賈寶玲，路 威，賈 飛

(1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.北京中水科工程總公司，北京 100048;3.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100048；4.西安理工大學(xué)，陜西 西安 710048)

0 引 言

隨著建筑業(yè)的快速發(fā)展，建筑垃圾源源不斷地增多，大量建筑垃圾帶來了許多環(huán)境問題和社會(huì)問題，同時(shí)處理巨量的建筑垃圾需花費(fèi)大量的人力和物力[1-5]，世界各國建筑及環(huán)保部門也越來越重視建筑垃圾的回收和再利用。再生粗骨料是通過破碎已廢棄的混凝土構(gòu)件來生產(chǎn)的，由于水泥漿附著在再生粗骨料的表面，因此再生粗骨料不同于天然粗骨料。將廢棄混凝土破碎來制備再生粗骨料，最后與天然粗骨料按一定比例配制得到再生混凝土。這種混凝土解決了大量廢舊混凝土處理難度大和由此帶來環(huán)境污染、垃圾堆積等問題，符合人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的理念[6-10]。

程?hào)|輝等[11]和劉慶濤等[12]研究發(fā)現(xiàn)，與普通混凝土相比，再生混凝土的基本力學(xué)性能較差，且隨著再生粗骨料含量的增加而降低，但纖維的加入可以有效地改善其基本力學(xué)性能。陳宗平等[13]研究了再生粗骨料取代率、試件尺寸、水灰比、齡期、混凝土強(qiáng)度等參數(shù)對(duì)再生混凝土力學(xué)性能的影響。Su Y S等[14]研究發(fā)現(xiàn)再生混凝土在三軸應(yīng)力作用下，再生粗骨料取代率對(duì)再生混凝土試件峰值應(yīng)力有較大影響，但隨著圍壓的增大，再生粗骨料取代率的影響逐漸減小。潘秀英等[15]分析了不同再生粗骨料取代率對(duì)再生混凝土三軸強(qiáng)度、峰值應(yīng)變和應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響，發(fā)現(xiàn)再生混凝土的破壞模式與普通混凝土相似。王瑞駿等[16]研究了再生粗骨料粒徑對(duì)再生混凝土力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)影響二級(jí)配再生混凝土抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度的主要是粒徑為20～30 mm的再生粗骨料。前人的研究主要集中在再生混凝土齡期、再生粗骨料粒徑、再生粗骨料取代率、含氷率、試件尺寸及水灰比等對(duì)再生混凝土力學(xué)性能的影響。在水利工程中，多數(shù)大壩建在寒冷、含硫酸鹽較多的地區(qū)，混凝土面板壩廢棄后，混凝土面板因?yàn)殚L期與水接觸，容易產(chǎn)生凍融循環(huán)和硫酸鹽破壞，如果利用廢棄的混凝土面板來制備再生粗骨料，會(huì)對(duì)再生混凝土力學(xué)性能有什么影響還不得而知[17]。因此，進(jìn)一步系統(tǒng)的研究骨料侵蝕程度對(duì)再生混凝土力學(xué)性能(包括抗壓強(qiáng)度、峰值應(yīng)變以及應(yīng)力-應(yīng)變曲線)的影響規(guī)律十分必要。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

交替侵蝕骨料母體混凝土按照硫酸鹽干濕循環(huán)試驗(yàn)相關(guān)步驟進(jìn)行。參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，先將試件進(jìn)行15次硫酸鹽干濕循環(huán)試驗(yàn)后立即取出，放到混凝土凍融循環(huán)機(jī)中，再按照凍融循環(huán)試驗(yàn)相關(guān)步驟進(jìn)行20次凍融循環(huán)試驗(yàn)，以上為1個(gè)硫酸鹽侵蝕和凍融循環(huán)交替試驗(yàn)(簡稱SD循環(huán))。重復(fù)以上循環(huán)，完成硫酸鹽侵蝕和凍融循環(huán)交替試驗(yàn)。交替試驗(yàn)過后，對(duì)母體混凝土進(jìn)行破碎得到交替侵蝕后的再生粗骨料。交替侵蝕次數(shù)與母體混凝土軸向抗壓強(qiáng)度的關(guān)系如圖1所示。

