考虑取代率和砖骨料品质的再生混凝土抗压强度计算方法

郝贵强　冯寒非　于海丰　赵媛媛　李佳浩　吴昊天

摘 要：磚骨料再生混凝土的粗骨料表面存在硬化砂浆和大量的界面结构，致使其抗压强度较普通混凝土的有所降低，为探究其受压破坏情况，采用多种强化方式的砖骨料，制备不同取代率的再生混凝土，引入砖骨料吸水率等特征参数，提出了一个可广泛应用的再生混凝土抗压强度计算公式。研究表明，再生混凝土的抗压强度与取代率、胶水比呈线性关系，不同强化处理方式对再生混凝土抗压强度影响显著；与试验结果相比，基于表观密度、骨料品质和取代率所建立的抗压强度公式计算误差较小，考虑影响相表观密度的计算式绝对误差平均值为5％，具有较高的精度和较好的适用性，可为其在绿色建材领域中的应用提供一定参考。

关键词：建筑材料；再生混凝土；砖骨料品质；取代率；吸水率；抗压强度

中图分类号：TU528.01 文献标识码：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

再生砖骨料存在吸水率大、表观密度较低和压碎值高等问题，这使得再生砖骨料的性能通常较差且波动性大，导致建材废弃物的资源化使用[1]和推广受到限制[2-3]。常用的强化方式有机械处理、浸泡处理、酸腐蚀、碳化加强和裹浆处理等手段，主要是通过对旧界面过渡区和旧砂浆的改性来达到提升再生骨料强度的目的。而采用水化活性材料等化学试剂进行强化处理，不仅对再生骨料空隙、裂缝有填补效果，而且可以对新界面过渡区有直接改善的效果，因此采用化学试剂强化骨料是更加直接且全面的改性手段。

近年来，许多专家学者对再生骨料的配合比设计方法及再生处理方式开展了深入的研究。再生骨料又可细分为再生砖骨料、再生混凝土骨料以及混合骨料[4]。陈宇良等[5]对钢纤维再生混凝土试件在复合受剪作用下的力学性能及破坏机理进行了研究，提出了2种剪切强度的计算方法，发现随着取代率的增加，再生混凝土的剪切强度随之降低，钢纤维再生混凝土剪切强度先增大后减小。高丹盈等[6]通过钢-聚烯烃混杂纤维增强再生砖骨料混凝土的抗压与弹性模量试验，提出了考虑再生砖骨料压碎指标、取代率、纤维种类和掺量等因素影响的混杂纤维增强再生砖骨料混凝土抗压强度和弹性模量的计算方法。王祥等[7]发现利用粒化高炉矿渣取代50%碎砂的再生骨料混凝土具有足够的泌水性、抗压强度以及抗冻融性能。KOU等［8］和LI等[9]试验研究表明，普通混凝土的抗拉强度、抗压强度和抗折强度等力学指标是普遍高于再生混凝土，但如果严格控制砖骨料颗粒级配会减缓再生混凝土强度的下降趋势[10-11]。以砂浆强度及砂浆种类为研究变量，曹文权等[12]引入了再生混凝土峰值应力参数和再生混凝土脆性参数。马昆林等[13]建立了不同配合比和取代率下再生混凝土的应力应变关系损伤本构模型。王晓飞[14]试验发现，再生粗骨料的品质和取代率对抗压强度影响较大，这些因素都限制了抗压强度计算公式的应用。

目前已有的計算公式没有考虑骨料品质和取代率对抗压强度的影响，并且传统的普通混凝土Bolomey抗压强度公式仅考虑了胶水比的问题[15-17]。基于此，本文通过28组不同配合比的再生砖骨料混凝土试块抗压强度试验，探究砖骨料品质、砖骨料取代率等因素对砖骨料再生混凝土抗压强度的影响，并建立再生混凝土抗压强度计算公式，为其在实际工程中的应用提供参考。

1 试验概况

1.1 试件设计

试验共设计28组不同配合比的砖骨料再生混凝土试块（见表1），以不同砖骨料强化处理和取代率为设计变量，具体变量参数如下：1）根据强化方式不同，将砖骨料分W，S，SG，Y和YG（分别表示：无处理、水玻璃浸泡、水玻璃浸泡后裹浆、有机硅浸泡、有机硅浸泡后裹浆）5类；2）砖骨料取代率λ_g分别为0，50%，75%和100%；3）基于前期强化效果，选择简便且效果显著的S处理方式作为扩展组，增加凝胶材料用量为另一参数变量，凝胶材料用量分别为400，450和500 kg/m³。

参考JG/J 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》［18］，砖骨料再生混凝土其余材料掺量设计：砂率为38％，减水剂为凝胶用量的0.9%，拌合物坍落度控制在100～140 mm确定用水量。制作150 mm×150 mm×150 mm砖骨料再生混凝土试件并在标准养护室养护28 d，如图1所示，测试砖骨料再生混凝土试件28 d抗压强度。

1.2 材料性能

采用P·O 42.5水泥。强化试剂选用标准水玻璃溶液、有机硅憎水剂等化学试剂。用水为实验室自来水。减水剂使用阻泥型高效减水剂。砂为河沙，细度模数为2.6。砖骨料经破碎筛分后作为粗骨料取代天然石子拌入混凝土中使用，如图2所示，其颗粒级配在规定范围内，相应粗骨料颗粒级配曲线如图3所示。砖骨料及强化处理后砖骨料基本指标见表2。

