熊 焱，宋文彬，凌育洪，肖茁良

(1.華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東，廣州 510640；2.廣西壯族自治區(qū)黨委組織部干部規(guī)劃辦，廣西，南寧 530022)

我國(guó)城鎮(zhèn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，基本建設(shè)需要消耗大量新混凝土[1?2]。與此同時(shí)，因?yàn)槌鞘幸?guī)劃需要和自然災(zāi)害破壞，大批建筑物和構(gòu)筑物拆除會(huì)產(chǎn)生大量廢舊混凝土[3?4]。將廢舊混凝土破碎、加工用來配制再生混凝土，并將其應(yīng)用于工程中的做法成為廢舊混凝土循環(huán)利用的簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)的方式之一[5?7]。在國(guó)外，再生混凝土在工程中的應(yīng)用已趨向成熟[8?12]，但我國(guó)對(duì)再生骨料混凝土的應(yīng)用在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)還大多局限在鋪路和制磚等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件上[13]。2008年，吳波等[14]學(xué)者首次提出將新混凝土與廢舊混凝土塊體(特征尺寸：60 mm～350 mm)混合澆筑，形成再生塊體混凝土的思想。相比于傳統(tǒng)的再生骨料混凝土，采用再生塊體混凝土可以節(jié)約40%～60%的破碎能，節(jié)省約30%的水泥，并極大緩解水化開裂問題，更有利于廢舊混凝土在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用[15]。

近年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)再生塊體混凝土材料的力學(xué)性能研究已經(jīng)取得了一定的成果[16?18]，并已成功將再生塊體混凝土的多類構(gòu)件應(yīng)用于實(shí)際工程項(xiàng)目中[19?21]。同時(shí)，為提高再生塊體混凝土在現(xiàn)場(chǎng)施工的澆筑效率和施工質(zhì)量，考慮將普通新混凝土替換為高流動(dòng)性的自密實(shí)混凝土，形成自密實(shí)再生塊體混凝土。目前，我國(guó)學(xué)者對(duì)自密實(shí)再生塊體混凝土材料的單軸受壓力學(xué)性能已經(jīng)進(jìn)行了初步探索[22?24]，但是對(duì)于自密實(shí)再生塊體混凝土的剪切性能報(bào)道較少。為了更全面地理解自密實(shí)再生塊體混凝土結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理，有必要對(duì)自密實(shí)再生塊體混凝土的剪切性能進(jìn)行深入研究。本文通過對(duì)自密實(shí)再生混凝土棱柱體試件的直剪性能和單軸受壓性能的試驗(yàn)研究，分析了廢舊混凝土塊體取代率和塊體特征尺寸等變化參數(shù)對(duì)試件直剪強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的影響，給出自密實(shí)再生塊體混凝土直剪強(qiáng)度的預(yù)測(cè)公式，建立了直剪強(qiáng)度試驗(yàn)值和抗壓強(qiáng)度計(jì)算值之間的關(guān)系。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

廢舊混凝土來自于廣州市天河區(qū)某混凝土破碎廠的基坑梁。采樣的同時(shí)鉆取直徑和高均為75 mm的圓柱體芯樣若干。試驗(yàn)當(dāng)天對(duì)廢舊混凝土芯樣進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，測(cè)得其強(qiáng)度為48.3 MPa。如圖1所示，將廢舊混凝土用設(shè)備和人工的方式破碎成特征尺寸分別為67 mm、100 mm和133 mm的廢舊混凝土塊體，并將其分揀成3類。

圖1 廢舊混凝土塊體Fig.1 Demolished concrete lumps (DCLs)

新混凝土選用高強(qiáng)度自密實(shí)商品混凝土，試驗(yàn)當(dāng)天測(cè)得其立方體抗壓強(qiáng)度為80.5 MPa。自密實(shí)混凝土詳細(xì)配合比如表1所示。

表1 商品自密實(shí)混凝土的配合比 /(kg/m3)Table1 Mix proportions of commercial selfcompacting concrete

1.2 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了29個(gè)棱柱體試件，其中20個(gè)棱柱體試件用于直剪試驗(yàn)，9個(gè)棱柱體試件用于軸壓試驗(yàn)，試件具體參數(shù)如表2、表3所示。試件編號(hào)中，DS表示直剪試驗(yàn)試件，UC表示軸壓試驗(yàn)試件；第一組數(shù)字表示廢舊混凝土塊體的特征尺寸，第二組數(shù)字表示廢舊混凝土塊體的取代率。

