影响再生骨料混凝土材料强度的因素分析.pdf

2 0 1 5年 第 6期 ( 总 第 3 0 8 期) N u mb e r 6 i n 2 0 1 5 ( T o t a l No 3 0 8 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AL AND ADMI NI CLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 5 0 6 0 2 1 影 响再生骨料混凝 土材料 强度 的因素分析 曾岚 。 李丽娟 ( 广东工业大学 土木与交通工程学院， 广东 广州 5 1 0 0 0 6 ) 摘要： 通过 6组不同因素影响下5种再生骨料替代率混凝土立方体抗压试验 ， 研究各 因素对再生骨料混凝土强度的影响 ； 影 响因素包括 ： 混凝土水灰 比、 砂率 、 外加剂 、 配制方式、 加载速率和养护时间等。 得 出再生骨料混凝土强度 的变化规律， 基于微观 机理进行了原因分析 ， 提 出了提高再生骨料混凝土强度的相关措施。 关键词： 再生混凝土 ； 混凝土强度 ； 影响因素 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 4 1 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 0 6 0 0 8 4 0 4 I n f l u e n c i n g f a c t o r s f o r s t r e n g t h o f r e c y c le d a gg r e g a t e c on c r e t e Z ENG La n， L I L ij u a n ( Ou a n g d o n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y， Ou a n g z h o u 5 1 0 0 0 6， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e a x i a l c o mp r e s s i v et e s t sw e r e c a r r i e d o u t o n r e c y c l e d a g g r e g a m c o n c r e t e ( RAC) c u b e s t o s t u d yt h ei n f l u e n c e s o f s o mef a c t o r s i n c l u di n g wa t e r c e me n t r a t i o， s a n d r a ti o， a dd i t i v e， c a s t i n g me t ho d s ， l o a di n g r a t e a nd c u r i n g t i me o n t h e s t r e n g t h o f RAC 5 g r o u ps d i f f e r e n t r a t i o s o f r e c y c l e d a gg r e g a t e r e pl a c e me n t we r e u s e d i n RAC Th e s t r e n g t h o f RAC wi t h r e s p e c t t o d i f f e r e n t i n flu e n c e p a r a me t e r s we r e p r e s e n t e d a nd a n Ny z e d b a s e d o n t h e mi c r ome c h a n i s m o f me c h an i c s S o me me a s u r e s f o r i mp r ov i n g s e n g t h o f RAC we r e p u t f o r w a r d Ke y wor ds ： r e c y c l e d a g g r e g a t e c o n c r e t e ( R AC)； c o n c r e t e s t r e n g th； i n fl u e n c i n g f a c t o r s 尽管近年来新 型材料不断研制生产 ， 并推广应用在建 筑工程上 ， 但作为传统 的建筑材料 ， 混凝 土以其 方便 的取 材 、 低廉的价格 、 可设计性的强度、 高耐火性 、 高耐久性 ， 且 与钢筋能 良好配合等特点 ， 广泛应用于结构的主要承重 构件 ， 在各类厂房 、 住宅 、 公路桥梁建筑 中一直承担着重要 作用。 