圖1 交替循環(huán)侵蝕次數(shù)與軸向抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

試驗(yàn)所用的天然粗骨料為經(jīng)過篩分后粒徑為5～20 mm和20～30 mm的天然石子按1∶1分配。母體混凝土試件的配合比、齡期等因素均一致，單一變量為交替侵蝕次數(shù)不同，試件經(jīng)人工破碎，篩分后粒徑為5～20 mm和20～30 mm的再生粗骨料按1∶1分配。本試驗(yàn)選用再生粗骨料交替侵蝕3次和6次，得到粗骨料形態(tài)如圖2所示。

圖2 不同粗骨料形態(tài)

由圖2可知，隨著骨料侵蝕程度的加深，再生粗骨料的顏色逐漸變黃。這是由于經(jīng)過凍融循環(huán)和硫酸鹽交替侵蝕后，粗骨料表面產(chǎn)生了新的物質(zhì)，新的化學(xué)物質(zhì)呈黃色。在外觀方面，天然粗骨料和再生粗骨料有較大的區(qū)別，再生粗骨料的外形尖銳且有棱角，類似碎石，而天然粗骨料的外形光滑。再生粗骨料的表面粘附著較多的水泥砂漿，表面較為粗糙，孔隙較多，這對(duì)于提高水泥石的粘結(jié)度有利，但對(duì)于新拌再生混凝土的流動(dòng)性不利，還會(huì)增加水泥的用量。

1.2 試驗(yàn)混凝土配合比設(shè)計(jì)

以不同骨料侵蝕程度和再生粗骨料取代率為變量，將試驗(yàn)分為3組，骨料侵蝕程度分為骨料未侵蝕、骨料交替侵蝕3次和骨料交替侵蝕6次，再生粗骨料取代率分別取0、25%、50%、75%、100%(其中二級(jí)配混凝土中粒徑為5～20 mm和20～30 mm的粗骨料按1∶1分配)。試驗(yàn)采用天然骨料混凝土的配合比設(shè)計(jì)方法，參照J(rèn)GJ55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》進(jìn)行。具體設(shè)計(jì)配合比見表1。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1粗骨料吸水率試驗(yàn)

本試驗(yàn)粗骨料是采用相同級(jí)配的天然和再生粗骨料混合而成，測試粗骨料中再生粗骨料取代率r分別為0、25%、50%、75%、100%的吸水率。按照J(rèn)GJ52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測試再生混凝土的粗骨料吸水率wt，即

表1 再生混凝土試件配合比

注：NC為普通混凝土；RCXX(X)中XX表示再生粗骨料取代率，W表示未侵蝕試件，Q3表示交替侵蝕3次試件，Q6表示交替侵蝕6次試件，如RC25(Q3)表示再生粗骨料取代率為25%且再生粗骨料交替侵蝕3次的試件。

(1)

式中，m0為粗骨料烘干后的質(zhì)量；m1粗骨料吸水飽和后的質(zhì)量。

1.3.2混凝土單軸壓縮試驗(yàn)

按照GB/T 50081—2002 《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行混凝土單軸壓縮試驗(yàn)，試件采用尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，試件分為3組，每組15個(gè)試件，總計(jì)45個(gè)。混凝土試件均采用機(jī)械攪拌，標(biāo)準(zhǔn)鋼模成型，振動(dòng)臺(tái)振搗密實(shí)，24 h后拆模，在溫度為(20±2)℃、相對(duì)濕度為95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d。在計(jì)算機(jī)控制的電液伺服試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行混凝土試件的單軸壓縮試驗(yàn)。在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，將混凝土試件放置在試驗(yàn)機(jī)的下壓板上，使試件中心對(duì)準(zhǔn)下壓板中心，開動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，以0.5 MPa/s的速度連續(xù)均勻加載。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試件破壞過程及形態(tài)

膠凝材料和粗骨料經(jīng)過機(jī)械攪拌、鋼模成型、振搗密實(shí)、拆模、養(yǎng)護(hù)得到試驗(yàn)組和對(duì)照組試件。再生混凝土試件受壓破壞形態(tài)如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)荷載施加到一定程度，混凝土試件表面開始微裂，出現(xiàn)少量細(xì)小豎直裂縫。隨著荷載的繼續(xù)增大，裂縫進(jìn)一步延伸擴(kuò)大，裂縫延伸至試件內(nèi)部，直至裂縫貫穿整個(gè)試件，試件表皮膨脹、掉落，當(dāng)施加荷載到達(dá)極限荷載時(shí)，混凝土試件徹底破裂，并伴有響聲。

圖3 再生混凝土試件單軸受壓破壞形態(tài)

