再生混凝土經高溫冷卻后抗壓強度試驗研究

楊新青（淅川縣鼎力建設工程有限公司，河南 南陽 473000）

城市化建設加速背景下，城市更新規模進一步擴大，其中部分早期的建筑物需進行改擴建，而改擴建中產生的大量建筑廢棄物處理難度較高[1-2]。目前，我國建筑行業每年產生的廢棄物已占到工業廢棄物的20%左右，拆除的建筑垃圾約占城市垃圾的35%，其中，廢棄混凝土占拆除建筑垃圾的34%左右[3]。由此可見，城市建筑垃圾已經對城市衛生健康、居民生活環境產生一定程度的負面影響。再生混凝土技術的應用能夠在節約自然資源的基礎上，降低廢棄混凝土產生的污染，具有廣泛研究意義。

針對再生混凝土的工程應用，馬輝[4]基于混凝土塑性損傷原則，以圓鋼管型再生混凝土組合柱擬靜力試驗為基礎，對鋼管強化約束效應和再生粗骨料取代率不利效應條件下，圓鋼管型鋼再生混凝土組合柱的抗震性能進行非線性分析，并獲取骨架曲線、應力云圖，通過有限元參數分析其常溫下的抗震性能。在理論方面，蔣寶庫[5]結合瓦拉文級配共識和富勒級配理論，分析了二維、三維層次下再生混凝土各種骨料的顆粒分布情況，并結合MATLAB 分析圓形普通混凝土幾何模型，結合再生混凝土改進模型獲取常溫下的再生骨料簡化模型。

目前，國內外學界已經針對再生混凝土、再生骨料的常溫研究進行了一系列研究，但再生混凝土高溫后的性能水平相關研究較少[6-7]。為此，分析不同再生骨料取代率混凝土經高溫處理后的抗壓強度水平差異，并分析再生混凝土高溫后性能變化規律，以期為再生混凝土建筑物火災后的性能評價提供參考。

1 材料及試件制備

1.1 原材料

試驗所用再生粗骨料均來自某改擴建工程中產生的廢棄混凝土，經過破碎和篩分后獲取再生粗骨料，測試其性能，所得結果如表1所示。

表1 粗骨料基本性能

試驗中所用水泥采購自南京三龍有限責任公司的P·O 42.5級水泥，所用水均為自來水，砂屬普通天然中粗砂，天然粗骨料取普通碎石。

1.2 混凝土配合比

試驗中混凝土設計強度等級為C30，設計再生混凝土配合比時需要注意再生粗骨料相較于天然普通碎石有更高吸水率，因而需要增加用水量以作補償，所得混凝土配合比如表2所示。

表2 混凝土配合比

1.3 試件制備及養護

試驗中先將水泥、砂石混合進行人工攪拌，然后加入粗骨料人工攪拌至混合均勻，加入水攪拌3min～5min。待混合物坍落度達到25mm～30mm后，將混合物澆筑到150mm×150mm×150mm 標準試模中，并對試模進行振動，直至其致密。用刮刀刨平表面，中間插入牢固，放入養護室28d 后取出干燥，15d 后進行高溫試驗[8-10]。

2 高溫后抗壓強度試驗

2.1 試驗設備

試驗使用的高溫爐為上?？普\工業爐設備廠生產的能量箱電阻爐（RS3-65-12型），除室溫為20℃外，設定溫度為200℃～800℃，每100℃設置一個溫度梯度，每個溫度梯度設置4 個再生混凝土試驗塊。將每組混凝土試塊分批放入高溫爐支架中，按試驗方案逐一進行高溫處理，觀察并記錄高溫處理前后試件的外觀變化。

2.2 升溫降溫機制

試驗過程中爐膛溫度提升至試驗規定值后恒溫處理約3h，可以有效提高混凝土殘余強度穩定性，因而試驗中升溫方式為：無應力狀態下以20℃/min 的速率逐步升溫，溫度提升至最高值后恒溫處理2h，其中，溫度梯度為200℃的再生混凝土試塊恒溫處理3h，高溫處理結束后將試塊置于室溫20℃干燥條件下自然冷卻[11]。

2.3 試驗現象

試驗過程中，再生混凝土試塊經高溫處理后逐漸變色，不同溫度梯度混凝土試塊最終顏色存在部分區別，其原因在于石塊中水泥石分解并產生了多種顏色有差異的礦物，根據顏色變化，可以將混凝土受熱溫度劃分為3類。

第1類溫度區間為常溫～300℃，在這一溫度區間高溫處理后混凝土試塊并未發生明顯的顏色變化，溫度升高至100℃后出現大量蒸汽，而后逐漸消失，加熱結束后混凝土外觀顏色依舊以青灰色為主；第2類溫度區間為400℃～600℃，在該溫度梯度內處理后的混凝土試塊表面顏色已出現明顯變化，以灰褐色為主；第3 類溫度梯度為600℃以上，經該溫度梯度高溫處理后的混凝土試塊表面顏色呈現鵝黃色。但溫度提升至600℃時混凝土表面始終未出現裂紋、裂縫，進一步提升溫度至700℃時混凝土由于骨料膨脹而形成少量星形裂紋，但并未發生表面剝落問題，試驗涉及溫度區間內混凝土始終未發生爆裂。

