再生细骨料混凝土力学性能试验研究_唐能.pdf
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1、总第195期Abstract:In order to promote the popularization and application of recycled fine aggregate concrete,this paper studies the influ-ence of recycled fine aggregate replacement rate on the main mechanical properties of concrete with different strength grades throughexperimental research and mathem
2、atical statistics.The results showed that the compressive strength of normal concrete decreased byabout 10%30%with the increase of replacement rate of recycled fine aggregate,while the maximum decrease in compressivestrength of high-strength concrete was less than 10%.The splitting tensile strength
3、of normal concrete decreased by about 5%16%with the increase of the replacement rate of recycled fine aggregate,while the splitting tensile strength of high-strength concrete wasgreatly affected by the increase of the replacement rate of recycled fine aggregate,with a maximum decrease of 20%.The sta
4、tic elasticmodulus of normal concrete was significantly reduced by the increase of the replacement rate of recycled fine aggregate,with a maxi-mum decrease of 38%.The static elastic modulus of high-strength concrete was less affected by the increase of replacement rate of re-cycled fine aggregate.Th
5、e prediction formulas of splitting tensile strength and static elastic modulus of recycled fine aggregate con-crete are proposed through regression analysis respectively.Key words:recycled fine aggregate,compressive strength,splitting tensile strength,static elastic modulus,prediction formula文章编号:10
6、05-0574-(2023)03-0009-06DOI:10.19332/ki.1005-0574.2023.03.003再生细骨料混凝土力学性能试验研究唐能1,唐忠林1,刘志义1,李雪峰2(1.云南楚姚高速公路有限公司,云南楚雄675000;2.交通运输部公路科学研究院桥梁隧道研究中心,北京100088)摘要:为探明再生细骨料对混凝土力学性能的影响,促进再生细骨料混凝土的推广应用,文章通过试验研究,采用数理统计等方法,针对不同强度等级再生细骨料混凝土,研究再生细骨料替代率对混凝土主要力学性能的影响。结果表明:随再生细骨料替代率增大,普通再生细骨料混凝土抗压强度降低,降幅约10%30%,而高强
7、再生细骨料混凝土抗压强度的最大降幅则小于10%;普通再生细骨料混凝土劈裂抗拉强度随再生细骨料替代率的增加而降低,降幅约5%16%,而高强再生细骨料混凝土劈裂抗拉强度受再生细骨料替代率的增加影响较大,最大降幅接近20%;普通再生细骨料混凝土静力弹性模量随再生细骨料替代率增大而降低,且下降趋势明显,最大降幅达38%,而高强再生细骨料混凝土静力弹性模量受再生细骨料替代率增加影响较小;通过回归分析,分别提出再生细骨料素混凝土劈裂抗拉强度及静力弹性模量的预测公式。关键词:再生细骨料;抗压强度;劈裂抗拉强度;静力弹性模量;预测公式中图分类号:TU528文献标识码:A作者简介:唐能(1976-),男,云南玉
8、溪人,工程师,研究方向:建设项目管理、施工技术。1引言我国城镇化发展为建筑业迎来高速发展期,但也引发了建筑垃圾围城、新建建筑建材资源匮乏等问题。再生混凝土技术可将废弃混凝土进行二次利用,成为目前促进建筑业可持续发展的途径之一1-4。由于再生骨料表面通常附着一定数量的旧砂浆且骨料内部存在大量微细裂纹,因而再生骨料混凝土与传统混凝土相比,其力学性能会出现不同程度的下降。研究表明,对于强度设计等级为C20C50的混凝土,当混凝土中的粗骨料全部替换为再生骨料时,与传统混凝土相比,抗压强度下降15%30;对于C50及以上混凝土,抗压强度值受再生粗骨料替代率的影响较小,即使粗骨料全部替换为再生骨料,抗压强
9、度仅减小约105。此外,研究人员还针对再生粗骨料混凝土弹性模量、劈裂抗拉强度及抗折强度等其他主要力学性能进行了较为系统的研究6,7。与天然细骨料相比,再生细骨料表面包裹着大量孔隙率高、力学性能差的旧砂浆,使得再生细骨料具有更大的吸水率和孔隙率,从而影响再生细骨料混凝土的流动性,造成混凝土干缩明显;而天然细骨料与水泥浆体间界面过渡区密实性较差,影响混内蒙古公路与运输HighwaysTransportation in Inner Mongolia9内蒙古公路与运输HighwaysTransportation in Inner Mongolia2023 年第 3 期凝土力学性能。因此,再生细骨料是否
10、适用于制备强度等级较高的混凝土一直是业界关注的热点之一8,9。本文通过设计不同强度等级再生细骨料混凝土,重点研究再生细骨料替代率对抗压强度、劈裂抗拉强度以及静力弹性模量的影响,以期为再生细骨料在混凝土中的应用推广提供参考。2原材料及试验方法2.1原材料试验所用水泥为P O 42.5普通硅酸盐水泥;粗骨料选用吸水率为1.25%的连续级配石灰岩碎石,公称粒径为5 mm20 mm;细骨料选用细度模数分别为2.34和2.74的天然河沙和再生细骨料,其中再生细骨料为机械破碎废弃普通混凝土(强度等级C50)后经筛分获得,细骨料级配及物理性质见表1;粉煤灰为级,矿渣粉比表面积为420 m2/kg,容重为2.
