基于砂率的富含砖粒再生混凝土基本性能试验研究

边金明，安新正，芈 峥，马晓楠，刘利伟

(河北工程大学 土木工程学院，河北 邯郸056038)

再生混凝土，因其具有节约天然资源，减少环境破坏的优势，已得到了各国学者的青睐。据统计，我国老旧建筑物拆除产生的建筑垃圾中，废弃砖约占40%，废弃混凝土约占41%[1-2]。因此，对富含砖粒再生混凝土的相关研究已成为绿色建筑研究热点话题之一。结构设计中，除了考虑再生混凝土力学性能外，阻尼性能也是结构设计的重要参数。当下，相关富含砖粒再生混凝土的研究主要集中在强度、工作性能和力学性能的探讨，以及再生粗骨料取代率、粒径等因素的影响[3-6]，而探讨砂率对其阻尼性能、抗压及劈裂性能的影响研究较少。基于以上分析，本文通过制作一系列不同砂率富含砖粒再生混凝土梁试件、抗压及劈裂试件，研究富含砖粒再生混凝土的阻尼比、抗压及劈裂强度与砂率间的相关关系，可为再生混凝土工程设计和动力分析提供参考。

1 试验概况

1.1 试验用原材料

(1)水泥：采用太行山牌P·O42.5普通硅酸盐水泥；(2)细骨料：采用天然河砂，细度模数为1.6，含泥量为1.1%；(3)粗骨料：采用邯郸市全有建材有限公司提供富含砖粒再生粗骨料；(4)粉煤灰：采用邯郸马头电厂生产Ι级粉煤灰；(5)减水剂：采用高效聚羧酸液态减水剂，减水率25%，掺量为胶凝材料用量的1.5%；(6)水：邯郸市政生活用水。配合比设计中的附加用水量按24 h吸水率计算，富含砖粒再生粗骨料基本性能指标见表1。

表1 再生粗骨料基本性能指标Tab.1 Basic performance index of recycled coarse aggregate

1.2 配合比与试件制作

共设计6组试件(表2)，每组3根，总共18根富含砖粒再生混凝土梁，试件尺寸为100 mm×100 mm×1 000 mm，再生混凝土配合比见表2。每组同批次浇筑边长为100 mm的立方体试块各6块。养护条件均为薄膜覆盖养护。砂率的取值分别为：25%、30%、35%、40%、45%、50%。

表2 再生混凝土配合比Tab.2 Mix proportion of recycled concrete

2 试验方法

2.1 抗压及劈裂强度测试

依据GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》[7]进行28 d抗压强度和劈裂强度测试。富含砖粒再生混凝土拉压比按公式(1)计算。

(1)

式中：ft为立方体劈裂强度；fcu为立方体抗压强度。

2.2 再生混凝土梁动力测试

测试采用悬臂梁自由振动衰减法，如图1。测试仪器主要包括DH5902动态信号采集仪、DH5682程控电荷放大器、加速度传感器、力锤。测试程序：(1)梁试件固定于TYA-2000型数显压力试验机上，悬臂梁固定端嵌入长度为160 mm，梁悬臂端长度为840 mm；(2)在悬臂端上下垫两块150 mm×100 mm×5 mm钢板作为缓冲，试验机缓慢下移加载，保证上下板加紧试件构成悬臂梁；(3)加速度传感器安装于悬臂端上部中轴线三等分位置处；(4)试验开始，利用力锤施加激励。在时域上，通过加速度时程曲线(图2)，利用对数衰减法得到阻尼比ξ，按公式(2)计算[8]。经FFT变换，将时域响应信号转换到频域上，记录自振频率f。

(2)

