再生骨料混凝土抗压强度试验研究.pdf

Industrial Construction Vol. 42， No. 4， 2012工业建筑2012 年第 42 卷第 4 期5 再生骨料混凝土抗压强度试验研究 * 施养杭吴泽进彭冲王大富 华侨大学土木工程学院，福建泉州362021 摘要鉴于废弃混凝土的日益增多和危害， 迫切需要合理开发和科学利用。针对再生粗骨料 RA 来 源的多途径和品质差异及其对再生骨料混凝土 RAC 质量的影响， 探讨不同来源再生骨料对再生骨料混凝 土的立方体抗压强度 frcu 和棱柱体抗压强度 frc 的影响， 选取最具典型代表的旧房拆迁、 高强桩基、 市政工 程和科学研究等 4 种来源的废弃混凝土， 经破碎加工成 4 种再生粗骨料， 并作净化和预湿处理后， 分别选取 25 、 50 、 75 和 100 4 种取代率， 按相关标准配置成 4 种再生骨料混凝土， 经标准试验测其立方体抗压 强度和棱柱体抗压强度。结果表明， 再生粗骨料取代率对立方体抗压强度和棱柱体抗压强度影响较大， 而不 同再生粗骨料来源对立方体抗压强度和棱柱体抗压强度影响并不明显; 矿物掺合料是影响棱柱体抗压强度 的另一重要因素。 关键词再生混凝土;多种来源;取代率;立方体抗压强度;棱柱体抗压强度;正交试验法 EXPERIMENTAL STUDY ON COMPREHENSIVE STRENGTH OF RECYCLED AGGREGATE CONCRETE Shi YanghangWu ZejinPeng ChongWang Dafu College of Civil Engineering，Huaqiao University，Quanzhou 362021，China Abstract In consideration of the increasing waste concrete WCand its harm，there is a pressing need of rational development and scientific use of it． In view of the multi-route source and the diversified quality of recycled aggregate RAas well as its impact on the quality of recycled aggregate concretes RAC ，four kinds of waste concretes of different sources，such as old house demolition，high-strength pile foundation，municipal administration and scientific research，which are of the most typical representative，are selected and fragmented into four kinds of recycled aggregates，then four replacement ratios of 25 ，50 ，75 and 100 respectively are chosen after purification and crosstie of the four recycled aggregates，which are configured into four recycled aggregate concretes by referring to the correlative standards and the cubic comprehensive strength and the prism comprehensive strength are tested according to the standard test． The aim of the above experiment is to make sure and discuss the impact on cubic comprehensive strength and prism comprehensive strength of recycled aggregate concrete of different RA sources． The result indicated that the effects of replacement ratio of recycled aggregate