DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.11.027

尺寸效应对再生混凝土性能的影响

杨海涛¹，田石柱^{1, 2}

(1. 哈尔滨工业大学 土木工程学院，黑龙江 哈尔滨，150090；

2. 苏州科技学院 土木工程学院，江苏 苏州，215011)

摘要：以废弃的混凝土构件为原料加工得到再生粗骨料，并以再生粗骨料为主要原料配制再生混凝土。试验过程中以再生粗骨料取代率为 0，30%，50%，80%和100%的混凝土试件为研究对象，分别对尺寸效应对再生混凝土的强度性能和耐久性能的影响进行测定，并对其试验结果进行综合分析，得到再生混凝土在强度性能和耐久性能上尺寸效应的基本规律，为再生混凝土在工程上的应用提供试验依据。

关键词：再生粗骨料；尺寸效应；再生粗骨料取代率；强度性能；耐久性能

中图分类号：TU528.041         文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2016)11-3818-06

Influence of size effect on properties of recycled concrete

YANG Haitao¹, TIAN Shizhu^{1, 2}

(1. School of Civil Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China;

2. School of Civil Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215011, China)

Abstract: Size effect is the inherent characteristics of quasi-brittle materials. The waste concrete components were manufactured as raw material to get recycled coarse aggregate. Then the recycled coarse aggregate was used as main raw material to prepare recycled concrete. The concrete specimens, of which the replacement ratio of recycled coarse aggregate were 0, 30%, 50%, 80% and 100%, were used as research objects respectively. The influence of the size effect on strength properties and durability of recycled concrete were determined respectively. The test results were analyzed comprehensively to obtain the basic laws of size effect on the strength properties and durability of the recycled concrete. The objective of the study is to provide experimental basis for the application of recycled concrete in engineering construction.

Key words: recycled coarse aggregate; size effect; replacement ratio of recycled coarse aggregate; strength properties; durability

当前我国正处在工业化和城市化高速发展的进程中，这一发展阶段决定了将有大量老、旧建筑被新型建筑所取代。旧的建筑物被拆除将产生大量的建筑垃圾，据统计我国每年拆除下来的废弃混凝土约有1 360万t，这些废弃物不仅占用了大量的土地，而且对周围的环境造成了污染。大量新建筑开工使得对天然砂石的需求量也日益增加，而对天然砂石无节制地开采导致资源日趋枯竭。将废弃的混凝土进行回收利用，不但减少了对土地的占用，而且有利于保护自然资源，同时还为建筑废弃物的处理提供了一条新途径^[1-6]。目前，对废弃混凝土的再利用大致可以分为3个级别：1) 低级利用，如一般性回填；2) 中级利用，如用作建筑物或道路的基础材料；3) 高级利用，如作为粗细骨料配制混凝土用于建筑结构构件和道路面层等方面。目前世界各国对建筑废料的回收利用各不相同，发达国家的利用率较高，发展中国家利用率较低或没有被利用。日本是建筑废弃物回收利用较好的国家之一，在1995年其回收利用率达到65%，建筑废弃物主要被用于道路配料和填方^[7]。在英国，已经有大量的再生混凝土被应用在公路建设中，在房屋建筑方面，英国BRE的环境楼(environmental building)在建设时使用了8万块再生砖，90%的现浇混凝土都使用了再循环利用的骨料，该建筑为21世纪的办公建筑提供了一个绿色建筑的样板。将废弃的混凝土经过一定程度的加工、破碎、分级后，按一定的比例混合形成的骨料称为再生骨料。用再生骨料部分或全部代替天然骨料(主要是粗骨料)配制而成的混凝土称为再生骨料混凝土，简称再生混凝土^[8-10]。在再生混凝土的研究和利用方面，发达国家起步较早，目前对再生混凝土进行了系统化、深入化的研究并相继出台了一些再生混凝土规范^[11-12]。我国对再生混凝土的研究才刚刚起步。目前的研究以提高再生混凝土的强度和改善其力学性能为主^[13-14]，对再生混凝土尺寸效应的研究还不多见。本文作者主要对尺寸效应对再生混凝土强度性能和耐久性能的影响进行研究，总结了再生混凝土在强度性能和耐久性能上的尺寸效应的基本规律，以便为再生混凝土在工程上的应用提供试验依据。

1  混凝土尺寸效应产生的原因

在测定材料性能的试验中，材料的性能参数随着结构尺寸的变化而发生变化的现象称为尺寸效应，它是脆性和准脆性材料的固有特征。由混凝土试验得到的力学性能参数不仅与材料的性质有关，而且与试件的尺寸有关，这就是混凝土力学性能的尺寸效应^[15-17]。混凝土产生尺寸效应的原因目前主要有2种观点：1) 混凝土材料本身是一种准脆性材料，其受力破坏是从内部的微裂缝开始的，随着众多微裂缝相互交汇、贯通后形成了宏观裂缝，宏观裂纹继续发展才逐渐导致混凝土破坏。混凝土在达到最大荷载前，宏观裂纹的产生和发展是由混凝土结构本身存储的弹性能释放而引起的，弹性能随着混凝土尺寸的不同而不同，由此产生了尺寸效应。2) 由于在制作混凝土时其组成成分的分布具有随机性和不连续性，导致混凝土内部各点的强度也有所不同。在相同外部应力场作用下，混凝土内部各点的应力强度因子也不同，强度较弱的点因其断裂韧性较低，当受到高应力强度因子作用时会先产生裂纹。由于外部应力场引起的裂纹是随机的、不连续的，所以，混凝土才会产生尺寸效应现象。普通混凝土力学性能尺寸效应规律表现为：随着试件尺寸的不断增大，其强度逐渐降低。由于再生混凝土的力学性能总体上要低于普通混凝土，所以，需要对再生混凝土的尺寸效应规律进行深入研究。

