再生粗骨料取代率對再生保溫混凝土360 d齡期內(nèi)強(qiáng)度的影響

尚壯壯，劉元珍，高宇璇，王朝旭

(太原理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，山西 太原 030024)

玻化微珠再生保溫混凝土作為一種集保溫隔熱和承重于一體的新型綠色建筑材料對于構(gòu)建節(jié)約型社會有重大意義.近年以來，為了推廣?；⒅樵偕鼗炷恋膹V泛應(yīng)用，國內(nèi)學(xué)者對其材料性能、力學(xué)性能以及它在裝配式建筑中的應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究[1-6].然而關(guān)于再生保溫混凝土長齡期抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)研究卻相對匱乏.

混凝土長齡期強(qiáng)度是混凝土長期性能的重要組成部分，相較于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的抗壓強(qiáng)度，360 d齡期內(nèi)強(qiáng)度更能真實(shí)反應(yīng)混凝土的后期強(qiáng)度，對結(jié)構(gòu)安全承載更為重要.肖建莊[7-8]等人對再生混凝土長齡期強(qiáng)度進(jìn)行了研究，其結(jié)果表明：再生混凝土的長齡期立方體抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律與普通混凝土保持一致，但再生混凝土的后期強(qiáng)度增長率遠(yuǎn)大于普通混凝土.王永貴[9]等研究表明在再生混凝土中添加適量纖維可以有效促進(jìn)其早中期抗壓強(qiáng)度的提高，但對其90 d強(qiáng)度的影響較小.成國耀、陳宗平[10-11]等人通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：再生混凝土長齡期棱柱體抗壓強(qiáng)度比標(biāo)準(zhǔn)齡期實(shí)測值平均提高了16.8%.

再生骨料取代率是影響混凝土長齡期強(qiáng)度的重要因素之一.相關(guān)研究表明，再生骨料取代率越高，混凝土28 d抗壓強(qiáng)度越低，但再生混凝土后期會獲得較大的強(qiáng)度增量[12-14].肖建莊等[15]基于試驗(yàn)結(jié)果提出了基于再生粗骨料取代率的再生混凝土長期強(qiáng)度預(yù)測公式.而國內(nèi)關(guān)于再生粗骨料取代率對再生保溫混凝土的360 d齡期內(nèi)強(qiáng)度影響規(guī)律的研究匱乏，因此本文針對這一問題，展開了一系列研究.

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

天然粗骨料：試驗(yàn)采用粒徑為4.74～9.6 mm和9.6～20 mm的天然碎石，并按1∶1的比例將兩種粒徑的骨料混合.其物理性質(zhì)見表1.

再生粗骨料：取自邯鄲市某生態(tài)公司，由廢棄混凝土破碎處理后所得，其級配曲線如圖1所示.

圖1 再生粗骨料級配曲線圖

細(xì)骨料：本試驗(yàn)采用河砂，通過試驗(yàn)測得細(xì)度模數(shù)為2.5，粒徑為0.074～4.74 mm，其他物理性質(zhì)見表1.

表1 骨料的物理性質(zhì)

水泥：標(biāo)號為P.O 42.5普通硅酸鹽水泥.其物理性質(zhì)見表2.

硅灰：四川某硅灰廠生產(chǎn)的高性能硅灰.相關(guān)物理性質(zhì)見表2.

表2 水泥和硅灰的物理性質(zhì)

保溫骨料：選擇?；⒅樽鳛楸毓橇?其相關(guān)物理性質(zhì)見表3.

表3 ?；⒅槲锢硇再|(zhì)

1.2 配合比設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用課題組之前提出的C35最優(yōu)配合比，以再生粗骨料取代率(采用體積取代的方式來計(jì)算)為控制參數(shù)，分別設(shè)置了0%、50%、100%三種取代率，對應(yīng)的試件編號分別為：RATIC-0、RATIC-50、RATIC-100，并設(shè)置普通混凝土(NC)為試驗(yàn)對照組.

表4 混凝土配合比

1.3 試件設(shè)計(jì)

為了進(jìn)行360 d齡期內(nèi)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，本試驗(yàn)共制作156個試件，分為4組.具體試件設(shè)計(jì)如表5所示.

表5 試件的尺寸和數(shù)量

1.4 試驗(yàn)方法與試驗(yàn)設(shè)備

混凝土立方體及棱柱體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)均根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》(GB/T500 81)的規(guī)定進(jìn)行，取三塊試件所測得的均值作為該配比下再生保溫混凝土的抗壓強(qiáng)度值.試驗(yàn)所用的設(shè)備是200 0 kN微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī).

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 360 d齡期內(nèi)立方體抗壓強(qiáng)度結(jié)果及分析

本文針對4組不同配合比的混凝土試件進(jìn)行了360 d齡期內(nèi)立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示.

