粗骨料取代率再生混凝土的粘结特性试验研究.pdf

第 卷 第 期 年 月 四川建筑科学研究 收稿日期： 作者简介： 赵 军（ ） ， 男， 四川南部人， 副教授， 工学博士， 研 究方向： 复杂结构的可靠性。 基金项目： 广西自然科学基金（ ） ； 广西教育厅科 研资助项目（ ） 通讯作者： 王根伟（ ） ， 男， 河南宜阳人， 工学硕士， 研究方向： 再生混凝土应用。 ： 。 ： 粗骨料取代率再生混凝土的粘结特性试验研究 赵 军 ， ， 王根伟 （ 桂林理工大学土木与建筑工程学院， 广西 桂林 ； 桂林理工大学广西岩土力学与工程重点实验室， 广西 桂林 ； 桂林理工大学高等职业技术学院， 广西 南宁 ） 摘 要： 再生混凝土的概念符合环境保护和可持续发展战略的需要， 如今对它的研究已成为一个热点。但能否真 正将再生混凝土运用到实际工程中去， 则取决于它本身的各项性能指标是否达到要求和生产工艺是否可行， 其中 粘结性能是非常重要的一项。本文采用立方体中心拉拔试验， 通过对不同粗骨料取代率 、 、 和 时 的混凝土试件进行拉拔试验来探讨钢筋与再生混凝土之间的粘结锚固性能。试验发现再生混凝土粘结强度要高 于基准混凝土， 且随着粗骨料取代率的增加， 粘结强度先增大后减小， 当取代率为 时， 粘结强度达到最大值。 试验结果表明将再生混凝土运用到实际工程中是可行的。 关键词： 再生混凝土； 粘结特性； 试验研究 中图分类号： 文献标志码： 文章编号： （ ） ， ， （ ， ， ， ； ， ， ， ； ， ， ， ） ： ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ： ； ； 研究背景 在建筑施工过程中， 混凝土不仅能消化大量的 工业废料， 而且具有强度较高、 耐久性好、 施工方便 等优点， 因而成为当今世界消费量较大、 应用最广泛 的一种建筑材料。然而在城市房屋拆迁、 道路的维 修养护以及新建项目施工的过程中往往会产生大量 的建筑废弃物， 其中占比重较大的是废弃混凝土。 据不完全统计， 日本每年产生的废弃混凝土大约为 万吨， 美国 万吨， 欧共体国家每年排放废 弃混凝土 万吨， 我国每年的废弃混凝土排放 量约为 万吨， 而且废弃混凝土的排放量还在逐 年增加 。此外， 混凝土原材料中的粗细骨料约占 混凝土总量的 ， 所以每年对天然砂石的开采量 也十分巨大， 导致天然骨料资源趋于枯竭， 对生态环 境的破坏十分严重， 且其开采的运输能耗与费用惊 人， 据统计， 俄罗斯一些地区， 砂石的运输费用是骨 料生产成本的 倍 ， 混凝土的可持续发展与骨 料危机的矛盾日益尖锐。 随着人们环保意识的日益增强和可持续发展战 略的深入， 废弃混凝土对环境造成的负面影响及循 环利用问题已成为人们关注的焦点， 人们迫切要求 对这些废弃混凝土进行有效、 合理的加以处理。因 此， 科研人员便着眼于研究新的废弃混凝土处理方 法， 将废弃混凝土块经过清洗、 破碎、 分级和按一定 比例相互配合后得到的“ 再生骨料” 作为部分或全 部骨料配置而成的混凝土， 这种混凝土便被称作再 生骨料混凝土（ ） ， 简 称再生混凝土（ ） 。再生混凝土的概念很符合 环境保护和可持续发展战略的需要， 但能否真正将 再生混凝土运用到实际工程中去， 则取决于再生混 凝土本身的各项性能指标是否达到要求和生产工艺 是否可行， 其中再生混凝土与钢筋的粘结问题是非 常重要的一项。 粘结锚固研究现状 年， 采用在钢筋内开槽贴应变片 的方法通过拔出试验成功测量了钢筋的应变， 这种 应变量测方法不会破坏钢筋和混凝土之间的粘结作 用， 用两点钢筋应力差除以接触面积得到沿钢筋长 度上粘结应力的分布， 确定出拉拔试件和梁式试件 钢筋与混凝土的粘结应力分布。 