再生粗骨料取代率對再生保溫混凝土360 d齡期內強度的影響

尚壯壯，劉元珍，高宇璇，王朝旭

(太原理工大學 土木工程學院，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建節約型社會有重大意義.近年以來，為了推廣玻化微珠再生保溫混凝土的廣泛應用，國內學者對其材料性能、力學性能以及它在裝配式建筑中的應用進行了大量的研究[1-6].然而關于再生保溫混凝土長齡期抗壓強度的試驗研究卻相對匱乏.

混凝土長齡期強度是混凝土長期性能的重要組成部分，相較于標準養護28 d的抗壓強度，360 d齡期內強度更能真實反應混凝土的后期強度，對結構安全承載更為重要.肖建莊[7-8]等人對再生混凝土長齡期強度進行了研究，其結果表明：再生混凝土的長齡期立方體抗壓強度變化規律與普通混凝土保持一致，但再生混凝土的后期強度增長率遠大于普通混凝土.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其早中期抗壓強度的提高，但對其90 d強度的影響較小.成國耀、陳宗平[10-11]等人通過試驗研究發現：再生混凝土長齡期棱柱體抗壓強度比標準齡期實測值平均提高了16.8%.

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

1 試驗方案

1.1 試驗材料

天然粗骨料：試驗采用粒徑為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.其物理性質見表1.

再生粗骨料：取自邯鄲市某生態公司，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

細骨料：本試驗采用河砂，通過試驗測得細度模數為2.5，粒徑為0.074～4.74 mm，其他物理性質見表1.

表1 骨料的物理性質

水泥：標號為P.O 42.5普通硅酸鹽水泥.其物理性質見表2.

硅灰：四川某硅灰廠生產的高性能硅灰.相關物理性質見表2.

表2 水泥和硅灰的物理性質

保溫骨料：選擇玻化微珠作為保溫骨料.其相關物理性質見表3.

表3 玻化微珠物理性質

1.2 配合比設計

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

表4 混凝土配合比

1.3 試件設計

為了進行360 d齡期內抗壓強度試驗，本試驗共制作156個試件，分為4組.具體試件設計如表5所示.

表5 試件的尺寸和數量

1.4 試驗方法與試驗設備

混凝土立方體及棱柱體抗壓強度試驗均根據《普通混凝土力學性能試驗方法》(GB/T500 81)的規定進行，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度值.試驗所用的設備是200 0 kN微機控制電液伺服萬能試驗機.

2 試驗結果及分析

2.1 360 d齡期內立方體抗壓強度結果及分析

本文針對4組不同配合比的混凝土試件進行了360 d齡期內立方體抗壓強度試驗.試驗結果如圖2所示.

圖2 不同再生粗骨料取代率混凝土立方體抗壓強度

由圖2可知，再生保溫混凝土的360 d齡期內抗壓強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：新舊砂漿界面區域的微裂縫較多，隨著荷載增大，界面區的微裂縫擴展延伸，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力小于粗骨料與新水泥砂漿之間的粘結力，導致混凝土抗壓強度降低；在破碎過程中再生粗骨料內部會產生較多的裂縫和空隙，混凝土內部空隙率增大，導致混凝土抗壓強度減小.

在28 d齡期時，RATIC-0的立方體抗壓強度值比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一步水化反應促進了再生保溫混凝土強度的后期增長.

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度，但隨著齡期延長，再生保溫混凝土的后期強度增長潛力更高.這是因為再生粗骨料表面附著的舊砂漿中仍有未水化的水泥，其在長達360 d齡期內進一步發生了水化反應，增加了混凝土粘結性能，從而增大了混凝土強度.

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均出現逐漸增長的趨勢.在整個強度增長過程中，RATIC-50的齡期系數大于RATIC-0；90 d之后，RATIC-100的齡期系數增長速度迅速提高，逐漸超過RATIC-0、RATIC-50.與NC比較發現，RATIC-0、RATIC-50、RATIC-100的齡期系數均大于NC，當齡期為360 d時，它們齡期系數分別比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度增長速率越快.這是因為再生粗骨料上附著的未水化的水泥顆粒在360 d齡期期間進一步發生水化反應，從而提高了混凝土抗壓強度.

