新型無(wú)砂漿再生混凝土砌塊受力性能試驗(yàn)研究
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祝明橋， 饒一鳴， 黃海林， 羅 哲
（湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湘潭411100）
[摘要]研究無(wú)砂漿再生混凝凝土砌塊的基本力學(xué)性能，將再生骨料百分百替代天然骨料，為建筑垃圾再利用提供了借鑒。通過(guò)對(duì)采用連續(xù)級(jí)配的3類(lèi)15組不同類(lèi)型不同配合比的45塊再生混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體塊進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，得到合理的水灰比。進(jìn)而制作3類(lèi)3組18塊新型無(wú)砂漿再生混凝土砌塊并對(duì)其進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)。通過(guò)抗壓和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，得到了新型無(wú)砂漿再生混凝土砌塊的抗壓、抗折強(qiáng)度和破壞機(jī)理，進(jìn)而得到了一系列關(guān)于該類(lèi)砌塊抗壓、抗折強(qiáng)度取值的結(jié)論。探討了再生混凝土制作新型無(wú)砂漿混凝土砌塊的可行性。
[關(guān)鍵詞]無(wú)砂漿砌塊；再生混凝土；抗壓強(qiáng)度；抗折強(qiáng)度
中圖分類(lèi)號(hào)：TU362，TU528 文章編號(hào)：1002-848X(2016)12-0045-04
0 前言
目前，城市更新?lián)Q代迅速，導(dǎo)致許多混凝土建筑物被拆除，大量的廢棄混凝土隨之產(chǎn)生，而建筑垃圾沒(méi)有得到妥善的利用。這樣的做法不符合國(guó)家提倡的綠色環(huán)保建設(shè)的要求；而利用再生骨料生產(chǎn)混凝土空心砌塊（稱(chēng)作再生混凝土空心砌塊）是比較合理的。因?yàn)樵偕炷量招钠鰤K對(duì)混凝土的工作性能要求較低；另一方面，從根本上解決廢棄混凝土處理問(wèn)題，節(jié)約天然骨料，帶來(lái)顯著的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益。關(guān)于再生混凝土，早在第二次世界大戰(zhàn)之后，美國(guó)、日本及歐洲一些發(fā)達(dá)國(guó)家就開(kāi)始著手研究廢棄混凝土再利用問(wèn)題，取得了一定的成果。近年來(lái)，我國(guó)一些學(xué)者專(zhuān)家對(duì)此方面也進(jìn)行了一定的研究。這些研究結(jié)果表明，再生骨料密度比天然骨料低，導(dǎo)熱系數(shù)低，將再生混凝土應(yīng)用到空心砌塊比普通混凝土具有質(zhì)輕、保溫性能好的優(yōu)點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)已有一些對(duì)再生混凝土空心砌塊的研究，但尚不深入。本課題組針對(duì)這一現(xiàn)狀，自主研究設(shè)計(jì)出一種基于幾何聯(lián)鎖互卡機(jī)制的新型無(wú)砂漿砌體結(jié)構(gòu)砌塊（圖1），該砌塊具有結(jié)構(gòu)科學(xué)、連接可靠，能實(shí)現(xiàn)快速砌筑，墻體整體性能好的特點(diǎn)。本文擬將再生混凝土材料百分之百引入該無(wú)砂漿砌塊砌體體系。通過(guò)抗壓試驗(yàn)和抗折試驗(yàn)著重研究采用該種新型無(wú)砂漿再生混凝土砌塊砌筑的砌體的抗壓、抗折性能及其相應(yīng)的破壞形態(tài)。
1 試驗(yàn)概況
1.1試驗(yàn)材料
試驗(yàn)采用的材料主要有：水泥、天然骨料、再生骨料、水和添加劑等。其中再生骨料由湖南科技大學(xué)實(shí)驗(yàn)室某構(gòu)件破壞制成，該廢棄混凝土的原設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C50，經(jīng)過(guò)篩分從而得到0.16~5mm的再生細(xì)骨料和5~ 10mm的再生粗骨料，其基本性能見(jiàn)表1。
1.2骨料級(jí)配
骨料級(jí)配參考美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)( ASTM)提出的普通混凝土骨料顆粒級(jí)配推薦值確定，見(jiàn)表2。由表2計(jì)算出細(xì)度模數(shù)FM=3.69。
