用于北方滿族民居墻體的再生混凝土性能研究

沙東　孫建剛　郝進鋒　王振　崔利富

摘要：通過試驗研究了再生混凝土作為北方滿族民居建造材料的可行性。研究重點：再生骨料的物理性質測定、再生混凝土基本力學性能試驗，以及粉煤灰、聚丙烯纖維以及附加水對其力學性能的影響。通過試驗得到，再生混凝土立方體抗壓強度最高應力達37.1MPa、軸心抗壓強度平均應力28.4MPa、靜力受壓彈性模量平均應力22300MPa、抗折強度平均應力3.8MPa、劈裂抗拉強度平均應力1.68MPa。結果表明：在再生混凝土中加入粉煤灰和聚丙烯纖維都對立方體抗壓強度有所提高，但附加水的加入對立方體抗壓強度產生了降低作用。整體來說，再生混凝土各方面的力學指標都能滿足一定的強度要求。因此可以作為北方滿族民居的建設材料。

關鍵詞：再生混凝土；立方體抗壓強度；彈性模量；抗折強度；劈裂抗拉強度

中圖分類號：TU528 文獻標識碼：A 文章編號：

1671-0460（2017）01-0042-06

近年來，隨著我國經濟發展和城市化進程加快，城市基礎設施建設、維修、拆除中產生的廢棄混凝土總量與日俱增。廢棄混凝土不僅占用土地資源，污染環境，而且有損城市形象。廢棄混凝土的妥善處理和再生利用，已成為城市發展需要解決的當務之急。再生混凝土作為一種節能環保的新材料，必將對建筑廢棄物處理與資源化利用起到非常重要的作用。到目前為止，國內外在該領域進行了一系列的研究并取得了很多成果。以上的研究大部分都是針對再生混凝土用于高強建筑的問題和強度提高的研究，忽略了再生混凝土本身強度較低的事實。而本文則是根據再生混凝土由于骨料的原因，其強度普遍較低這一現象，將其用于低矮建筑領域，以體現再生混凝土更合適的力學效果。我國北方的滿族民居多數是自建，以單層平房為主，其豎向承載力不大，對墻體的力學性能要求不高，材料強度要求較低，再生混凝土完全可以滿足其建造要求，可以用于北方滿族民居的建造中。此類研究既可以改善當地人民生活質量、充分利用資源保護環境，又可以對少數民族建筑的文化傳承起到積極促動作用，可謂是利國利民，一舉多得。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

試驗中所用的廢棄混凝土來源于大連市開發區金石灘附近的民居拆遷。再生粗骨料和再生細骨料是將廢棄混凝土回收后經過破碎、分級等處理而制得的，粗骨料粒徑大于5mm小于31.5mm，細骨料粒徑小于5mm。試驗所用水泥是大連本地水泥廠生產的42.5R普通硅酸鹽水泥。試驗中所用粉煤灰是大連華能電廠的一級粉煤灰。為了提高再生混凝土強度而摻入的聚丙烯纖維的性質如表1，再生粗骨料的各項物理特征參數如表2，再生細骨料的各項物理特征參數如表3，骨料的含泥量：1.7%，附加水含量：137.5kg/m³。

1.2 再生混凝土配合比設計

本文中再生混凝土的配合比按照普通混凝土C30強度來設計。根據再生骨料的物理性質試驗的結果等確定再生混凝土以水膠比的不同分為A、B、C三組，在這三個大組中含有五個不同材料的配合比。在A、B、C三組中水膠比分別為0.5、0.55、0.6?？紤]到經濟、環保和提高強度等因素，在混凝土中分別摻入粉煤灰、聚丙烯纖維和附加水。試驗中粉煤灰的摻合量為水泥用量的20%，聚丙烯纖維的摻入量為1.2kg/m³。具體配合比如表4。

1.3 試件的制作和養護

試驗第一批制作150mm×150mm×150mm的立方體試塊45個（立方體抗壓強度試驗），第二批分別制作150mm×150mm×150mm的立方體試塊3個（劈裂抗拉強度），300mm×150mm×150mm的棱柱體試塊6個（3個用于軸心抗壓強度試驗，3個用于彈性模量試驗），550mm×150mm×150mm的棱柱體試塊3個（抗折試驗）?；炷翑嚢枵駬v后，裝模，然后抹平靜置24h后拆模，在標準條件下養護至28d后取出進行試驗。

1.4 試驗方法

再生混凝土立方體抗壓強度、軸心抗壓強度、彈性模量、抗折強度和劈裂抗拉強度試驗均按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T50081-2002）進行。

2 試驗結果與討論

2.1 再生混凝土表觀密度

經試驗測得的再生混凝土表觀密度如表5。

由以上試驗結果可以看出：本文所研究的以廢棄混凝土為原料的再生混凝土的密度比相同等級的普通混凝土的密度要低，具有輕質的特點。

2.2 再生混凝土立方體抗壓強度

混凝土的立方體抗壓強度是混凝土最基本的力學性能指標，所以，再生混凝土的立方體抗壓強度也是非常重要的一項性能指標。然而國內外有許多試驗研究，再生混凝土的立方體抗壓強度值不盡相同。Frondisto-Yannas、肖建莊等一些國內外學者做出的研究認為再生混凝土抗壓強度比普通混凝土要低。與上述結論相反，Ridzuan、Salem經試驗后得到再生混凝土的抗壓強度較普通混凝土高。