圖2 不同再生粗骨料取代率混凝土立方體抗壓強(qiáng)度

由圖2可知，再生保溫混凝土的360 d齡期內(nèi)抗壓強(qiáng)度隨著再生粗骨料取代率的增大而減小.分析其原因可能是：新舊砂漿界面區(qū)域的微裂縫較多，隨著荷載增大，界面區(qū)的微裂縫擴(kuò)展延伸，使混凝土破壞；再生粗骨料表面附著有舊水泥砂漿，而新舊水泥砂漿之間的粘結(jié)力小于粗骨料與新水泥砂漿之間的粘結(jié)力，導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度降低；在破碎過程中再生粗骨料內(nèi)部會產(chǎn)生較多的裂縫和空隙，混凝土內(nèi)部空隙率增大，導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度減小.

在28 d齡期時，RATIC-0的立方體抗壓強(qiáng)度值比RATIC-100高17.9%，RATIC-50比RATIC-100高9.9%；在120 d齡期時，RATIC-0的立方體抗壓強(qiáng)度值比RATIC-100高17.5%，RATIC-50比RATIC-100高9%；在150 d齡期時，RATIC-0的立方體抗壓強(qiáng)度值比RATIC-100高10.9%，RATIC-50比RATIC-100高6.8%；在360 d齡期時，RATIC-0的立方體抗壓強(qiáng)度值比RATIC-100高8.9%，RATIC-50比RATIC-100高4.3%.由此可見，齡期越長，RATIC-100后期抗壓強(qiáng)度增長速度更快，增長速率超過了RATIC-0和RATIC-50，再生粗骨料中附著的未水化水泥顆粒進(jìn)一步水化反應(yīng)促進(jìn)了再生保溫混凝土強(qiáng)度的后期增長.

在28 d、120 d、360 d三個齡期時，RATIC-100的立方體抗壓強(qiáng)度分別是NC的70.2%、74.7%、81%.可以看出，雖然再生粗骨料的加入降低了混凝土的早期強(qiáng)度，但隨著齡期延長，再生保溫混凝土的后期強(qiáng)度增長潛力更高.這是因?yàn)樵偕止橇媳砻娓街呐f砂漿中仍有未水化的水泥，其在長達(dá)360 d齡期內(nèi)進(jìn)一步發(fā)生了水化反應(yīng)，增加了混凝土粘結(jié)性能，從而增大了混凝土強(qiáng)度.

由圖3可知，隨著齡期增長，不同配合比的試件混凝土齡期系數(shù)均出現(xiàn)逐漸增長的趨勢.在整個強(qiáng)度增長過程中，RATIC-50的齡期系數(shù)大于RATIC-0；90 d之后，RATIC-100的齡期系數(shù)增長速度迅速提高，逐漸超過RATIC-0、RATIC-50.與NC比較發(fā)現(xiàn)，RATIC-0、RATIC-50、RATIC-100的齡期系數(shù)均大于NC，當(dāng)齡期為360 d時，它們齡期系數(shù)分別比NC高6.78%、16.9%、15.3%.可以看出，再生粗骨料越多，再生保溫混凝土后期抗壓強(qiáng)度增長速率越快.這是因?yàn)樵偕止橇仙细街奈此乃囝w粒在360 d齡期期間進(jìn)一步發(fā)生水化反應(yīng)，從而提高了混凝土抗壓強(qiáng)度.

圖3 不同再生粗骨料取代率的混凝土齡期系數(shù)

2.2 棱柱體抗壓強(qiáng)度結(jié)果及分析

試驗(yàn)測得的不同再生粗骨料取代率的28 d棱柱體抗壓強(qiáng)度以及立方體抗壓強(qiáng)度結(jié)果見圖4.

圖4 棱柱體抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度

由圖4可知，RATIC-0的棱柱體抗壓強(qiáng)度比NC低19%，比RATIC-50高2%，比RATIC-100高4%，由此可見隨再生粗骨料摻量的增加，混凝土的棱柱體抗壓強(qiáng)度減小，這與上文中立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)所得結(jié)論一致.在同一試驗(yàn)條件下，再生保溫混凝土立方體抗壓強(qiáng)度大于棱柱體抗壓強(qiáng)度，符合混凝土尺寸效應(yīng).

2.3 再生保溫混凝土360 d齡期內(nèi)強(qiáng)度預(yù)測模型

本文將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與根據(jù)歐洲CEB-FIP MODEL CODE 1990規(guī)范[16]給出的EC2模型計(jì)算所得結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果如圖5所示.