年， 用类似的试验方式， 测试 了拉拔试件、 三分点梁试件和梁内截断钢筋的粘结 应力， 试验结果表明三种情况的最大粘结应力相同， 但粘结应力分布不同。 日本学者后藤幸正 采用往拉伸构件内注入 红墨水的方法， 观察到了拉伸试件的内裂缝状态， 第 一次直观地证明了粘结内裂缝的存在， 并形象地揭 示了局部裂缝是由变形钢筋凸肋和混凝土之间的机 械咬合作用而引起的。 我国的徐有邻 通过试验探讨得出的粘结作 用由胶结、 摩阻和咬合三部分组成， 且各自在粘结受 力过程中的作用是变化的。 清华大学滕智明、 叶知满 首次采用科学的试 验方法连续量测了变形钢筋在拉拔荷载作用下滑 移、 劈裂、 破坏发展的全过程。 肖建庄 对再生混凝土和普通混凝土的粘结 强度进行了对比试验研究得出： 再生混凝土与钢筋 间的荷载 滑移全曲线的总体形状与普通混凝土相 似， 均有微滑阶段、 内裂滑阶段、 拔出阶段、 下降阶段 和残余阶段。 先前的研究者直接用再生粗骨料将天然碎石全 部替换， 或者用再生细骨料将砂子全部替换。这些 方法往往忽略了再生骨料取代率对再生混凝土基本 性能的影响， 研究结果不能反映出再生骨料不同取 代率的变化对再生混凝土性能的影响规律； 从另一 方面来讲， 用部分再生骨料取代天然骨料有可能实 现对再生骨料的最大利用率； 因此， 通过再生骨料的 不同取代率试验对再生混凝土基本性能进行研究显 得很有必要。本文为进一步研究再生混凝土的力学 性能及其在工程实践中的推广提供了理论基础。 配合比设计 本试验设计的再生混凝土强度等级为 。 ） 水泥： 本文在试验中采用普通硅酸盐水泥 ， 相对密度 ； ） 砂： 桂林河砂（ 中粗砂） ， 级配良好， 表观密度 为 ； ） 石子： 粒径为 连续级配的碎石， 表观密度为 ； ） 再生粗骨料收集桂柳高速公路破碎板， 经破 碎、 清洗后制成， 选取粒径 ； ） 掺和料选取桂林电厂级粉煤灰； ） 钢筋： 级钢筋 ； ） 水为市自来水。 本文参照 （ ） 普通混凝 土配合比设计规程 进行再生混凝土配合比设计， 即先配制出抗压强度为 的天然骨料混凝土， 将 此作为基准配合比， 然后在水灰比、 坍落度不变的情 况下， 用再生粗骨料部分或全部替代基准配合比中 的天然骨料（ 碎石） 。为了使试验结果对比更加明 显， 本文取较大的再生粗骨料取代率差值， 分别为 、 、 和 ， 相应的配合比编号分别为 、 、 和 ， 具体配合比见表 。 表 再生粗骨料取代率配合比 编号 水泥 中砂 石子 水 再生粗骨料 附加水 待定 待定 待定 试验装置和加载方法 参照 混凝土结构试验方法标 准 给出的立方体拔出试验装置如图 所示， 本试 四川建筑科学研究第 卷 验试件设计如图 所示。 图 立方体拔出试验示意 图 拔出试件示意 图 中 为百分表或位移传感器， 为试件， 为塑料套管， 为承压垫板， 为穿孔球铰， 为试验 机垫板。图 中拔出试件的尺寸为 ， 中心埋置直径为 的 月牙 纹钢筋， 保护层厚度为 。在加载端设置 硬质光滑塑料套管， 套管末端与钢筋之间空隙 用塑料纸填充封闭形成钢筋与混凝土间的无粘结 区， 以消除试验时加载端与垫板间的局部挤压影响。 为使粘结应力的增长速度均匀， 本试验采取均匀加 载， 其中 为： 式中 加载速率（ ） ； 钢筋直径（ ） 。 试验现象及结果分析 假定整根钢筋在埋置长度范围内粘结应力是均 匀分布的， 则其平均粘结强度按下式来计算： 式中 粘结极限荷载； 钢筋直径； 钢筋的有效锚固长度。 拉拔试验结果见表 。 表 再生粗骨料取代率拉拔试验结果 试件组 试件 编号 试件参数 ， 破坏 形式 拔出 拔出 拔出 拔出 拔出 拔出 劈裂 劈裂 劈裂 劈裂 劈裂 劈裂 注： 为极限粘结应力； ， 为极限粘结应力平均值。 再生粗骨料取代率为 、 、 和 的拉拔试件 曲线变化过程如图 所示， 相 应的配合比编号分别为 、 、 和 。 