考慮取代率和磚骨料品質(zhì)的再生混凝土抗壓強(qiáng)度計算方法

郝貴強(qiáng)　馮寒非　于海豐　趙媛媛　李佳浩　吳昊天

摘 要：磚骨料再生混凝土的粗骨料表面存在硬化砂漿和大量的界面結(jié)構(gòu)，致使其抗壓強(qiáng)度較普通混凝土的有所降低，為探究其受壓破壞情況，采用多種強(qiáng)化方式的磚骨料，制備不同取代率的再生混凝土，引入磚骨料吸水率等特征參數(shù)，提出了一個可廣泛應(yīng)用的再生混凝土抗壓強(qiáng)度計算公式。研究表明，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度與取代率、膠水比呈線性關(guān)系，不同強(qiáng)化處理方式對再生混凝土抗壓強(qiáng)度影響顯著；與試驗結(jié)果相比，基于表觀密度、骨料品質(zhì)和取代率所建立的抗壓強(qiáng)度公式計算誤差較小，考慮影響相表觀密度的計算式絕對誤差平均值為5％，具有較高的精度和較好的適用性，可為其在綠色建材領(lǐng)域中的應(yīng)用提供一定參考。

關(guān)鍵詞：建筑材料；再生混凝土；磚骨料品質(zhì)；取代率；吸水率；抗壓強(qiáng)度

中圖分類號：TU528.01 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI： 10.7535/hbgykj.2023yx03006

Calculation method of compressive strength of recycled concrete

considering substitution rate and brick aggregate quality

HAO Guiqiang FENG Hanfei YU HaifengZHAO Yuanyuan

LI Jiahao WU Haotian

（1.Zhongtu Dadi International Architectural Design Company Limited， Shijiazhuang， Hebei 050046， China; 2.School of Civil Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China；3.Innovation Center of Disaster Prevention and Mitigation Technology for Geotechnical and Structural Systems of Hebei Province （Preparation），Shijiazhuang，Hebei 050018， China; 4.Engineering Technology Research Center for Intelligent and Low-Carbon Assembled Building， Shijiazhuang，Hebei ?050018， China）

Abstract：There are hardened mortar and a large number of interface structures on the surface of the coarse aggregate of recycled brick aggregate concrete， resulting in a decrease in compressive strength compared with ordinary concrete. In order to explore its compressive failure， a variety of strengthening methods of brick aggregate were used to prepare recycled concrete with different replacement rates. The characteristic parameters such as water absorption of brick aggregate were introduced， and a widely used formula for calculating the compressive strength of recycled concrete was established. The results show that the compressive strength of recycled concrete has a linear relationship with the substitution rate and glue ratio， and different strengthening treatment methods have a significant effect on the compressive strength of recycled concrete. Compared with the experimental results， the calculation error of the compressive strength formula based on the apparent density， aggregate quality and substitution rate is small. The average absolute error of the calculation formula considering the apparent density of the phase is 5%， which has high accuracy and good applicability. It can provide some reference for its application in the field of green building materials.

Keywords：construction materials； recycled concrete; brick aggregate quality; replacement rate; moisture uptake; compressive strength

再生磚骨料存在吸水率大、表觀密度較低和壓碎值高等問題，這使得再生磚骨料的性能通常較差且波動性大，導(dǎo)致建材廢棄物的資源化使用[1]和推廣受到限制[2-3]。常用的強(qiáng)化方式有機(jī)械處理、浸泡處理、酸腐蝕、碳化加強(qiáng)和裹漿處理等手段，主要是通過對舊界面過渡區(qū)和舊砂漿的改性來達(dá)到提升再生骨料強(qiáng)度的目的。而采用水化活性材料等化學(xué)試劑進(jìn)行強(qiáng)化處理，不僅對再生骨料空隙、裂縫有填補(bǔ)效果，而且可以對新界面過渡區(qū)有直接改善的效果，因此采用化學(xué)試劑強(qiáng)化骨料是更加直接且全面的改性手段。

