再生骨料混凝土基本力学性能研究

徐 芊，叶丽敏，游尹琛，叶世昌

(福建农林大学 金山学院 工程技术系, 福州 350116)

再生骨料混凝土是对废弃混凝土进行收集、破碎和筛分等处理后再次进行利用的混凝土[1].发展再生骨料混凝土可以节约自然资源，同时可以保护环境，有利于建筑行业的可持续发展[2-4].已有研究表明通常再生粗骨料的性能劣于天然粗骨料，导致再生骨料混凝土的各方面性能低于普通混凝土[5-8].在同配合比的情况下再生骨料混凝土的基本力学性能与普通混凝土存在较大差别[9-13]，因此有必要对其基本力学性能进行研究以推广其应用.

本文以再生粗骨料取代率、水胶比和矿物掺合料为变量对再生骨料混凝土的立方体抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量进行研究，并通过试验数据建立再生骨料混凝土的各基本力学性能预测模型.

1 试验部分

1.1 原材料

本试验水泥采用42.5普通硅酸盐水泥；粉煤灰为III级粉煤灰；矿渣为S95级粒化高炉矿渣微粉；所用碎石经检测可满足《建设用卵石、碎石》(GB/T14685-2011)要求，其级配为5～20 mm；河砂细度模数为2.61；减水剂为聚羧酸减水剂.

因试验室破碎后的混凝土试块原强度不一，难以把控.因此，本试验先使用原材制备出C40混凝土试块，在28天时将试件压碎、筛分并挑选后作为再生粗骨料.经检测其基本性能可以满足《混凝土用再生粗骨料》(GB/T25177-2010)对III类再生粗骨料的要求.

1.2 混凝土配合比

试验配合比设计同时参考了《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55-2011)和《再生混凝土应用技术规程》(DG/TJ08-2018-2007).试验的变量主要包括再生粗骨料取代率、水胶比、矿物掺合料.具体配合比见表1.其中NC代表普通混凝土，RAC50和RAC70表示再生粗骨料取代率为50%和70%的再生骨料混凝土，F代表粉煤灰，S代表矿渣，其后的数值代表矿物掺合料取代水泥的百分比.

表1 再生骨料混凝土配合比(kg/m3)

1.3 基本力学性能试验过程

立方体抗压试验和劈裂抗压试验试件每组均3块，尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，轴心抗压试件每组3块，尺寸为150 mm×150 mm×300 mm；弹性模量测试试件每组3块，尺寸为150 mm×150 mm×300 mm.经1 d拆模和7 d养护后分别于14、28、60 d对各组混凝土的各项基本力学性能进行基本力学性能测试.基本力学性能试验如图1，试验过程均按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T 50081-2002规定进行操作.

2 基本力学性能试验结果及分析

2.1 再生骨料混凝土的抗压强度

再生骨料混凝土的立方体抗压强度和轴心抗压强度如表2、3所示.

图1 基本力学性能试验

表2 再生骨料混凝土不同龄期立方体抗压强度值/MPa

表3 再生骨料混凝土不同龄期轴心抗压强度值/MPa

2.1.1 再生粗骨料取代率对再生骨料混凝土抗压强度的影响

使用再生粗骨料性能比天然粗骨料差，所以部分取代天然粗骨料会对再生混凝土的宏观性能有负面影响.图2为再生粗骨料取代率对再生混凝土立方体抗压强度和轴心抗压强度的影响.可见在本试验的各个测试龄期，再生混凝土的抗压强度均较普通混凝土低.相比于普通混凝土组，50%再生粗骨料取代率的再生混凝土立方体抗压强度在14、28、60 d时分别降低了8.98%、7.82%和8.01%，70%再生粗骨料取代率的再生混凝土立方体抗压强度在14、28、60 d时分别降低了13.36%、12.79%和13.94%；相应地，50%再生粗骨料取代率的再生混凝土轴心抗压强度在14、28、60 d时分别降低了4.58%、7.86%和5.64%，70%再生粗骨料取代率的再生混凝土轴心抗压强度在14、28、60 d时分别降低了7.01%、10.81%和12.87%.