圖3 不同再生粗骨料取代率的混凝土齡期系數

2.2 棱柱體抗壓強度結果及分析

試驗測得的不同再生粗骨料取代率的28 d棱柱體抗壓強度以及立方體抗壓強度結果見圖4.

圖4 棱柱體抗壓強度與立方體抗壓強度

由圖4可知，RATIC-0的棱柱體抗壓強度比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度減小，這與上文中立方體抗壓強度試驗所得結論一致.在同一試驗條件下，再生保溫混凝土立方體抗壓強度大于棱柱體抗壓強度，符合混凝土尺寸效應.

2.3 再生保溫混凝土360 d齡期內強度預測模型

本文將實驗數據與根據歐洲CEB-FIP MODEL CODE 1990規范[16]給出的EC2模型計算所得結果進行對比，結果如圖5所示.

圖5 試驗實測值與EC2模型預測值

通過計算可知，NC的360 d齡期內強度實測曲線與EC2模型曲線的線性回歸判定系數為0.955，RATIC-0的線性回歸判定系數為0.885，RATIC-100的線性回歸判定系數為0.754，可見EC2模型曲線與普通混凝土360 d齡期內強度實測曲線擬合度較高，而與保溫混凝土、再生保溫混凝土強度曲線擬合度較低，哈爾濱工業大學王慶賀[17]的研究表明EC2可以準確預測再生混凝土長齡期抗壓強度.由此可知，EC模型適用于普通混凝土、再生混凝土360 d齡期內強度預測，而對保溫混凝土及再生保溫混凝土360 d齡期內強度預測精度較低.

圖5顯示，在45 d齡期以前，EC2模型對再生保溫混凝土強度預測精度較高，45 d之后再生保溫混凝土強度的實測值與EC2模型預測值之間的差距顯著，這是因為前期保溫骨料吸收了大量水分，隨著齡期增長不斷釋放水分，促進水化反應進一步發生從而提高了混凝土強度.因此，本文在EC2模型的基礎上考慮了保溫骨料影響系數，分齡期對EC2模型進行修正.

在本試驗中，當齡期>45 d時，再生保溫混凝土強度的實測值與EC2模型預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度平均值;s為水泥品種對混凝土抗壓強度的影響系數，快硬高強型水泥，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;t1為常數，t=1 d;fc,28為28 d混凝土立方體抗壓強度平均；φa為保溫骨料摻量對混凝土360 d齡期內強度的影響修正系數，a為保溫骨料摻量

根據修正后的預測公式計算混凝土360 d齡期內強度值，不同配合比的混凝土的實測值與模型預測值的對比曲線如圖6所示.

圖6 試驗實測值與EC2修正模型預測值

由圖6可知，不同配比的混凝土360 d齡期內強度實測值曲線與修正后的模型預測值曲線表現出較高的擬合度.通過計算可知，RATIC-0的360 d齡期內強度實測曲線與修正后模型預測值曲線的線性回歸判定系數為0.975，RATIC-50的線性回歸判定系數為0.955，RATIC-100的線性回歸判定系數為0.915，均大于0.9，表現出較強的相關性.由此可見，再生保溫混凝土的360 d齡期內抗壓強度可以通過本文提出的修正模型準確預測.

3 結論

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，進行抗壓強度試驗，對立方體抗壓強度、棱柱體抗壓強度以及齡期系數等試驗結果進行分析，提出了適用于再生保溫混凝土的360 d齡期內強度預測模型.本文主要得出以下結論：

(1)再生粗骨料取代率越大，再生保溫混凝土的360 d齡期內抗壓強度越小，而其后期強度增長速度越快.在360 d齡期時，RATIC-100的齡期系數是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度越小，且在同一試驗條件下，棱柱體抗壓強度小于立方體抗壓強度，符合混凝土尺寸效應.

(3)再生保溫混凝土的360 d齡期內抗壓強度可以通過本文基于歐洲EC2強度模型提出的修正模型進行準確預測.本試驗中，RATIC-0、RATIC-50、RATIC-100的實測曲線與修正后的預測曲線的判定系數均大于0.9，表現出較高的擬合度.可見，本文提出的修正模型適用于再生保溫混凝土的360 d齡期內強度預測.