴应力作用下，再生粗骨料取代率对再生混凝土试件峰值应力有较大影响，但随着围压的增大，再生粗骨料取代率的影响逐渐减小。潘秀英等[15]分析了不同再生粗骨料取代率对再生混凝土三轴强度、峰值应变和应力-应变曲线的影响，发现再生混凝土的破坏模式与普通混凝土相似。王瑞骏等[16]研究了再生粗骨料粒径对再生混凝土力学性能的影响，发现影响二级配再生混凝土抗压强度及劈裂抗拉强度的主要是粒径为20～30 mm的再生粗骨料。前人的研究主要集中在再生混凝土龄期、再生粗骨料粒径、再生粗骨料取代率、含氷率、试件尺寸及水灰比等对再生混凝土力学性能的影响。在水利工程中，多数大坝建在寒冷、含硫酸盐较多的地区，混凝土面板坝废弃后，混凝土面板因为长期与水接触，容易产生冻融循环和硫酸盐破坏，如果利用废弃的混凝土面板来制备再生粗骨料，会对再生混凝土力学性能有什么影响还不得而知[17]。因此，进一步系统的研究骨料侵蚀程度对再生混凝土力学性能(包括抗压强度、峰值应变以及应力-应变曲线)的影响规律十分必要。

1 试验概况

1.1 试验材料

交替侵蚀骨料母体混凝土按照硫酸盐干湿循环试验相关步骤进行。参照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，先将试件进行15次硫酸盐干湿循环试验后立即取出，放到混凝土冻融循环机中，再按照冻融循环试验相关步骤进行20次冻融循环试验，以上为1个硫酸盐侵蚀和冻融循环交替试验(简称SD循环)。重复以上循环，完成硫酸盐侵蚀和冻融循环交替试验。交替试验过后，对母体混凝土进行破碎得到交替侵蚀后的再生粗骨料。交替侵蚀次数与母体混凝土轴向抗压强度的关系如图1所示。

图1 交替循环侵蚀次数与轴向抗压强度的关系

试验所用的天然粗骨料为经过筛分后粒径为5～20 mm和20～30 mm的天然石子按1∶1分配。母体混凝土试件的配合比、龄期等因素均一致，单一变量为交替侵蚀次数不同，试件经人工破碎，筛分后粒径为5～20 mm和20～30 mm的再生粗骨料按1∶1分配。本试验选用再生粗骨料交替侵蚀3次和6次，得到粗骨料形态如图2所示。

图2 不同粗骨料形态

由图2可知，随着骨料侵蚀程度的加深，再生粗骨料的颜色逐渐变黄。这是由于经过冻融循环和硫酸盐交替侵蚀后，粗骨料表面产生了新的物质，新的化学物质呈黄色。在外观方面，天然粗骨料和再生粗骨料有较大的区别，再生粗骨料的外形尖锐且有棱角，类似碎石，而天然粗骨料的外形光滑。再生粗骨料的表面粘附着较多的水泥砂浆，表面较为粗糙，孔隙较多，这对于提高水泥石的粘结度有利，但对于新拌再生混凝土的流动性不利，还会增加水泥的用量。

1.2 试验混凝土配合比设计

以不同骨料侵蚀程度和再生粗骨料取代率为变量，将试验分为3组，骨料侵蚀程度分为骨料未侵蚀、骨料交替侵蚀3次和骨料交替侵蚀6次，再生粗骨料取代率分别取0、25%、50%、75%、100%(其中二级配混凝土中粒径为5～20 mm和20～30 mm的粗骨料按1∶1分配)。试验采用天然骨料混凝土的配合比设计方法，参照JGJ55—2011《普通混凝土配合比设计规程》进行。具体设计配合比见表1。

1.3 试验方法

1.3.1粗骨料吸水率试验

本试验粗骨料是采用相同级配的天然和再生粗骨料混合而成，测试粗骨料中再生粗骨料取代率r分别为0、25%、50%、75%、100%的吸水率。按照JGJ52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》测试再生混凝土的粗骨料吸水率wt，即

表1 再生混凝土试件配合比

注：NC为普通混凝土；RCXX(X)中XX表示再生粗骨料取代率，W表示未侵蚀试件，Q3表示交替侵蚀3次试件，Q6表示交替侵蚀6次试件，如RC25(Q3)表示再生粗骨料取代率为25%且再生粗骨料交替侵蚀3次的试件。

(1)

