碎砖骨料对混凝土力学性能影响

刘兰君，耿蒙蒙

(1.商丘工学院 土木工程学院，河南 商丘 476000；2.豫东黄泛区地下空间与岩土工程研究中心，河南 商丘 476000)

1 引言

混凝土是一种混合材料，由水泥、粗细骨料(砂、石)、水、外加剂和掺合料组成，各材料按照一定的比例组合，经过搅拌、成型、养护而成的一种人工材料，凝结硬化前具有一定的和易性，凝结硬化后具有很大强度[1～5]。混凝土已有200多年的历史，我国早在100多年前就已经开始使用混凝土。目前，混凝土仍然是建筑行业中必不可少的材料之一，被称为建筑业的“粮食”。我国是人口大国，混凝土使用量世界第一，遥遥领先于其他国家，据统计，2018年，我国混凝土工程量比全世界总和还多53%[6]，2017年我国预拌混凝土企业总数为10263个，设计产量为631265万m3/年，实际总产量为216971万m3/年[7～10]，根据规范《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55─2011中，关于配合比计算的规定，每1 m3混凝土中，天然砂、石料含量为1800 kg左右，约占混凝土总重量的76%。而我国天然砂、石主要来自于开采自然资源。每年如此大量的砂石料需求量，使得天然的山脉地区变成了平原，过度开采破坏了生态环境[11～13]。

将废弃碎砖用于混凝土中，等体积代替天然粗骨料，既利用了建筑垃圾，又节约了自然资源，符合我国目前节约资源和保护环境的基本国策，顺应了时代潮流。本试验重点研究碎砖对混凝土力学性能的影响[14～16]。碎砖掺量分别取10%、15%、20%、25%、30%、50%、70%、100%。配合比设计时考虑附加用水量。

2 试验方法

2.1 原材料及配合比

试验采用山东省诸城市杨春P·O42.5水泥，根据规范检测水泥胶砂强度、体积安定性、凝结时间，结果见表1。试验用天然骨料是山东曹县的机制砂和碎石，碎砖取自服役10年的6层教学楼，经人工破碎、筛分而成。根据相关规范[6，7]检测骨料技术性质，检测结果见表2。试验用聚羧酸系高效减水剂，减水率为25%。

表1 P·O42.5水泥技术指标

表2 骨料技术性能指标

配合比设计根据规范规定进行，碎砖掺量分别取10%、15%、20%、25%、30%、50%、70%、100%，并考虑因碎砖吸水率大引起的附加用水量，附加用水量采用公式1.1计算。减水剂掺量取水泥质量的0.8%。

maw=mb(Wb-Wg)

(1)

式(1)中：maw为附加用水量，kg;mb为碎砖掺量，kg;Wb为碎砖吸水率，%；Wg为碎石骨料吸水率，%。

2.2 试验方案

试验测试试件的3、7、14、28、42、56、70、90 d的立方体抗压强度、28 d抗折强度、28 d劈裂抗拉强度。强度测定选用万能试验机，加载速度立方体抗压强度测定时取0.5 MPa/s，抗折和劈拉强度测定时取0.05 MPa/s。试验所用的试件尺寸，立方体抗压强度为150 mm×150 mm×150 mm，抗折强度试验为150 mm×150 mm×150 mm，劈裂抗拉强度试验为100 mm×100 mm×100 mm。每组试验3个试件。

3 试验结果及分析

3.1 试验现象

立方体抗压强度试验时，NC、BC1-BC8组试块破坏现象基本相同，加载初期，试块表面没有出现裂纹，随加载进行，荷载逐渐增大，先在试件左右两边中央位置出现垂直裂纹，裂纹逐渐伸长、增多，直至两边混凝土脱离主体，最终形成正、倒相连的“八”字型椎体。详细比较NC组和BC1-BC8组破坏后的试件会发现，NC组试件混凝土脱落大多出现在碎石的粘结界面上，而没有碎石被压碎、劈裂的现象；BC1-BC8组试件混凝土脱落多出现碎砖被劈裂和碎砖粘结面被劈裂的现象。

抗折强度试验时，试件抗折破坏面都位于两个集中荷载作用线之间，随着荷载增大，突然断裂。普通混凝土试件断裂面处有极少部分碎石被压碎或者劈裂，水泥石被劈裂、碎石骨料粘结面被撕裂，断裂面不整齐。BC1-BC8组试件，随着碎砖掺量增加，断面趋于整齐，有碎砖被劈开的现象，混凝土试件断裂发生在碎砖处以及碎砖粘结面处。

劈裂抗拉强度试验时，随着荷载增大，试件突然被劈裂。普通混凝土试件劈裂破坏时，劈裂面沿碎石的粘结面，也有少部分出现水泥石被劈裂。BC1-B8组掺碎砖的再生混凝土，劈裂面逐渐趋于整齐，出现碎砖被劈裂、碎石粘结面被撕裂的现象。

试验结果见表3。

表3 NC、BC1-BC8力学性能测试结果 MPa

3.2 碎砖骨料再生混凝土立方体抗压强度演变曲线及方程

各碎砖掺量下，立方体抗压强度随龄期增长曲线见图1，由图1不难发现，掺入碎砖后，混凝土立方体抗压强度增长趋势和普通混凝土基本相似。通过数学拟合，即可发现碎砖再生混凝土强度演变规律。拟合曲线见图2。

