吳波 陳昭南 王輝

配筋及不配筋再生塊體/骨料混凝土的徐變行為

吳波 陳昭南 王輝

（華南理工大學(xué) 亞熱帶建筑科學(xué)國家重點實驗室，廣東 廣州 510640）

為揭示再生塊體/骨料混凝土的徐變性能，以再生塊體取代率、再生粗骨料取代率、沖洪積土再生砂取代率、荷載比和配筋率為參數(shù)，開展了37個再生塊體/骨料混凝土試件的受壓徐變試驗。研究表明：無論配筋與否，再生塊體/骨料混凝土的徐變度相比再生骨料混凝土都有所增加，其中不配筋情況下增幅為10.1%，配筋情況下當(dāng)配筋率為1.16%和1.57%時增幅分別為13.4%和11.5%；隨著新混凝土中再生粗骨料取代率從30%增至50%，配筋和不配筋再生塊體/骨料混凝土的徐變度都有所增大，增幅分別為7.4%和11.4%；新混凝土的細(xì)骨料由河砂全部替換為沖洪積土再生砂，對配筋和不配筋再生塊體/骨料混凝土的徐變行為幾乎沒有影響，但兩者的收縮變形均有所減?。浑S著配筋率從1.16%增大到1.57%，無論是再生骨料混凝土還是再生塊體/骨料混凝土的徐變度都隨之減小，減幅分別為5.0%和6.6%；配筋使得再生骨料混凝土和再生塊體/骨料混凝土的收縮變形都有所降低，且隨配筋率升高降幅擴大；隨著新混凝土中再生粗骨料取代率從30%增至50%，再生塊體/骨料混凝土的彈性模量變化不大；新混凝土的細(xì)骨料由河砂全部替換為沖洪積土再生砂，對再生塊體/骨料混凝土的彈性模量幾乎沒有影響；荷載比不超過0.4時，可近似認(rèn)為再生塊體/骨料混凝土的徐變度與荷載比無關(guān)。

再生塊體；再生粗骨料；沖洪積土再生砂；再生塊體/骨料混凝土；徐變行為

我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的迅猛發(fā)展產(chǎn)生大量包括舊混凝土和工程渣土在內(nèi)的工程廢棄物，由此帶來諸如環(huán)境污染、侵占土地等問題。再生塊體/骨料混凝土將大尺度再生塊體、小尺度再生粗骨料和工程渣土處理后所得再生砂同時予以循環(huán)利用，是解決上述問題的一條有效途徑。再生塊體/骨料混凝土指的是再生塊體和再生骨料混凝土的混合物，其中新混凝土的粗骨料可部分或全部采用再生粗骨料，新混凝土的細(xì)骨料可部分或全部采用工程渣土處理后所得的再生砂，由此大幅提高混凝土內(nèi)部各類廢棄物的總含量。文獻［1］從受壓性能角度初步驗證了再生塊體/骨料混凝土的可行性。

國內(nèi)外學(xué)者對再生骨料混凝土和再生塊體混凝土的徐變行為已開展了相關(guān)研究。例如，肖建莊等［2］、Lye等［3］、鄒超英等［4］和白國良等［5］的試驗表明，再生骨料混凝土的徐變通常大于常規(guī)混凝土，且隨再生骨料取代率的增加而增大。Tam等［6］研究發(fā)現(xiàn)，再生骨料混凝土的徐變也隨著水灰比增加而增大，常規(guī)混凝土也有類似的規(guī)律。文獻［7］通過試驗發(fā)現(xiàn)，再生塊體混凝土的基本徐變不僅大于再生塊體來源的舊混凝土，也大于再生塊體混凝土中的新混凝土，但當(dāng)荷載比小于0.4時，再生塊體混凝土的基本徐變近似與應(yīng)力水平成線性關(guān)系?？傮w上看，無論是再生骨料混凝土還是再生塊體混凝土，其徐變均較常規(guī)混凝土有所擴大，結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)對此予以關(guān)注。

再生塊體/骨料混凝土中各類廢棄物的總含量明顯高于再生塊體混凝土和再生骨料混凝土，前者徐變行為相較于后兩者有何差異，是再生塊體/骨料混凝土工程應(yīng)用中需特別關(guān)注的問題，但目前鮮見相關(guān)研究報道。為此，本研究開展了37個再生塊體/骨料混凝土試件（包括17個不配筋試件和20個配筋試件）的受壓徐變試驗，考察了再生塊體取代率、再生粗骨料取代率、沖洪積土再生砂取代率、荷載比和配筋率等參數(shù)對該類混凝土徐變行為的影響，以期為其實際工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1　試驗概況