图2 再生粗骨料取代率对再生骨料混凝土抗压强度的影响

可见使用再生粗骨料取代天然粗骨料会导致再生混凝土抗压强度降低.60 d龄期时50%取代率再生混凝土降低幅度对于立方体抗压试件和轴心抗压试件分别约为8.01%、5.64%.70%取代率再生混凝土强度降幅则分别相应为13.94%和12.87%.

虽然再生骨料混凝土强度下降，但是降幅不是特别大，其强度仍然保持较高.

2.1.2 水胶比对再生骨料混凝土抗压强度的影响

水胶比对混凝土的抗压强度有最为直接的影响.本试验测试了三组水胶比0.38、0.42和0.45对再生混凝土抗压强度的影响，如图3所示.

图3 水胶比对再生骨料混凝土抗压强度的影响

可见水胶比同样对再生混凝土有极为明显的影响.水胶比越大再生混凝土强度越低.

0.42水胶比的再生混凝土与0.38水胶比的再生混凝土相比，14、28 d和60 d的立方体抗压强度分别降低了11.93%、11.80%和13.26%；轴心抗压强度则分别降低了6.21%、5.60%和8.13%.

0.45水胶比的再生混凝土与0.38水胶比的再生混凝土相比，14、28 d和60 d的立方体抗压强度分别降低了21.56%、18.22%和17.80%；轴心抗压强度则分别降低了14.12%、14.40%和14.11%.

2.1.3 矿物掺合料对再生骨料混凝土抗压强度的影响

矿物掺合料对再生骨料混凝土抗压强度的影响如图4所示.

30%粉煤灰取代率的再生混凝土与同等取代率未使用粉煤灰组相比，14、28 d和60 d的立方体抗压强度分别降低了16.28%、16.77%和17.42%；轴心抗压强度则分别降低了19.49%、15.20%和20.10%.

图4 矿物掺合料对再生骨料混凝土抗压强度的影响

30%粉煤灰和矿渣复掺取代率的再生混凝土与同等取代率未使用粉煤灰组相比，14、28 d和60 d的立方体抗压强度分别降低了11.70%、13.46%和14.96%；轴心抗压强度则分别降低了16.38%、10.67%和12.20%.

50%粉煤灰取代率的再生混凝土与同等取代率未使用粉煤灰组相比，14、28 d和60 d的立方体抗压强度分别降低了25.46%、30.43%和27.84%；轴心抗压强度则分别降低了22.03%、23.73%和28.95%.

50%粉煤灰和矿渣复掺取代率的再生混凝土与同等取代率未使用粉煤灰组相比，14、28 d和60 d的立方体抗压强度分别降低了27.75%、32.92%和31.25%；轴心抗压强度则分别降低了27.97%、28.53%和32.30%.

可见矿物掺合料的掺入会较为明显降低再生混凝土的抗压强度.将粉煤灰和矿渣复掺则能够减少降低的程度.

2.2 再生骨料混凝土的劈裂抗拉强度

再生骨料混凝土的劈裂抗拉强度试验值见表4.

表4 再生骨料混凝土不同龄期劈裂抗拉强度值/MPa

2.2.1 再生粗骨料取代率对再生骨料混凝土劈裂抗拉强度的影响

从图5中可见，随着再生粗骨料取代率的上升，再生混凝土的劈裂抗拉强度有所降低.50%再生粗骨料取代率时，再生混凝土的劈裂抗拉强度较天然混凝土在14 d和28 d时分别降低了1.79%和1.38%；70%再生粗骨料取代率时，再生混凝土的劈裂抗拉强度较天然混凝土在14 d和28 d时分别降低了7.16%和3.22%.