1.3 试验方法及结果

对标准养护结束的砖骨料再生混凝土试件进行28 d抗压强度试验，以水玻璃浸泡砖骨料再生混凝土作为扩展组，依据GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》[19]中的规定进行轴心抗压强度试验。

经过28 d的试块标准养护，利用YAD-2000型混凝土全自动压力仪对再生混凝土进行抗压强度试验。连续、均匀地加载试验载荷，速度为0.5 MPa/s，试块破坏后，加载过程会自动终止，并显示其抗压强度，配置砖骨料再生混凝土强度等级在C30—C40左右，试验结果见表3。

2 砖骨料再生混凝土抗压强度计算

2.1 影响砖骨料再生混凝土抗压强度的因素

根据试验结果，不同强化方式对砖骨料增强的程度不同，砖骨料品质差异明显，再生骨料品质对再生混凝土的性能有很大影响。由图4可知，水玻璃浸泡后裹浆处理的砖骨料再生混凝土，其抗压强度随着取代率的增大而降低，但其减小程度远小于其他处理组，说明水玻璃浸泡后裹浆方式处理砖骨料，对砖骨料品质提升最为显著。

在不同凝胶材料用量下，再生混凝土实测抗压强度f_g与取代率λ_g的关系如图5所示。3种不同凝胶用量的砖骨料再生混凝土，抗压强度与取代率呈线性关系，其抗压强度随取代率的增大而减小，整体变化规律基本相同。再生混凝土抗压强度受砖骨料取代率影响较大，是影响其抗压强度的重要因素。砖骨料再生混凝土抗压强度随着砖骨料品质的降低和取代率的增加而减小。在不同取代率下，砖骨料制备的再生混凝土，其抗压强度f_g与胶水比c/w之间呈线性关系，具体表现：不同取代率的再生混凝土，其抗压强度随着胶水比的增加而变大，见图6。

2.2 砖骨料再生混凝土立方体抗压强度公式

将砖骨料再生混凝土作为复合材料，以普通混凝土为基相，砖骨料为负增强相，引入砖骨料强度影响因子

2.3 求解因子“A，B”

2.4 不同强化方式对应的砖骨料影响因子

2.5 砖骨料各影响相的相关性分析

2.6 砖骨料再生混凝土抗压强度计算公式

其中，砖骨料的影响因子α_g与表观密度ρ相关性最好，故建议以式（7）作为砖骨料再生混凝土抗压强度计算公式，可为再生混凝土的配合比设计奠定理论基础。

3 抗压强度公式的精度

3.1 类抗压强度公式的计算结果比较

不同强化方式对砖骨料的增强程度不同，砖骨料品质差异明显。根据砖骨料再生混凝土的抗压强度试验结果，将不同计算公式得出的结果与试验实测值进行了对比，0.5，0.75，1分别表示砖骨料的取代率，凝胶用量为500 kg·m^-3，结果见图7。

比较试验实测值，考虑影响相（吸水率ω、表观密度ρ、压碎值σ）的3类砖骨料再生混凝土抗压强度计算公式计算结果均与其基本吻合。其中考虑影响相σ的公式整体计算结果与试验实测值发展趋势基本一致，计算值位于试验结果上下浮动，浮动幅度较小。考虑影响相ω的公式整体计算结果与试验实测值发展趋势非常接近，且各点值上下浮动幅度均在5％左右。考虑影响相ρ的公式整体计算结果与试验实测值发展趋势保持一致，但公式计算值整体结果偏小，S组、SG组以及YG组数据均偏小5％～7％，其中SG处理组相较其他组偏差最大，偏差接近10％。

3.2 抗压强度公式计算误差比较

图8为不同类型砖骨料再生混凝土抗压强度的计算结果误差η分布。结果表明，按不同公式计算得到的结果均具有较小的误差，误差范围控制在10％以内：其中式（7）的误差范围为0.10%～9.90%，绝对误差平均值为5％；式（6）的误差范围为-7.19%～4.64%，绝对误差平均值为2.26％；式（5）的误差范围为-5.60%～5.86%，绝对误差平均值为2.46％。

综上所述，建议采用考虑影响相ρ的公式（7）作为砖骨料再生混凝土抗压强度计算公式。即基于表觀密度、骨料品质和取代率影响下建立的抗压强度计算公式，计算精度高，适用范围广。

4 结 语

本文在砖骨料再生混凝土力学性能试验的基础上，提出了一个可广泛应用的再生混凝土抗压强度计算公式，并对其进行了试验结果验证，得到如下结论。

1）由于砖骨料原材料组成复杂，其性能的离散性与波动性较大，则不同处理方式的影响因子α_g存在较大的差异，这说明非常有必要强化处理砖骨料，且强化处理砖骨料是制备高性能砖骨料的有效方法。

2）砖骨料影响因子同骨料的各种技术指标紧密相关，但影响程度存在差异，其中，砖骨料影响因子同骨料性能指标之间的相关性为压碎指标＜吸水率＜表观密度。

3）砖骨料再生混凝土抗压强度公式是基于胶水比、骨料性能和取代率所创建的，其计算误差较小，其中考虑影响相ρ的计算公式绝对误差平均值为5％，计算精度高，适用范围广。

本研究的不足之处在于制备砖骨料再生混凝土的试块数量较少，只分析了水玻璃、有机硅憎水剂2种试剂对骨料品质的影响，接下来的研究将探讨其他强化试剂对砖骨料再生混凝土性能的影响。

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