圖5 試驗(yàn)實(shí)測值與EC2模型預(yù)測值

通過計(jì)算可知，NC的360 d齡期內(nèi)強(qiáng)度實(shí)測曲線與EC2模型曲線的線性回歸判定系數(shù)為0.955，RATIC-0的線性回歸判定系數(shù)為0.885，RATIC-100的線性回歸判定系數(shù)為0.754，可見EC2模型曲線與普通混凝土360 d齡期內(nèi)強(qiáng)度實(shí)測曲線擬合度較高，而與保溫混凝土、再生保溫混凝土強(qiáng)度曲線擬合度較低，哈爾濱工業(yè)大學(xué)王慶賀[17]的研究表明EC2可以準(zhǔn)確預(yù)測再生混凝土長齡期抗壓強(qiáng)度.由此可知，EC模型適用于普通混凝土、再生混凝土360 d齡期內(nèi)強(qiáng)度預(yù)測，而對保溫混凝土及再生保溫混凝土360 d齡期內(nèi)強(qiáng)度預(yù)測精度較低.

圖5顯示，在45 d齡期以前，EC2模型對再生保溫混凝土強(qiáng)度預(yù)測精度較高，45 d之后再生保溫混凝土強(qiáng)度的實(shí)測值與EC2模型預(yù)測值之間的差距顯著，這是因?yàn)榍捌诒毓橇衔樟舜罅克郑S著齡期增長不斷釋放水分，促進(jìn)水化反應(yīng)進(jìn)一步發(fā)生從而提高了混凝土強(qiáng)度.因此，本文在EC2模型的基礎(chǔ)上考慮了保溫骨料影響系數(shù)，分齡期對EC2模型進(jìn)行修正.

在本試驗(yàn)中，當(dāng)齡期>45 d時，再生保溫混凝土強(qiáng)度的實(shí)測值與EC2模型預(yù)測值之間的差距顯著，因此，本文以45 d為界限修正該模型，修正后的預(yù)測公式如公式(4)所示.

fcm(t)=βcc(t)fc,28

(1)

(2)

(3)

φa=1+0.472a0.035

(4)

上式中：fcm(t)為加載齡期為t時,混凝土立方體抗壓強(qiáng)度平均值;s為水泥品種對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響系數(shù)，快硬高強(qiáng)型水泥，s=0.2；普通快硬型水泥，s=0.25；緩慢快硬型水泥，s=0.38;βcc(t)為齡期系數(shù);t1為常數(shù)，t=1 d;fc,28為28 d混凝土立方體抗壓強(qiáng)度平均；φa為保溫骨料摻量對混凝土360 d齡期內(nèi)強(qiáng)度的影響修正系數(shù)，a為保溫骨料摻量

根據(jù)修正后的預(yù)測公式計(jì)算混凝土360 d齡期內(nèi)強(qiáng)度值，不同配合比的混凝土的實(shí)測值與模型預(yù)測值的對比曲線如圖6所示.

圖6 試驗(yàn)實(shí)測值與EC2修正模型預(yù)測值

由圖6可知，不同配比的混凝土360 d齡期內(nèi)強(qiáng)度實(shí)測值曲線與修正后的模型預(yù)測值曲線表現(xiàn)出較高的擬合度.通過計(jì)算可知，RATIC-0的360 d齡期內(nèi)強(qiáng)度實(shí)測曲線與修正后模型預(yù)測值曲線的線性回歸判定系數(shù)為0.975，RATIC-50的線性回歸判定系數(shù)為0.955，RATIC-100的線性回歸判定系數(shù)為0.915，均大于0.9，表現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性.由此可見，再生保溫混凝土的360 d齡期內(nèi)抗壓強(qiáng)度可以通過本文提出的修正模型準(zhǔn)確預(yù)測.

3 結(jié)論

本文選取不同再生粗骨料取代率的再生保溫混凝土作為研究對象，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，對立方體抗壓強(qiáng)度、棱柱體抗壓強(qiáng)度以及齡期系數(shù)等試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，提出了適用于再生保溫混凝土的360 d齡期內(nèi)強(qiáng)度預(yù)測模型.本文主要得出以下結(jié)論：

(1)再生粗骨料取代率越大，再生保溫混凝土的360 d齡期內(nèi)抗壓強(qiáng)度越小，而其后期強(qiáng)度增長速度越快.在360 d齡期時，RATIC-100的齡期系數(shù)是RATIC-50的1.01倍，是RATIC-0的1.24倍，可見隨著齡期的增長，再生粗骨料有助于再生保溫混凝土后期強(qiáng)度的增長.

(2)再生粗骨料取代率越大，再生保溫混凝土的棱柱體抗壓強(qiáng)度越小，且在同一試驗(yàn)條件下，棱柱體抗壓強(qiáng)度小于立方體抗壓強(qiáng)度，符合混凝土尺寸效應(yīng).

(3)再生保溫混凝土的360 d齡期內(nèi)抗壓強(qiáng)度可以通過本文基于歐洲EC2強(qiáng)度模型提出的修正模型進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測.本試驗(yàn)中，RATIC-0、RATIC-50、RATIC-100的實(shí)測曲線與修正后的預(yù)測曲線的判定系數(shù)均大于0.9，表現(xiàn)出較高的擬合度.可見，本文提出的修正模型適用于再生保溫混凝土的360 d齡期內(nèi)強(qiáng)度預(yù)測.