再生粗骨料對混凝土抗壓強(qiáng)度影響的試驗分析

曾 洋，程馬遙 *，楊 虹，平 樂

（1. 佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院土木系 交通與土木建筑學(xué)院，廣東 佛山528000；2. 廣東佛盈匯建工程管理有限公司，廣東 佛山528000）

據(jù)有關(guān)調(diào)查顯示［1-2］，我國年完工建筑面積在全世界建筑面積中約占50%，約合20 億m2。除此之外，老舊建筑拆除導(dǎo)致廢棄混凝土的數(shù)量日漸增長。預(yù)計2020 年中國約有300 億m2的新建筑建成，同時會有高達(dá)134 億t 的建筑廢棄物產(chǎn)生［3］。雖然再生骨料來源廣泛易得，但加入了建筑廢料制作的再生混凝土卻在性質(zhì)上呈現(xiàn)出多樣化［4-5］，在不同粗骨料摻量影響下其力學(xué)性能也發(fā)生了較大差異［6-7］。

為了得到不同再生粗骨料替代率下混凝土的性能發(fā)展規(guī)律，試驗設(shè)置了C30 和C40 兩個不同強(qiáng)度指標(biāo)，在不同強(qiáng)度指標(biāo)下以再生粗骨料替代率為研究變量細(xì)分為6 個替代率小組（0、20%、40%、60%、80%、100%）。通過對再生混凝土立方體進(jìn)行抗壓試驗結(jié)果的整理分析，得到了不同再生粗骨料替代率下再生混凝土抗壓強(qiáng)度的關(guān)系式，其抗壓強(qiáng)度規(guī)律可在相關(guān)建筑廢料利用中提供理論參考。

1 再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗

1.1 試驗材料

試驗用再生粗骨料來源于原強(qiáng)度為C30 和C40 的拆除舊橋廢棄混凝土，且C30 廢料的品質(zhì)品相較好，表1 所示為再生骨料與普通天然碎石按照GB/T14685－2011《建設(shè)用卵石、碎石》［8］規(guī)定進(jìn)行的分組基本性質(zhì)測定，如當(dāng)粗骨料的粒徑在4.75～31.5 mm 的范圍內(nèi)時，壓碎指數(shù)與吸水率有較大的差異。

表1 粗骨料的基本性質(zhì)

1.2 試驗方法

1.2.1 配合比設(shè)計

設(shè)計6 種替代率（0、20%、40%、60%、80%、100%）、兩種強(qiáng)度（C30、C40）的再生混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓試件（后文表示為RC30、RC40），試件共12 組，每組3 個。依據(jù)JGJ 55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》［9］要求計算出再生混凝土強(qiáng)度等級達(dá)到C30、C40 各材料使用量配比，其中RC30 各替代率的水灰比為0.53，砂率0.35%，用水量185 kg/m3，水泥350 kg/m3，細(xì)骨料639 kg/m3。RC40 各替代率的水灰比為0.49，砂率0.32%，用水量185 kg/m3，水泥379 kg/m3，細(xì)骨料588 kg/m3，其他用量見表2。

表2 再生混凝土天然粗骨料與再生粗骨料用量kg/m3

1.2.2 試件破壞型態(tài)

當(dāng)塌落度滿足規(guī)范要求30～50 mm 后，按照規(guī)范養(yǎng)護(hù)后，采用三思縱橫微機(jī)控制電液伺服萬能試驗機(jī)，依據(jù)GB/T 50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》［10］，抗壓試驗全過程勻速加載，加載速度為0.5 MPa/s。圖1 為再生混凝土立方體試件的破壞形態(tài)，顯示其與標(biāo)準(zhǔn)混凝土試件的破壞模式相似。

圖1 試件破壞型態(tài)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗

依照式（1）確定再生混凝土抗壓強(qiáng)度，精確至0.1 MPa，RC30 和RC40 立方體抗壓強(qiáng)度結(jié)果如圖2 所示。

式（1）中F 為再生混凝土試件破壞時最大的荷載，kN；A 為試件受壓面積，mm2。

再生粗骨料替代率是影響再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的重要因素，以再生骨料替代率影響因子γ作為衡量優(yōu)劣影響程度，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)設(shè)定計算公式（2），根據(jù)試驗數(shù)據(jù)計算得到替代率影響因子數(shù)據(jù)計算值如表3。

圖2 RC30 和RC40 標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度

表3 RC30 及RC40 再生粗骨料替代率影響因子計算值

2.2 試驗結(jié)果分析

結(jié)合圖2 和表3 可以看出，隨著再生粗骨料替代率的增加，抗壓試驗結(jié)果和影響因子在替代率區(qū)間30%～40%時，都達(dá)到了較高水平。分析原因，應(yīng)為再生粗骨料存在著內(nèi)部缺陷和未反應(yīng)完全的水泥，在該區(qū)間時充足的水泥凝膠體可有效地填充混凝土內(nèi)部大量孔隙，所以早期強(qiáng)度增長較快，但隨替代率的進(jìn)一步提高導(dǎo)致了材料間粗糙程度加大，抗壓強(qiáng)度逐步降低，在替代率為100%時達(dá)到最低。