1.1　試件設(shè)計

設(shè)計了5組不配筋再生塊體/骨料混凝土持荷試件，每組2個試件，用以探究再生塊體取代率（0、25%）、再生粗骨料取代率（30%、50%）、沖洪積土再生砂取代率（0、100%）和荷載比（0.3、0.4）對試件受壓徐變的影響。相應(yīng)地，設(shè)計了4個不配筋再生塊體/骨料混凝土非持荷對照試件，用以確定環(huán)境溫濕度變化對試件變形的影響。無論持荷與否，上述不配筋試件均為250×750 mm圓柱體。

從制備再生塊體的廢棄基坑梁上鉆取3個150×300 mm圓柱體，其中2個用作持荷試件，1個用作非持荷對照試件，用以考察再生塊體來源的舊混凝土的受壓徐變及其因環(huán)境溫濕度變化而產(chǎn)生的變形。不配筋試件采用“L#A#S#N#”標(biāo)記，其中“L”表示再生塊體取代率；“A”表示再生粗骨料取代率；“S”表示再生砂取代率；“N”表示試件荷載比。不配筋試件的參數(shù)見表1。

表1　不配筋試件的參數(shù)

設(shè)計了7組配筋再生塊體/骨料混凝土持荷試件，每組2個試件，用以探究再生塊體取代率（0、25%）、再生粗骨料取代率（30%、50%）、沖洪積土再生砂取代率（0、100%）、縱筋配筋率（512/1.16%、514/1.57%）和荷載比（0.3、0.4）對試件受壓徐變的影響。相應(yīng)地，設(shè)計了6個配筋再生塊體/骨料混凝土非持荷對照試件，用以確定環(huán)境溫濕度變化對試件變形的影響。無論持荷與否，上述配筋試件均為250×750 mm圓柱體。配筋試件采用“L#A#S#N#R#”標(biāo)記，其中“L”、“A”、“S”和“N”的含義與不配筋試件相同，“R”表示縱筋配筋率。配筋試件的參數(shù)見表2。

1.2　材料特性

不配筋試件和配筋試件采用同一批新混凝土澆筑，新混凝土的配合比見表3。采用P.O 42.5R水泥作為膠凝材料；天然粗骨料和再生粗骨料的壓碎指標(biāo)分別為8.9%和14.5%，兩者粒徑范圍均為5.0～26.5 mm；河砂和再生砂的細(xì)度模數(shù)分別為3.0和3.2，含泥量分別為0.62%和3.02%，吸水率分別為0.49%和0.96%。所用再生塊體均由同一根基坑梁破碎加工而得，再生塊體的特征尺寸約為80～120 mm。配筋試件的縱筋和箍筋均采用HRB400級，按照《金屬材料室溫拉伸試驗方法》［9］測得鋼筋的力學(xué)性能，見表4。

表2　配筋試件的參數(shù)

表3　新混凝土的配合比

表4　鋼筋的實測力學(xué)性能

1.3　試件制作

圖1（a）和圖1（b）分別示出了不配筋試件和配筋試件的澆筑情況。對于再生塊體取代率為0的試件，采用常規(guī)方法進行澆筑；對于再生塊體取代率為25%的試件，采用分層澆筑法［10-11］進行澆筑，具體做法為：澆筑前對再生塊體表面噴灑清水充分潤濕，隨后在模具內(nèi)部澆筑一層約20 mm厚的新混凝土，再將再生塊體和新混凝土交替投入模具內(nèi)，同時采用振搗棒進行充分振搗，直至澆筑完成。所有試件均在自然環(huán)境下養(yǎng)護。

1.4　加載及測量裝置

初始加載齡期為28 d，采用自平衡反力架（如圖2所示）進行加載。安裝試件時，采用高強石膏對試件的上、下端面進行找平處理。加載時，將同組的2個試件上下疊放于自平衡反力架中同時受荷。在力傳感器和上部試件的頂面之間放置一塊鋼墊板以使試件均勻受荷。

圖1　試件澆筑

圖2　加載及測量裝置

采用精度為10-3mm、量程為1 mm的千分表測量試件的豎向變形。每個試件上，均沿圓周等距布設(shè)了3個千分表，3個表的讀數(shù)平均值作為試件的變形值。對于250×750 mm圓柱體，千分表的測量范圍為試件高度方向的中部360 mm；對于150×300 mm圓柱體，千分表的測量范圍為試件高度方向的中部150 mm。