近年來，許多專家學(xué)者對再生骨料的配合比設(shè)計方法及再生處理方式開展了深入的研究。再生骨料又可細(xì)分為再生磚骨料、再生混凝土骨料以及混合骨料[4]。陳宇良等[5]對鋼纖維再生混凝土試件在復(fù)合受剪作用下的力學(xué)性能及破壞機(jī)理進(jìn)行了研究，提出了2種剪切強(qiáng)度的計算方法，發(fā)現(xiàn)隨著取代率的增加，再生混凝土的剪切強(qiáng)度隨之降低，鋼纖維再生混凝土剪切強(qiáng)度先增大后減小。高丹盈等[6]通過鋼-聚烯烴混雜纖維增強(qiáng)再生磚骨料混凝土的抗壓與彈性模量試驗，提出了考慮再生磚骨料壓碎指標(biāo)、取代率、纖維種類和摻量等因素影響的混雜纖維增強(qiáng)再生磚骨料混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量的計算方法。王祥等[7]發(fā)現(xiàn)利用?；郀t礦渣取代50%碎砂的再生骨料混凝土具有足夠的泌水性、抗壓強(qiáng)度以及抗凍融性能。KOU等［8］和LI等[9]試驗研究表明，普通混凝土的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度等力學(xué)指標(biāo)是普遍高于再生混凝土，但如果嚴(yán)格控制磚骨料顆粒級配會減緩再生混凝土強(qiáng)度的下降趨勢[10-11]。以砂漿強(qiáng)度及砂漿種類為研究變量，曹文權(quán)等[12]引入了再生混凝土峰值應(yīng)力參數(shù)和再生混凝土脆性參數(shù)。馬昆林等[13]建立了不同配合比和取代率下再生混凝土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系損傷本構(gòu)模型。王曉飛[14]試驗發(fā)現(xiàn)，再生粗骨料的品質(zhì)和取代率對抗壓強(qiáng)度影響較大，這些因素都限制了抗壓強(qiáng)度計算公式的應(yīng)用。

目前已有的計算公式?jīng)]有考慮骨料品質(zhì)和取代率對抗壓強(qiáng)度的影響，并且傳統(tǒng)的普通混凝土Bolomey抗壓強(qiáng)度公式僅考慮了膠水比的問題[15-17]?；诖耍疚耐ㄟ^28組不同配合比的再生磚骨料混凝土試塊抗壓強(qiáng)度試驗，探究磚骨料品質(zhì)、磚骨料取代率等因素對磚骨料再生混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，并建立再生混凝土抗壓強(qiáng)度計算公式，為其在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供參考。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

試驗共設(shè)計28組不同配合比的磚骨料再生混凝土試塊（見表1），以不同磚骨料強(qiáng)化處理和取代率為設(shè)計變量，具體變量參數(shù)如下：1）根據(jù)強(qiáng)化方式不同，將磚骨料分W，S，SG，Y和YG（分別表示：無處理、水玻璃浸泡、水玻璃浸泡后裹漿、有機(jī)硅浸泡、有機(jī)硅浸泡后裹漿）5類；2）磚骨料取代率λ_g分別為0，50%，75%和100%；3）基于前期強(qiáng)化效果，選擇簡便且效果顯著的S處理方式作為擴(kuò)展組，增加凝膠材料用量為另一參數(shù)變量，凝膠材料用量分別為400，450和500 kg/m³。

參考JG/J 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》［18］，磚骨料再生混凝土其余材料摻量設(shè)計：砂率為38％，減水劑為凝膠用量的0.9%，拌合物坍落度控制在100～140 mm確定用水量。制作150 mm×150 mm×150 mm磚骨料再生混凝土試件并在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d，如圖1所示，測試磚骨料再生混凝土試件28 d抗壓強(qiáng)度。

