建筑垃圾再生骨料混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究

1、建筑垃圾再生骨料混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究    摘要：完成了六種不同替代率的再生骨料混凝土的試驗(yàn)來驗(yàn)證替代率對混凝土強(qiáng)度的影響，提出了再生骨料混凝土最佳配合比的建議。分別討論了再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度、應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€和彈性模量等力學(xué)性能。試驗(yàn)表明當(dāng)替代率為50%時(shí)，再生骨料混凝土的各項(xiàng)性能指標(biāo)較穩(wěn)定；抗壓強(qiáng)度與普通混凝土相比有所降低；應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€形狀和特點(diǎn)與普通混凝土相似；彈性模量隨著替代率的增加逐漸減小。通過分析得到了再生骨料混凝土的性能能夠滿足規(guī)范要求，為建筑垃圾再生骨料混凝土在實(shí)際的工程應(yīng)用提供參考依據(jù)。 關(guān)鍵詞：再生骨料混凝土； 配合比；抗壓

2、強(qiáng)度； 彈性模量 1.引言 據(jù)統(tǒng)計(jì)，2005年以來我國建筑業(yè)每年產(chǎn)生的建筑垃圾均超過4億噸，占到了城市垃圾的30%40%1。僅2008年發(fā)生的汶川大地震產(chǎn)生的建筑垃圾就達(dá)到約3億噸2。建筑垃圾通常采用露天堆放或填埋方式處理，因此需要占用大面積的耕地而致使其破壞，并且處理費(fèi)用與運(yùn)費(fèi)較高 3。另一方面，大量新建工程對天然骨料砂石有大量需求，造成資源的過度開采、生態(tài)環(huán)境的日益惡化 4。如何尋找砂石骨料的替代品，如何利用廢舊混凝土，維護(hù)混凝土材料的可持續(xù)發(fā)展，已成為混凝土科學(xué)的熱點(diǎn)研究課題。廢棄混凝土循環(huán)再利用可解決其導(dǎo)致的資源、能源、環(huán)境及相關(guān)社會問題，緩解骨料供求矛盾,具有顯著的社會效益、經(jīng)濟(jì)效益

3、和環(huán)境效益，是環(huán)境保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的迫切需求3。 再生骨料混凝土(Recycled Aggregate Concrete,RAC) 也叫再生混凝土(Recycled Concrete,RC) ,它是指將廢棄混凝土塊經(jīng)過清洗、破碎、篩分與分級預(yù)處理后,按一定的比例與級配混合形成再生骨料(Recycled Aggregate ,RA)一般指再生粗骨料（Recycled Coarse Aggregate,RCA）;部分或全部代替天然骨料(主要是粗骨料) 配制而成新的混凝土。再生骨料混凝土技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對建筑垃圾里的廢棄混凝土、新建過程中產(chǎn)生的廢棄混凝土的再加工利用,使其恢復(fù)原有的性能,重新回到新建混

4、凝土內(nèi),達(dá)到建筑工程混凝土循環(huán)的零排放，從而使有限的資源得到保護(hù),解決了日益嚴(yán)峻的環(huán)保問題。歐洲、美國和日本等發(fā)達(dá)國家對廢棄混凝土的再利用研究的較早5 ,對再生骨料生產(chǎn)、加工、預(yù)處理、分級以及再生混凝土基本性能的進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,制定出相應(yīng)的規(guī)范規(guī)程，已有成功的應(yīng)用的例子國內(nèi)建筑垃圾再生骨料混凝土研究起步較晚，并且各地混凝土自身存在區(qū)別，雖然一些專家學(xué)者進(jìn)行了一定的基礎(chǔ)性研究,個(gè)別地區(qū)也制定了地方標(biāo)準(zhǔn)，公路上也有應(yīng)用，但目前再生混凝土在建筑上的應(yīng)用不多，為了盡快讓再生混凝土投入生產(chǎn)，本研究采用商品混凝土制造廠提供的C40配合比，按配置再生混凝土試塊，研究其替代率分別為0%、30%、50%、70