2.2 粗骨料吸水率

粗骨料吸水率與再生粗骨料取代率的關(guān)系如圖4所示。由圖4可知，粗骨料的吸水率隨著再生粗骨料取代率的增加而增加。這是由于再生粗骨料來自于交替侵蝕后的混凝土試件，其表面粗糙且粘附著水泥砂漿，未完全水化的水泥砂漿其孔隙率較大。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，粗骨料中砂漿含量就越大，吸水率也就越高。

圖4 粗骨料吸水率與再生粗骨料取代率的關(guān)系

交替侵蝕3次和6次再生粗骨料的吸水率相近，侵蝕再生粗骨料的吸水率比未侵蝕再生粗骨料的吸水率更高，且粗骨料的吸水率隨著交替侵蝕次數(shù)的增加而增加。這是由于交替侵蝕后混凝土試件內(nèi)部產(chǎn)生膨脹性產(chǎn)物，混凝土結(jié)構(gòu)破壞，混凝土內(nèi)部發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，生成新的物質(zhì)具有更強(qiáng)的吸水性。因此，侵蝕再生粗骨料內(nèi)部結(jié)構(gòu)更疏松，顆粒間的空隙更大，吸水率也就更高。

在再生粗骨料取代率為0～50%時(shí)，吸水率增長緩慢，吸水率大約在1%～4%，吸水率較?。辉谠偕止橇先〈蕿?0%之后，吸水率有明顯的增加，吸水率大約在3%～8%，吸水率較大。因此，隨著再生粗骨料取代率的增加，再生粗骨料的吸水率對(duì)再生混凝土力學(xué)性能指標(biāo)的影響不可忽略。

2.3 混凝土抗壓強(qiáng)度

通過再生混凝土單軸壓縮試驗(yàn)，得到不同骨料侵蝕程度下再生混凝土抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 不同骨料侵蝕程度下再生混凝土抗壓強(qiáng)度

根據(jù)表2不同骨料侵蝕程度下再生混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，繪制再生混凝土抗壓強(qiáng)度與再生粗骨料取代率的關(guān)系如圖5所示。由圖5可知，再生粗骨料取代率對(duì)再生混凝土抗壓強(qiáng)度有較大影響。開始減少是由于再生粗骨料在力學(xué)性能上較天然粗骨料差。隨著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。當(dāng)再生粗骨料取代率大于50%，再生粗骨料的吸水特性變大，水灰比變小，再生混凝土的抗壓強(qiáng)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導(dǎo)地位，再生粗骨料含有的水泥砂漿中存在許多未完全水化的水泥顆粒對(duì)再生混凝土的影響不可忽略，這些水泥顆粒遇水在再生混凝土內(nèi)部發(fā)生二次水化反應(yīng)，提高了粗骨料與新舊砂漿的結(jié)合力，從而使得再生混凝土的抗壓強(qiáng)度增大。

圖5 再生混凝土抗壓強(qiáng)度與再生粗骨料取代率的關(guān)系

當(dāng)再生粗骨料取代率為0時(shí)，RC(W)、RC(Q3)、RC(Q6)3組試件都代表完全相同的普通混凝土試件，3條曲線的起點(diǎn)近似重合，側(cè)面證明了數(shù)據(jù)的可靠性。另外，當(dāng)再生粗骨料取代率為0時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值，說明普通混凝土的抗壓強(qiáng)度大于再生混凝土的抗壓強(qiáng)度，這是由于再生粗骨料與水泥砂漿接觸界面自身有許多細(xì)小裂縫，且它們之間的粘結(jié)力較低所致。

以再生粗骨料取代率為100%為例，研究再生混凝土抗壓強(qiáng)度與骨料侵蝕程度的關(guān)系。當(dāng)再生粗骨料取代率為100%時(shí)，RC(W)、RC(Q3)、RC(Q6)3組再生混凝土試件的抗壓強(qiáng)度分別為41.04、33.12、25.84 MPa?？芍?，隨著骨料侵蝕程度的加深，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度降低。分析其原因，從本質(zhì)上講，再生混凝土是一種不等向、非均勻的多相混合材料，尤其再生粗骨料是再生混凝土混合材料的主要成分之一，由于組成材料在壓碎指標(biāo)、吸水率、表觀密度等物理指標(biāo)方面存在差異，引起骨料結(jié)合處易發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而使得結(jié)合處成為再生混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)中最薄弱的部分。由圖1可知，隨著凍融循環(huán)和硫酸鹽交替侵蝕次數(shù)的增加，原生混凝土的強(qiáng)度明顯降低，導(dǎo)致制備生成的再生粗骨料強(qiáng)度降低，進(jìn)而導(dǎo)致得到再生混凝土的抗壓強(qiáng)度降低。試驗(yàn)表明，骨料侵蝕程度不同，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度也不同，說明骨料侵蝕程度對(duì)再生混凝土的抗壓強(qiáng)度有較大影響。

