再生粗骨料对混凝土抗压强度影响的试验分析

曾 洋，程马遥 *，杨 虹，平 乐

（1. 佛山科学技术学院土木系 交通与土木建筑学院，广东 佛山528000；2. 广东佛盈汇建工程管理有限公司，广东 佛山528000）

据有关调查显示［1-2］，我国年完工建筑面积在全世界建筑面积中约占50%，约合20 亿m2。除此之外，老旧建筑拆除导致废弃混凝土的数量日渐增长。预计2020 年中国约有300 亿m2的新建筑建成，同时会有高达134 亿t 的建筑废弃物产生［3］。虽然再生骨料来源广泛易得，但加入了建筑废料制作的再生混凝土却在性质上呈现出多样化［4-5］，在不同粗骨料掺量影响下其力学性能也发生了较大差异［6-7］。

为了得到不同再生粗骨料替代率下混凝土的性能发展规律，试验设置了C30 和C40 两个不同强度指标，在不同强度指标下以再生粗骨料替代率为研究变量细分为6 个替代率小组（0、20%、40%、60%、80%、100%）。通过对再生混凝土立方体进行抗压试验结果的整理分析，得到了不同再生粗骨料替代率下再生混凝土抗压强度的关系式，其抗压强度规律可在相关建筑废料利用中提供理论参考。

1 再生混凝土立方体抗压强度试验

1.1 试验材料

试验用再生粗骨料来源于原强度为C30 和C40 的拆除旧桥废弃混凝土，且C30 废料的品质品相较好，表1 所示为再生骨料与普通天然碎石按照GB/T14685－2011《建设用卵石、碎石》［8］规定进行的分组基本性质测定，如当粗骨料的粒径在4.75～31.5 mm 的范围内时，压碎指数与吸水率有较大的差异。

表1 粗骨料的基本性质

1.2 试验方法

1.2.1 配合比设计

设计6 种替代率（0、20%、40%、60%、80%、100%）、两种强度（C30、C40）的再生混凝土标准立方体抗压试件（后文表示为RC30、RC40），试件共12 组，每组3 个。依据JGJ 55-2011《普通混凝土配合比设计规程》［9］要求计算出再生混凝土强度等级达到C30、C40 各材料使用量配比，其中RC30 各替代率的水灰比为0.53，砂率0.35%，用水量185 kg/m3，水泥350 kg/m3，细骨料639 kg/m3。RC40 各替代率的水灰比为0.49，砂率0.32%，用水量185 kg/m3，水泥379 kg/m3，细骨料588 kg/m3，其他用量见表2。

表2 再生混凝土天然粗骨料与再生粗骨料用量kg/m3

1.2.2 试件破坏型态

当塌落度满足规范要求30～50 mm 后，按照规范养护后，采用三思纵横微机控制电液伺服万能试验机，依据GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》［10］，抗压试验全过程匀速加载，加载速度为0.5 MPa/s。图1 为再生混凝土立方体试件的破坏形态，显示其与标准混凝土试件的破坏模式相似。

图1 试件破坏型态

2 试验结果与分析

2.1 再生混凝土立方体抗压强度试验

依照式（1）确定再生混凝土抗压强度，精确至0.1 MPa，RC30 和RC40 立方体抗压强度结果如图2 所示。

式（1）中F 为再生混凝土试件破坏时最大的荷载，kN；A 为试件受压面积，mm2。

再生粗骨料替代率是影响再生混凝土立方体抗压强度的重要因素，以再生骨料替代率影响因子γ作为衡量优劣影响程度，根据试验数据设定计算公式（2），根据试验数据计算得到替代率影响因子数据计算值如表3。

图2 RC30 和RC40 标准立方体抗压强度

表3 RC30 及RC40 再生粗骨料替代率影响因子计算值

2.2 试验结果分析

结合图2 和表3 可以看出，随着再生粗骨料替代率的增加，抗压试验结果和影响因子在替代率区间30%～40%时，都达到了较高水平。分析原因，应为再生粗骨料存在着内部缺陷和未反应完全的水泥，在该区间时充足的水泥凝胶体可有效地填充混凝土内部大量孔隙，所以早期强度增长较快，但随替代率的进一步提高导致了材料间粗糙程度加大，抗压强度逐步降低，在替代率为100%时达到最低。

