碎黏土磚粗骨料再生混凝土的強(qiáng)度指標(biāo)換算

陳 萌，寧永勝，馮國(guó)賓

(鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450002)

碎黏土磚粗骨料再生混凝土的強(qiáng)度指標(biāo)換算

陳 萌，寧永勝，馮國(guó)賓

(鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450002)

對(duì)凈水灰比0.45，不同碎黏土磚粗骨料取代率(0，20%，30%和50%)，不同齡期(3，7，14和28 d)的144個(gè)再生混凝土試件分別進(jìn)行了立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗拉強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析得出碎黏土磚粗骨料再生混凝土立方體試件抗壓強(qiáng)度隨齡期和粗骨料取代率的變化公式，并分別給出了碎黏土磚粗骨料再生混凝土各齡期軸心抗拉強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度，劈裂抗拉強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度，以及軸心抗拉強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度的換算關(guān)系。

再生混凝土 碎黏土磚 粗骨料 立方體抗壓強(qiáng)度 軸心抗拉強(qiáng)度 劈裂抗拉強(qiáng)度

普通混凝土涉及到砂石等自然資源的過(guò)量開(kāi)采、高能耗和廢舊再處理的問(wèn)題。此外，地震和城市拆遷等產(chǎn)生的建筑垃圾也對(duì)環(huán)境帶來(lái)了較大的負(fù)面影響，上述問(wèn)題推動(dòng)了建筑垃圾的再利用。為此，研究人員就建筑垃圾的再循環(huán)利用展開(kāi)了多方面的研究［1-4］，以破碎的再生混凝土骨料代替天然骨料制成的再生混凝土為主要研究對(duì)象，深入研究吸水率、再生混凝土骨料的形狀和尺寸、雜質(zhì)和化學(xué)成分等對(duì)再生混凝土特性的影響［5-6］。

隨著大量研究工作的開(kāi)展和現(xiàn)代混凝土技術(shù)的進(jìn)步，再生混凝土被廣泛應(yīng)用于多層房屋結(jié)構(gòu)工程中。除了廢棄混凝土骨料，碎黏土磚粗骨料也是建筑垃圾的主要成分之一。和再生混凝土骨料相比，其吸水率大，強(qiáng)度低，所含雜質(zhì)較多，因而，其尚未當(dāng)作一種良好的再生循環(huán)材料。近年來(lái)，我國(guó)和歐美國(guó)家對(duì)碎黏土磚骨料再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度等力學(xué)性能進(jìn)行了研究，而對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和軸心抗拉強(qiáng)度等強(qiáng)度指標(biāo)之間的換算關(guān)系研究較少［7-8］。為了加快碎黏土磚粗骨料的循環(huán)再利用進(jìn)程，使其盡早應(yīng)用于道路工程和房屋結(jié)構(gòu)工程中，本文對(duì)凈水灰比一定，不同碎黏土磚粗骨料取代率(0，20%，30%和 50%)，不同齡期(3，7，14和28 d)的再生混凝土試件分別進(jìn)行了立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗拉強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，探討了碎黏土磚粗骨料再生混凝土各齡期的強(qiáng)度指標(biāo)之間的換算關(guān)系。

1 碎黏土磚粗骨料再生混凝土的配合比

碎黏土磚粗骨料抗壓強(qiáng)度符合 MU10的規(guī)定要求，碎黏土磚粗骨料和天然骨料的主要技術(shù)性能指標(biāo)如表1所示。再生混凝土中砂的表觀密度為2 640 kg/m3，含水率為1%;32.5級(jí)水泥的密度為3.1 g/cm3。

表1 碎黏土磚骨料與天然骨料的主要技術(shù)指標(biāo)

4組試樣分別編號(hào)為 R0，R20，R30和 R50(碎黏土磚粗骨料取代率分別為0，20%，30%和50%)，4組的凈水灰比均為0.45，再生混凝土目標(biāo)強(qiáng)度等級(jí)為C30，配合比設(shè)計(jì)如表2所示［9］。

表2 碎黏土磚粗骨料再生混凝土的配合比設(shè)計(jì) kg/m3

2 碎黏土磚粗骨料再生混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)

2.1 立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

對(duì)4種不同齡期(3，7，14和28 d)，4種不同碎黏土磚粗骨料取代率(0，20%，30%和50%)的混凝土試件(100 mm×100 mm×100 mm)進(jìn)行了立方體抗壓強(qiáng)