图 混凝土 曲线 图 混凝土 曲线 本文采用钢筋直径为 的拉拔试件， 由于 其保护层厚度较大， 所以在加载初期只有加载端有 滑移， 自由端无滑移。随着荷载继续增加， 自由端开 始产生滑移， 说明粘结应力已经发展到自由端， 但自 由端滑移比加载端滑移的增长速率要慢很多。荷载 赵 军， 等： 粗骨料取代率再生混凝土的粘结特性试验研究 图 混凝土 曲线 图 混凝土 曲线 继续增加， 到某一值后， 自由端开始产生滑移， 说明 粘结应力已经发展到自由端， 但其增加速度比加载 端的滑移增长速度慢。随后， 当荷载接近极限荷载 时， 加载端和自由端两者的滑移增长速度均较大， 此 时钢筋被缓缓拔出， 试件发生拔出破坏。当试件发 生劈裂破坏时， 径向裂缝缓慢发展至表面， 并沿纵向 延伸， 当荷载加载到一定值时， 试件突然发出轻微的 劈裂声响， 在加载端液压万能试验机显示屏上， 荷载 读数不再继续增加， 百分表读数下降速度加快。但 是破坏后试件不会被劈开， 仍保持为一整体。 从表 和图 中可以看出， 再生混凝土的粘 结强度随粗骨料取代率 的变化规律成曲线形 式。当再生粗骨料取代率为 和 时， 粘结强 度较基准混凝土分别提高了 和 。再 生混凝土浇筑静置后， 再生骨料吸收了部分自由水， 使混凝土拌和物的有效水灰比降低， 同时由于再生 骨料表面粗糙， 与新水泥砂浆之间的结合比较紧密， 因而再生混凝土的粘结强度较基准混凝土的粘结强 度有所提高。而当再生粗骨料取代率为 时， 粘结强度较取代率为 和 时有所下降。其 主要原因是由于再生骨料具有坚固性差、 压碎指标 高及含泥量高等弱点， 所以掺入再生骨料会给再生 混凝土带来不利影响。当再生粗骨料取代率较小 时， 这种影响起次要作用； 当再生粗骨料取代率为 时， 这种影响超过了有效水灰比降低带来的强 度提高， 成为主要作用， 从而发生由量变到质变的过 程。 结论与展望 通过对不同粗骨料取代率 、 、 和 的再生混凝土试件进行拉拔试验， 由于再生粗 骨料外表面附着大量的硬化水泥浆体、 凹凸不平， 因 此与新水泥砂浆之间的结合比较紧密。本文试验结 果表明， 再生粗骨料混凝土的粘结强度较基准混凝 土要高， 且随着粗骨料取代率的增加， 粘结强度先增 大后减小， 当再生粗骨料取代率为 时， 粘结强 度达到最大值。再生混凝土与钢筋之间的粘结应力 滑移曲线与普通混凝土的总体形状相似， 因此， 将 再生混凝土运用到实际工程中是可行的。为了更好 地促进再生混凝土技术的研究和应用， 本文认为应 该从以下两个方面展开进一步的研究： ） 在普通混凝土配合比设计方法的基础上， 充 分考虑再生骨料的基本性能以及混凝土拌和物的工 作性， 借助计算机辅助技术建立有关数学模型， 实现 再生混凝土的配合比设计及施工控制智能化， 制定 出一套适用于再生混凝土配合比设计的规程。 ） 收集和分析已有的研究成果， 得出再生混凝 土的基本力学性能变化规律， 制定出适合国内情况 的有关再生混凝土的设计施工规范以及相应的质量 检验标准和规程， 使再生混凝土技术的应用在我国 有法可依。 参 考 文 献： 杜 婷， 等 再生混凝土的研究现状及存在问题 建筑技 术， （ ） ： 马 嵘 论再生混凝土在生态建筑中的意义 混凝土， （ ） ： 肖建庄， 李佳彬， 兰 阳 再生混凝土技术研究最新进展与评 述 混凝土， （ ） ： ， ， （ ） ： ， ， ， （ ） ： 陈伟伟 再生混凝土粘结性能试验研究 哈尔滨： 哈尔滨 工业大学， ： 徐有邻， 沈文都 钢筋砼粘结锚固性能的试验研究 建筑结 构学报， （ ） ： 王洪昌 复合材料与钢筋粘结性能的试验研究 大连： 大 连理工大学， ： 肖建庄，兰 阳 再生粗骨料混凝土梁抗弯性能试验研究 特种结构， （ ） ： 四川建筑科学研究第 卷