1.5　加載過程與環(huán)境溫濕度

正式加載前，先施加25%的預(yù)定荷載，檢查和調(diào)整試件的對中情況。在試件長期持荷過程中，混凝土的徐變發(fā)展會導(dǎo)致荷載降低，當(dāng)實測荷載與預(yù)定荷載之間的偏差超過2%時，及時進行補載。

圖3示出了試件所處的環(huán)境溫濕度變化以及非持荷舊混凝土試件L100A0S0N0的實測應(yīng)變-時間曲線。由圖可知，最高溫度和最低溫度分別為32.6 ℃和7.7 ℃，平均溫度為22.4 ℃；環(huán)境相對濕度的最大值和最小值分別為98.5%和30.0%，平均相對濕度為69.7%。實測應(yīng)變-時間曲線當(dāng)中的正值代表縮短，負(fù)值代表伸長，后同。千分表加長桿的線膨脹系數(shù)明顯大于混凝土，故圖中的實測應(yīng)變反映的是因環(huán)境溫度變化而導(dǎo)致的混凝土與加長桿之間的應(yīng)變差。

圖3　環(huán)境溫濕度變化和L100A0S0N0的實測應(yīng)變-時間曲線

2　試驗結(jié)果與分析

2.1　彈性模量

正式加載完成后，測取不配筋試件的瞬時應(yīng)變，結(jié)合所施加的荷載，可以得到試件的割線彈性模量，具體見表5。從表中可以看出：

（1）再生塊體/骨料混凝土（L25A50S100N）的彈性模量相比再生骨料混凝土（即新混凝土，L0A50S100N40）有所降低，這是因為在本試驗中新混凝土的抗壓強度大于再生塊體來源的舊混凝土（見表1）。

（2）對比試件L25A30S100N40和L25A50S100N40可知，當(dāng)再生粗骨料取代率從30%增至50%時，再生塊體/骨料混凝土的彈性模量變化不大，降幅僅為3.8%。

（3）對比試件L25A50S0N40和L25A50S100N40可知：當(dāng)沖洪積土再生砂全部取代新混凝土中的河砂時，再生塊體/骨料混凝土的彈性模量基本不變，降幅僅為 1.9%。

表5　不配筋試件的割線彈性模量

2.2　非持荷試件的變形

圖4示出了非持荷對照試件的應(yīng)變隨時間的變化曲線。需要指出的是，非持荷對照試件的應(yīng)變（主要是收縮應(yīng)變）等于試件的實測應(yīng)變減去混凝土與千分表加長桿之間因環(huán)境溫度變化而引發(fā)的應(yīng)變差（即圖3所示L100A0S0N0的實測應(yīng)變）。從圖4可以看出：

（1）第202 d時，再生骨料混凝土配筋試件L0A50S100N0R1（配筋率為1.16%）和L0A50S100-N0R2（配筋率為1.57%）的應(yīng)變分別為不配筋試件L0A50S100N0的72.8%和65.6%，再生塊體/骨料混凝土配筋試件L25A50S100N0R1和L25A50S100N0R2的應(yīng)變分別為不配筋試件L25A50S100N0的75.7%和63.6%。這表明無論是再生骨料混凝土還是再生塊體/骨料混凝土，配筋試件的變形都小于不配筋試件，且降幅隨著配筋率升高而增大，具體而言，縱筋配筋率1.16%時，二者的降幅分別達(dá)27.2%和24.3%；縱筋配筋率為1.57%時，二者的降幅分別達(dá)34.4%和36.4%。這是因為配筋率增大后，縱筋抵抗混凝土收縮變形的反作用力也隨之增大。

圖4　非持荷對照試件的應(yīng)變-時間曲線

（2）第202 d時，隨著再生粗骨料取代率從30%增至50%，配筋試件L25A30S100N0R2的應(yīng)變相比L25A50S100N0R2偏小8.1%，而不配筋試件L25A30S100N0的應(yīng)變相比L25A50S100N0偏小17.2%。這表明，縱筋對混凝土的收縮變形的抑制作用，減弱了因再生粗骨料取代率增加而引發(fā)的混凝土變形增大效應(yīng)。