度試驗(yàn)，試件16組，每組3個(gè)，共計(jì)48個(gè)試件。試件在壓力試驗(yàn)機(jī)上連續(xù)均勻加載，加荷速度0.5～0.8 MPa/s，測(cè)得試件的破壞荷載?？紤]尺寸換算系數(shù)0.95，由式(1)求得混凝土立方體試件的抗壓強(qiáng)度。

式中:fcu為混凝土立方體試件抗壓強(qiáng)度，MPa;F為試件破壞荷載，N;A為試件承壓面積，mm2。

2.2 軸心抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

軸心受拉試件尺寸100 mm×100 mm×380 mm，其兩端截面中心位置處各預(yù)埋一根長(zhǎng)230 mm直徑12 mm的HRB335鋼筋。在試模的左右端部各依次設(shè)置20 mm厚泡沫塊、100 mm×100 mm瓷磚、50 mm厚泡沫塊和100 mm×100 mm瓷磚，在泡沫塊和瓷磚的中心位置預(yù)埋鋼筋，以保證兩端預(yù)埋鋼筋同心且與試件的中線重合，如圖1所示。

圖1 軸心受拉試件

對(duì)4種不同齡期(3，7，14和28 d)，4種不同碎黏土磚粗骨料取代率(0，20%，30%和50%)的混凝土試件進(jìn)行了軸心抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，試件有16組，每組3個(gè)，共計(jì)48個(gè)試件。

試件澆注并養(yǎng)護(hù)至所需齡期后，在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上連續(xù)均勻加載，加荷速度0.012～0.036 kN/s。

2.3 劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

對(duì)4種不同齡期(3，7，14和28 d)，4種不同碎黏土磚粗骨料取代率(0，20%，30%和50%)的混凝土試件進(jìn)行了劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，試件有16組，每組3個(gè)，共計(jì)48個(gè)試件。

劈裂抗拉試件尺寸150 mm×150 mm×150 mm，在壓力試驗(yàn)機(jī)上連續(xù)均勻加荷，加荷速度0.05～0.08 MPa/s［10］。劈裂抗拉強(qiáng)度按式(2)計(jì)算。

式中:fts為混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度，MPa;F為試件破壞荷載，N;A為試件劈裂面面積，mm2。劈裂抗拉強(qiáng)度計(jì)算精確至0.01 MPa。

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

R0，R20，R30和R50混凝土試件的立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗拉強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表3、表4和表5所示。

表3 立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果 MPa

表4 軸心抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果 MPa

表5 劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果 MPa

3.2 碎黏土磚粗骨料再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度

由表3可知，各個(gè)齡期的碎黏土磚粗骨料再生混凝土抗壓強(qiáng)度低于天然混凝土(粗骨料取代率為0)。齡期一定時(shí)隨著取代率的增大，相應(yīng)的抗壓強(qiáng)度隨之減小。與天然混凝土相比，在28 d齡期時(shí)，粗骨料取代率20%，30%和50%的立方體抗壓強(qiáng)度分別下降15%，18%和24%，與文獻(xiàn)［8］給出的下降20%結(jié)果相一致。

基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，回歸得出碎黏土磚粗骨料再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度隨齡期和碎磚粗骨料取代率的變化公式為

式中:fcRu(t)為齡期t的再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度，MPa;t為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期，d;x為碎磚粗骨料取代率;fcu28為齡期28 d的天然混凝土立方體抗壓強(qiáng)度。

48個(gè)立方體試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)與公式(3)計(jì)算值之比的平均值μ=1.008，標(biāo)準(zhǔn)方差σ=0.053，變異系數(shù)δ=0.052，試驗(yàn)樣本數(shù)n=48。

3.3 碎黏土磚粗骨料再生混凝土軸心抗拉強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的換算

對(duì)于不同碎黏土磚粗骨料取代率的再生混凝土，隨著齡期的增加，在抗壓強(qiáng)度增加的同時(shí)，其軸心抗拉強(qiáng)度也隨之增加，但增加的速率逐漸減小。當(dāng)碎黏土磚粗骨料取代率為20%時(shí)，隨著齡期的增加，軸心抗

拉強(qiáng)度也由1.35，1.72，2.00 MPa，逐漸增加到2.17 MPa，但軸心抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度之比則由 0.108，0.088，0.078逐漸減小到0.073［11］。

基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，回歸得出各齡期碎磚粗骨料再生混凝土軸心抗拉強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的換算公式(4)。公式(4)擬合優(yōu)度的確定系數(shù)為0.942。