have a great impact on the cubic comprehensive strength and the prism comprehensive strength while the impact from recycled aggregate of different sources is not distinct． What’ s more，it is pointed out that the mineral admixture is another important factor that influences the prism comprehensive strength． Keywords recycled aggregate concrete RAC ;variety of sources;replacement rate;cubic comprehensive strength;prism comprehensive strength;orthogonal test *国家自然科学基金项目 50948036 ; 住宅与城乡建设部研究与开 发重 点 项 目 2009-K2- 37 ;福 建 省 泉 州 市 科 技 计 划 重 点 项 目 2009Z46 ; 厦门特区科技计划创新项目 3502Z20103033 。 第一作者 施养杭， 男， 1962 年出生， 博士， 教授。 E － mail D． S666 163． com 收稿日期 2010 － 04 － 25 再生骨料混凝土 RAC 是将废弃混凝土经破 碎加工制成再生骨料， 部分或全部代替天然骨料配 置成的新型混凝土 ［1］。废弃混凝土主要来自建筑 物拆迁、 路面返修、 混凝土生产、 工程施工或其他状 况。废弃混凝土来源途径多， 品质有别， 经破碎加工 而成的再生骨料的组织结构及工程性质有显著差 别， 所制备的再生骨料混凝土的抗压强度必存在一 定差异。已有研究 ［2 － 4］中所选再生骨料大都为单一 来源， 不同研究者选取的再生骨料来源各不相同， 以 致研究结果出现较大差异， 不便进行综合对比和应 6工业建筑2012 年第 42 卷第 4 期 用。因此， 根据废弃混凝土不同的原生用途和品质 来研究不同再生骨料来源的再生骨料混凝土抗压强 度具有现实的理论和工程意义。 本研究选取最具典型的旧房拆迁、 高强桩基、 市 政工程和科学研究等 4 种不同来源的废弃混凝土， 经分别破碎加工成 4 种再生骨料， 各自选取 25 、 50 、 75 和 1004 种取代率 r ， 配置成 4 种再生 骨料混凝土， 分析不同来源再生骨料及其不同取代 率对再生骨料混凝土立方体和棱柱体抗压强度的影 响， 以期为再生骨料混凝土的深入研究及其推广应 用提供科学依据。 1试验材料 水泥采用莲花牌 P． C． 32. 5R; 天然粗骨料为碎 石， 粒径为 5 ～25 mm， 连续级配; 细骨料为中粗河砂， 细度模数为 2. 5， 表观密度为 2 612 kg/m3; 再生骨料 分别取为科学研究、 旧房拆迁、 市政工程和高强桩基 等 4 种不同来源的废弃混凝土， 经破碎加工成 4 种再 生骨料， 粒径为 5 ～25 mm， 相应原生混凝土强度等级 分别在 C25、 C35、 C50、 C80 左右， 考虑到再生骨料吸 水率大， 在拌制再生骨料混凝土前对再生骨料进行饱 和面干， 即在拌制再生骨料混凝土前将再生骨料先浸 泡后晾干。粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰。硅微粉为 SiO2 ， 含 量 98 。外加剂为固牌缓凝型高效减水剂， 减水率 17 。拌和及养护用水为普通自来水。 2立方体抗压强度试验与研究 2. 1试验概况 2. 1. 1配合比 基准混凝土强度等级取为 C35， 参照文献［ 5］ 设 计配合比， 再生骨料混凝土据此并按再生骨料的不 同来源和不同取代率作相应调整， 见表 1。 表 1再生骨料混凝土立方体抗压强度试验配合比 Table 1The mix proportions of cubic compressive strength test of RAC 再生粗骨 料取代 率 / 水泥 / kg m － 3 水 / kg m － 3 粗骨料 / kg m － 3 天然粗 骨料 再生粗 骨料 细骨料 / kg m － 3 减水 剂 / 04342041 17905804. 34 254342048842945804. 34 3042048842945804. 34 504342045895895804. 