2.2.1 再生混凝土立方體抗壓強度試驗現象及結果

本文對15組45塊標準立方體試件（150mm×150mm×150mm）進行抗壓強度試驗。破壞過程如下：在豎向荷載作用下，試件受到液壓萬能試驗機上下表面約束，期初試件受壓沒有任何明顯的變化，當加載荷載到達一定值時，混凝土試件發生了豎向的壓縮變形和水平方向的延伸變形，在試件中部也有明顯的膨脹產生，試件的各個側面開始有碎片掉落。隨著荷載的進一步增大，試件被壓壞。試件最終破壞時成正、倒相接的“八”字型四角錐。從破壞的形態來看，再生混凝土的破壞基本上均為粗骨料和膠凝材料之間的粘結破壞，未發現骨料被劈開的情況（圖1）。

2.2.2 試驗結果分析

由表6可以看出在水膠比分別為0.5（A組）、0.55（B組）、0.6（c組）中，第三小組配合比的混凝土立方體抗壓強度值最高分別為A3：37.1MPa、B3：34.8MPa、C3：30.7MPa。與普通混凝土立方體抗壓強度（30MPa）相比，水膠比為0.5的A組里，除了A5組（降低了6%）以外，其他四組的立方體抗壓強度值均比普通混凝土立方體抗壓強度（30MPa）高。水膠比為0.55的B組里，除了B5組（降低了38.3%）以外，其他四組的立方體抗壓強度值均比普通混凝土立方體抗壓強度（30MPa）高。而在水膠比為0.6的C組里，除了C3組（30.7MPa，提高了2.3%）以外，其他四組的立方體抗壓強度值均比普通混凝土立方體抗壓強度（30MPa）低。

在合理水膠比（經過試驗可知水膠比0.5、0.55較為合理）的情況下，粉煤灰和聚丙烯纖維的摻入都使再生混凝土的立方體抗壓強度有所提高。這是因為：在再生混凝土中摻加適量的優質粉煤灰，能夠改善其力學性能這是因為作為活性摻合材料，粉煤灰在水泥水化產物的堿激發作用下發生化學反應，會生成具有膠凝性能的水化產物，從而提高了抗壓強度值；在再生混凝土中摻加適量的聚丙烯纖維，聚丙烯纖維的摻入，使立方體受壓時出現的應力集中得以緩和，從而得到更好連續性，強度的提高比未摻纖維得到了較為顯著的提高。其主要體現在以下兩個方面：（1）混凝土中微裂縫的擴張得到了有效阻止；（2）提高了基體的變形能力。此外與普通再生混凝土相比，摻入聚丙烯纖維的再生混凝土的破壞形態與之有所不同。摻入聚丙烯纖維的混凝土試件，受力破壞開裂，但未出現剝落破碎的現象，始終保持著試件的整體性，而且在裂縫處可以清楚地看到聚丙烯纖維連接著已經開裂的混凝土。因此，在混凝土中添加聚丙烯纖維，可以提高混凝土的抗壓強度值。但加入附加水后，立方體抗壓強度值卻降低了，其原因可能是因為加入附加水后，混凝土的用水量增大，流動性增強太多，膠凝材料的粘結性降低從而使立方體抗壓強度降低了。

總結：A、B、C三類混凝土相比而言，A組混凝土的立方體抗壓強度較好，而且均高于普通C30混凝土的立方體抗壓強度值，其中A3組混凝土為最優，因此后續試驗的配合比采用A3組混凝土的配合比。

2.3 軸心抗壓強度

經計算，結果如表7。

普通混凝土的軸心抗壓強度與立方體抗壓強度存在如下關系

f_cp=0.16f_cu式中：f_cp——軸心抗壓強度；

f_cu——立方體抗壓強度。

經計算f_cp=28.2MPa，得出再生混凝土的軸心抗壓強度的試驗值與理論值幾乎相等。

2.4 彈性模量

彈性模量試驗見圖2，經計算，結果如表8。

現行混凝土結構設計規程中采用下式計算混凝土的彈性模量：式中：E_c——混凝土彈性模量，MPa；

f_cu——混凝土立方體抗壓強度，MPa。

經計算得：E_c=31895MPa

根據按上式得到的再生混凝土彈性模量的計算值與試驗值相比較，可以看出，兩值相差較大，不能用于再生混凝土彈性模量的計算。

在以往的研究中，Mellmann、Ravindrarajah、Dhir分別建議了再生粗骨料取代率為100%時混凝土彈性模量與抗壓強度關系式，如（1）（3）式所示：