RC30 在粗骨料替代率為40%時強(qiáng)度達(dá)到最大，較基準(zhǔn)混凝土提升了3.1%；RC40 再生混凝土立方體強(qiáng)度在粗骨料替代率為40%時的強(qiáng)度值僅次于普通混凝土的強(qiáng)度值，較基準(zhǔn)混凝土降低了1.6%。

替代率影響因子隨著再生骨料替代率持續(xù)增加而表現(xiàn)出減小的趨勢，并在再生粗骨料替代率達(dá)到100%時替代率影響因子達(dá)到了最不利影響效應(yīng)。此時與基準(zhǔn)混凝土強(qiáng)度相比，RC30 和RC40 的抗壓強(qiáng)度分別降低了9.4%和13.2%。

2.3 再生混凝土抗壓強(qiáng)度的回歸分析

按照最小二乘法原理基于28 d 標(biāo)準(zhǔn)齡期的RC30、RC40 抗壓強(qiáng)度試驗數(shù)據(jù)，建立替代率與再生混凝土抗壓強(qiáng)度之間的回歸函數(shù)關(guān)系式。當(dāng)再生粗骨料替代率為恒變量x=［0 0.2 0.4 0.6 0.8 1］時，對應(yīng)RC30 替代率影響因子γ=［0.000 -0.005 0.031 -0.010 -0.048 -0.094］進(jìn)行擬合分析，分別使用4次和5 次方多項式函數(shù)擬合方法、高斯函數(shù)擬合方法，同樣方法對RC40 進(jìn)行擬合。圖3～4 及表4 所示為RC30、RC40 抗壓強(qiáng)度影響因子擬合函數(shù)曲線及公式。

按照表4 計算變量間的最小誤差平方和SSE、確定系數(shù)R-square 以及均方根誤差RMSE 來選配的最優(yōu)函數(shù)式得出，5 次方多項式函數(shù)擬合式可作為RC30 和RC40 再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度影響因子的回歸方程。設(shè)A 代表替代率影響因子、F0代表基準(zhǔn)混凝土抗壓強(qiáng)度，F(xiàn)x代表再生混凝土抗壓強(qiáng)度擬合值、x 代表粗骨料替代率。Fx可用式（3）進(jìn)行預(yù)測

圖3 RC30 抗壓強(qiáng)度影響因子擬合函數(shù)曲線

圖4 RC40 抗壓強(qiáng)度影響因子擬合函數(shù)曲線

表4 RC30 及RC40 再生混凝土抗壓強(qiáng)度影響因子擬合公式

將RC30 再生混凝土的抗壓強(qiáng)度影響因子5 次方多項式函數(shù)擬合式作為回歸方程代入式（3）得到擬合公式

同理可得RC40 抗壓強(qiáng)度擬合公式。粗骨料替代率為0 的RC30 和RC40 基準(zhǔn)混凝土抗壓強(qiáng)度F28d分別為39.3 MPa、44.6 MPa，將其作為標(biāo)準(zhǔn)值，對試驗值和擬合值進(jìn)行比較見表5，曲線如圖5。

表5 RC30 及RC40 抗壓強(qiáng)度試件試驗值與擬合值誤差

表5 顯示，5 次方多項式函數(shù)擬合值與28 d 再生混凝土抗壓強(qiáng)度試驗值基本一致，其中RC30 誤差在0～0.491%，RC40 的誤差在0～3.251%，證明5 次方多項式函數(shù)式適合預(yù)測性能穩(wěn)定的再生混凝土材料抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律。

圖5 函數(shù)模型與試驗數(shù)據(jù)擬合曲線

3 結(jié)論

本文通過建立兩組強(qiáng)度等級的再生混凝土RC30 和RC40、每組再細(xì)分為6 種不同再生粗骨料替代率（0、20%、40%、60%、80%、100%）的再生混凝土試件并進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗。對再生混凝土試驗數(shù)據(jù)在最小二乘法原理基礎(chǔ)上進(jìn)行擬合得到再生骨料抗壓強(qiáng)度的預(yù)測公式，可以得到以下結(jié)論：1）再生混凝土抗壓強(qiáng)度與再生粗骨料取代率的關(guān)系在RC30、RC40 中的規(guī)律均表現(xiàn)相似，且再生骨料的品質(zhì)較好時，對抗壓強(qiáng)度的影響較少。2）當(dāng)再生混凝土中再生粗骨料含量逐漸增加，替代率在區(qū)間30%～40%時，其抗壓強(qiáng)度達(dá)到較高的水平，此時的替代率影響因子也呈增長趨勢。分析其原因為在該階段時水泥凝膠體較多的填充了混凝土內(nèi)部大量孔隙，故而早期強(qiáng)度增長較快，但隨替代率的進(jìn)一步提高導(dǎo)致了材料間粗糙程度加大，抗壓強(qiáng)度逐步降低。3）應(yīng)用MATLAB 軟件以5 次方多項式函數(shù)模型擬合得到的函數(shù)式對于預(yù)測RC30、RC40 再生混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體的抗壓強(qiáng)度值具有一定的工程適用價值。