图1 混凝土立方体抗压强度随龄期增长趋势

图2 立方体抗压强度随龄期增长拟合曲线

拟合如公式(2)，可以利用公式(2)预测碎砖再生混凝土某一龄期立方体抗压强度。

(2)

式(2)中：fcu,x为x龄期的立方体抗压强度，MPa；x为龄期，d；A、t、y0为常数，取值见表4。

表4 公式2常数取值

当碎砖掺量为0%、10%、15%、20%、25%、30%、50%、70%、100%时，可以根据公式(2)，代入相应的系数，推出各个龄期的立方体抗压强度。此公式可推导在特定碎砖掺量下，任意龄期碎砖再生混凝土立方体抗压强度，拟合度较高。但是只能在试验限定的碎砖掺量下使用，并且系数繁多。为了能推导任意碎砖掺量、任意龄期的碎砖再生混凝土立方体抗压强度值，笔者以龄期、碎砖掺量为自变量，混凝土立方体抗压强度为因变量，做进一步回归分析，得出公式(3)。公式(3)和公式(2)相比，适用于任意碎砖掺量，计算也相对简单，但是拟合度没有公式(2)高。

fcu,(x,a)=34.32+0.25x-0.19a

(3)

式(3)中：fcu,(x,a)为x龄期，碎砖掺量为a%时，混凝土立方体抗压强度，MPa；a为碎砖掺量，%；x为龄期，天。

3.3 碎砖掺量对混凝土力学性能的影响

由表3试验结果可知，随着碎砖掺量的增加，28 d抗压强度逐渐降低，当掺量为30%，和对照组相比，强度降低了15%，碎砖掺量为50%，降低32%，掺量为70%、100%时，分别降低了47%和64%。碎砖掺量为30%、50%、70%、100%时，抗折强度分别降低了18%、25%、37.5%、50%、劈裂抗拉强度分别降低了30%、37%、45%、60%。

图3～5为碎砖再生混凝土28 d相对立方体抗压强度、28 d相对抗折强度、28 d相对劈裂抗拉强度与碎砖掺量之间的拟合曲线。通过拟合分析，再生混凝土28 d相对立方体抗压强度、28 d相对抗折强度、28 d相对劈裂抗拉强度与碎砖掺量之间，可以通过式(4)～(6)计算。

图3 再生混凝土28 d相对立方体抗压强度随碎砖掺量变化的拟合曲线

图4 碎砖再生混凝土28 d相对抗折强度与碎砖掺量之间拟合曲线

图5 碎砖再生混凝土28 d相对抗折强度与碎砖的拟合曲线

(4)

(5)

(6)

3.4 机理分析

普通混凝土硬化后可以认为由水泥石(水泥砂浆硬化而成)、碎石骨料和碎石粘结面组成。水泥石强度不足、碎石骨料强度不足、界面粘结强度不足，都是混凝土破坏的原因[1]。普通混凝土的破坏过程为，裂缝最早出现在水泥石和碎石粘结界面处，并沿着水泥石、碎石粘结面发展，直至破坏。因此，普通混凝土强度的决定性因素是碎石和碎石粘结面[17～20]。

碎砖再生混凝土，硬化后可以认为由水泥石(水泥砂浆硬化而成)、碎石骨料、碎砖骨料、碎石粘结面、碎砖粘结面组成。因为碎砖的强度较天然骨料和水泥石强度低很多，碎砖再生混凝土破坏由碎砖被压碎或者粘结界面处被撕裂而引起，并且发现，碎砖掺量越多，粘结界面处破坏越严重。碎砖再生混凝土立方体抗压强度的决定性因素是碎砖和碎砖粘结面。

由于碎砖强度、碎砖粘结强度低，碎砖在混凝土中不再起骨架作用，因此再生混凝土强度降低。当掺量在30%以内时，由于碎砖含量相对较少，对再生混凝土立方体抗压强度影响较小，立方体抗压强度降低了15%。但当碎砖掺量继续增加，强度急剧降低，当掺量分别为50%、70%、100%时，强度分别降低了32%、47%、64%。碎砖掺量分别为30%、50%、70%、100%时，28 d抗折强度分别降低了18%、25%、37.5%、50%；28 d劈裂抗拉强度分别降低了30%、37%、45%、60%。

4 结论

本文通过测定碎砖的立方体抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度试验，得出以下结论：

(1)碎砖再生混凝土强度随龄期的演变规律和普通混凝土演变趋势基本相同。通过对试验结果进行回归分析，得出特定碎砖掺量下，再生混凝土强度随龄期演变公式(2)。以及任意碎砖掺量下，任意龄期碎砖再生混凝土强度计算公式(3)。公式(2)适用于指定碎砖掺量，系数多，但是拟合度高，公式(3)适用于任意碎砖掺量，公式简单，但是拟合度稍低。

(2)碎砖对混凝土28d抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度的影响趋势基本相同：碎砖掺量越大，强度越低。碎砖掺量分别为30%、50%、70%、100%时，28 d抗压强度分别降低了15%、32%、47%、64%；28 d抗折强度分别降低了18%、25%、37.5%、50%；28 d劈裂抗拉强度分别降低了30%、37%、45%、60%。

并通过回归分析，得到再生混凝土28 d相对抗压强度、28d相对抗折强度、28 d相对劈裂抗拉强度与碎砖掺量之间的关系式分别为：公式(4)、公式(5)、公式(6)。