再生自密实混凝土工作性能及基本力学性能研究

王连坤，陈伟杰，蔡凯鹏，刘杰，梁锡东，唐强

（五邑大学 土木建筑学院，广东 江门 529020）

自密实混凝土（SCC）因自身免振捣可以实现致密和较好填充的效果，能很好地结合实际工程的需要. 随着城市化的快速推进，建筑拆除后废弃固体垃圾的规模越来越大，其中大部分为废弃混凝土块和碎砖块[1]. 废弃建筑垃圾不仅挤占了本就用地紧张的城市空间，大量的粉尘还影响环境[2-4].有效利用废弃混凝土块和碎砖块等废弃建筑垃圾，可以很好地降低对自然的破坏，符合我国的绿色可持续发展战略[5].

国内外学者对再生自密实混凝土（RSCC）的工作性能和力学性能做了大量研究，吴春杨等[6-7]研究了废弃混凝土为再生粗骨料的再生自密实混凝土，发现再生粗骨料取代率为50%时工作性能最好；而JU等[8]的试验表明混凝土基本力学性能随再生粗骨料取代率的增加而下降；吴波[9]利用高强度自密实混凝土和低强度废旧普通混凝土混合再浇筑，研究表明废旧混凝土的取代率增大时，该SCC的抗压强度和弹性模量逐渐降低；成全[10]则使用了小粒径再生混凝土和普通粒径再生红砖分别取代天然粗骨料，研究表明两种再生粗骨料都会使自密实混凝土的工作性能和力学性能下降，其中再生红砖骨料的影响更大. 目前的试验大多针对单一来源的再生粗骨料取代自密实混凝土中的天然粗骨料进行性能试验研究，但是实际的废弃建筑垃圾来源是多样的、混杂的，不同类型的再生粗骨料及其混合型再生粗骨料的再生自密实混凝土方面的研究有很大的实际价值. 由此，本文研究了单一再生粗骨料（再生碎混凝土块、再生碎砖块）的自密实混凝土和其混合型的再生砖混碎块自密实混凝土，研究3种再生粗骨料在不同取代率下对自密实混凝土工作性能和基本力学性能的影响，并建立基本力学性能指标换算公式，以期为工程应用提供参考.

1 原材料及配合比

1.1 原材料

采用P.O 42.5R普通硅酸盐水泥，I级粉煤灰，细骨料使用细度模数为2.67的河砂，减水剂采用减水率为20%的聚羧酸高效减水剂，水为江门市本地自来水.

粗骨料：天然粗骨料采用石灰石碎石，再生粗骨料则分为质检站废弃的C30混凝土试块破碎筛分形成的再生混凝土粗骨料和回收的旧红砖块破碎筛分后形成的再生砖粒粗骨料两种，以及它们的混合再生砖混粗骨料. 参考文献[11]，天然粗骨料与再生粗骨料粒径一致，为5～16 mm，其中5～10 mm和10～16 mm两种粒径各占50%. 材料性能见表1.

表1 粗骨料物理性能

1.2 配合比设计

本试验依据《普通混凝土配合比设计规程》[12]以及《自密实混凝土用用技术规程》[13]，使用其推荐的固定砂石体积法，配制出C50自密实混凝土. 经过调整，最终的配合比设计如表2所示. 经测试其坍落扩展度为783 mm，28 d抗压强度为53.8 MPa，符合配合比要求.

表2 每立方米自密实混凝土配合比

2 工作性能和基本力学性能试验

2.1 试验配合比

本试验采用不同类型的再生粗骨料，包括再生碎混凝土（C）、再生碎红砖（B）和再生砖混碎块（BC），其中砖混碎块为再生碎混凝土块、再生碎砖粒的结合，质量各占50%. NA组为天然粗骨料组，其他组别命名规则为再生混凝土的自密实混凝土（RSCC-C）、再生红砖的自密实混凝土（RSCC-B）、再生砖混的自密实混凝土（RSCC-BC）. 附加水则根据《再生混凝土结构技术标准》[14]的要求，以及肖建庄团队的研究[15]，设置每级取代率增加1.5%. 3类再生粗骨料取代的自密实混凝土配合比如表3所示.

表3 每立方米再生粗骨料自密实混凝土配合比 （kg）

2.2 工作性能试验

本次的RSCC试验主要进行了坍落扩展度、T500流经时间、J环扩展度、V型漏斗流空时间和阻塞比的测试，主要仪器有坍落度筒、坍落扩展度盘、J环、V型漏斗、L型箱试验、抹刀、钢尺、秒表等. 试验过程如图1所示，试验结果如图2所示.

图1 工作性能试验

图2 工作性能试验结果

从实验结果可以看出，坍落扩展度值、J环值和阻塞比都随着再生骨料的取代率增大而逐渐降低，RSCC-C分别下降了16.2%、16.5%和6.7%，RSCC-B分别下降了20.2%、28.5%和13.3%，RSCC-BC分别下降了17.1%、24.1%和10%，下降的幅度RSCC-B＞RSCC-BC＞RSCC-C；T500和V型漏斗时间都随着再生粗骨料的取代率增长而增加，RSCC-C分别增加了58.6%和22.4%，RSCC-B分别增加了62.9%和39.0%，RSCC-BC分别增加了62.9%和33.2%，上升幅度RSCC-B＞RSCC-BC＞RSCC-C.总体来说，再生自密实混凝土的工作性能随再生粗骨料取代率的增加而降低；在相同的取代率下，RSCC-C和RSCC-BC的再生粗骨料取代率最大下降幅度都在75%处，RSCC-B取代率最大下降幅度则在100%处；在相同的取代率下，下降幅度RSCC-B＞RSCC-BC＞RSCC-C.