1.3水灰比
水灰比是影響混凝土抗壓強(qiáng)度的最主要因素之一。對(duì)于普通混凝土而言，抗壓強(qiáng)度一般與水灰比成反比關(guān)系，但對(duì)于再生混凝土而言，其強(qiáng)度與基體混凝土的強(qiáng)度和再生混凝土的配合比等密切相關(guān)，情況則不完全相同。再生混凝土按普通混凝土設(shè)計(jì)水灰比、砂率配合比配制成150× 150×150的立方體試塊，每組試塊均為3個(gè)。試塊成型采用人工拌料、振動(dòng)臺(tái)振實(shí)，試塊脫模后養(yǎng)護(hù)室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后測(cè)試其抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)方法按我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土砌塊和磚試驗(yàn)方法》( GB/T 4111-2013)規(guī)定進(jìn)行。
本研究配制了三種不同類(lèi)型的再生混凝土，分別用A，B，C來(lái)表示。其中A類(lèi)是指細(xì)骨料為河砂，粗骨料為天然卵石普通混凝土；B類(lèi)是指粗骨料全部為再生骨料，而細(xì)骨料為河砂再生混凝土；C類(lèi)是指粗、細(xì)骨料全部為再生骨料再生混凝土。各類(lèi)型再生混凝土與基準(zhǔn)混凝土的試驗(yàn)配合比和實(shí)測(cè)表觀密度見(jiàn)表3，抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表4。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：當(dāng)水灰比為0. 45時(shí)，B，C兩類(lèi)試塊的抗壓性能達(dá)到了最佳狀態(tài)，通過(guò)數(shù)據(jù)可以看出，隨再生骨料的增加，試塊抗壓強(qiáng)度明顯下降，在水灰比同為0. 45的條件下，B類(lèi)試塊抗壓強(qiáng)度相對(duì)于A類(lèi)的下降了將近15%，C類(lèi)試塊抗壓強(qiáng)度相對(duì)于A類(lèi)的下降了20. 6%。這是因?yàn)樵偕橇现泻屑s30%的硬化水泥砂漿，這些水泥砂漿容易導(dǎo)致再生骨料表面粗糙，棱角較多；另一方面，廢棄混凝土在解體、破碎過(guò)程中由于損傷內(nèi)部積累了大量微
小裂紋，從而導(dǎo)致再生骨料強(qiáng)度低于天然骨料。研究表明，普通混凝土砌塊強(qiáng)度與混凝土強(qiáng)度存在一定關(guān)系，見(jiàn)下式：
1.4試塊制作
本砌塊因未批量生產(chǎn)而采用人工制成，具體操作流程見(jiàn)圖2。每種配合比均為6個(gè)試塊，試塊在自然條件下養(yǎng)護(hù)28d。試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，采用SYE-2000A型液壓式壓力試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)方法依據(jù)《混凝土砌塊和磚試驗(yàn)方法》( GB/T 4111-2013)中的規(guī)定進(jìn)行。
2 新型無(wú)砂漿砌塊抗壓、抗折試驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1抗壓試驗(yàn)
在抗壓試驗(yàn)中隨著荷載的增加，混凝土試塊內(nèi)的應(yīng)力也不斷增加，裂縫漸漸出現(xiàn)，起初裂縫出現(xiàn)在試塊表層中間通孔，在試塊中央沿豎向向上、下端發(fā)展，至加載面處轉(zhuǎn)向試塊的角部，隨著荷載的繼續(xù)增大，裂縫不斷擴(kuò)張，新的裂縫逐漸向里發(fā)展，試塊表面混凝土開(kāi)始外鼓、剝落。從試塊的破壞形態(tài)(圖3)看，再生混凝土砌塊的破壞基本上是粗骨料和水泥凝膠體粘結(jié)面發(fā)生破壞，并未發(fā)現(xiàn)有粗骨料被劈開(kāi)的情況，由此表明再生混凝土砌塊的破壞形態(tài)與普通混凝土的破壞形態(tài)基本一致，再生粗骨料的取代率不同，對(duì)混凝土砌塊的抗壓破壞形態(tài)沒(méi)有影響，破壞形態(tài)基本一致。
2.2抗壓試驗(yàn)結(jié)果及抗壓強(qiáng)度
結(jié)合材料試塊試驗(yàn)，采用0. 45的水灰比分別制作A，B，C三組砌塊。砌塊抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式見(jiàn)下式：