2  试验

2.1  原材料

1) 水泥，选用亚泰集团哈尔滨水泥厂生产的天鹅牌P·O 42.5级普通硅酸盐水泥。

2) 细骨料为天然中砂，级配合格，表观密度为2.64 t/m³。

3) 天然粗骨料选用最大粒径为31.5 mm的碎石。

4) 再生粗骨料由哈尔滨市某拆迁工地的废弃钢筋混凝土块经过人工破碎、碾磨、筛分加工得到。

5) 水，为地下水。

粗骨料基本性能指标见表1。从表1可以看出：再生粗骨料的表观密度和堆积密度都较天然粗骨料低，而吸水率和含水率都比天然粗骨料高。

表1  粗骨料基本性能

Table 1  Basic properties of coarse aggregate

2.2  配合比设计

试验中所采用的粗骨料由天然粗骨料和再生粗骨料相混合而成，粗骨料取代率分别取0，30%，50%，80%和100%。配制再生混凝土时，水灰比取0.40。在进行配合比设计时，水和粗骨料的密度是固定的，分别为195 kg/m³和1 130 kg/m³。细骨料砂的含量随着水泥含量的增加而进行调整。试验所采用的配合比见表2。配合比设计采用普通混凝土设计方法^[18-21]，即按照JGJ 55—2000“普通混凝土配合比设计规程”执行^[22]。

表2  配合比设计

Table 2  Design of mix proportion

2.3  试件制作

本次试验主要就尺寸效应对再生混凝土的强度性能和耐久性能的影响进行研究。试验所需的全部试件均在室内进行浇筑，并在标准养护条件下进行养护。各项试验均严格按照相应的标准试验方法进行，即按照GB/T 50081—2002“普通混凝土力学性能试验方法标准”和GB/T 50082—2009“普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准”执行。

进行再生混凝土强度尺寸效应试验时，采用边长分别为100，150和200 mm的立方体试件来测定抗压强度和劈裂抗拉强度；采用长×宽×高分别为100 mm×100 mm×415 mm，150 mm×150 mm×622.5 mm和200 mm×200 mm×830 mm的试件，利用三点弯曲法来测定抗弯强度。

进行尺寸效应对再生混凝土耐久性能影响试验时，采用边长为100 mm的立方体试件进行试验。同时在另行浇筑长×宽×高为1 000 mm×1 000 mm× 350 mm的构件，在标准养护28 d后，对此构件进行钻芯取样，取出的样品直径×高为100 mm×100 mm 的圆柱体，然后对此样品进行相关试验。

3  试验结果与分析

3.1  尺寸效应对强度性能的影响

3.1.1  抗压强度

图1所示为抗压强度尺寸效应。由图1可见：不同再生粗骨料取代率的混凝土在抗压强度尺寸效应方面表现出相似的规律，即其立方体抗压强度都随着试件边长的增加而降低；当再生粗骨料取代率为50%时，再生混凝土试件的尺寸效应比普通混凝土试件的尺寸效应表现得更加明显。这是因为再生粗骨料的吸水率和含水率都比天然粗骨料的高，配制再生混凝土时且当再生粗骨料和天然粗骨料按照质量比1:1加入时，再生粗骨料恰好吸收了多余的水分，而使得水泥浆体中的水灰比降低，导致再生混凝土抗压强度增大，所以，再生混凝土抗压强度尺寸效应比普通混凝土抗压强度尺寸效应更为明显。

图1  抗压强度尺寸效应

Fig. 1  Size effect of compressive strength

3.1.2  劈裂抗拉强度

抗拉强度是混凝土的基本力学性能之一。由于采用直接受拉试验确定混凝土的抗拉强度较为困难，因此，本次试验采用立方体的劈裂抗拉试验来间接确定混凝土的抗拉强度。

图2所示劈裂抗拉强度尺寸效应。由图2可见：混凝土试件的劈裂抗拉强度随着再生粗骨料取代率的提高而逐渐降低，其劈裂抗拉强度尺寸效应不明显；随着试件尺寸的逐渐增大，其劈裂抗拉强度尺寸效应现象逐渐减弱，但减弱的幅度较小，逐渐呈现为稳定的趋势。因此，小试样的劈裂抗拉强度尺寸效应比较明显，当试件尺寸超过某一范围后，劈裂抗拉强度将趋于稳定。