RC30 在粗骨料替代率为40%时强度达到最大，较基准混凝土提升了3.1%；RC40 再生混凝土立方体强度在粗骨料替代率为40%时的强度值仅次于普通混凝土的强度值，较基准混凝土降低了1.6%。

替代率影响因子随着再生骨料替代率持续增加而表现出减小的趋势，并在再生粗骨料替代率达到100%时替代率影响因子达到了最不利影响效应。此时与基准混凝土强度相比，RC30 和RC40 的抗压强度分别降低了9.4%和13.2%。

2.3 再生混凝土抗压强度的回归分析

按照最小二乘法原理基于28 d 标准龄期的RC30、RC40 抗压强度试验数据，建立替代率与再生混凝土抗压强度之间的回归函数关系式。当再生粗骨料替代率为恒变量x=［0 0.2 0.4 0.6 0.8 1］时，对应RC30 替代率影响因子γ=［0.000 -0.005 0.031 -0.010 -0.048 -0.094］进行拟合分析，分别使用4次和5 次方多项式函数拟合方法、高斯函数拟合方法，同样方法对RC40 进行拟合。图3～4 及表4 所示为RC30、RC40 抗压强度影响因子拟合函数曲线及公式。

按照表4 计算变量间的最小误差平方和SSE、确定系数R-square 以及均方根误差RMSE 来选配的最优函数式得出，5 次方多项式函数拟合式可作为RC30 和RC40 再生混凝土立方体抗压强度影响因子的回归方程。设A 代表替代率影响因子、F0代表基准混凝土抗压强度，Fx代表再生混凝土抗压强度拟合值、x 代表粗骨料替代率。Fx可用式（3）进行预测

图3 RC30 抗压强度影响因子拟合函数曲线

图4 RC40 抗压强度影响因子拟合函数曲线

表4 RC30 及RC40 再生混凝土抗压强度影响因子拟合公式

将RC30 再生混凝土的抗压强度影响因子5 次方多项式函数拟合式作为回归方程代入式（3）得到拟合公式

同理可得RC40 抗压强度拟合公式。粗骨料替代率为0 的RC30 和RC40 基准混凝土抗压强度F28d分别为39.3 MPa、44.6 MPa，将其作为标准值，对试验值和拟合值进行比较见表5，曲线如图5。

表5 RC30 及RC40 抗压强度试件试验值与拟合值误差

表5 显示，5 次方多项式函数拟合值与28 d 再生混凝土抗压强度试验值基本一致，其中RC30 误差在0～0.491%，RC40 的误差在0～3.251%，证明5 次方多项式函数式适合预测性能稳定的再生混凝土材料抗压强度变化规律。

图5 函数模型与试验数据拟合曲线

3 结论

本文通过建立两组强度等级的再生混凝土RC30 和RC40、每组再细分为6 种不同再生粗骨料替代率（0、20%、40%、60%、80%、100%）的再生混凝土试件并进行抗压强度试验。对再生混凝土试验数据在最小二乘法原理基础上进行拟合得到再生骨料抗压强度的预测公式，可以得到以下结论：1）再生混凝土抗压强度与再生粗骨料取代率的关系在RC30、RC40 中的规律均表现相似，且再生骨料的品质较好时，对抗压强度的影响较少。2）当再生混凝土中再生粗骨料含量逐渐增加，替代率在区间30%～40%时，其抗压强度达到较高的水平，此时的替代率影响因子也呈增长趋势。分析其原因为在该阶段时水泥凝胶体较多的填充了混凝土内部大量孔隙，故而早期强度增长较快，但随替代率的进一步提高导致了材料间粗糙程度加大，抗压强度逐步降低。3）应用MATLAB 软件以5 次方多项式函数模型拟合得到的函数式对于预测RC30、RC40 再生混凝土标准立方体的抗压强度值具有一定的工程适用价值。