2.4 峰值應(yīng)變

通過再生混凝土單軸壓縮試驗(yàn)，得到不同骨料侵蝕程度下再生混凝土峰值應(yīng)變的試驗(yàn)結(jié)果見表3。由表3可知，再生混凝土峰值應(yīng)變隨再生粗骨料取代率的增加先減少后增加。先減少主要是再生粗骨料表面粘附的水泥基和內(nèi)部裂紋導(dǎo)致其損傷破壞提前發(fā)生所致，后增加是由于隨著再生粗骨料含量的增加，黏附在其外表面的水泥顆粒增加，即拌合物實(shí)際膠凝含量增加，進(jìn)而導(dǎo)致再生混凝土塑性形變增大。因此，再生混凝土的峰值應(yīng)變有明顯的增加。以骨料交替侵蝕3次的再生混凝土為例，取代率為100%的再生混凝土和取代率為0的普通混凝土的峰值應(yīng)變分別為2.41×10-3和1.94×10-3，再生混凝土的峰值應(yīng)變相比普通混凝土的峰值應(yīng)變增加了24.23%。這一結(jié)果與肖建莊[18]的研究結(jié)論基本一致，即當(dāng)再生粗骨料的取代率為100%時(shí)，再生混凝土峰值應(yīng)變增加約20%。分析原因，可能是由于與天然粗骨料相比，再生粗骨料的彈性模量較低。

表3 不同骨料侵蝕程度下再生混凝土峰值應(yīng)變

以再生粗骨料取代率為100%為例，研究再生混凝土峰值應(yīng)變與骨料侵蝕程度的關(guān)系。當(dāng)再生粗骨料取代率為100%時(shí)，RC(W)、RC(Q3)、RC(Q6)3組再生混凝土試件的峰值應(yīng)變分別為2.18×10-3、2.41×10-3、2.62×10-3。隨著骨料侵蝕程度的加深，再生混凝土的峰值應(yīng)變增加。分析其原因，雖然交替侵蝕后再生粗骨料的力學(xué)性能差，但其塑形變形能力好，彈性模量低，最終導(dǎo)致由交替侵蝕后再生粗骨料制備生成再生混凝土的峰值應(yīng)變大于未侵蝕再生粗骨料制備生成再生混凝土的峰值應(yīng)變。說明骨料侵蝕程度對(duì)再生混凝土的峰值應(yīng)變也有較大影響。

2.5 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

不同骨料侵蝕程度的再生混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線(以再生粗骨料取代率為100%為例)如圖6所示，圖中每個(gè)數(shù)據(jù)均來自3個(gè)試件所測結(jié)果的平均值。

圖6 不同侵蝕程度骨料再生混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖6可知，再生混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化的趨勢一致，曲線均由上升段和下降段組成。在加載初期，應(yīng)力-應(yīng)變曲線會(huì)存在一個(gè)較為明顯的下凹，這是由于壓縮試件內(nèi)部初始閉合的微裂縫或者試件端部不平整引起的。隨著骨料侵蝕程度的加深，再生混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段的斜率逐漸減小，表明再生混凝土的彈性模量降低；再生混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線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質(zhì)比再生混凝土的材質(zhì)脆。隨著骨料侵蝕程度的加深，混凝土抗壓強(qiáng)度降低，峰值應(yīng)變增加，頂部區(qū)域變得越來越平緩。

3 結(jié) 論

本文以不同骨料侵蝕程度和再生粗骨料取代率為變量，研究了再生混凝土的力學(xué)性能。研究結(jié)果表明，骨料侵蝕程度對(duì)再生混凝土的吸水率、抗壓強(qiáng)度、峰值應(yīng)變等有較大影響。再生粗骨料的吸水率隨再生粗骨料取代率的增加而增加，在不同骨料侵蝕程度下，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度均低于未侵蝕骨料的再生混凝土。隨著骨料侵蝕程度加深，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度降低，峰值應(yīng)變增加。隨著骨料侵蝕程度的增加，再生混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段的斜率逐漸減小，應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降段的斜率幾乎相等，且小于普通混凝土。