式中：Ai、Ai+n分别为悬臂梁自由振动衰减第i、i+n周期的加速度峰值。

图1 悬臂梁测试图Fig.1 Cantilever beam test diagram

图2 加速度时程曲线Fig.2 Acceleration history curve

3 试验结果与分析

3.1 再生混凝土基本性能试验结果

富含砖粒再生混凝土基本性能试验实测结果见表3。

3.2 砂率对抗压强度和劈裂强度的影响

依据测试结果，可得到砂率对再生混凝土抗压强度、劈裂强度及拉压比影响曲线(图3、图4)。由图3可知，再生混凝土28 d抗压强度和劈裂强度均随着砂率增加而减小。当砂率为25%时，二者均达到最大强度值33.7、3.00 MPa。试件组SC50与试件组SC25相比，抗压强度和劈裂强度分别下降了41.8%、27.3%。原因是：随着砂率增大，富含砖粒再生混凝土拌和物中再生粗骨料比例相对减少，细骨料比例相对增加，而富含砖粒再生粗骨料是再生混凝土的骨架，砂率增大，骨架削弱，导致抗压及劈裂强度降低。另外，破碎混凝土表面附着老旧砂浆，新旧砂浆结合及新砂浆与砖粒结合均易形成弱过渡界面。随着砂率的增大，黏结表面积增大[9-10]，引起弱过渡界面面积增大，同时富含砖粒再生粗骨料内部又存在初始微损伤和缺陷，均导致再生混凝土抗压强度和劈裂强度降低，承载力降低。

表3 试验结果Tab.3 Test results

图3 砂率对再生混凝土强度的影响Fig.3 Effect of SC on the strength of recycled concrete

图4 再生混凝土拉压比曲线Fig.4 Recycled concrete tension ratio curve

砖粒孔隙率大，本身存在微裂纹，强度较低，宏观破坏面存在大部分砖粒粗骨料自身断裂[11]。随着砂率的增大，同时富含砖粒粗骨料中砖粒含量较高，内部受力分配不均匀，受荷应力集中，导致富含砖粒再生混凝土强度均降低。

由图4可知，富含砖粒再生混凝土拉压比在0.089～0.111范围内，基本呈现上升趋势。随砂率增大，强度虽然降低，但拉压比增大。说明砂率的增大在一定程度上可以改善混凝土的脆性特征[4]，提高富含砖粒再生混凝土的韧性。

3.3 砂率对阻尼比及固有频率的影响

依据测试结果，经计算得到砂率对再生混凝土梁阻尼比ξ及固有频率f影响规律(图5、图6)。由图5与图6可知，随着砂率增大，ξ呈现出先增大而后减小的现象。当砂率为40%时，富含砖粒再生混凝土ξ达到最大值4.50%，f达到最小值43.9 Hz。当砂率由25%增加至40%时，ξ增大了48.0%，f减小了8.9%。其原因是：一方面，随着砂率增大，粗细骨料用量及分布不合理，引入大量气泡，骨料与砂浆结合时，增大了混凝土的总孔隙体积，梁在振动过程中，混凝土内部孔隙相当于柔性缓冲垫[12]，增加耗能，ξ提高。另一方面，微观结构缺陷是引起材料内部阻尼耗能的主要方面[13]。随着砂率的增大，砂浆与再生粗骨料包裹表面积增大，薄弱界面过渡区相对面积增大，界面过渡区存在微裂缝和缺陷，振动过程中，薄弱界面相对滑移变形，微裂缝的扩展和延伸[14]，及微裂缝间的摩擦和界面缺陷，均导致能量耗散增加，故ξ增大。而随着砂率增大，砂浆与骨料接触薄弱过渡区面积增大，振动时易产生微观裂纹，降低混凝土刚度，导致了再生混凝土梁f降低。

图5 再生混凝土梁一阶阻尼比Fig.5 First damping ratio of recycled concrete beams

图6 再生混凝土梁一阶固有频率Fig.6 First natural frequency of recycled concrete beams

4 结论

1)砂率由25%增大到50%，富含砖粒再生混凝土的抗压强度和劈裂强度均呈下降趋势，而拉压比则呈上升趋势。砂率的增大对富含砖粒再生混凝土的韧性有利。

2)砂率由25%增大到40%，随砂率的增加，阻尼比呈逐渐增大的趋势，而固有频率呈减小的趋势；当砂率超过40%之后，随砂率的增加，阻尼比呈逐渐减小的趋势，而固有频率则呈增大趋势。

3)当砂率在25%～40%范围内时，砂率的变化对富含砖粒再生混凝土抗压强度、劈裂强度的影响较小，而对阻尼比和固有频率的影响较大。建议设计者在设计时综合考虑。