34 3042045895895804. 34 754342042948845804. 34 3042042948845804. 34 10043420401 1795804. 34 30420401 1795804. 34 2. 1. 2立方体试块制作及试验方法 试块采用 150 mm 150 mm 150 mm。参照文 献［ 6］ 拌制再生骨料混凝土。24 h 后拆模， 在标准 条件下养护 28 d， 抗压强度试验参照文献［ 7］ ， 加载 速率为 9 kN/s。试验设备为 TYE － 2000B 型压力试 验机， 最大量程为 2 000 kN。 2. 2试验结果与分析 2. 2. 1立方体试块的破坏过程及破坏形态 加载初期， 再生骨料混凝土试块未出现裂缝。 随着荷载的逐渐增加， 再生骨料混凝土开始在试块 侧表面及高度中央垂直方向出现初始裂缝， 并随荷 载的增加沿斜向往上、 下端发展至加载面处转向试 块角部， 形成“正” 、 “倒” 相连的八字形。随着荷载 继续增加， 裂缝逐渐向里发展， 表面混凝土开始外 鼓、 剥落， 最终为“正” 、 “倒” 相连的四角锥。再生骨 料混凝土与普通混凝土立方体典型破坏形态分别见 图 1 和图 2， 再生骨料混凝土的破坏形态与普通混 凝土较为接近， 破坏均发生在再生骨料与水泥凝胶 体界面上， 并未发现粗骨料被劈开。可见， 立方体抗 压强度 frcu主要取决于再生骨料与水泥凝胶体界面 的粘结强度。 图 1再生骨料典型破坏形态 Fig． 1Typical failure pattern of RAC 图 2普通混凝土典型破坏形态 Fig． 2Typical failure pattern of ordinary concrete 再生骨料混凝土抗压强度试验研究 施养杭， 等7 2. 2. 2粗骨料取代率对再生骨料混凝土的立方体 强度 frcu的影响 试验结果见表 2。研究得出 frcu与再生骨料取 代率的变化关系如图 3 所示。由图 3 可知， 再生骨 料取代率对 frcu影响较大。总体而言， frcu随再生骨料 取代 率 的 增 加 而 降 低， 降 低 幅 度 介 于 16. 5 ～ 34 。从破坏形态看， 强度降低的主要原因是再生 骨料混凝土与新旧砂浆之间的粘结较为薄弱; 同时， 再生骨料孔隙率较高， 承受轴压时容易产生应力集 中， 导致 frcu降低。由图 3 还可看出， 当再生骨料取 代率为 50 时， frcu反而增加， 甚至超过普通混凝土。 有学者认为， 当水灰比为定值， 再生骨料取代率为 50 时， 恰好吸收多余的水分， 使水泥浆体中实际水 灰比降低， 使得 frcu较高［2］。另有学者认为， 取代率 为 50 时的再生骨料与天然粗骨料两者形成的级 配较优 ［3］。笔者认为， 再生骨料的加入填补混凝土 中天然粗骨料骨架中的空隙， 当再生骨料取代率为 a旧房拆迁;b高强管桩;c市政工程 图 5再生粗骨料 Fig． 5Recycled coarse aggregate 50 时， 恰好可取得最优级配。 表 2再生骨料混凝土立方体抗压强度 f rcu Table 2The compressive strength frc uof RAC MPa 再生粗骨 料取代率 再生粗骨料来源 高强管桩市政工程科学研究旧房拆迁 极差 0. 0038. 70938. 70938. 70938. 7090 0. 2534. 33533. 39831. 03729. 1786. 157 0. 5046. 77945. 39444. 42740. 7865. 993 0. 7534. 24433. 14631. 09529. 1265. 118 1. 0030. 70829. 88027. 08925. 5325. 176 2. 2. 3不同再生骨料对再生骨料混凝土的 frcu的影响 不同再生骨料来源的再生骨料混凝土的 frcu之 间的对比见图 4。可知， 不同再生骨料来源对 frcu影 响不太显著 见表 2 ， 影响幅度在 5 MPa 左右。从 破坏形态来看， 影响 frcu的主要因素是再生骨料混凝 土与新旧砂浆之间的粘结性能。不同来源再生骨料 抗压强度虽有很大不同， 但对再生骨料混凝土的 frcu 并无大影响。 1高强管桩;2市政工程;3科学研究;4旧房拆迁 图 3再生骨料混凝土抗压强度与再生骨料取代率的关系 Fig． 3Relations between strength RAC and rate of recycled aggregate 1高强管桩;2市政工程;3科学研究;4旧房拆迁 图 4不同再生骨料来源的再生 骨料混凝土抗压强度之间的对比 Fig． 