其原因在于高溫加熱過程中，隨溫度升高，混凝土結構中部分水化物質逐漸脫去，首先游離水在100℃左右條件下大量溢出，這部分水分的蒸發反而對混凝土結構強度起到蒸汽養護作用，提高水泥顆粒之間連接效果[12-13]。進一步提高溫度至300℃左右，水化硅酸二鈣等水化物凝膠體受熱破裂，導致混凝土結構強度逐漸下降。除此之外，混凝土水泥漿體中還含有一些十分堅固的結晶水或化合水，試驗中所用溫度難以改變其材質，因而混凝土結構性質并未發生明顯變化。同時混凝土結構中含有大量骨料結構，水泥漿充斥了骨料結構中的空余空間并產生膠結作用，形成結構整體。試驗加熱過程中，水泥漿體收縮但骨料受熱膨脹，導致骨料受到壓應力而水泥漿體受到拉應力，高溫處理結束后降至室溫的混凝土結構依舊保持這一變形，影響結構強度。

2.4 試驗結果

高溫處理后，再生混凝土試塊的殘余抗壓強度及標準差如表3所示。

表3 高溫后試件抗壓強度及標準差

表3 中數據包含各試件在同一再生粗骨料取代率、同一溫度條件下的6個試塊測試結果平均值，由其中數據可得，再生骨料取代率相同條件下，隨高溫處理所用溫度提升，混凝土試件抗壓強度逐漸下降。

再生骨料取代率不同條件下，各再生混凝土試塊高溫處理后的相對殘余抗壓強度如圖1所示。

圖1 高溫后試件殘余抗壓強度

由圖1可知，高溫處理所用溫度在300℃以下時，普通混凝土和再生混凝土相對殘余抗壓強度相差不多，均和常溫數據相近。而當高溫處理所用溫度提升至300℃～600℃區間范圍內，普通混凝土和再生混凝土的相對殘余抗壓強度都有快速而明顯的下降，但再生混凝土的下降幅度明顯更大。其中，RAC、NRAC 和NAC在600℃時的相對殘余抗壓強度分別為0.64、0.45 和0.49?？梢钥闯鲈诖藴囟确秶鷥?，不同骨料替代率的再生混凝土的相對殘余抗壓強度差異不大。當高溫處理所用溫度提升至600℃～800℃時，RAC 和NRAC 的相對殘余抗壓強度降幅逐漸下降，但NAC 降幅逐漸增加。溫度提升至800℃時，NAC 相對殘余抗壓強度為0.30MPa、NRAC 為0.26MPa、RAC為0.33MPa，此時三者之間差異已較小。

究其原因在于再生粗骨料的分布難以達到絕對均勻，可能會使得混凝土結構內部出現損傷累積，部分區域在出現一定損傷后可能出現應力集中，在外界應力作用下加速混凝土損壞進程，或高溫處理后再生骨料和水泥石之間粘結效果得到弱化，導致結構整體性變弱。300℃～600℃高溫作用后，再生混凝土質地逐漸變松，導致混凝土抗壓強度下降，下降幅度高于普通混凝土。而溫度提升至800℃以上時普通混凝土和再生混凝土抗壓強度均進一步下降，兩者強度相差不多。300℃～600℃高溫處理時，再生混凝土結構中所含水分大量蒸發，而再生骨料和水泥漿之間的結合效果對于水分的需求較高，因而導致再生混凝土強度快速下降。而粉煤灰能夠在升溫過程中發揮二次水化反應，為再生骨料和水泥漿之間結合提供足夠水分，建議可以在再生混凝土中摻入適量粉煤灰改善高溫抗壓強度性能。

3 結語

（1）普通混凝土和再生混凝土經相同溫度高溫處理后并未出現外觀上的明顯差異，且20℃～800℃溫度區間內再生混凝土試塊均未出現爆裂。

（2）再生混凝土或普通混凝土在溫度處于20℃～300℃范圍內時，殘余抗壓強度和常溫數值均未出現較大差異；提升溫度至600℃以內時，無論普通混凝土還是再生混凝土，試件的相對殘余抗壓強度均出現快速明顯下降，但其中再生混凝土具有顯著更大的降幅，且再生骨料取代率并未對混凝土試件殘余抗壓強度產生明顯影響；當高溫處理所用溫度提升至600℃～800℃時，再生混凝土降幅降低而普通混凝土殘余抗壓強度降幅增加，不同組混凝土試件殘余抗壓強度差異已較小。