碎黏土砖粗骨料再生混凝土的强度指标换算

陈 萌，宁永胜，冯国宾

(郑州大学 土木工程学院，河南 郑州 450002)

碎黏土砖粗骨料再生混凝土的强度指标换算

陈 萌，宁永胜，冯国宾

(郑州大学 土木工程学院，河南 郑州 450002)

对净水灰比0.45，不同碎黏土砖粗骨料取代率(0，20%，30%和50%)，不同龄期(3，7，14和28 d)的144个再生混凝土试件分别进行了立方体抗压强度、轴心抗拉强度和劈裂抗拉强度试验，基于试验数据回归分析得出碎黏土砖粗骨料再生混凝土立方体试件抗压强度随龄期和粗骨料取代率的变化公式，并分别给出了碎黏土砖粗骨料再生混凝土各龄期轴心抗拉强度与立方体抗压强度，劈裂抗拉强度与立方体抗压强度，以及轴心抗拉强度与劈裂抗拉强度的换算关系。

再生混凝土 碎黏土砖 粗骨料 立方体抗压强度 轴心抗拉强度 劈裂抗拉强度

普通混凝土涉及到砂石等自然资源的过量开采、高能耗和废旧再处理的问题。此外，地震和城市拆迁等产生的建筑垃圾也对环境带来了较大的负面影响，上述问题推动了建筑垃圾的再利用。为此，研究人员就建筑垃圾的再循环利用展开了多方面的研究［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为主要研究对象，深入研究吸水率、再生混凝土骨料的形状和尺寸、杂质和化学成分等对再生混凝土特性的影响［5-6］。

随着大量研究工作的开展和现代混凝土技术的进步，再生混凝土被广泛应用于多层房屋结构工程中。除了废弃混凝土骨料，碎黏土砖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，强度低，所含杂质较多，因而，其尚未当作一种良好的再生循环材料。近年来，我国和欧美国家对碎黏土砖骨料再生混凝土立方体抗压强度、抗折强度等力学性能进行了研究，而对立方体抗压强度、劈裂抗拉强度和轴心抗拉强度等强度指标之间的换算关系研究较少［7-8］。为了加快碎黏土砖粗骨料的循环再利用进程，使其尽早应用于道路工程和房屋结构工程中，本文对净水灰比一定，不同碎黏土砖粗骨料取代率(0，20%，30%和 50%)，不同龄期(3，7，14和28 d)的再生混凝土试件分别进行了立方体抗压强度、轴心抗拉强度和劈裂抗拉强度试验，探讨了碎黏土砖粗骨料再生混凝土各龄期的强度指标之间的换算关系。

1 碎黏土砖粗骨料再生混凝土的配合比

碎黏土砖粗骨料抗压强度符合 MU10的规定要求，碎黏土砖粗骨料和天然骨料的主要技术性能指标如表1所示。再生混凝土中砂的表观密度为2 640 kg/m3，含水率为1%;32.5级水泥的密度为3.1 g/cm3。

表1 碎黏土砖骨料与天然骨料的主要技术指标

4组试样分别编号为 R0，R20，R30和 R50(碎黏土砖粗骨料取代率分别为0，20%，30%和50%)，4组的净水灰比均为0.45，再生混凝土目标强度等级为C30，配合比设计如表2所示［9］。

表2 碎黏土砖粗骨料再生混凝土的配合比设计 kg/m3

2 碎黏土砖粗骨料再生混凝土强度试验

2.1 立方体抗压强度试验

对4种不同龄期(3，7，14和28 d)，4种不同碎黏土砖粗骨料取代率(0，20%，30%和50%)的混凝土试件(100 mm×100 mm×100 mm)进行了立方体抗压强

度试验，试件16组，每组3个，共计48个试件。试件在压力试验机上连续均匀加载，加荷速度0.5～0.8 MPa/s，测得试件的破坏荷载。考虑尺寸换算系数0.95，由式(1)求得混凝土立方体试件的抗压强度。

式中:fcu为混凝土立方体试件抗压强度，MPa;F为试件破坏荷载，N;A为试件承压面积，mm2。

2.2 轴心抗拉强度试验

轴心受拉试件尺寸100 mm×100 mm×380 mm，其两端截面中心位置处各预埋一根长230 mm直径12 mm的HRB335钢筋。在试模的左右端部各依次设置20 mm厚泡沫块、100 mm×100 mm瓷砖、50 mm厚泡沫块和100 mm×100 mm瓷砖，在泡沫块和瓷砖的中心位置预埋钢筋，以保证两端预埋钢筋同心且与试件的中线重合，如图1所示。

图1 轴心受拉试件

对4种不同龄期(3，7，14和28 d)，4种不同碎黏土砖粗骨料取代率(0，20%，30%和50%)的混凝土试件进行了轴心抗拉强度试验，试件有16组，每组3个，共计48个试件。

试件浇注并养护至所需龄期后，在万能试验机上连续均匀加载，加荷速度0.012～0.036 kN/s。

2.3 劈裂抗拉强度试验

对4种不同龄期(3，7，14和28 d)，4种不同碎黏土砖粗骨料取代率(0，20%，30%和50%)的混凝土试件进行了劈裂抗拉强度试验，试件有16组，每组3个，共计48个试件。