1.2 材料性能

采用P·O 42.5水泥。強(qiáng)化試劑選用標(biāo)準(zhǔn)水玻璃溶液、有機(jī)硅憎水劑等化學(xué)試劑。用水為實(shí)驗室自來水。減水劑使用阻泥型高效減水劑。砂為河沙，細(xì)度模數(shù)為2.6。磚骨料經(jīng)破碎篩分后作為粗骨料取代天然石子拌入混凝土中使用，如圖2所示，其顆粒級配在規(guī)定范圍內(nèi)，相應(yīng)粗骨料顆粒級配曲線如圖3所示。磚骨料及強(qiáng)化處理后磚骨料基本指標(biāo)見表2。

1.3 試驗方法及結(jié)果

對標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)結(jié)束的磚骨料再生混凝土試件進(jìn)行28 d抗壓強(qiáng)度試驗，以水玻璃浸泡磚骨料再生混凝土作為擴(kuò)展組，依據(jù)GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[19]中的規(guī)定進(jìn)行軸心抗壓強(qiáng)度試驗。

經(jīng)過28 d的試塊標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，利用YAD-2000型混凝土全自動壓力儀對再生混凝土進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗。連續(xù)、均勻地加載試驗載荷，速度為0.5 MPa/s，試塊破壞后，加載過程會自動終止，并顯示其抗壓強(qiáng)度，配置磚骨料再生混凝土強(qiáng)度等級在C30—C40左右，試驗結(jié)果見表3。

2 磚骨料再生混凝土抗壓強(qiáng)度計算

2.1 影響磚骨料再生混凝土抗壓強(qiáng)度的因素

根據(jù)試驗結(jié)果，不同強(qiáng)化方式對磚骨料增強(qiáng)的程度不同，磚骨料品質(zhì)差異明顯，再生骨料品質(zhì)對再生混凝土的性能有很大影響。由圖4可知，水玻璃浸泡后裹漿處理的磚骨料再生混凝土，其抗壓強(qiáng)度隨著取代率的增大而降低，但其減小程度遠(yuǎn)小于其他處理組，說明水玻璃浸泡后裹漿方式處理磚骨料，對磚骨料品質(zhì)提升最為顯著。

在不同凝膠材料用量下，再生混凝土實(shí)測抗壓強(qiáng)度f_g與取代率λ_g的關(guān)系如圖5所示。3種不同凝膠用量的磚骨料再生混凝土，抗壓強(qiáng)度與取代率呈線性關(guān)系，其抗壓強(qiáng)度隨取代率的增大而減小，整體變化規(guī)律基本相同。再生混凝土抗壓強(qiáng)度受磚骨料取代率影響較大，是影響其抗壓強(qiáng)度的重要因素。磚骨料再生混凝土抗壓強(qiáng)度隨著磚骨料品質(zhì)的降低和取代率的增加而減小。在不同取代率下，磚骨料制備的再生混凝土，其抗壓強(qiáng)度f_g與膠水比c/w之間呈線性關(guān)系，具體表現(xiàn)：不同取代率的再生混凝土，其抗壓強(qiáng)度隨著膠水比的增加而變大，見圖6。

2.2 磚骨料再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度公式

將磚骨料再生混凝土作為復(fù)合材料，以普通混凝土為基相，磚骨料為負(fù)增強(qiáng)相，引入磚骨料強(qiáng)度影響因子

2.3 求解因子“A，B”

2.4 不同強(qiáng)化方式對應(yīng)的磚骨料影響因子

2.5 磚骨料各影響相的相關(guān)性分析

2.6 磚骨料再生混凝土抗壓強(qiáng)度計算公式

其中，磚骨料的影響因子α_g與表觀密度ρ相關(guān)性最好，故建議以式（7）作為磚骨料再生混凝土抗壓強(qiáng)度計算公式，可為再生混凝土的配合比設(shè)計奠定理論基礎(chǔ)。