表2 直剪試驗(yàn)試件詳細(xì)參數(shù)Table2 Details of direct shear test specimens

表3 軸壓試驗(yàn)試件詳細(xì)參數(shù)Table3 Details of uniaxial compression test specimens

1.3 試件制作

所有試件均采用臥式澆筑，澆筑過程如圖2所示。澆筑開始前1 h，通過噴灑自來水的方式充分潤(rùn)濕廢舊混凝土塊體。正式澆筑時(shí)，先鋪設(shè)約20 mm的自密實(shí)新混凝土到模板上，然后一次性投入潤(rùn)濕后的廢舊混凝土塊體到模板內(nèi)，最后將自密實(shí)新混凝土置入模板內(nèi)。澆筑完成后在試件上覆蓋濕潤(rùn)的麻布并澆水養(yǎng)護(hù)7 d。澆水養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，再自然養(yǎng)護(hù)3個(gè)月。同時(shí)，根據(jù)《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 283?2012)[25]進(jìn)行自密實(shí)混凝土的性能指標(biāo)測(cè)試，試驗(yàn)過程如圖3和圖4所示，自密實(shí)混凝土工作性能測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 自密實(shí)混凝土工作性能測(cè)試結(jié)果Table4 Test results of working performance of selfcompacting concrete

圖2 試件澆筑過程Fig.2 Specimens casting

圖3 坍落擴(kuò)展度測(cè)試Fig.3 Slump expansion test

圖4 J環(huán)試驗(yàn)Fig.4 J ring test

1.4 加載裝置

直剪試驗(yàn)延用本團(tuán)隊(duì)對(duì)再生塊體混凝土雙面直剪試驗(yàn)的做法[26]，加載示意圖如圖5所示，加載裝置采用5000 kN電液伺服壓力機(jī)(圖6)，采用力控制加載，加載速率為0.10 MPa/s[27]。單軸受壓試驗(yàn)采用15 000 kN長(zhǎng)柱壓力機(jī)[28](圖7)，加載速率為0.36 mm/min[29]。

圖5 雙面直剪試驗(yàn)示意圖Fig.5 Schematic diagram of double-direct shear test

圖6 直剪試驗(yàn)加載裝置Fig.6 Direct shear test loading device

圖7 單軸受壓試驗(yàn)加載裝置Fig.7 Uniaxial compression test loading device

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

1)直剪試驗(yàn)

試驗(yàn)機(jī)持續(xù)加載至極限荷載時(shí)，試件突然破壞，破壞前無明顯征兆。圖8分別展示了不同塊體特征尺寸的棱柱體試件剪切破壞后的截面形態(tài)。

從圖8中可以看出：

圖8 直剪面破壞形態(tài)Fig.8 Failure mode of direct shear plane

1)試件的直剪破壞面較為平整，廢舊混凝土塊體均被剪開，剪切破壞繞開塊體的現(xiàn)象并未發(fā)生，這表明自密實(shí)再生塊體混凝土內(nèi)的自密實(shí)新混凝土和廢舊混凝土塊體粘接良好。

2)自密實(shí)新混凝土的直剪破壞面較為光滑，破壞面處的粗骨料幾乎全部被剪斷。這是因?yàn)樵趶?qiáng)度相對(duì)較大的高強(qiáng)度混凝土中，剪切裂縫會(huì)同時(shí)通過砂漿和粗骨料，形成光滑的剪切破壞面[30]。

3)廢舊混凝土塊體的直剪破壞面較自密實(shí)新混凝土粗糙，破壞面處僅部分粗骨料被剪斷，少量裂縫從粗骨料和砂漿的界面穿過，這是因?yàn)樵谝话銖?qiáng)度的混凝土中，剪切裂縫在砂漿和相對(duì)較強(qiáng)的粗骨料周圍傳播[30]，本文所用的廢舊混凝土塊體強(qiáng)度較新混凝土低32.2 MPa，因此破壞面相對(duì)粗糙。

2)單軸受壓試驗(yàn)

單軸受壓試件的典型破壞形態(tài)如圖9所示，加載過程中，裂縫首先出現(xiàn)在棱柱體角部，隨著荷載的增加，表面混凝土脫落，試件上逐漸形成由四周指向中部的斜裂縫。達(dá)到峰值荷載時(shí)，試件發(fā)生脆性破壞，剝落面貫穿廢舊混凝土塊體和自密實(shí)新混凝土[31]，最終破壞形態(tài)呈角錐狀。由此再次表明，在自密實(shí)再生塊體混凝土中，廢舊混凝土塊體與新混凝土的界面不是顯著薄弱部位。