11、85 g/cm3,具体成分见表2;减水剂为聚羧酸类减水剂;水为市政用普通自来水。2.2试验方法试验中混凝土类型分为两组,第1组简称普通混凝土,水灰比设计为0.40,强度设计等级为C30;第2组简称高强混凝土,水灰比设计为 0.25,强度设计等级为C60。再生细骨料的替代率分别为0、15%、30%、50%及100%。为保证各配合比所配制的混凝土有效水灰比一致,试验前应确保再生细骨料为饱和面干状态。鉴于目前高流态混凝土使用愈加普遍,为使试验结果更具实用性,试验中通过调整减水剂用量,使得两组混凝土坍落度均达到200 mm10 mm,混凝土配合比见表3。试验中分别测试不同龄期下再生细骨料混凝土抗压强度
12、(3 d、7 d、28 d及180 d)、劈裂抗拉强度(28 d)及静力弹性模量(28 d),具体测试方法按 普通混凝土力学性能试验方法标准(GB/T 500812019)及 公路工程水泥及水泥混凝土试验规程(JTG E302005)中的相关规定进行。3试验结果与分析3.1抗压强度表4中列出不同龄期下不同强度等级再生细骨料混凝土抗压强度值。本文统称再生细骨料替代率为0的混凝土为基准混凝土。结果显示,相较于基准混凝土,不同龄期下普通再生细骨料混凝土的抗压强度值均随再生细骨料替代率的增大而下降,降幅集中在10%30%,而对于高强再生细骨料混凝土,再生细骨料替代率增加对其影响则相对较小,最大降幅不足
13、10%。表1不同细骨料级配及物理性质骨料类型天然砂再生细骨料表观密度(kg/m3)26702485堆积密度(kg/m3)1360139524小时吸水率(%)1.405.82细骨料各粒径(mm)筛余率(%)4.750.117.512.364.9227.031.1812.3643.690.628.6356.570.387.1577.120.1597.1684.280.07598.7492.41表2胶凝材料组分胶凝材料水泥粉煤灰矿渣组分(%)CaO61.95338.01SiO218.2555.1332.81Fe2O33.336.050.44Al2O37.2927.1217.38MgO2.865.24
14、8.77SO33.380.631.97烧失量3.343.33/表3混凝土配合比编号NCNRC15NRC30NRC50NRC100HCHRC15HRC30HRC50HRC100水泥266348粉煤灰5787矿粉57145粗骨料1015996天然砂832709582418/680580478344/再生细骨料01252514188390102205344682减水剂2.752.752.162.062.067.667.667.437.435.37kg/m3注:表中字母“NC”和“HC”分别代表普通混凝土和高强混凝土,“NRC”和“HRC”分别代表普通再生混凝土和高强再生混凝土,数字代表再生细骨料替代
15、率,%,下同。10总第195期通过统计已有文献6-8,10-19及本文试验数据,图1给出了相较于基准混凝土,不同再生细骨料替代率下混凝土28 d抗压强度占比值的变化趋势。结果显示,随再生细骨料替代率的增加,普通再生细骨料混凝土和高强再生细骨料混凝土28 d抗压强度占比值均呈下降趋势,其中,普通再生细骨料混凝土的降幅要大于高强再生细骨料混凝土,这与本文试验结果基本一致。出现上述现象的原因在于普通混凝土与高强混凝土二者在受压破坏机理上存在差别20。对于普通混凝土,界面过渡区存在的初始微裂缝是造成其受压破坏的主要原因。因此,在很大程度上,骨料与水泥浆间的粘结强度决定了普通混凝土的抗压强度值。对于再生
16、细骨料混凝土,内部存在两类界面过渡区,一类为再生细骨料表面附着的旧水泥浆与骨料形成的“旧”界面过渡区,另一类为新旧水泥浆间形成的“新”界面过渡区,二者均会显著影响混凝土的抗压强度。显然,随再生细骨料替代率的增加,材料内部上述两类界面过渡区也增大,这势必造成普通再生细骨料混凝土抗压强度占比呈下降趋势。对于高强混凝土,材料组成中通常具有胶凝材料用量偏大、水胶比小且掺加相当数量的矿物掺合料等特点,这些都有利于增大细骨料与水泥浆间界面过渡区的密实程度。因而对于高强混凝土,发生抗压破坏主要由内部其他缺陷造成,如骨料自身初始缺陷或因振捣不密实及混凝土各组分间变形差异而导致的初始裂缝。因此,再生细骨料替代率