4Comparison of compressive strength of RAC with recycled aggregate being from different origins 从图 4 还可见， 再生骨料源于高强管桩的 frcu最 大， 其次是市政工程， 而源于旧房拆迁的最小， 这是 因为 4 种再生骨料的表面构造不同。由图 5a、 图 5b 可知， 源于旧房拆迁的再生骨料表面最为粗糙， 空隙 最多， 表面包裹着相当数量的水泥砂浆， 与新旧砂浆 间的粘结性最差; 而源于高强管桩的再生骨料表面 最光圆， 空隙最小且较少， 与新旧砂浆间的粘结性最 好。由图 5c 可见， 源于市政工程的废弃混凝土块较 大， 破碎而成的再生骨料含有较多的带有一定表面 缺陷的原骨料， 与新旧砂浆间具有较好粘结性能， 相 8工业建筑2012 年第 42 卷第 4 期 应的 frcu较高。 3再生骨料混凝土棱柱体抗压强度试验与研究 3. 1试验概况 3. 1. 1配合比 选取来源不同的 4 种再生骨料和 4 种取代率、 3 种矿物掺合料， 为较全面地取得科学结果， 按 3 因素 采用正交设计方法 ［8］进行 17 种组合的棱柱体抗压 试验， 考虑到各因素水平个数不同， 采用正交试验法 中的拟水平设计法。正交设计因素水平见表 3。基 准混凝土强度等级取为 C35， 参照文献［ 5］ 配合比设 计， 再生骨料混凝土在此基础上按再生骨料不同取 代率以及与矿物掺合料的掺入情况做出相应调整， 矿物掺合料按水泥等质量取代率为 30 。试验配 合比见表 4。 3. 1. 2试件制作及试验方法 试块尺寸均为 150 mm 150 mm 300 mm。参 表 3正交设计因素水平表 Table 3The factor- level of orthogonal design 水平 因素 A 再生粗骨 料来源 B 再生粗骨 料取代率 C 矿物 掺合料 1科学研究0. 25粉煤灰 2旧房拆迁0. 50硅微粉 3市政工程0. 75 4高强管桩1. 00 照文献［ 6］ 拌制再生骨料混凝土拌合物。对于掺有 粉煤灰或硅微粉的试块， 在搅拌之前， 将粉煤灰或硅 微粉与水泥充分混合。24 h 后拆模， 在标准条件下 养护至 28 d 后， 测其棱柱体抗压强度。棱柱体抗压 强度试验参照文献［ 7］进行， 加载速率为 9 kN/s。 试验设备为 SHT4206 微机控制电液伺服万能试验 机， 最大量程为 4 000 kN。 表 4再生骨料混凝土配合比 Table 4The mix proportions of RAC 再生粗骨料 取代率 / 水泥 / kg m － 3 矿物掺合料 / kg m － 3 水 / kg m － 3 天然粗骨料 / kg m － 3 再生粗骨料 / kg m － 3 天然细骨料 / kg m － 3 减水剂 / 043402041 17905804. 34 2543402048842945804. 34 253041302048842945804. 34 5043402045895895804. 34 503041302045895895804. 34 7543402042948845804. 34 753041302042948845804. 34 100434020401 1795804. 34 10030413020401 1795804. 34 3. 2试验结果与分析 再生骨料混凝土棱柱体抗压强度 frc 试验结 果见表 5 所示。 3. 2. 1再生粗骨料取代率对再生骨料混凝土棱柱 体抗压强度的影响 再生骨料混凝土 frc的试验结果见表 5， 各种再 生骨料取代率下 frc平均值见表 6。frc与再生骨料取 代率间的关系如图 6 所示。由分析可知， frc较普通 混凝土低， 降低幅度为 3. 4 ～ 29. 4 。这是因为 再生骨料表面粗糙， 棱角较多， 且附有大量水泥砂 浆， 骨料与新旧水泥浆间存在一些结合较弱区域; 同 时， 因再生骨料孔隙率较高， 在承受轴压力下容易产 生应力集中， 导致其 frc降低。由图 6 还可看出， frc随 再生骨料取代率的增加而降低， 且近似呈线性关系。 经线 性 拟 合， 可 得 关 系 式 为 fc － 0. 081 6r 26. 325， R2 0. 975 1。由可决系数 R2可见， 拟合程 度较高。 