图5 再生粗骨料取代率对再生骨料混凝土劈裂抗拉强度的影响

2.2.2 水胶比对再生骨料混凝土劈裂抗拉强度的影响

从图6中可见，水胶比对再生混凝土劈裂抗拉强度有较大的影响.水胶比越大再生混凝土劈裂抗拉强度越低.0.42水胶比的再生混凝土与0.38水胶比的再生混凝土相比，14 d和28 d的劈裂抗拉强度分别降低了2.86%和6.21%；0.45水胶比的再生混凝土与0.38水胶比的再生混凝土相比，14 d和28 d的劈裂抗拉强度分别降低了5.73%和10.11%.

图6 水胶比对再生骨料混凝土劈裂抗拉强度的影响

2.2.3 矿物掺合料对再生骨料混凝土劈裂抗拉强度的影响

从图7 可见，30%粉煤灰取代水泥导致再生骨料混凝土的劈裂抗拉强度在14 d和28 d时分别下降-0.52%和6.53%；50%粉煤灰组则分别下降9.38%和14.69%；粉煤灰和矿渣复掺整体下降幅度较低，30%复掺组14 d和28 d时分别下降0.78%和3.96%，50%复掺组则分别下降5.99%和10.72%.

可见矿物粉煤灰和矿渣的掺入会较为明显地降低再生骨料混凝土的劈裂抗拉强度，但复掺组较单掺组下降幅度较小.

图7 粉煤灰与矿渣复掺对再生骨料混凝土劈裂抗拉强度的影响

2.3 再生骨料混凝土的弹性模量

再生骨料混凝土的弹性模量试验值见表5.

表5 再生骨料混凝土不同龄期弹性模量值/GPa

2.3.1 再生粗骨料取代率对再生骨料混凝土弹性模量的影响

再生粗骨料取代率对再生骨料混凝土弹性模量的影响见图8.可见随着再生粗骨料取代率的增加，各龄期再生骨料混凝土的弹性模量下降.50%粗骨料取代率时，再生骨料混凝土的弹性模量降低了9.81%、8.42%和8.00%，70%粗骨料取代率时，再生骨料混凝土的弹性模量降低了14.95%、14.04%和13.05%.

图8 再生粗骨料取代率对再生骨料混凝土弹性模量的影响

2.3.2 水胶比对再生骨料混凝土弹性模量的影响

从图9可见随着水胶比的增加再生骨料的弹性模量降低.相较于RAC50，RAC50-b在14、28 d和60 d时分别降低7.51%、9.91%和7.55%，而RAC50-c则分别降低15.03%、15.80%和12.81%.

2.3.3 矿物掺合料对再生骨料混凝土弹性模量的影响

从图10可见，30%粉煤灰取代水泥导致再生骨料混凝土的劈裂抗拉强度在14、28 d和60 d时分别下降13.21%、11.56%和11.67%；50%粉煤灰组则分别下降24.61%、20.52%和19.45%；粉煤灰和矿渣复掺整体下降幅度较低，30%复掺组14、28 d和60 d时分别下降0.26%、3.77%和3.20%，50%复掺组则分别下降18.39%、15.80%和14.42%.

图9 水胶比对再生骨料混凝土弹性模量的影响

图10 矿物掺合料对再生骨料混凝土弹性模量的影响

3 再生骨料混凝土的基本力学性能模型预测

3.1 再生混凝土抗压强度公式

目前适用性最强的针对普通混凝土的抗压强度进行预测的模型为ACI209模型[14]，其公式为：

(1)

其中：各参数的含义：fcu(28)为普通混凝土在28天时的实测强度；a和b分别为常数，和混凝土养护条件有关，正常普通养护的混凝土二者取值分别为4.0和0.85；

将本试验不同粗骨料取代率的再生混凝土的立方体抗压强度与ACI209模型计算得出的预测值进行对比，结果如图11所示.可见ACI209模型对于再生混凝土的强度预测也能适用，预测值与试验数值十分接近.