圖9 試件破壞形態(tài)Fig.9 Failure pattern of specimens

2.2 取代率對(duì)直剪強(qiáng)度的影響

塊體特征尺寸s=100 mm時(shí)，所有試件直剪強(qiáng)度的實(shí)測(cè)值見表5。圖10為塊體特征尺寸s=100 mm時(shí)，試件直剪強(qiáng)度隨塊體取代率變化情況。從圖中可以看出，隨著廢舊混凝土塊體取代率的增加，試件的直剪強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。塊體取代率η為20%、30%時(shí)，試件直剪強(qiáng)度分別比新混凝土直剪強(qiáng)度下降約16.7%、24.3%。這表明當(dāng)廢舊混凝土塊體強(qiáng)度遠(yuǎn)低于新混凝土?xí)r，再生塊體的摻入一定程度上會(huì)降低試件的直剪強(qiáng)度。

表5 試件的直剪強(qiáng)度試驗(yàn)值Table5 Test values of direct shear strengths of specimens

圖10 fs,com隨廢舊混凝土塊體取代率η的變化關(guān)系Fig.10 Relationship between measured fs,com and replacement ratio of DCLs (η)

文獻(xiàn)[22,26]提出了邊長(zhǎng)為300 mm的再生塊體混凝土立方體抗壓強(qiáng)度fcu,com,300的計(jì)算公式，當(dāng)新、舊混凝土都為普通強(qiáng)度混凝土?xí)r，采用線性公式(1)進(jìn)行計(jì)算精度較高，而當(dāng)高強(qiáng)新混凝土與普通舊混凝土混合澆筑時(shí)，則采用非線性公式(2)進(jìn)行計(jì)算，精度較高[22]。

本試驗(yàn)中新混凝土為自密實(shí)高強(qiáng)混凝土(抗壓強(qiáng)度80.5 MPa)，而舊混凝土為普通強(qiáng)度混凝土(抗壓強(qiáng)度48.3 MPa)。若將非線性公式(2)應(yīng)用于尺寸為300 mm×300 mm×600 mm的自密實(shí)再生塊體混凝土棱柱體試件，推導(dǎo)得到自密實(shí)再生塊體混凝土棱柱體的直剪強(qiáng)度公式：

式中：fs,com,300表示尺寸為300 mm×300 mm×600 mm的自密實(shí)再生塊體混凝土棱柱體的直剪強(qiáng)度；fs,new,300和fs,old,300分別表示尺寸為300 mm×300 mm×600 mm的新、舊混凝土棱柱體試件的直剪強(qiáng)度。

根據(jù)式(3)計(jì)算得出自密實(shí)再生塊體混凝土組合棱柱體的直剪強(qiáng)度，與實(shí)測(cè)值對(duì)比見表6。自密實(shí)新混凝土棱柱體的直剪強(qiáng)度fs,new,300取表5中試件DS-0的直剪強(qiáng)度試驗(yàn)平均值。廢舊混凝土棱柱體試件的直剪強(qiáng)度fs,old,300可根據(jù)以下推導(dǎo)得到；廢 舊 混 凝 土 棱 柱 體(尺 寸 為100 mm×100 mm×300 mm)的直剪強(qiáng)度fs,old,100與廢舊混凝土立方體(邊長(zhǎng)100 mm)的抗壓強(qiáng)度fcu,old,100關(guān)系為fs,old,100/fcu,old,100=0.140[22]，fcu,old,100=fcu,old,150/0.95[32]，普通混凝土的直剪強(qiáng)度fs,b與棱柱體橫截面邊長(zhǎng)b的定量關(guān)系為fs,b/fs,150=4.796b?0.32[26]，由此可計(jì)算得fs,old,300=5.01 MPa。

表6 試件直剪強(qiáng)度計(jì)算值與試驗(yàn)值的比較Table6 Comparison of calculated and test values of direct shear strengths of specimens

從表6可以看出，用非線性組合公式(3)預(yù)測(cè)自密實(shí)再生塊體混凝土棱柱體的直剪強(qiáng)度的計(jì)算結(jié)果誤差在13%以內(nèi)，與線性公式計(jì)算結(jié)果相比具有較好精度。