式中：f為砌塊抗壓強(qiáng)度，M Pa；p為最大破壞荷載，N；L為承壓面長(zhǎng)度，mm；B為承壓面寬度，mm。
實(shí)測(cè)不同骨料替代率再生混凝土的砌塊抗壓強(qiáng)度如表5所示。
根據(jù)抗壓試驗(yàn)結(jié)果可知：A2，B2砌塊的抗壓強(qiáng)度等級(jí)均達(dá)到MU10，可作為承重砌塊使用。C2砌塊強(qiáng)度略低于MU10，其原因可能是因其0.16~10mm的再生骨料中含有的水泥砂漿高于30%，吸水性大，若想作為承重砌塊，可以通過(guò)調(diào)整水灰比或者對(duì)骨料二次加工來(lái)提高砌塊抗壓強(qiáng)度。天然骨料和粗骨料全替換的砌塊抗壓實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本符合式(1)的演算結(jié)果，而粗、細(xì)骨料全替換的砌塊抗壓實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)略低于式(1)的演算結(jié)果。這說(shuō)明再生骨料配制強(qiáng)度不能根據(jù)以往公式進(jìn)行演算，需要研究出新的公式對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)。
2.3抗折試驗(yàn)
在抗折試驗(yàn)中，荷載勻速地增加，加載前期并無(wú)明顯變化，當(dāng)出現(xiàn)裂縫時(shí)，裂縫立即貫通，試塊立即被折斷，發(fā)出巨大聲響，且沒(méi)有產(chǎn)生其他破壞，都是在試塊中部斷裂，破壞前無(wú)明顯征兆，A，B，C三組砌塊的破壞形態(tài)基本一致（圖4）。再生混凝土砌塊的破壞基本上是粗骨料和水泥凝膠體粘結(jié)面發(fā)生破壞，并發(fā)現(xiàn)有少量粗骨料被劈開(kāi)的情況。
2.4抗折試驗(yàn)結(jié)果及抗折強(qiáng)度
試驗(yàn)實(shí)測(cè)獲取了各組不同骨料取代率再生混凝土砌塊折斷時(shí)的荷載值，并依據(jù)下式計(jì)算確定再生
式中：F為砌塊折斷時(shí)的破壞荷載；B，H分別為砌塊的截面寬度和高度；L為金屬棍軸心距。
試驗(yàn)實(shí)測(cè)并按式(3)計(jì)算得到各組不同骨料取代率再生混凝土的抗折強(qiáng)度如表6所示。
根據(jù)抗折試驗(yàn)結(jié)果，可得出如下結(jié)論：B2組標(biāo)準(zhǔn)砌塊抗折強(qiáng)度相較于A2組標(biāo)準(zhǔn)砌塊抗壓強(qiáng)度削弱20.08%，說(shuō)明用再生粗骨料取代天然粗骨料對(duì)于新型無(wú)砂漿砌塊的抗折性能有一定的影響。本試驗(yàn)使用的再生粗骨料的粒徑范圍為5~ 10mm，再生粗骨料吸水率大于天然骨料，而新型無(wú)砂漿砌塊所使用的再生混凝土為干硬性混凝土，配合比和用水量對(duì)混凝土的維勃稠度影響特別大，因而削弱了新型無(wú)砂漿砌塊的抗折性能。C2組標(biāo)準(zhǔn)砌塊抗折強(qiáng)度相較于A2組標(biāo)準(zhǔn)砌塊抗壓強(qiáng)度削弱34.10%，C2組采用粗、細(xì)骨料全替換成為再生骨料，而使用的細(xì)骨料的粒徑范圍為0.16~ 5mm，可以理解為在這個(gè)粒徑范圍內(nèi)的骨料主要由砂漿塊組成，而其中碎石成分很少，因此再生粗骨料壓碎指標(biāo)較大，強(qiáng)度較低，從而引起再生混凝土砌塊抗折強(qiáng)度降低效果顯著。
3 結(jié)論
(1)再生粗骨料取代天然骨料時(shí)，立方體試塊抗壓強(qiáng)度為37. 20MPa，比普通混凝土試塊強(qiáng)度降低15%；粗、細(xì)骨料全部由再生骨料取代時(shí)，立方體試塊抗壓強(qiáng)度為34. 75MPa，比普通混凝土試塊強(qiáng)度降低了20.6%。隨著再生骨料取代率的增加，試塊抗壓強(qiáng)度仍能達(dá)到普通混凝土抗壓強(qiáng)度的80%。
(2)普通混凝土制作的新型無(wú)砂漿標(biāo)準(zhǔn)砌塊平均抗壓強(qiáng)度為12. 03MPa；再生粗骨料全替代的新型無(wú)砂漿標(biāo)準(zhǔn)砌塊平均抗壓強(qiáng)度為10.11MPa；粗、細(xì)骨料全部由再生骨料取代時(shí)，新型無(wú)砂漿標(biāo)準(zhǔn)砌塊平均抗壓強(qiáng)度為8.22MPa。
(3)新型無(wú)砂漿砌塊具有良好的抗折性能。用普通混凝土制作的新型無(wú)砂漿砌塊平均抗折強(qiáng)度為2. 64MPa；用再生粗混凝土制作的新型無(wú)砂漿砌塊平均抗折強(qiáng)度為2. 11MPa；用再生骨料制作的新型無(wú)砂漿砌塊平均抗折強(qiáng)度為1. 74MPa。