劈裂抗拉试件尺寸150 mm×150 mm×150 mm，在压力试验机上连续均匀加荷，加荷速度0.05～0.08 MPa/s［10］。劈裂抗拉强度按式(2)计算。

式中:fts为混凝土劈裂抗拉强度，MPa;F为试件破坏荷载，N;A为试件劈裂面面积，mm2。劈裂抗拉强度计算精确至0.01 MPa。

3 结果与分析

3.1 试验结果

R0，R20，R30和R50混凝土试件的立方体抗压强度、轴心抗拉强度和劈裂抗拉强度试验结果如表3、表4和表5所示。

表3 立方体抗压强度试验结果 MPa

表4 轴心抗拉强度试验结果 MPa

表5 劈裂抗拉强度试验结果 MPa

3.2 碎黏土砖粗骨料再生混凝土立方体抗压强度

由表3可知，各个龄期的碎黏土砖粗骨料再生混凝土抗压强度低于天然混凝土(粗骨料取代率为0)。龄期一定时随着取代率的增大，相应的抗压强度随之减小。与天然混凝土相比，在28 d龄期时，粗骨料取代率20%，30%和50%的立方体抗压强度分别下降15%，18%和24%，与文献［8］给出的下降20%结果相一致。

基于试验数据，回归得出碎黏土砖粗骨料再生混凝土立方体抗压强度随龄期和碎砖粗骨料取代率的变化公式为

式中:fcRu(t)为龄期t的再生混凝土立方体抗压强度，MPa;t为标准养护龄期，d;x为碎砖粗骨料取代率;fcu28为龄期28 d的天然混凝土立方体抗压强度。

48个立方体试件抗压强度试验数据与公式(3)计算值之比的平均值μ=1.008，标准方差σ=0.053，变异系数δ=0.052，试验样本数n=48。

3.3 碎黏土砖粗骨料再生混凝土轴心抗拉强度与立方体抗压强度的换算

对于不同碎黏土砖粗骨料取代率的再生混凝土，随着龄期的增加，在抗压强度增加的同时，其轴心抗拉强度也随之增加，但增加的速率逐渐减小。当碎黏土砖粗骨料取代率为20%时，随着龄期的增加，轴心抗

拉强度也由1.35，1.72，2.00 MPa，逐渐增加到2.17 MPa，但轴心抗拉强度与抗压强度之比则由 0.108，0.088，0.078逐渐减小到0.073［11］。

基于试验数据，回归得出各龄期碎砖粗骨料再生混凝土轴心抗拉强度与立方体抗压强度的换算公式(4)。公式(4)拟合优度的确定系数为0.942。

式中:ftR(t)为龄期 t的再生混凝土轴心抗拉强度，MPa。

3.4 碎黏土砖粗骨料再生混凝土劈裂抗拉强度与立方体抗压强度的换算

碎黏土砖粗骨料再生混凝土的劈裂抗拉强度与立方体抗压强度之间的关系见图2。对于不同碎黏土砖粗骨料取代率的再生混凝土，抗压强度增加的同时，其劈裂抗拉强度也随之增加，但增加的速率逐渐减小。对于不同碎黏土砖粗骨料取代率的再生混凝土，其3，7，14和28 d的劈裂抗拉强度与立方体抗压强度之比则由0.097，0.084，0.074逐渐减小到0.072。

图2 劈拉强度与立方体抗压强度的关系

基于试验数据，回归得出各龄期碎砖粗骨料再生混凝土立方体抗压强度与劈裂抗拉强度的换算公式(5)。公式(5)拟合优度的确定系数为0.966。

式中:ftRs(t)为龄期 t的再生混凝土劈裂抗拉强度，MPa。

3.5 碎黏土砖粗骨料再生混凝土劈裂抗拉强度与轴心抗拉强度的换算

对于不同碎黏土砖粗骨料取代率的再生混凝土，3 d龄期时，劈裂抗拉强度均低于轴心抗拉强度;随着龄期的增长，劈裂抗拉强度与轴心抗拉强度的比值逐渐增加。28 d龄期时，4种取代率(0，20%，30%和50%)再生混凝土的劈裂抗拉强度与轴心抗拉强度之比分别为1.02，1.00，0.99和0.99。

基于试验数据，回归得出各龄期劈裂抗拉强度与轴心抗拉强度之比与龄期的换算公式(6)。公式(6)拟合优度的确定系数为0.879。

4 结论

对4种碎黏土砖粗骨料取代率的再生混凝土试件分别进行了4个龄期的抗压强度、轴心抗拉强度和劈裂抗拉强度试验，得出了以下结论:

1)从碎黏土砖粗骨料再生混凝土的强度及工作性两个方面考虑，建议道路工程和房屋结构工程碎砖粗骨料取代率控制在30%(含)以下。

2)回归得出碎黏土砖粗骨料再生混凝土立方体抗压强度随龄期和碎砖粗骨料取代率的变化公式。

3)给出了各龄期碎砖粗骨料再生混凝土轴心抗拉强度与立方体抗压强度、劈裂抗拉强度与立方体抗压强度，以及各龄期碎黏土砖粗骨料再生混凝土轴心抗拉强度与劈裂抗拉强度之间的换算公式。

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(责任审编 葛全红)

TU528.1

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.09.33

2015-01-20;

:2015-07-20

陈萌(1969— )，女，河北吴桥人，教授，博士。

1003-1995(2015)09-0118-03