然而， 随着我国大规模城市建设发展， 城镇各地积累 了大量的既有建筑 ， 由于设计施工 、 使用不 当或 老化等原 因 ， 有些建筑 已经破坏 ， 即使经过修补 ， 其承载力及使用安 全也无法达到安全使 用要 求 ， 对其拆 除重 建成为 自然 ， 这 样就必然将产生堆积如山的建筑垃圾 ， 其 中绝大多数是破 碎混凝土。目前大多采用填埋或搬移丢弃 的处理方法 ， 不但造成了运输及劳动力成本提高 ， 而且对稀缺的土地资 源造成浪费 ， 甚至产生二次污染 。 如 果对这些拆除 的 混凝土进行二次加工， 通过破碎、 筛选、 清洗等一系列工 序 ， 制成粒径级配符合要求 的粗骨料 ， 便 可以将 其重新应 用到建筑 中 。 ， 既节省成本 ， 又保护环境 ， 实现资源的循环 利用。 对再生混凝土的应用， 目前主要局限在道路、 饰面等 非受力结构构件上 ， 难 以满足建筑物结构构件应用的要 求 。 这是 由于再生混凝土的来源广杂 ， 材料性能离散性大 ， 对用再生粗骨料配制的混凝土力学性能产生较大影 响 。 混凝土的强度是各项力学性能指标 中最为重要 的， 决定了 再生混凝土能否广泛推广应用 。 有关再生混凝土性能的研 究成果近年来不断增多 ， 但很少将再生混凝 土强度与影响 因素结合机理来解释说 明， 对其强度变化的根本原 因分析 还不很全面 1 再 生 混凝 土抗 压 试 验 试验试件按照 J G J 5 5 2 O l l 普通混凝 土配合 比设 计 规程 ， 采用试验室制备 的方法进行制作 ， 并进行标准立方 体 的抗压试验。 1 1 试验材料 设计 C 3 5普通混凝 土， 其 配合 比为水 泥： 砂： 石： 水 = 3 9 9 ： 6 1 9 ： 1 1 7 7 ： 2 1 5 ， 水 为广州 市 自来水 ； 水泥为广州石井 水泥公司生产的 P O 4 2 5早强 型水泥 ， 主要性 能指标如 表 1 所示 ； 细骨料为普通河砂 ， 细度模数 为 2 9 ， 属中砂 ； 普 通粗骨料为 5 - 2 0 m i l l 碎石 ， 再生粗 骨料为深圳绿 发鹏程 环保科技有限公 司生产 的工业成 品， 是 由原建筑为普通住 宅的混凝土经破碎处理获得。 试验室测得粗骨料主要力学 性能指标如表 2所示。 混凝土采用二次浇捣 的方法配制 ， 先将 细骨料 、 水 收稿 日期 ： 2 0 1 4 -0 9 1 1 基 金项 目： 国家 自然科 学基金项 目( 1 1 4 7 2 0 8 4， 5 1 2 7 8 1 2 9 ) ； 省级大学生创新创业训练项 目( 1 1 8 4 5 1 3 0 3 7 ) ； 广东省交通运输厅项 目( 2 0 1 2 0 20 0 8 ) 8 4 表 1 水泥材料主要性能指标 泥和 1 3水 搅 拌 3 0 s ， 再 加 入 粗骨 料 和 另外 1 3水 搅 拌 3 0 s ， 最后加入粗骨料和剩余 1 3水搅拌 1 2 0 S 。 浇人模具 前， 测量坍落度。 浇入边长为 1 5 0 I I L r n的立方体模具后， 于 振动台上捣平4 0 S ， 静置 2 4 h后拆模， 放入标准养护室养 护 2 8 d 。 表 2普通粗骨料与再生粗骨料主要力学性能指标对比 1 2 试验仪 器及测量 试验采用 4 0 0 0 k N意大利 Ma T e s t 加载试验机进行加 载； 加载前对端部及浇捣引起的不平整处 均采用同混凝 土配合比的水泥浆进行找平处理， 加载时使用立方体的侧 面进行加压 。 所有 的试验数据 ， 包括荷 载、 位移等 ， 均 由试 验机 自行 采集 记 录。 当构 件 承 载 力下 降到 极 限 承载 力 2 0 以下 ， 停止加载。 每组相 同试件制作 3个 ， 测量数据取 三者平均值作为该组的试验值 ； 当各 组间测量值相差大于 1 5 时 ， 该值舍去。 图 1 立方体试件加载前后的形态 1 3试 验 现 象 加载初始 ， 立方体承载力线 性上升 ， 试 件表面无 明显 裂纹 ； 加压达到极 限荷载 8 0 时， 细微裂纹开始 出现 ， 并迅 速扩展 、 贯通 ， 尤其是边角表面甚至成片剥落 ， 其间强度曲 线增长变缓 ， 构件 承载力达到极 限荷载 后急速下 降， 且 不 能恢复上升。 对于不同再生骨料替代率的构件破坏形态大 致相 同， 再生混凝 土较普 通混凝破坏碎 片剥落更多 ， 更 明 显。 