2.3 塊體特征尺寸對(duì)直剪強(qiáng)度的影響

取代率η=30時(shí)，所有試件的直剪強(qiáng)度的實(shí)測(cè)值見表7。圖11為特征尺寸比β介于0.22～0.44時(shí)，自密實(shí)再生塊體混凝土棱柱體的直剪強(qiáng)度fs,com隨廢舊混凝土塊體特征尺寸s的變化情況。圖12更清晰地展示了廢舊混凝土塊體特征尺寸比β對(duì)試件直剪強(qiáng)度的影響。

表7 試件的直剪強(qiáng)度試驗(yàn)值Table7 Test values of direct shear strengths of specimens

圖11 fs,com隨廢舊混凝土塊體特征尺寸s的變化情況Fig.11 Relationship between measured fs,comand characteristic size of DCLs (s)

從圖11～圖12中可知，當(dāng)特征尺寸比β介于0.22～0.44時(shí)，試件的直剪強(qiáng)度隨廢舊混凝土塊體特征尺寸的增大波動(dòng)幅度在±2%以內(nèi)，幾乎呈水平變化，此時(shí)廢舊混凝土塊體特征尺寸對(duì)試件直剪強(qiáng)度的影響不明顯。

圖12 無量綱直剪強(qiáng)度隨廢舊混凝土塊體特征尺寸比β的變化情況Fig.12 Variation of dimensionless shear strengths with characteristic ratio of DCLs (β)

2.4 塊體特征尺寸對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

單軸抗壓試驗(yàn)與雙面直剪試驗(yàn)中試件使用的自密實(shí)新混凝土和廢舊混凝土都屬于同一批且是同一天澆筑的，但因單軸抗壓試驗(yàn)是在雙面直剪試驗(yàn)之后的2個(gè)月才進(jìn)行的，因此新、舊混凝土都有了一定的強(qiáng)度增長(zhǎng)，單軸抗壓試驗(yàn)當(dāng)天實(shí)測(cè)的自密實(shí)新混凝土強(qiáng)度為90.3 MPa，廢舊混凝土強(qiáng)度為52.6 MPa。

取代率η=30%時(shí)，所有試件的抗壓強(qiáng)度的實(shí)測(cè)值分別見表8。圖13為特征尺寸比β介于0.22～0.44時(shí)，自密實(shí)再生塊體混凝土棱柱體的抗壓強(qiáng)度fc,com隨廢舊混凝土塊體特征尺寸s的變化情況。圖14更清晰地展示了廢舊混凝土塊體特征尺寸比β對(duì)試件抗壓強(qiáng)度的影響。

表8 試件的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值Table8 Test values of compressive strengths of specimens

從圖13～圖14可知，當(dāng)特征尺寸比β介于0.22～0.44時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度隨廢舊混凝土塊體特征尺寸的增大波動(dòng)幅度在±3%以內(nèi)，此時(shí)廢舊混凝土塊體特征尺寸對(duì)試件抗壓強(qiáng)度的影響不明顯。

圖13 fc,com隨廢舊混凝土塊體特征尺寸s的變化情況Fig.13 Relationship between measured fc,com and characteristic size of DCLs (s)

圖14 無量綱抗壓強(qiáng)度隨廢舊混凝土塊體特征尺寸比β的變化情況Fig.14 Variation of dimensionless compressive strengths with characteristic ratio of DCLs (β)

取代率η=30%時(shí)，邊長(zhǎng)為300 mm的自密實(shí)再生塊體混凝土棱柱體的軸心抗壓強(qiáng)度fc,com,300的計(jì)算值列于表9。本文對(duì)邊長(zhǎng)為150 mm的高強(qiáng)自密實(shí)新混凝土和廢舊混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了實(shí)測(cè)，邊長(zhǎng)為300 mm的普通強(qiáng)度舊混凝土立方體抗壓強(qiáng)度fcu,old,300=fcu,old,150 /1.15[33]，邊長(zhǎng)300 mm的高強(qiáng)新混凝土立方體抗壓強(qiáng)度fcu,new,300=fcu,new,150/1.06[34]，邊長(zhǎng)為300 mm的普通強(qiáng)度廢舊混凝土立方體抗壓強(qiáng)度和尺寸為300 mm×300 mm×600 mm棱柱體抗壓強(qiáng)度關(guān)系fc,old,300=0.8×fcu,old,300[22]，邊長(zhǎng)為300 mm的高強(qiáng)自密實(shí)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度和尺寸為300 mm×300 mm×600 mm棱柱體抗壓強(qiáng)度關(guān)系fc,old,300=0.98×fcu,old,300[22]。