3 抗壓強(qiáng)度公式的精度

3.1 類抗壓強(qiáng)度公式的計算結(jié)果比較

不同強(qiáng)化方式對磚骨料的增強(qiáng)程度不同，磚骨料品質(zhì)差異明顯。根據(jù)磚骨料再生混凝土的抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果，將不同計算公式得出的結(jié)果與試驗實(shí)測值進(jìn)行了對比，0.5，0.75，1分別表示磚骨料的取代率，凝膠用量為500 kg·m^-3，結(jié)果見圖7。

比較試驗實(shí)測值，考慮影響相（吸水率ω、表觀密度ρ、壓碎值σ）的3類磚骨料再生混凝土抗壓強(qiáng)度計算公式計算結(jié)果均與其基本吻合。其中考慮影響相σ的公式整體計算結(jié)果與試驗實(shí)測值發(fā)展趨勢基本一致，計算值位于試驗結(jié)果上下浮動，浮動幅度較小?？紤]影響相ω的公式整體計算結(jié)果與試驗實(shí)測值發(fā)展趨勢非常接近，且各點(diǎn)值上下浮動幅度均在5％左右。考慮影響相ρ的公式整體計算結(jié)果與試驗實(shí)測值發(fā)展趨勢保持一致，但公式計算值整體結(jié)果偏小，S組、SG組以及YG組數(shù)據(jù)均偏小5％～7％，其中SG處理組相較其他組偏差最大，偏差接近10％。

3.2 抗壓強(qiáng)度公式計算誤差比較

圖8為不同類型磚骨料再生混凝土抗壓強(qiáng)度的計算結(jié)果誤差η分布。結(jié)果表明，按不同公式計算得到的結(jié)果均具有較小的誤差，誤差范圍控制在10％以內(nèi)：其中式（7）的誤差范圍為0.10%～9.90%，絕對誤差平均值為5％；式（6）的誤差范圍為-7.19%～4.64%，絕對誤差平均值為2.26％；式（5）的誤差范圍為-5.60%～5.86%，絕對誤差平均值為2.46％。

綜上所述，建議采用考慮影響相ρ的公式（7）作為磚骨料再生混凝土抗壓強(qiáng)度計算公式。即基于表觀密度、骨料品質(zhì)和取代率影響下建立的抗壓強(qiáng)度計算公式，計算精度高，適用范圍廣。

4 結(jié) 語

本文在磚骨料再生混凝土力學(xué)性能試驗的基礎(chǔ)上，提出了一個可廣泛應(yīng)用的再生混凝土抗壓強(qiáng)度計算公式，并對其進(jìn)行了試驗結(jié)果驗證，得到如下結(jié)論。

1）由于磚骨料原材料組成復(fù)雜，其性能的離散性與波動性較大，則不同處理方式的影響因子α_g存在較大的差異，這說明非常有必要強(qiáng)化處理磚骨料，且強(qiáng)化處理磚骨料是制備高性能磚骨料的有效方法。

2）磚骨料影響因子同骨料的各種技術(shù)指標(biāo)緊密相關(guān)，但影響程度存在差異，其中，磚骨料影響因子同骨料性能指標(biāo)之間的相關(guān)性為壓碎指標(biāo)＜吸水率＜表觀密度。

3）磚骨料再生混凝土抗壓強(qiáng)度公式是基于膠水比、骨料性能和取代率所創(chuàng)建的，其計算誤差較小，其中考慮影響相ρ的計算公式絕對誤差平均值為5％，計算精度高，適用范圍廣。

本研究的不足之處在于制備磚骨料再生混凝土的試塊數(shù)量較少，只分析了水玻璃、有機(jī)硅憎水劑2種試劑對骨料品質(zhì)的影響，接下來的研究將探討其他強(qiáng)化試劑對磚骨料再生混凝土性能的影響。

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