5、%、100%時(shí)，再生混凝土的工作性能，系統(tǒng)研究3d、7d、14d、28d、60d的立方體抗壓強(qiáng)度、彈性模量、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)及自然養(yǎng)護(hù)下的收縮變形以及全應(yīng)力應(yīng)變曲線。為再生骨料混凝土的迅速推廣應(yīng)用做基礎(chǔ)，為地方規(guī)程的制定提供背景支持6。 2.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 2.1.實(shí)驗(yàn)原材料 本實(shí)驗(yàn)水泥采用P.O 42.5級普通硅酸鹽水泥，粉煤灰采用級粉煤灰，其他原材料分別為TH-2高效減水劑,碎石，細(xì)度模數(shù)為2.82中粗砂，自來水。再生粗骨料為多批強(qiáng)度等級不等的混凝土試塊，采用小型鍔式破碎機(jī)進(jìn)行破碎，其物理性能指標(biāo)見下表1。 試驗(yàn)結(jié)果表明：再生粗骨料的表觀密度和堆積密度略小于天然粗骨料，吸水率較高，含泥量較大，壓碎指標(biāo)遠(yuǎn)

6、大于天然粗骨料。其原因在于再生粗骨料表面不同程度的附著了未除盡的砂漿。但仍能基本滿足普通混凝土用碎石或卵石質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及檢驗(yàn)方法中對粗骨料的要求。 2.2 配合比 由于再生骨料具有較高的吸水率，在拌制混凝土過程，根據(jù)參考文獻(xiàn)按再生骨料40分鐘吸水率作為附加用水量(表中水*)，材料配比見表2： 2.3 試件的澆筑與養(yǎng)護(hù) 所有混凝土拌合物均由一臺容量為50 L 的攪拌機(jī)拌制而成。投料順序?yàn)槭紫燃尤肷昂退嗪头勖夯? 再加入粗骨料, 最后加入水,水加到70%時(shí)均勻加入減水劑，攪拌35 min 后測其坍落度（坍落度1）, 加入附加用水量再測其坍落度（坍落度2），各組混凝土的坍落度試驗(yàn)結(jié)果見表3。坍落度試驗(yàn)

7、完畢后將混凝土拌合物注入鋼模, 24 h 后拆模, 立即放入養(yǎng)護(hù)室, 在標(biāo)準(zhǔn)條件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)至一定齡期后(3d、7d、14d、28 d) 取出進(jìn)行試驗(yàn)。除部分骨料為天然骨料的試塊是人工拌制外，其它試件均為一批澆筑完成。 2.4 試驗(yàn)方法 抗壓強(qiáng)度試件為100mm×100mm×100mm立方體試塊, 采用連續(xù)均勻加載；軸心抗壓強(qiáng)度、典型應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€和彈性模量試件為150mm×150mm×300mm 棱柱體試塊, 試驗(yàn)均按照GB/T500812002 普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法進(jìn)行。 3.試驗(yàn)結(jié)果 3.1和易性 從圖1中可以看出，相同用水量的情況下,再生混凝

8、土的坍落度隨著替代率的增加而減小,流動性變差,但不是線性變化，與減水劑的添加量和時(shí)間有一定關(guān)系，而與附加水的加入時(shí)間關(guān)系不大。減水劑的加入有利于提高再生混凝土坍落度及實(shí)際施工應(yīng)用。和天然骨料混凝土相比，再生混凝土的保水性和粘聚性隨替代率的增加有所增強(qiáng)，主要原因在于再生骨料孔隙率大使其吸水率大、粒狀棱角較多、粒形粗糙，增大了再生混凝土拌合物的摩阻力。試驗(yàn)證明，減水劑的添加方法控制得當(dāng)，再生混凝土的和易性能夠滿足工程施工要求67。 3.2立方體抗壓強(qiáng)度與軸心抗壓強(qiáng)度 在試驗(yàn)過程中可以看到，在不同的替代率下，再生混凝土立方體試塊的破壞形態(tài)為首先中部外圍混凝土發(fā) 生剝落，一般為再生骨料與水泥石之間界面

9、的破壞，最終形成倒錐形，與普通混凝土的最終破壞形態(tài)相似。再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度與普通混凝土相比有所降低，如圖2所示。究其原因主要在于再生粗骨料中天然粗骨料與老砂漿之間以及再生粗骨料與新砂漿之間存在薄弱界面8，并且再生粗骨料的空隙率較高，使試塊在承受軸向應(yīng)力時(shí)容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，另外水灰比因附加水而提高、骨料級配、再生骨料來源也是其中的原因。再生混凝土軸心抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度規(guī)律相似。 由下圖2可以看出：再生混凝土各齡期下不同替代率的立方體抗壓強(qiáng)度差別很小，雖低于同齡期的普通混凝土，但均能滿足規(guī)范要求。28天立方體抗壓強(qiáng)度較普通混凝土大致降低11.23%14.05%，60天立方體抗壓強(qiáng)