表 5再生骨料混凝土棱柱体抗压强度试验结果 Table 5Test results of the prismoidal compressive strength of RAC 组数 因素 再生粗骨料 来源 A 再生粗骨料 取代率 B 矿物掺 合料 C frc/ MPa 1普通0. 00不掺25． 807 20． 25不掺22． 728 3科学研究0． 50粉煤灰23． 077 40． 75硅微粉24． 280 51． 00不掺14． 766 60． 25粉煤灰22． 683 7 旧房拆迁 0． 50硅微粉23． 498 80． 75粉煤灰18． 978 91． 00不掺15． 059 100． 25硅微粉30． 059 11 市政工程 0． 50硅微粉23． 422 120． 75不掺12． 765 131． 00粉煤灰17． 424 140． 25不掺24． 228 15 高强管桩 0． 50不掺20． 330 160． 75粉煤灰22． 727 171． 00硅微粉25． 663 再生骨料混凝土抗压强度试验研究 施养杭， 等9 表 6各种再生粗骨料取代率下再生 骨料混凝土棱柱体抗压强度平均值 Table 6The average of prismoidal compressive strength of RAC of different recycled coarse aggregate replacement ratios 取代率 /025 5075100 棱柱体抗压 强度 / MPa 25. 80724. 92422. 58219. 68818. 228 图 6再生骨料混凝土棱柱体抗压强度与 再生粗骨料取代率之间的关系 Fig． 6Relations between frcand r 3. 2. 2不同粗骨料来源对再生骨料混凝土棱柱体 抗压强度的影响 不同再生骨料来源下再生骨料混凝土棱柱体抗 压强度如图 7 所示。可见再生骨料源于高强管桩的 frc最大， 源于旧房拆迁的再生骨料混凝土的抗压强 度最小， 这主要是因 4 种再生骨料表面构造不同。 比较图 5a 和图 5b 可知， 源于旧房拆迁的再生骨料 表面最为粗糙， 空隙最多， 且表面包裹着较多水泥砂 浆， 与新旧砂浆间的粘结性能最差; 而来源于高强管 桩的再生骨料表面最光滑， 空隙最小， 与新旧砂浆之 间的粘结性能最好。 图 7不同来源再生粗骨料的再生骨料 混凝土棱柱体抗压强度 Fig． 7Comparison of frcwith its coarse aggregate being from different origins 3. 2. 3矿物掺合料对再生骨料混凝土棱柱体抗压 强度的影响 掺入不同矿物掺合料的 frc见图 8。由图 8 可发 现， 掺入粉煤灰、 硅微粉矿物掺合料后， frc均得到提 到。这是因为矿物掺合料的掺入， 可使水泥浆体毛 细孔细化和结构致密化， 改善再生骨料与新水泥浆 体界面的微观结构 ［9］。相对而言， 掺入硅微粉则提 高效果更为明显。 图 8不同矿物掺合料对再生骨料 混凝土棱柱体抗压强度的影响 Fig． 8The effect of different mineral admixtures on compressive strength of RAC prism 3. 2. 43 因素对再生骨料混凝土棱柱体抗压强度 影响的比较与分析 正交试验法中， 对数据的分析有 2 种方法， 一是 极差分析法， 另为方差分析法。本试验采用极差分 析法。分别算出再生骨料来源 A 、 再生骨料取代 率 B 和矿物掺合料 C 对 frc的极差值 见表 7 。 极差大的因素， 说明它在 3 个水平间所测指标造成 的影响大， 通常为重要因素。影响 frc因素的主次顺 序是B→C→A， 即再生骨料取代率→矿物掺合料→ 再生骨料来源， 且矿物掺合料和再生骨料取代率对 frc的影响程度较为接近。可见， 再生骨料取代率和 矿物掺合料是影响 frc的重要因素， 再生骨料来源对 frc的影响最小。由图 6图 8 得出， frc最高的正交组 合为 A4B1C2， 即再生骨料来源为高强管桩、 取代率 为 25 并掺入硅微粉。 表 7极差分析 Table 7range analysis 因素ABC 棱柱体抗压强度3. 1837. 5797. 071 4结语 1 经试验研究与分析得知 再生骨料混凝土立 方体破坏过程及模式接近于普通混凝土， 破坏均发 生在粗骨料和水泥凝胶体界面上; 再生骨料取代率 对 frcu影响较大， 基本上随再生骨料取代率的增加而 降低; 但当再生骨料取代率为 50 ， frcu反而增加， 甚 至超过普通混凝土。这为再生骨料混凝土的开发和 应用提供值得推荐的思路; 当再生骨料取代率小于 50 时， 随再生骨料取代率的增加， frcu先增后降， 变 化的临界点有待细分区间加以试验研究。 