式中，m0为粗骨料烘干后的质量；m1粗骨料吸水饱和后的质量。

1.3.2混凝土单轴压缩试验

按照GB/T 50081—2002 《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行混凝土单轴压缩试验，试件采用尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件，试件分为3组，每组15个试件，总计45个。混凝土试件均采用机械搅拌，标准钢模成型，振动台振捣密实，24 h后拆模，在温度为(20±2)℃、相对湿度为95%的标准养护箱内养护28 d。在计算机控制的电液伺服试验机上进行混凝土试件的单轴压缩试验。在进行试验时，将混凝土试件放置在试验机的下压板上，使试件中心对准下压板中心，开动试验机，以0.5 MPa/s的速度连续均匀加载。

2 试验结果与分析

2.1 试件破坏过程及形态

胶凝材料和粗骨料经过机械搅拌、钢模成型、振捣密实、拆模、养护得到试验组和对照组试件。再生混凝土试件受压破坏形态如图3所示。由图3可知，当荷载施加到一定程度，混凝土试件表面开始微裂，出现少量细小竖直裂缝。随着荷载的继续增大，裂缝进一步延伸扩大，裂缝延伸至试件内部，直至裂缝贯穿整个试件，试件表皮膨胀、掉落，当施加荷载到达极限荷载时，混凝土试件彻底破裂，并伴有响声。

图3 再生混凝土试件单轴受压破坏形态

2.2 粗骨料吸水率

粗骨料吸水率与再生粗骨料取代率的关系如图4所示。由图4可知，粗骨料的吸水率随着再生粗骨料取代率的增加而增加。这是由于再生粗骨料来自于交替侵蚀后的混凝土试件，其表面粗糙且粘附着水泥砂浆，未完全水化的水泥砂浆其孔隙率较大。因此，再生粗骨料取代率越大，再生粗骨料占粗骨料的比例越多，粗骨料中砂浆含量就越大，吸水率也就越高。

图4 粗骨料吸水率与再生粗骨料取代率的关系

交替侵蚀3次和6次再生粗骨料的吸水率相近，侵蚀再生粗骨料的吸水率比未侵蚀再生粗骨料的吸水率更高，且粗骨料的吸水率随着交替侵蚀次数的增加而增加。这是由于交替侵蚀后混凝土试件内部产生膨胀性产物，混凝土结构破坏，混凝土内部发生一系列化学反应，生成新的物质具有更强的吸水性。因此，侵蚀再生粗骨料内部结构更疏松，颗粒间的空隙更大，吸水率也就更高。

在再生粗骨料取代率为0～50%时，吸水率增长缓慢，吸水率大约在1%～4%，吸水率较小；在再生粗骨料取代率为50%之后，吸水率有明显的增加，吸水率大约在3%～8%，吸水率较大。因此，随着再生粗骨料取代率的增加，再生粗骨料的吸水率对再生混凝土力学性能指标的影响不可忽略。

2.3 混凝土抗压强度

通过再生混凝土单轴压缩试验，得到不同骨料侵蚀程度下再生混凝土抗压强度的试验结果见表2。

表2 不同骨料侵蚀程度下再生混凝土抗压强度

根据表2不同骨料侵蚀程度下再生混凝土抗压强度试验结果，绘制再生混凝土抗压强度与再生粗骨料取代率的关系如图5所示。由图5可知，再生粗骨料取代率对再生混凝土抗压强度有较大影响。开始减少是由于再生粗骨料在力学性能上较天然粗骨料差。随着再生粗骨料取代率的增大，再生粗骨料的吸水特性不可忽略。当再生粗骨料取代率大于50%，再生粗骨料的吸水特性变大，水灰比变小，再生混凝土的抗压强度增大。另外，由于再生粗骨料取代率在50%以上，再生粗骨料含量占主导地位，再生粗骨料含有的水泥砂浆中存在许多未完全水化的水泥颗粒对再生混凝土的影响不可忽略，这些水泥颗粒遇水在再生混凝土内部发生二次水化反应，提高了粗骨料与新旧砂浆的结合力，从而使得再生混凝土的抗压强度增大。

图5 再生混凝土抗压强度与再生粗骨料取代率的关系

当再生粗骨料取代率为0时，RC(W)、RC(Q3)、RC(Q6)3组试件都代表完全相同的普通混凝土试件，3条曲线的起点近似重合，侧面证明了数据的可靠性。另外，当再生粗骨料取代率为0时，混凝土的抗压强度达到最大值，说明普通混凝土的抗压强度大于再生混凝土的抗压强度，这是由于再生粗骨料与水泥砂浆接触界面自身有许多细小裂缝，且它们之间的粘结力较低所致。