式中:ftR(t)為齡期 t的再生混凝土軸心抗拉強(qiáng)度，MPa。

3.4 碎黏土磚粗骨料再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的換算

碎黏土磚粗骨料再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系見(jiàn)圖2。對(duì)于不同碎黏土磚粗骨料取代率的再生混凝土，抗壓強(qiáng)度增加的同時(shí)，其劈裂抗拉強(qiáng)度也隨之增加，但增加的速率逐漸減小。對(duì)于不同碎黏土磚粗骨料取代率的再生混凝土，其3，7，14和28 d的劈裂抗拉強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度之比則由0.097，0.084，0.074逐漸減小到0.072。

圖2 劈拉強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，回歸得出各齡期碎磚粗骨料再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度的換算公式(5)。公式(5)擬合優(yōu)度的確定系數(shù)為0.966。

式中:ftRs(t)為齡期 t的再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度，MPa。

3.5 碎黏土磚粗骨料再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度與軸心抗拉強(qiáng)度的換算

對(duì)于不同碎黏土磚粗骨料取代率的再生混凝土，3 d齡期時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度均低于軸心抗拉強(qiáng)度;隨著齡期的增長(zhǎng)，劈裂抗拉強(qiáng)度與軸心抗拉強(qiáng)度的比值逐漸增加。28 d齡期時(shí)，4種取代率(0，20%，30%和50%)再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度與軸心抗拉強(qiáng)度之比分別為1.02，1.00，0.99和0.99。

基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，回歸得出各齡期劈裂抗拉強(qiáng)度與軸心抗拉強(qiáng)度之比與齡期的換算公式(6)。公式(6)擬合優(yōu)度的確定系數(shù)為0.879。

4 結(jié)論

對(duì)4種碎黏土磚粗骨料取代率的再生混凝土試件分別進(jìn)行了4個(gè)齡期的抗壓強(qiáng)度、軸心抗拉強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，得出了以下結(jié)論:

1)從碎黏土磚粗骨料再生混凝土的強(qiáng)度及工作性?xún)蓚€(gè)方面考慮，建議道路工程和房屋結(jié)構(gòu)工程碎磚粗骨料取代率控制在30%(含)以下。

2)回歸得出碎黏土磚粗骨料再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度隨齡期和碎磚粗骨料取代率的變化公式。

3)給出了各齡期碎磚粗骨料再生混凝土軸心抗拉強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度，以及各齡期碎黏土磚粗骨料再生混凝土軸心抗拉強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度之間的換算公式。

［1］肖建莊，蘭陽(yáng).再生混凝土單軸受拉性能試驗(yàn)研究［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2006(2):154-159.

［2］肖建莊，李佳彬.再生混凝土強(qiáng)度指標(biāo)之間換算關(guān)系的研究［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2005(2):197-201.

［3］YANG J.DU Q.BAO Y W.Concrete with Concrete Aggregate and Crushed Clay Bricks［J］.Construction and Building Materials，2011，25(4):1935-1945.

［4］RAHAL K.Mechanical Properties of Concrete with Recycled Coarse Aggregate［J］.Building Environment，2007，42(1): 407-415.

［5］NIXON P J.The Use of Materials from Demolition in Construction［J］.Resources Policy，1976，2(4):276-283.

［6］XIAO J Z.LI J B.ZHANG C.On Relationships between the Mechanical Properties of Recycled Aggregate Concrete:An O-verview［J］.Materials and Structures，2006，39(6):655-664.

［7］宗蘭，余倩，張士萍，等.碎磚類(lèi)骨料再生混凝土的力學(xué)性能研究［J］.混凝土，2013(6):52-54.

［8］DEBIEB F.KENAI S.The Use of Coarse and Fine Crushed Bricks as Aggregate in Concrete［J］.Construction and Building Materials，2008，22(5):886-893.

［9］陳萌，畢蘇萍.廢棄碎磚再生混凝土配合比設(shè)計(jì)與早期強(qiáng)度試驗(yàn)［J］.混凝土與水泥制品，2014(4):87-89.

［10］中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB/T 50081—2002 普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方法［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003.

［11］金昌，王雪萍，AKINKUROLERE O O.再生混凝土力學(xué)性能指標(biāo)換算關(guān)系試驗(yàn)研究［J］.混凝土，2008(11):37-39.

(責(zé)任審編 葛全紅)

TU528.1

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.09.33

2015-01-20;

:2015-07-20

陳萌(1969— )，女，河北吳橋人，教授，博士。

1003-1995(2015)09-0118-03