2 不同再生骨料来源对 frcu影响不大; 尽管如 下转第 14 页 14工业建筑2012 年第 42 卷第 4 期 代表 μ2。 1C20 － 1;2C30 － 1;3C20 － 2;4C30 － 2 图 11100 取代率下的粘结应力不均匀系数 Fig． 11Asymmetry coefficient of bond stress under R100 由图 11 可以看出 粘结应力不均匀系数随着钢 筋直径的增大而增大， 随着再生混凝土强度等级的 提高而减小， 当钢筋直径相同时， 光圆钢筋对应的粘 结应力不均匀系数大于变形钢筋对应的粘结应力不 均匀系数。 6结语 1 根据再生混凝土拉拔试验的结果分析， 提出 粘结力的 3 个组成部分 化学胶着力、 摩擦力和机械 咬合力， 以及其随拉拔力变化的规律， 并给出了变化 曲线图。 2 各特征拉拔力与锚长各点所处的位置有关， 距加载端越远， 相应的特征拉拔力越大。 3 沿锚固长度的任意一点， 粘结应力都将可能 经过定值、 不断增大和减小三个阶段。 4 提出荷载传递单元和荷载传递模式的概念， 并给出了粘结应力分布理论模型， 与试验结果对比， 表明该模型的正确性。 5 定义粘结应力不均匀系数对极限状态下的 粘结应力分布情况进行分析。结果表明 粘结应力 不均匀系数随着钢筋直径的增大而增大， 随着再生 混凝土强度等级的提高而减小， 当钢筋直径相同时， 光圆钢筋对应的粘结应力不均匀系数大于变形钢筋 对应的粘结应力不均匀系数。 参考文献 ［ 1］肖建庄， 李丕胜， 秦薇． 再生混凝土与钢筋间的粘结滑移性能 ［J］． 同济大学学报 自然科学版， 2006， 34 1 13 － 16. ［ 2］赵军． 再生混凝土粘结锚固性能的试验研究［D］． 南宁 广西 大学， 2007. ［ 3］陈伟伟． 再生混凝土粘结性能试验研究［D］． 哈尔滨 哈尔滨 工业大学，2007. ［ 4］王志伟，高春． 再生骨料不同取代率混凝土粘结性能研究 ［J］． 低温建筑技术，2009 10 7 － 9. ［ 5］过镇海， 时旭东． 钢筋混凝土原理和分析［M］． 北京 清华大 学出版社， 2003. ［ 6］蒋田勇， 方志． CFRP 筋在 RPC 中锚固性能的理论分析及试验 研究［J］． 工程力学， 2009，26 1 166 － 173. 上接第 9 页 此， 但并不保证不同来源再生骨料混用后的 frcu不降 低， 对此有待深入研究; 再生骨料源于高强管桩的 frcu最大， 主要是因为其原生混凝土是高强混凝土。 3 由试验研究得到 再生骨料混凝土的 frc较普 通混凝土低， 降低幅度为 3. 4 ～ 29. 4 ; frc随再生 骨料取代率的增加而降低， 且近似呈线性关系; 再生 骨料来源于高强管桩的 frc最大， 再生骨料来源于旧 房拆迁的 frc最小; 掺入粉煤灰、 硅微粉矿物掺合料 后 frc均得到了提高， 掺入硅微粉的提高效果更为明 显; 硅微粉是提高 frc更好的矿物掺合料， 但考虑到 其成本， 以及难以成型， 建议与粉煤灰等矿物掺合料 复掺使用; 4 再生骨料取代率和矿物掺合料都是影响 frc 的两个重要因素， 再生骨料来源对 frc的影响最小; 相对于再生骨料取代率和矿物掺合料， 再生骨料来 源对 frc的影响虽较小， 但还不足以说明不同来源再 生骨料混合后对其 frc的影响程度。不同来源的再 生骨料按一定比例加以混合后制备而成的再生骨料 混凝土的 frc的影响情况， 尚待试验进一步研究。 参考文献 ［ 1］肖建庄． 再生混凝土［M］． 北京 中国建筑工业出版社， 2008． ［ 2］王江， 薛燕飞， 周辉． 再生混凝土抗压强度研究［J］． 混凝土， 2006 7 47 － 49． ［ 3］肖建庄， 李佳彬， 孙振平， 等． 再生混凝土的抗压强 度研究 ［J］． 同济大学学报 自然科学版， 2004， 32 12 1558 － 1561． ［ 4］叶禾． 再生混凝土的抗压强度试验研究［J］． 新型建筑材料， 2006 5 64 － 66． ［ 5］JGJ 552000普通混凝土配合比设计规程［S］． ［ 6］GB /T 500802002普通混凝土拌合物性能试验方法标准 ［S］． ［ 7］GB /T 500812002普通混凝土力学性能试验方法［S］． ［ 8］唐鸿龄， 张元林． 应用概率［M］ ． 南京 南京工学院出版社， 1988． ［ 9］张珍， 闰宏生． 再生混凝土的碳化［J］． 混凝土， 2009 11 34 － 36．