虽然在掺入矿物掺合料之后，再生混凝土强度降低，但是ACI公式中基数为混凝土本身28 d抗压强度.将本试验不同矿物掺合料的再生混凝土的立方体抗压强度与ACI209模型计算得出的预测值进行对比，结果如图12所示.可见除较早龄期14 d外，在长龄期即混凝土强度稳定后该预测模型也能较为准确预测掺入矿物掺合料的再生混凝土的强度.

(2)

图11 再生混凝土抗压强度实测值与ACI209模型预测值对比

图12 再生混凝土抗压强度实测值与模型预测值对比

3.2 再生混凝土抗劈裂抗拉强度公式

目前行业内使用较为普遍的劈裂抗拉强度预测模型主要有ACI 318模型[15]、《混凝土结构设计规范GB50010-2010》推荐的模型以及肖建庄[1]推荐的再生混凝土劈裂抗拉预测模型.这些模型的原理均以混凝土抗压强度为基础来推测其劈裂抗拉强度.

将上述各模型的预测值与本试验实测值进行对比，结果见图13.可见各个模型对本试验再生混凝土劈裂抗拉强度的预测性不佳.参考各模型使用的预测模型，使用如下公式对本试验实测数据进行拟合：

(3)

经过拟合分析，得到c=0.72，d=0.46.相关系数为0.74，有较好拟合效果，拟合结果见图14.

3.3 再生混凝土弹性模量公式

目前行业内使用较为普遍的劈裂抗拉强度预测模型主要有ACI 209模型、《混凝土结构设计规范GB50010-2010》推荐的模型以及肖建庄推荐的再生混凝土弹性模量预测模型.这些模型的原理也是以混凝土抗压强度为基础来推测其弹性模量.

图13 再生混凝土劈裂强度实测值与模型预测值对比

图14 再生混凝土劈裂抗拉强度实测值与模型预测值对比

将上述各模型的预测值与本试验实测值进行对比，结果见图15.可见ACI 308对本试验再生混凝土弹性模量的预测值虽然也存在较大偏差，但较其他组接近.因此，对该模型进行如下修正：

(4)

经过拟合分析，得到c=0.632，d=0.665.相关系数为0.87，可见有较好拟合效果，拟合结果见图16.

图15 再生混凝土弹性模量实测值与模型预测值对比

图16 再生混凝土弹性模量实测值与模型修正值对比

4 结 论

1)虽然再生骨料混凝土强度下降，但是降幅不是特别高，通过合理控制配合比其强度仍然保持较高；

2)随着再生粗骨料取代率的增加，再生骨料混凝土的各力学性能均降低.50%和70%再生粗骨料取代率的再生混凝土在28 d时抗压强度分别降低了7.8%和10.8%～12.79%，劈裂抗拉强度分别降低了1.4%和3.2%，弹性模量则分别降低了8.4%和14.0%.

3)再生骨料混凝土的水胶比越大，再生骨料混凝土的各力学性能均降低.0.42和0.45水胶比的再生骨料混凝土与0.38水胶比组对比28 d抗压强度分别下降约5.6%～11.8%和14.4%～18.2%，劈裂抗拉强度分别降低了6.2%和10.1%，弹性模量则分别降低了9.9%和15.8%.

4)矿物掺合料的掺入导致再生骨料混凝土的各力学性能降低.30%～50%的粉煤灰或粉煤灰和矿渣复掺导致再生骨料混凝土28 d抗压强度降低10.7%～32.9%，劈裂抗拉强度降低4.0%～14.7%，弹性模量则降低了3.8%～20.5%.

5)现存在的基本性能预测模型对再生骨料混凝土存在较大偏差.基于本试验建立的再生骨料混凝土基本力学性能预测模型能够较好预测再生骨料混凝土的实际情况.