17、增加对高强混凝土抗压强度的影响相对较小。3.2劈裂抗拉强度混凝土28 d劈裂抗拉强度值随再生细骨料替代率的增加而下降,本文试验结果中,不同再生细骨料替代率下普通混凝土劈裂抗拉强度降幅为5%16%,而对于高强混凝土,降幅最大接近20%。按照既有规范,混凝土劈裂抗拉强度通常可由其抗压强度预测得到,但本文试验结果表明,对不同强度等级再生细骨料混凝土,因再生细骨料替代率增加而表4混凝土物理力学性能编号NCNRC15NRC30NRC50NRC100HCHRC15HRC30HRC50HRC100抗压强度(MPa)3 d18.716.7(-10.7)15.8(-15.5)14.4(-23.0)14.1(-2
18、4.6)41.642.1(+1.2)40.6(-2.4)43.5(+4.6)42.8(+2.9)7 d25.724.8(-3.5)22.7(-11.7)19.8(-23.0)20.4(-20.6)51.151.5(+0.8)46.9(-8.2)49.8(-2.5)51.9(+1.6)28 d46.843.5(-7.1)37.1(-20.7)36.2(-22.6)34.2(-26.9)69.768.4(-1.9)68.5(-1.7)66.5(-4.6)63.4(-9.0)180 d55.849.7(-10.9)48.2(-13.6)43.1(22.8)39.4(-29.4)79.779.9(+0
19、.3)76.4(-4.1)79.1(-0.8)74.5(-6.5)劈裂抗拉强度(MPa)28 d3.83.6(-5.3)3.4(-10.5)3.4(-10.5)3.2(-15.8)4.74.6(-2.1)4.2(-10.6)4.1(-12.8)3.8(-19.1)弹性模量(GPa)28 d33.529.1(-13.1)28.5(-14.9)25.6(-23.6)20.7(-38.2)35.835.4(-1.1)34.9(-2.5)35.0(-2.2)34.8(-2.8)注:括号内数值为相较于基准混凝土,再生细骨料混凝土力学性能的增减百分比,其中“+”代表增加,“-”为减小。图1不同再生细骨料替
20、代率下混凝土28 d抗压强度占比表5混凝土劈裂抗拉强度预测公式编号1234公式来源注:为混凝土劈裂抗拉强度,MPa;为混凝土立方体抗压强度,MPa,下同。注:C10代表混凝土28 d抗压强度值为10 MPa,余同。唐能等:再生细骨料混凝土力学性能试验研究1.11.00.90.80.70.60.50.40.30.228 d抗压强度占比(%)102030405060708090100再生细骨料替代率(%)(C10,C50(C50,C8011内蒙古公路与运输HighwaysTransportation in Inner Mongolia2023 年第 3 期导致其抗压与劈裂抗拉强度的降幅不尽相同。因
21、此,现有针对天然骨料制备的普通混凝土劈裂抗拉强度预测公式是否适用于再生细骨料混凝土值得探讨。表5列出了目前国内外常用的混凝土劈裂抗拉强度预测公式,图2为利用上述公式对本文试验结果进行预测时的误差结果。结果表明,对普通再生细骨料混凝土,除GB 500102010外,其他公式均可将劈裂抗拉强度预测精度控制在5%以内,而GB 500102010中提出的公式预测误差均超10%,且随再生细骨料替代率增加误差逐步增大。而对于高强混凝土,基于表中各预测公式得到的预测结果误差均随再生细骨料替代率的增加而增大,当替代率达到30%时,除GB 500102010外,其他公式均高估了再生细骨料高强混凝土的劈裂抗拉强度
22、值,且误差均超10%,当细骨料全部为再生骨料时,所有预测强度均显著高于实测强度,最大误差达到27%。为获得更准确的再生细骨料混凝土劈裂抗拉强度预测公式,本文将48组已发表相关试验数据6-8,10-12,14-19,25-28连同本文试验结果一并整理,如图3所示。结果表明,现有预测公式中,除GB 500102010外,其他公式在对抗压强度小于50 MPa且再生细骨料替代率不大于50%的混凝土劈裂抗拉强度进行预测时误差相对较小,当抗压强度较高时(大于50 MPa),现有公式预测结果均明显高估了混凝土的劈裂抗拉强度。此外,对于抗压强度相等或接近的再生细骨料混凝土,较高的再生细骨料替代率(大于50%)
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