（3）第202 d時，新混凝土中細(xì)骨料全部采用沖洪積土再生砂的試件L25A50S100N0R2和L25A50S-100N0的應(yīng)變相比細(xì)骨料全部采用河砂的試件L25A50S0N0R2和L25A50S0N0分別偏小12.2%和3.0%。這是因為總用水量相同時，沖洪積土再生砂的吸水率大于河砂，澆筑初期前者相比后者吸收的水分多，這些多吸收的水分在后期養(yǎng)護過程中可更好地形成內(nèi)養(yǎng)護環(huán)境，一定程度上減緩了因混凝土內(nèi)部水分逐漸喪失所引發(fā)的收縮變形。

2.3　持荷試件的變形

持荷試件的實測應(yīng)變減去加載時試件的瞬時應(yīng)變與非持荷對照試件的實測應(yīng)變就可得到持荷試件的徐變應(yīng)變。因為不同持荷試件所施加的荷載不盡相同，為便于比較，采用徐變度（單位應(yīng)力下的徐變應(yīng)變）來進行對比。徐變度的計算公式如下［12］：

2.3.1不配筋試件

不配筋試件的徐變度隨持荷時間的變化情況如圖5所示，由圖可知：

圖5　不配筋試件的徐變度隨持荷時間的變化

（1）持荷202 d時，再生塊體/骨料混凝土試件L25A50S100N40的徐變度分別比再生骨料混凝土試件L0A50S100N40和舊混凝土試件L100A0S0N40增大10.1%和53.6%。這表明，雖然再生塊體來源的舊混凝土由于齡期較長，導(dǎo)致其徐變度相比新混凝土（即再生骨料混凝土）明顯降低，但再生塊體的摻入并未對再生塊體/骨料混凝土的徐變產(chǎn)生抑制作用，反而使其徐變度相比新混凝土有所增大。這是因為再生塊體破碎過程中難免會產(chǎn)生微裂縫，長期壓力的作用下這些微裂縫的閉合導(dǎo)致再生塊體/骨料混凝土的徐變大于再生骨料混凝土。

（2）持荷202 d時，試件L25A50S100N40（再生粗骨料取代率為50%）的徐變度相比試件L25A30S100N40（再生粗骨料取代率為30%）偏高11.4%，即隨著再生粗骨料取代率的增加，再生塊體/骨料混凝土的徐變逐漸增大。這與文獻［13］中有關(guān)再生骨料混凝土的徐變研究結(jié)果類似。

（3）持荷202 d時，再生塊體/骨料混凝土試件L25A50S100N40（新混凝土中細(xì)骨料全部采用沖洪積土再生砂）的徐變度與試件L25A50S0N40（細(xì)骨料全部采用河砂）幾乎相同，這表明采用再生砂替代河砂后，再生塊體/骨料混凝土的徐變性能幾無影響。這是因為沖洪積土再生砂與河砂不僅化學(xué)成分相近（例如，二者的SiO2含量基本相當(dāng)［14］），而且再生砂的細(xì)度模數(shù)（3.2）也與河砂（3.0）較為接近。

（4）持荷202 d時，荷載比為0.4的試件L25A50S100N40的徐變度與荷載比為0.3的試件L25A50S100N30十分接近，前者僅比后者偏大4.1%。為此，當(dāng)荷載比不超過0.4時，可近似認(rèn)為再生塊體/骨料混凝土的徐變度與荷載比無關(guān)。

2.3.2配筋試件

配筋試件的徐變度隨持荷時間的變化情況如圖6所示，從圖中可以看出：

圖6　配筋試件的徐變度隨持荷時間的變化

（1）持荷202 d時，再生塊體/骨料混凝土試件L25A50S100N40R1和試件L25A50S100N40R2的徐變度相比于各自對應(yīng)的配筋再生骨料混凝土試件（即L0A50S100N40R1和L0A50S100N40R2）分別增加13.4%和11.5%，增幅總體位于15%以內(nèi)。這主要是由在再生塊體破碎的過程中再生塊體所產(chǎn)生的微裂縫所致。

（2）持荷202 d時，再生骨料混凝土試件L0A50S100N40R2（配筋率為1.57%）的徐變度相比試件L0A50S100N40R1（配筋率為1.16%）偏小5.0%，而再生塊體/骨料混凝土試件L25A50S100N-40R2（配筋率為1.57%）的徐變度相比試件L25A50S100N40R1（配筋率為1.16%）偏小6.6%。這表明無論是否配筋，再生骨料混凝土和再生塊體/骨料混凝土的徐變度都隨著配筋率的增大而減小。原因在于配筋率越大，縱筋對混凝土徐變的反向制約效應(yīng)越明顯。