试件在压力机上加载前后 的形态 如图 1 所示 。 2 影响 因素分析 为研究再生粗骨料对混凝土力学性能的影响 ， 通 常对 普通混凝土中部分粗骨料采用等体积 ( 质量 ) 的再生粗骨 料替代。 本试验中选用再生骨料中的粗骨料等体积替代相 应 的普 通 粗 骨 料 ， 替 代 率 分 别 为 0 、 3 0 、 5 0 、 7 0 和 1 0 0 。 试验结果发现 ， 再生混凝土 的强度会随着再生粗骨 料替代率增大而降低， 但降低幅度会随再生骨料替代率的 增加而减小 2 1 水 灰 比的 影 响 以水灰比 0 5 3 9的情况为基准进行微调 ， 增 加 0 0 5和 减少 O 0 5 ， 得 出 3种水灰 比的再 生混凝土 ， 其强度如 图 2 所示。 相 比于普通骨料混凝 土 ， 水灰 比对再生混凝 土的影 响较小 ， 水灰 比减小混凝土强度提 高的幅度并 不大。 不 同 水灰比的再生混凝土， 其强度随再生骨料替代率增加而强 度降低 ， 在水灰比小的情况下 ， 这种降低的趋势更 明显。 在 再生骨料替代率为 1 0 0 的时候 ， 出现 了水灰 比( 0 4 8 9 ) 更 低的混凝土强度 比水灰 比( 0 5 3 9 ) 高的强 度更 低 的情况 。 可见即使降低水灰比， 若粗骨料的强度不够， 再生混凝土 强度增加亦不明显 ， 甚至会 降低 。 这可能是 由于浇 筑过 程 中水灰 比小的混凝土的坍落度更小_ 】 ， 施工性能有所减 弱所导致 。 图 2不 同水 灰 比对再 生混凝 土 强度 的影响 2 2 砂 率的影响 对 3 4 5 的砂率分别进行 上 、 下 调整 1 ， 得到 3组不 同的砂率 ， 图 3为这三种不同砂率 随混凝土强度的变化曲 线。 从图中可 以看到整齐的三条曲线之间没有交错。 砂率 对再生混凝 土强度影响较大 ， 尤其是骨料替代率高的情况 影响更大 ， 而以往的经验和研究表 明砂率对普通混凝 土强 度的作用并不明显 。 总体来说 ， 砂率提高 ， 再生混凝土强度 也会提高。 冉生 骨科 替代翠， 图 3不 同砂率 对再 生混凝 土 强度 的影 响 2 3 外加剂 的影响 为研究外加剂对再生混凝土强度 的影响 ， 试验 中设置 了添加与未添加外加剂两组试件 ， 其 中添加 的外加剂为水 泥用量的 1 5 ， 外加剂详细性能指标如表3所示。 85 如 鹕 甜 弘 弛如 z 嘎 幽辖 如 诣 拍 柏 如 、 暮 辖 表 3 外加剂的主要性能指标 图 4为添加与未添加外加剂 的情况下再生骨料混凝 土强度的变化 曲线。 添加外加剂后 ， 出现了混凝土强度不 再随再生骨料替代率增加而降低的情况， 如 1 0 0 替代率 的再生混凝土强度比 5 0 和 7 0 的强度都高 。 当替代率为 5 0 时 ， 添加外加剂几乎没有提高再生混凝土的强度 ， 还稍 微有些降低作用。 由此可见再生骨料和普通骨料等体积的 配合比并不是最优的， 两种粗骨料体积上势均力敌时， 添 加外加剂难以发挥有效作用； 相反， 在普通骨料或再生骨 料体积完全 占优的情况下 ， 添加外加剂使混凝土的强度提 高了 9 1 4 再生骨科 替代翠， 图4外加剂对再生混凝土强度的影响 2 4配制 方式的影响 由于再生骨料的吸水率较普通骨料的大， 因而骨料 自 身的含水率 ， 对配制 出的再生混凝 土强 度影 响不容忽视 ； 同时 ， 若不考虑骨料吸水 的影 响 ， 完全按 照配 制普通混凝 土的方法去配置再生混凝土， 必然造成浇筑混凝土的工作 性能差 、 强度不稳定 等问题 。 本试验采用两种不 同方式配 制再生混凝土 ： 一种是先通过多组 试验测得干燥 状态下再 生骨料的质量吸水率， 设定为附加水 ( 本试验中测得再生 粗骨料 的附加水为 6 7 8 k g ) ， 在浇筑再生混凝土时直接 加入附加水即可 ； 另一种方式是每次浇筑再生混凝土前先 将称量好的再生粗骨料完全浸润( 浸入水中 3 0 m i n ) ， 取出 后 自然凉至刚好表干 ， 即开始进行配置。 附加水法和表 明湿润法对再生混凝 土强度影 响的对 比如图 5所示 ， 两者配制 的再生骨 料混凝 土强度 变化 不 大 ， 差别不足 5 。 其中， 采用再生粗骨料表面湿润 的方法 ， 8 6 再生骨科替代率， 图5 不同配制方式对再生混凝土强度的影响 强度略高 。 这主要是 由于 附加水法 ， 忽略 了骨料 自身的含 水率， 造成其水灰比略微比表面湿润法浇筑的再生混凝土 高， 因而强度降低。 考虑到附加水法的施工处理方便快捷， 且强度减弱不明显 ， 此法更适合在工程中推广应用 。 