10、度較普通混凝土大致降低6.49%9.23%，不同替代率的再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度隨著齡期增長，與普通混凝土的差別逐漸縮小。 由圖3可以看出：當(dāng)替代率為50%時(shí)，再生混凝土后期的立方體抗壓強(qiáng)度與普通混凝土差別很小，28天和60天的差幅分別為11.23%和6.49%，針對此替代率將做進(jìn)一步深入研究而為工程應(yīng)用提供參考。筆者試驗(yàn)還表明再生混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度之比，即fc/fcu=0.800.88之間，與規(guī)范中普通混凝土的fc/fcu=0.67相比有所提高。 3.3典型應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€ 圖4給出的為通過150mm×150mm×300mm棱柱體試驗(yàn)所得的不同替代率時(shí)再

11、生混凝土的典型應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€。再生骨料替代率對再生混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀影響不大，與普通混凝土基本相似，都存在上升階段和下降階段，且上升階段和下降階段的斜率要比普通混凝土大，也有比例極限點(diǎn)、臨界應(yīng)力點(diǎn)、峰值點(diǎn)，但反彎點(diǎn)和收斂點(diǎn)不是很明顯6。通過曲線分析，相同應(yīng)變下再生混凝土的應(yīng)力值比普通混凝土要小，替代率越高，這種趨勢越明顯，原因主要在于再生粗骨料中天然粗骨料與老砂漿之間以及再生粗骨料與新砂漿之間存在薄弱界面，導(dǎo)致受壓性能降低。相同應(yīng)力下，再生混凝土的應(yīng)變在上升階段比普通混凝土大，而在下降階段比普通混凝土小，這也是與再生混凝土的受壓性能降低有關(guān)。    

12、60;3.4彈性模量 再生混凝土的彈性模量反映了其受力后的應(yīng)力-應(yīng)變性質(zhì)。圖5是在28d齡期時(shí)不同替代率再生混凝土的彈性模量曲線。在同強(qiáng)度等級配合比下，再生混凝土較普通混凝土的彈性模量小，并隨著替代率的增加，彈性模量逐漸降低，當(dāng)替代率為100%時(shí)降幅為 13%。主要原因在于再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度較低，同時(shí)再生粗骨料中含有水泥石以及再生粗骨料中天然粗骨料與老砂漿之間以及再生粗骨料與新砂漿之間存在薄弱界面，在是再生混凝土同壓力下變形較大。 3.5收縮 混凝土收縮是指混凝土在空氣中凝結(jié)或硬化過程中出現(xiàn)的體積縮小的現(xiàn)象，為混凝土的一項(xiàng)長期性能。為了更接近工程實(shí)際，本試驗(yàn)對不同替代率下再生骨料混凝土在

13、自然養(yǎng)護(hù)條件下的收縮性能進(jìn)行了量測，圖6為不同替代率下再生混凝土的收縮率曲線。 由圖6可看出，再生混凝土的收縮率在凝結(jié)初期，收縮率比較大，隨著齡期的增長，收縮率逐漸減小，這與普通混凝土的收縮 發(fā)展趨勢一致，但不同替代率下再生混凝土的收縮率比普通混凝土的收縮率大，這主要是因?yàn)樵偕橇媳旧韽椥阅Ａ枯^低，孔隙率高，同時(shí)為了保證再生混凝土的工作性能而加入的附加水提高了水灰比導(dǎo)致了再生混凝土的干縮較大的原因。 4結(jié)論 （1）再生粗骨料的表觀密度比天然骨料小，但差別不大，其他物理性能指標(biāo)與天然骨料差別較大，但仍能滿足規(guī)范要求。再生混凝土的和易性在減水劑控制得當(dāng)情況下可以滿足工程實(shí)際需要。 （2）再生混凝土各齡期下不同替代率的立方體抗壓強(qiáng)度差別不大，但均低于同齡期的普通混凝土。主要原因在于再生粗骨料自身性能比天然骨料差，同時(shí)再生混凝土中骨料與水泥漿之間的粘結(jié)比普通混凝土有所不同，同時(shí)與水灰比、骨料級配和骨料來源等因素也有關(guān)系。 （3）不同替代率下再生骨料混凝土的典型應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€的形狀和特點(diǎn)與普通混凝土基本相似，但上升曲線和下降曲線較普通混凝土陡，表明再生混凝土的材質(zhì)較脆。再生混凝土彈性模量隨替代率增大有所降低，表明同強(qiáng)度再生混凝土隨替代率增大，相同