（4）與前面不配筋試件類似，持荷202 d時，配筋再生塊體/骨料混凝土試件L25A50S100N40R2（新混凝土中細(xì)骨料全部采用沖洪積土再生砂）的徐變度與試件L25A50S0N40R2（細(xì)骨料全部采用河砂）幾乎相同，即采用沖洪積土再生砂替代河砂對配筋再生塊體/骨料混凝土的徐變性能幾乎沒有影響。

3　結(jié)論

（1）新混凝土中再生粗骨料取代率從30%增至50%，再生塊體/骨料混凝土的彈性模量變化不大；新混凝土的細(xì)骨料由河砂全部替換為沖洪積土再生砂，對再生塊體/骨料混凝土的彈性模量幾無影響。

（2）配筋使得再生骨料混凝土和再生塊體/骨料混凝土的收縮變形都有所降低，且隨配筋率升高降幅擴大，縱筋配筋率1.57%時二者的降幅分別達(dá)34.4%和36.4%；配筋減弱了因新混凝土中再生粗骨料取代率增加而引發(fā)的收縮變形增大效應(yīng)。

（3）當(dāng)新混凝土的細(xì)骨料由河砂全部替換為沖洪積土再生砂時，配筋和不配筋再生塊體/骨料混凝土的收縮變形均有所減小，但二者的徐變行為都幾無變化。

（4）無論是否配筋，再生塊體/骨料混凝土的徐變度相比再生骨料混凝土都有所增加，但增幅小于15%；隨著配筋率增大，配筋再生骨料混凝土和配筋再生塊體/骨料混凝土的徐變度都隨之減小。

（5）隨著新混凝土中再生粗骨料取代率增加，配筋和不配筋再生塊體/骨料混凝土的徐變度都有所增大，但配筋可在一定程度上減緩該增大效應(yīng)。

（6）荷載比不超過0.4時，可近似認(rèn)為再生塊體/骨料混凝土的徐變度與荷載比無關(guān)。

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Creep Behavior of Reinforced and Unreinforced Recycled Lump/Aggregate Concrete

WU Bo CHEN Zhaonan WANG Hui

（State Key Laboratory of Subtropical Building Science，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China）

Compressive creep tests on thirty-seven recycled lump/aggregate concrete (RLAC) specimens were carried out to reveal the creep behavior of RLAC by taking the replacement ratio of demolished concrete lumps (DCLs), replacement ratio of recycled coarse aggregates (RCAs), replacement ratio of recycled sand rooted from alluvial-proluvial (A-P) soil, stress level and reinforcement ratio as parameters. The results show that the specific creep of reinforced/unreinforced RLAC is greater than that of reinforced/unreinforced recycled aggregate concrete (RAC). The increase rate of RLAC is 10.1% when unreinforced and the increase rate is 13.4% and 11.5% when the reinforcement ratio is 1.16% and 1.57%, respectively As the replacement ratio of RCAs in new concrete increased from 30% to 50%, the specific creep of reinforced/unreinforced RLAC increased by 7.4% and 11.4% respectively; when the fine aggregate (i.e., river sand) of new concrete is completely replaced by the recycled sand from A-P soil, the creep behavior of reinforced/unreinforced RLAC shows almost no change, but both of the shrinkage deformation decreased. As the reinforcement ratio increases from 1.16% to 1.57%, the specific creep of RLAC and RAC decrease by 5.0% and 6.6%, respectively. Reinforcement reduces the shrinkage deformation of RAC and RLAC, and the reduction grows with the increase of reinforcement ratio. As the replacement ratio of RCAs in new concrete increased from 30% to 50%, the elastic modulus of RLAC have little change and it is also almost free from the impact of replacing the fine aggregate (i.e., river sand) of new concrete with the recycled sand from A-P soil; and when the stress level is less than 0.4, the specific creep of RLAC is nearly deemed as irrelevant to the stress level.

demolished concrete lump；recycled coarse aggregate；recycled sand rooted from alluvial-proluvial soil；recycled lump/aggregate concrete；creep behavior

Supported by the Key-Area Research and Development Program of Guangdong Province （2019B111107003） and the National Natural Science Foundation of China （52078219）

TU528

1000-565X（2022）07-0035-08

10.12141/j.issn.1000-565X.220046

2022-01-27

廣東省重點領(lǐng)域研發(fā)計劃項目（2019B111107003）；國家自然科學(xué)基金資助項目（52078219）

吳波（1968-），男，博士，研究員，主要從事建筑固廢再生利用與結(jié)構(gòu)抗災(zāi)研究。E-mail： bowu@scut.edu.cn