3.1.3  抗弯强度

图3所示为抗弯强度尺寸效应。由图3可见：不同再生粗骨料取代率的混凝土试件其抗弯强度都存在明显的尺寸效应。根据弹性力学理论，如果材料属于完全的弹性材料，而且不存在缺陷，那么其抗弯强度与抗拉强度是相等的。由于混凝土属于具有大量缺陷的弹塑性材料，因此，其抗弯强度略大于抗拉强度。但是，随着试件尺度的逐渐增大，混凝土越来越表现为弹脆性材料，因此，其抗弯强度也越来越接近于抗拉强度。

图2  劈裂抗拉强度尺寸效应

Fig. 2  Size effect of splitting tensile strength

图3  抗弯强度尺寸效应

Fig. 3  Size effect of bending strength

3.2  尺寸效应对耐久性能的影响

3.2.1  冻融循环试验

以水灰质量比为0.4、再生粗骨料取代率为100%的再生混凝土为研究对象制作试件。参照GB/T 50082—2009“普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准”的规定，采用慢冻法对再生混凝土的抗冻融循环能力进行研究^[23]。

图4所示为慢冻后的抗压强度为再生混凝土试件经过慢冻循环 100 次之后的强度。由图4可见：再生混凝土试件经过慢冻试验后，其抗压强度有所降低，并且取样试件的抗压强度低于立方体试件的抗压强度。其中立方体试件的强度损失率为14%，取样试件的强度损失率为22%。

图4  慢冻试验抗压强度

Fig. 4  Compressive strength of specimens before and after 100 cycles of slow freezing-thawing test

图5所示为慢冻试验质量损失率。由图5可见：随着慢冻循环次数的增加, 取样试件的质量损失率明显高于立方体试件的质量损失率。综合分析图4和图5可以得出：再生混凝土试件在经过冻融循环后，其强度发展规律与质量发展规律相似。

图5  慢冻试验质量损失率

Fig. 5  Mass loss ratio of specimens before and after 100 cycles of slow freezing-thawing test

通过冻融循环试验可以得出，取样试件的抗冻融循环能力较差。其原因是：一方面，再生混凝土存在尺寸效应，故体积较大的试件其内部缺陷也较多；另一方面，在取样过程中钻取试件时可能对试件的保护层和再生混凝土产生损伤，由于钻取试件表面的保护层已经被破坏，即试件表面已经没有水泥浆体的保护，故导致其抗冻性较差。

3.2.2  硫酸盐腐蚀试验

图6所示为腐蚀后的抗压强度为再生混凝土试件经过硫酸盐干湿循环50次之后的抗压强度。由图6可见：经过硫酸盐干湿循环试验后，再生混凝土试件的抗压强度有所降低，并且取样试件的抗压强度低于立方体试件的抗压强度。其中立方体试件的强度腐蚀系数为0.897，取样试件的强度腐蚀系数为0.903。从强度腐蚀系数方面考虑，取样试件与立方体试件在耐硫酸盐腐蚀性能上基本相当。

图7所示为硫酸盐干湿循环试验质量损失率。由图7可见：随着硫酸盐干湿循环次数的不断增加，取样试件的质量损失率明显高于立方体试件的质量损失率。这说明在抗硫酸盐腐蚀性能上，取样试件比立方体试件差。其原因是在钻取试件的过程中，再生粗骨料遭到外力破坏，而再生粗骨料在破碎的过程中会产生大量的裂缝，加上试件表面原有水泥砂浆的孔隙，使得再生混凝土内部的孔隙率增加，渗透性增大，增加了腐蚀源与再生混凝土内部发生化学反应的可能性。2种试件在经过硫酸盐腐蚀后，其强度变化规律与质量变化规律相似。

图6  硫酸盐干湿循环试验抗压强度

Fig. 6  Compressive strength of sulfate dry-wet cycle test

图7  硫酸盐干湿循环试验质量损失率

Fig. 7  Mass loss ratio of sulfate dry-wet cycle test

4  结论

1) 不同再生粗骨料取代率的混凝土在抗压强度尺寸效应方面表现出相似的规律，即混凝土抗压强度越高，其尺寸效应越明显。

2) 当再生粗骨料取代率为50%时，再生混凝土抗压强度尺寸效应比普通混凝土抗压强度尺寸效应明显。

3) 不同再生粗骨料取代率的混凝土试件随着试件尺寸的逐渐增大，其劈裂抗拉强度逐渐减小，并且逐渐呈现为稳定的趋势。

4) 不同再生粗骨料取代率的混凝土试件，其抗弯强度都存在明显的尺寸效应，即随着试件尺寸的逐渐增大，其抗弯强度逐渐减小。

5) 不同尺寸的再生混凝土试件在耐久性能上具有相似的规律，即强度变化规律与质量变化规律相似。

6) 尺寸效应对再生混凝土耐久性能有较大影响，随着试件尺寸的逐渐增大，其耐久性能逐渐降低。

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(编辑  陈爱华)

收稿日期：2016-01-05；修回日期：2016-04-27

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(90715036) (Project(90715036) supported by the National Natural Science Foundation of China)

通信作者：杨海涛，博士研究生，从事再生混凝土各项性能的试验研究；E-mail: hljyanghaitao@163.com