表9 試件抗壓強(qiáng)度計(jì)算值與試驗(yàn)值的比較Table9 Comparison between calculated and measured compressive strengths of specimens

2.5 直剪強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

所有試件的直剪強(qiáng)度實(shí)測(cè)值fs,com與抗壓強(qiáng)度計(jì)算值fc,com的比值列于表10。從表中可以看出，自密實(shí)再生塊體混凝土的直剪強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度之比，隨著廢棄混凝土塊體取代率和特征尺寸的變化基本上保持不變，剪壓比可近似取值為0.1。

表10 試件直剪強(qiáng)度試驗(yàn)值與抗壓強(qiáng)度計(jì)算值的比值Table10 Ratio of test value of direct shear strength to calculated compressive strength of specimens

2.6 文獻(xiàn)比較

文獻(xiàn)[26]針對(duì)普通高強(qiáng)新混凝土和普通強(qiáng)度廢舊混凝土混合澆筑而成的再生塊體混凝土的直剪性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。表11對(duì)該文獻(xiàn)與本文的研究進(jìn)行了對(duì)比。從表中可以看出：

表11 本文與文獻(xiàn)[26]的比較Table11 Comparison between this paper and literature [26]

1)本文所用的新混凝土為高強(qiáng)自密實(shí)混凝土，而文獻(xiàn)[26]所用的新混凝土為普通高強(qiáng)混凝土，廢舊混凝土均為普通混凝土，新、舊混凝土強(qiáng)度差分別為32.2 MPa和39.1 MPa。

2)當(dāng)抗壓強(qiáng)度接近時(shí)，自密實(shí)混凝土的直剪強(qiáng)度要略低于普通混凝土的直剪強(qiáng)度，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是因?yàn)橥饧袅χ饕晒橇媳旧怼⒐橇匣ユi和骨料與砂漿間的咬合力決定，而自密實(shí)混凝土使用的粗骨料較普通混凝土粗骨料粒徑更小且形狀更為規(guī)整，這在一定程度上降低了骨料與砂漿間的咬合作用，同時(shí)也降低了骨料互鎖現(xiàn)象的發(fā)生概率。

3)當(dāng)新舊混凝土強(qiáng)度差相差不大時(shí)，自密實(shí)再生塊體混凝土的直剪強(qiáng)度普遍略低于再生塊體混凝土的直剪強(qiáng)度，進(jìn)一步使得采用非線性公式預(yù)測(cè)自密實(shí)再生塊體混凝土的直剪強(qiáng)度較線性公式精度高，這主要是由于自密實(shí)新混凝土的直剪強(qiáng)度較普通混凝土的直剪強(qiáng)度略低的緣故。

4)自密實(shí)再生塊體混凝土的剪壓強(qiáng)度比與普通再生塊體混凝土的剪壓強(qiáng)度比非常接近，排除試驗(yàn)等一些客觀因素的影響，可認(rèn)為二者近似相等。

3 結(jié)論

本文開展了29個(gè)自密實(shí)再生塊體混凝土棱柱體試件的雙面直剪試驗(yàn)和單軸受壓試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

(1)試件的直剪破壞面較為平整，自密實(shí)再生塊體混凝土內(nèi)的自密實(shí)新混凝土和廢舊混凝土塊體粘接情況良好。

(2)自密實(shí)新混凝土強(qiáng)度高于廢舊混凝土?xí)r，自密實(shí)再生塊體混凝土試件直剪強(qiáng)度因再生塊體的摻入而劣化，試件的直剪強(qiáng)度可根據(jù)式(3)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

(3)塊體特征尺寸比介于0.22～0.44時(shí)，塊體特征尺寸對(duì)自密實(shí)再生塊體混凝土的直剪強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的影響不明顯，可以近似忽略。

(4)自密實(shí)再生塊體混凝土的直剪強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度之比，隨著廢棄混凝土塊體取代率和特征尺寸的變化基本上保持不變，剪壓比近似可取為0.1。

(5)再生塊體混凝土中，當(dāng)新、舊混凝土抗壓強(qiáng)度或強(qiáng)度差接近時(shí)，自密實(shí)混凝土直剪強(qiáng)度略低于普通混凝土直剪強(qiáng)度，采用非線性公式計(jì)算自密實(shí)再生塊體混凝土直剪強(qiáng)度比線性公式精度更高。

(6)自密實(shí)再生塊體混凝土的剪壓比與普通再生塊體混凝土的十分接近，可近似認(rèn)為二者相等。