E_c=378f_cu+8242 （1）

E_c=7.77×10³×f^0.33_cu（2）

E_c=13100+37f_cu（3）

計算結果見表9。

由表9可知式（2）、式（3）的計算值都高于試驗值，只有式（1）的計算值與試驗值相近。因此本文試驗用的混凝土的彈性模量可以用式（1）校正。

總體而言，以廢棄混凝土為原料的再生混凝土的彈性模量，較普通C30混凝土的彈性模量相比要低一些。其原因是因為：（1）用于再生混凝土中的再生骨料本身強度較低，使再生混凝土承受變形的能力較小從而影響了彈性模量的大??；（2）再生混凝土的孔隙率較高，易于發生非彈性變形。

2.5 抗折強度

再生混凝土抗折試驗中（圖3），若試件下邊緣斷裂位置處于兩個集中荷載作用線之間，則試件的抗折強度（MPa）按《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T50081-2002）中的要求計算，結果見表10。

隨著豎向荷載逐漸增加，試件底部表面出現裂縫，裂縫的位置位于所施加的兩個集中荷載之間。持續增加荷載，裂縫豎向延伸繼而貫穿試件而被折斷。

對于再生混凝土的抗折強度，Kawamura等Ahmad和Ikeda的試驗表明再生混凝土的抗折強度和普通混凝土幾乎相同。而Ravindrarajah和Tam的試驗表明，再生混凝土的抗折強度均較普通混凝土低10%。在CEB規范和ACI規范中，普通混凝土抗折強度f_f（MPa）和抗壓強度f_cu（MPa）經驗公式為：CEB：f_f=0.81f_cu^0.5

AC：f_f=0.54f_cu^0.5

經計算得出，CEB：f_f=4.9MPa；ACI：f_f=3.3MPa。再生混凝土抗折強度的試驗值居于ACI規范、CEB規范中經驗公式的計算值之間。出現這一現象的原因是，雖然再生粗骨料在其處理破碎過程中產生了大量的微裂紋以及再生混凝土內部存在一定的缺陷，但由于再生粗骨料表面被一定的膠凝材料和砂所包裹，從而增大了骨料的表面積，再加上骨料表面粗糙，均有利于增大界面粘結力；此外，再生混凝土中聚丙烯纖維的摻入，有效的提高了混凝土整體的抗拉性能，從而使再生混凝土抗裂能力得到了一定的提升。筆者經過計算找出與再生混凝土抗折強度試驗值較吻合的計算公式：

f_f=0.62f_cu^0.5

由此可見，以廢棄混凝土為骨料的再生混凝土的抗折強度與普通混凝土的抗折強度相差無幾。甚至高于國內一些學者研究的再生混凝土的抗折強度，因此此類再生混凝土的可行性和實用性較高。

2.6 立方體劈裂抗拉強度

劈裂抗拉試驗見圖4，混凝土劈裂抗拉強度試驗結果如表11。

在《混凝土結構設計規范GB50010-2010》中，給出了普通混凝土的劈裂抗拉強度L（MPa）與抗壓強度f_cu（MPa）的換算關系式：

f_ts=0.19f_cu^0.75

經計算得f_ts=2.86MPa，觀察再生混凝土試件劈裂抗拉破壞的斷裂面發現，再生混凝土大多為膠凝材料和粗骨料拉脫破壞，但少數有再生粗骨料被拉斷。筆者經過計算找出與再生混凝土劈裂抗拉強度試驗值較吻合的計算公式：f_ts=0.11f_cu^0.75。

由以上結果可以看出，本文中再生混凝土的立方體劈裂抗拉強度值比理論值要低。原因可能有：（1）再生粗骨料與膠凝材料粘結力相對較小，在混凝土受到拉力時易發生開裂，（2）再生骨料本身就存在一些缺陷（例如裂縫等），使得混凝土試塊收拉時容易產生破壞。該再生混凝土的劈裂抗拉強度雖然比相同等級的普通混凝土的劈裂抗拉強度低，但仍然高于一部分學者所研究的再生混凝土的劈裂抗拉強度。因此可以使用。

3 結論

（1）從破壞的形態來看，再生混凝土與普通混凝土較為相似。而且在摻入聚丙烯纖維后，再生混凝土在受壓破壞后仍保持一定的整體性。

（2）在合理水膠比（經過試驗可知水膠比0.5、0.55較為合理）的情況下，粉煤灰和聚丙烯纖維的摻入都使再生混凝土的立方體抗壓強度有所提高。但加入附加水后，立方體抗壓強度值卻有所降低.

（3）再生混凝土棱柱體抗壓強度與其立方體抗壓強度的比值為0.77，與《混凝土結構設計規范》中的公式，吻合較好.

（4）再生混凝土抗折強度的試驗值，正好處于ACI規范、CEB規范中經驗公式的計算值之間，可靠性較高。筆者經過計算找出與再生混凝土抗折強度試驗值較吻合的計算公式：f_f=0.62f_cu^0.5。

（5）再生混凝土的劈裂抗拉強度和彈性模量均低于普通混凝土。其中筆者經過計算找出與再生混凝土劈裂抗拉強度試驗值較吻合的計算公式：f_ts=0.11f_cu^0.75。

（6）整體來說，再生混凝土各方面的力學指標都能滿足一定的強度要求。因此可以作為北方滿族民居的建設材料。