2 5 加 载速 率的影响 为研究不同的加载速率对混凝 土强度的影响 ， 加载过 程选用位移控制和荷载控制两种方 式 ， 其 中前者的加载 速 率为 0 1 8 mm m i n ， 后者的加载速率为 O 3 MP a s 。 两种 不 同的加载方式得出的再生骨料混凝土强度如图 6所示 。 从 图 6可 以看 出 ， 加 载条 件对混 凝 土强度 的影 响较 大 ， 达 1 5 以上 。 相比于位移控 制的加载 ， 荷载控 制的加载对 提 高混凝土强度 的作用更明显 。 再生混凝土也是一种应变强 化材料， 较快的加载速率能使混凝土极限强度提高， 这主 要是 由于此时混凝土强度提升前 ， 内外裂缝还未来得及 大 量积累。 在较大替代率的情况下， 大速率的加载方式能有 效弥补 因再生骨料替代率增加而导致的强度降低 ， 例如在 荷载控制加载下 ， 替代率 为 1 0 0 的再生 混凝 土强度与 替 代率为 5 0 和 7 0 的强度相 当。 2 6 养护时间的影 响 本次试验采用早强型水 泥， 再生混凝土 7 d强度可达 到标准强度7 0 以上。 其后， 随着养护时间的增长， 混凝土 强度会 随之提高 ， 但提高的速度变缓。 不 同养护 时问对 再 生混凝土强度的影响如 图 7所示。 相 比于普通 混凝土 ， 再 生混凝土随着骨料替代率的增加 ， 龄期对再生混凝土强度 发挥的作用更 明显 ， 例如 1 8 0 d的普通混凝土强度仅比7 d 图 6 不同加载速率对再生混凝土强度的影响 再生 骨科替代 率 图7 不同养护时间对再生混凝土强度的影响 如 “ 鳃 如 z 毯嘎 勰 加 如 Z 骥 鲫 铝 蚰 如 z 黑 的增加了 3 8 ， 而 1 8 0 d的再生混凝 土强度 比 7 d时增加 了 8 9 ， 使得 1 8 0 d再生混凝 土的强度几乎接 近 1 8 0 d普 通混凝土的强度。 由此推测 ， 再生 昆 凝土在长期 服役过程 中亦能发挥 良好作用 ， 这也与 目前的研究相符 。 2 7原 因分析 再生骨料 由于成分 、 加工工艺及设计 使用的条件等原 因， 其骨料颗粒棱角多 ， 表面粗糙 ， 且含有硬化水 泥砂浆粉 末， 因此力学性能稳定性较差。 由再生骨料制作 的再生骨 料混凝土通常较普 通混凝 土 的孑 L 隙率 大 ， 这 从微观 图像 上 也得到了验证 。 再 生骨料在初 次服役过程 中积累 了 微裂纹 ， 在破碎过程 中内部往往又会产生 大量 裂纹 ， 更容 易受到外界不 良影响 。 高吸水率 必然导致失 水后混凝 土的收缩和徐变增 大 ， 使混 凝 土结 构裂 缝较 大且 内外贯 通 ， 环境 中的水 以及其他有害腐蚀性介质很容易渗入混凝 土内 ， 使再生混凝 土 的强度及 其他性能 降低 。 因此 ， 不 建议在冻融地区及海洋环境下大量使用再生混凝土材料。 影响再生混凝土强度 的关 键 问题在 于粗 骨料 的强 度 和砂浆 的黏结性能 ， 可 归结为空 隙结构 的大 小和数 量 上 ， 表现在吸水能力 的强弱上 。 通 过适当 的配合 比及外 加 剂的添加 ” ， 可 改变混 凝 土成分 组 合 ， 添 加少 量钢 纤 维 、 橡胶 、 塑料等材料 ， 对再 生骨料混凝 土进行改 性 研究 ， 能有效减少 再生骨料混凝 土因空隙率 、 收缩率 大而 引起 的强度降低 问题。 3 结 论 为使再生骨料混凝土推广应用， 必须能有效的控制其 设计强度。 通过对不同骨料替代率再生混凝土的轴压试 验 得出： 水灰比、 加载速率对再生骨料混凝土强度的影响较 大 ， 降低水灰比能 有效提高再生混凝 土的强度 ， 再生混 凝 土表现 出明显的应变强化效应 ， 增大加 载速率 ， 混凝 土的 强度会提高 ， 混凝 土强度 的提高 幅度 与骨料替代率有关 ； 再生混凝土砂率 、 配制 方式对其强度 的影响并不大 ， 尤 其 是配制方式的影响可以忽略 I 夕 加剂对再生骨料混凝 土强 度影 响作用明显 ； 再生或普通粗骨料体积 比例大的配合 比 其混凝土强度更高 ； 养护时间对再生骨料混凝土强度提高 效果 明显 ， 不同骨料替代率的再生骨料混凝土其强度发展 稳定 ， 这为再生混凝土材料长期工作提供 了可 能性。 为更 好地实现建筑资源高效循环利用 ， 有关再生混凝 土性 能的 研究工作有待进一步开展 。 参考文献 ： 1 侯星宇 再生混凝土研究综述 J 混凝土 ， 2 0 1 1 ( 7 ) ： 9 7 9 8 ， 1 03 E 2 - 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