以再生粗骨料取代率为100%为例，研究再生混凝土抗压强度与骨料侵蚀程度的关系。当再生粗骨料取代率为100%时，RC(W)、RC(Q3)、RC(Q6)3组再生混凝土试件的抗压强度分别为41.04、33.12、25.84 MPa。可知，随着骨料侵蚀程度的加深，再生混凝土的抗压强度降低。分析其原因，从本质上讲，再生混凝土是一种不等向、非均匀的多相混合材料，尤其再生粗骨料是再生混凝土混合材料的主要成分之一，由于组成材料在压碎指标、吸水率、表观密度等物理指标方面存在差异，引起骨料结合处易发生应力集中现象，从而使得结合处成为再生混凝土内部结构中最薄弱的部分。由图1可知，随着冻融循环和硫酸盐交替侵蚀次数的增加，原生混凝土的强度明显降低，导致制备生成的再生粗骨料强度降低，进而导致得到再生混凝土的抗压强度降低。试验表明，骨料侵蚀程度不同，再生混凝土的抗压强度也不同，说明骨料侵蚀程度对再生混凝土的抗压强度有较大影响。

2.4 峰值应变

通过再生混凝土单轴压缩试验，得到不同骨料侵蚀程度下再生混凝土峰值应变的试验结果见表3。由表3可知，再生混凝土峰值应变随再生粗骨料取代率的增加先减少后增加。先减少主要是再生粗骨料表面粘附的水泥基和内部裂纹导致其损伤破坏提前发生所致，后增加是由于随着再生粗骨料含量的增加，黏附在其外表面的水泥颗粒增加，即拌合物实际胶凝含量增加，进而导致再生混凝土塑性形变增大。因此，再生混凝土的峰值应变有明显的增加。以骨料交替侵蚀3次的再生混凝土为例，取代率为100%的再生混凝土和取代率为0的普通混凝土的峰值应变分别为2.41×10-3和1.94×10-3，再生混凝土的峰值应变相比普通混凝土的峰值应变增加了24.23%。这一结果与肖建庄[18]的研究结论基本一致，即当再生粗骨料的取代率为100%时，再生混凝土峰值应变增加约20%。分析原因，可能是由于与天然粗骨料相比，再生粗骨料的弹性模量较低。

表3 不同骨料侵蚀程度下再生混凝土峰值应变

以再生粗骨料取代率为100%为例，研究再生混凝土峰值应变与骨料侵蚀程度的关系。当再生粗骨料取代率为100%时，RC(W)、RC(Q3)、RC(Q6)3组再生混凝土试件的峰值应变分别为2.18×10-3、2.41×10-3、2.62×10-3。随着骨料侵蚀程度的加深，再生混凝土的峰值应变增加。分析其原因，虽然交替侵蚀后再生粗骨料的力学性能差，但其塑形变形能力好，弹性模量低，最终导致由交替侵蚀后再生粗骨料制备生成再生混凝土的峰值应变大于未侵蚀再生粗骨料制备生成再生混凝土的峰值应变。说明骨料侵蚀程度对再生混凝土的峰值应变也有较大影响。

2.5 应力-应变曲线

不同骨料侵蚀程度的再生混凝土应力-应变曲线(以再生粗骨料取代率为100%为例)如图6所示，图中每个数据均来自3个试件所测结果的平均值。

图6 不同侵蚀程度骨料再生混凝土应力-应变曲线

由图6可知，再生混凝土应力-应变曲线变化的趋势一致，曲线均由上升段和下降段组成。在加载初期，应力-应变曲线会存在一个较为明显的下凹，这是由于压缩试件内部初始闭合的微裂缝或者试件端部不平整引起的。随着骨料侵蚀程度的加深，再生混凝土应力-应变曲线上升段的斜率逐渐减小，表明再生混凝土的弹性模量降低；再生混凝土应力-应变曲线下降段的斜率基本一致，小于普通混凝土下降段的斜率，表明普通混凝土的材质比再生混凝土的材质脆。随着骨料侵蚀程度的加深，混凝土抗压强度降低，峰值应变增加，顶部区域变得越来越平缓。

3 结 论

本文以不同骨料侵蚀程度和再生粗骨料取代率为变量，研究了再生混凝土的力学性能。研究结果表明，骨料侵蚀程度对再生混凝土的吸水率、抗压强度、峰值应变等有较大影响。再生粗骨料的吸水率随再生粗骨料取代率的增加而增加，在不同骨料侵蚀程度下，再生混凝土的抗压强度均低于未侵蚀骨料的再生混凝土。随着骨料侵蚀程度加深，再生混凝土的抗压强度降低，峰值应变增加。随着骨料侵蚀程度的增加，再生混凝土应力-应变曲线上升段的斜率逐渐减小，应力-应变曲线下降段的斜率几乎相等，且小于普通混凝土。