经循环再生的粗骨料取代天然骨料后，工作性能有所降低有两个原因：一个是表面的棱角或是针片状颗粒使混凝土搅拌过程中产生内部空隙，尤其在不同再生粗骨料来源的再生砖混骨料取代上表现明显；另一个是胶凝材料水化反应过程中，不同的粗骨料吸水能力有所不同，再生粗骨料的吸水性比天然粗骨料高，且残存的水泥灰加强了吸水能力. 这些因素降低了再生自密实混凝土的流动性和间隙通过能力.

2.3 基本力学性能

基本力学性能试验能直观地反映出混凝土的质量，揭示破坏机理[16]，再生粗骨料的种类和取代率都会对混凝土的力学性能产生影响[17]. 对3种RSCC进行28 d抗压强度、劈裂强度和轴心抗压强度等的基本力学性能测试，制作了11组150 mm× 1 50 mm× 1 50 mm 立方体进行抗压强度测试、11组150 mm× 1 50 mm× 1 50 mm 立方体进行劈裂强度测试、11组150 mm× 1 50 mm× 1 50 mm棱柱体试块进行轴心抗压强度测试以及相同组别的应力-应变曲线试验，其试验结果如图3所示.

图3 基本力学性能试验结果

从图3可以看出，随着再生粗骨料的取代率增大，再生自密实混凝土的峰值应变随之增大，抗压强度、劈裂强度、轴心抗压强度都随之下降，尤其轴心抗压强度的影响最大；在同一取代率（梯度）下，力学性能下降幅度呈现的情况是RSCC-B＞RSCC-BC＞RSCC-C. RSCC-C 和RSCC-BC在75%取代率下力学性能下降幅度最大.

从表4可以看出，再生碎红砖块取代的自密实混凝土下降幅度比再生碎混凝土块的基本力学性能下降幅度约为1.7～3.2倍，而再生砖混粗骨料的自密实混凝土力学性能在两者之间.

表4 再生粗骨料自密混凝土基本力学性能变化幅度表

经过颚式破碎机碾碎筛分而成的再生粗骨料，表面粗糙且内部也产生了很多微裂缝，导致再生粗骨料的性能比天然粗骨料要弱. 特别是再生碎砖块本身强度就不高，经过机械破碎后性能进一步下降，致使再生碎砖取代的自密实混凝土基本力学性能比再生碎混凝土粗骨料取代的力学性能下降幅度要更大.

3 基本力学性能指标换算公式

建立RSCC基本力学性能指标间的关系式，可以更好地根据抗压强度推测出劈裂强度和轴心抗压的大概范围. 由此，建立RSCC-C、RSCC-B、RSCC-BC3种再生自密实混凝土龄期为28 d的劈裂强度与抗压强度关系式、轴心受压强度与抗压强度关系表，分析不同来源再生粗骨料自密实混凝土的力学性能换算关系式. 力学性能间关系如图4所示.

图4 RSCC力学性能间关系

传统的基本力学性能换算关系式是建立在天然粗骨料配制的混凝土或自密实混凝土上的，因此需要建立关于不同种类再生粗骨料自密实混凝土基本力学性能指标转换计算式. 参考《混凝土结构设计规范》[18]中力学性能指标的换算关系，以及金昌[19]、曹鑫铖[20]、刘清[21]等的模型，设定劈裂—抗压强度换算模型为b y=ax，轴心受压-抗压强度模型为y=ax+b. 根据再生自密实混凝土基本力学性能指标间的关系图，拟合出基本力学性能间换算公式，如表5所示.

表5 RSCC基本力学性能指标换算公式表

4 结论

采用再生碎混凝土、再生碎砖、再生砖混等建筑废弃物为再生粗骨料制作出3种再生自密实混凝土，研究其工作性能和基本力学性能随取代率的发展趋势与骨料的性能差异相关后发现，用再生碎混凝土、再生碎红砖和再生碎砖混3种再生粗骨料取代后的再生自密实混凝土，工作性能都随取代率的增加而呈现下降趋势，下降幅度RSCC-B＞RSCC-BC＞RSCC-C. RSCC-C和RSCC-BC的再生粗骨料取代率在75%处下降幅度最大，RSCC-B最大降幅则在100%处. 而RSCC基本力学性能随取代率的增加而降低，并且降低的趋势与工作性能基本一致，说明基本力学性能与工作性能相关. 使用了再生碎砖粒取代的再生自密实混凝土强度显然更低，RSCC-B强度下降幅度为RSCC-C的1.7～3.2倍之间，RSCC-BC则在两者之间. 但是再生粗骨料的取代率不宜过高，特别是再生碎红砖，会较大幅度降低自密实混凝土的基本力学性能. 拟合的劈裂-抗压强度计算式和轴心受压-抗压强度指标换算公式与试验结果有较好的吻合，适用于该类型的再生粗骨料自密实混凝土.

本文在研究力学性能中的应力-应变试验时，只采用了峰值应变值来进行对比研究. 后续可以根据等应变加载的应力-应变全曲线，结合公式计算出弹性模量，并拟合出本构模型，以此更加深入地研究不同来源再生粗骨料对自密实混凝土的影响.