碎黏土磚粗骨料再生混凝土的強度指標換算

陳 萌，寧永勝，馮國賓

(鄭州大學 土木工程學院，河南 鄭州 450002)

碎黏土磚粗骨料再生混凝土的強度指標換算

陳 萌，寧永勝，馮國賓

(鄭州大學 土木工程學院，河南 鄭州 450002)

對凈水灰比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個再生混凝土試件分別進行了立方體抗壓強度、軸心抗拉強度和劈裂抗拉強度試驗，基于試驗數據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度與立方體抗壓強度，劈裂抗拉強度與立方體抗壓強度，以及軸心抗拉強度與劈裂抗拉強度的換算關系。

再生混凝土 碎黏土磚 粗骨料 立方體抗壓強度 軸心抗拉強度 劈裂抗拉強度

普通混凝土涉及到砂石等自然資源的過量開采、高能耗和廢舊再處理的問題。此外，地震和城市拆遷等產生的建筑垃圾也對環境帶來了較大的負面影響，上述問題推動了建筑垃圾的再利用。為此，研究人員就建筑垃圾的再循環利用展開了多方面的研究［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象，深入研究吸水率、再生混凝土骨料的形狀和尺寸、雜質和化學成分等對再生混凝土特性的影響［5-6］。

隨著大量研究工作的開展和現代混凝土技術的進步，再生混凝土被廣泛應用于多層房屋結構工程中。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，強度低，所含雜質較多，因而，其尚未當作一種良好的再生循環材料。近年來，我國和歐美國家對碎黏土磚骨料再生混凝土立方體抗壓強度、抗折強度等力學性能進行了研究，而對立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度和軸心抗拉強度等強度指標之間的換算關系研究較少［7-8］。為了加快碎黏土磚粗骨料的循環再利用進程，使其盡早應用于道路工程和房屋結構工程中，本文對凈水灰比一定，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行了立方體抗壓強度、軸心抗拉強度和劈裂抗拉強度試驗，探討了碎黏土磚粗骨料再生混凝土各齡期的強度指標之間的換算關系。

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度符合 MU10的規定要求，碎黏土磚粗骨料和天然骨料的主要技術性能指標如表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指標

4組試樣分別編號為 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，再生混凝土目標強度等級為C30，配合比設計如表2所示［9］。

表2 碎黏土磚粗骨料再生混凝土的配合比設計 kg/m3

2 碎黏土磚粗骨料再生混凝土強度試驗

2.1 立方體抗壓強度試驗

對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)進行了立方體抗壓強

度試驗，試件16組，每組3個，共計48個試件。試件在壓力試驗機上連續均勻加載，加荷速度0.5～0.8 MPa/s，測得試件的破壞荷載。考慮尺寸換算系數0.95，由式(1)求得混凝土立方體試件的抗壓強度。

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

2.2 軸心抗拉強度試驗

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埋一根長230 mm直徑12 mm的HRB335鋼筋。在試模的左右端部各依次設置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埋鋼筋，以保證兩端預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%)的混凝土試件進行了軸心抗拉強度試驗，試件有16組，每組3個，共計48個試件。

試件澆注并養護至所需齡期后，在萬能試驗機上連續均勻加載，加荷速度0.012～0.036 kN/s。

2.3 劈裂抗拉強度試驗

對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%)的混凝土試件進行了劈裂抗拉強度試驗，試件有16組，每組3個，共計48個試件。

劈裂抗拉試件尺寸150 mm×150 mm×150 mm，在壓力試驗機上連續均勻加荷，加荷速度0.05～0.08 MPa/s［10］。劈裂抗拉強度按式(2)計算。

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

3 結果與分析

3.1 試驗結果

R0，R20，R30和R50混凝土試件的立方體抗壓強度、軸心抗拉強度和劈裂抗拉強度試驗結果如表3、表4和表5所示。

表3 立方體抗壓強度試驗結果 MPa

表4 軸心抗拉強度試驗結果 MPa

表5 劈裂抗拉強度試驗結果 MPa

3.2 碎黏土磚粗骨料再生混凝土立方體抗壓強度

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

基于試驗數據，回歸得出碎黏土磚粗骨料再生混凝土立方體抗壓強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度，MPa;t為標準養護齡期，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度。

48個立方體試件抗壓強度試驗數據與公式(3)計算值之比的平均值μ=1.008，標準方差σ=0.053，變異系數δ=0.052，試驗樣本數n=48。

3.3 碎黏土磚粗骨料再生混凝土軸心抗拉強度與立方體抗壓強度的換算

對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，在抗壓強度增加的同時，其軸心抗拉強度也隨之增加，但增加的速率逐漸減小。當碎黏土磚粗骨料取代率為20%時，隨著齡期的增加，軸心抗

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

基于試驗數據，回歸得出各齡期碎磚粗骨料再生混凝土軸心抗拉強度與立方體抗壓強度的換算公式(4)。公式(4)擬合優度的確定系數為0.942。

式中:ftR(t)為齡期 t的再生混凝土軸心抗拉強度，MPa。

3.4 碎黏土磚粗骨料再生混凝土劈裂抗拉強度與立方體抗壓強度的換算

碎黏土磚粗骨料再生混凝土的劈裂抗拉強度與立方體抗壓強度之間的關系見圖2。對于不同碎黏土磚粗骨料取代率的再生混凝土，抗壓強度增加的同時，其劈裂抗拉強度也隨之增加，但增加的速率逐漸減小。對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的劈裂抗拉強度與立方體抗壓強度之比則由0.097，0.084，0.074逐漸減小到0.072。

圖2 劈拉強度與立方體抗壓強度的關系

基于試驗數據，回歸得出各齡期碎磚粗骨料再生混凝土立方體抗壓強度與劈裂抗拉強度的換算公式(5)。公式(5)擬合優度的確定系數為0.966。

式中:ftRs(t)為齡期 t的再生混凝土劈裂抗拉強度，MPa。

3.5 碎黏土磚粗骨料再生混凝土劈裂抗拉強度與軸心抗拉強度的換算

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

基于試驗數據，回歸得出各齡期劈裂抗拉強度與軸心抗拉強度之比與齡期的換算公式(6)。公式(6)擬合優度的確定系數為0.879。

4 結論

對4種碎黏土磚粗骨料取代率的再生混凝土試件分別進行了4個齡期的抗壓強度、軸心抗拉強度和劈裂抗拉強度試驗，得出了以下結論:

1)從碎黏土磚粗骨料再生混凝土的強度及工作性兩個方面考慮，建議道路工程和房屋結構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度與立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度與立方體抗壓強度，以及各齡期碎黏土磚粗骨料再生混凝土軸心抗拉強度與劈裂抗拉強度之間的換算公式。

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(責任審編 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