再生粗骨料取代率对再生保温混凝土360 d龄期内强度的影响

尚壮壮，刘元珍，高宇璇，王朝旭

(太原理工大学 土木工程学院，山西 太原 030024)

玻化微珠再生保温混凝土作为一种集保温隔热和承重于一体的新型绿色建筑材料对于构建节约型社会有重大意义.近年以来，为了推广玻化微珠再生保温混凝土的广泛应用，国内学者对其材料性能、力学性能以及它在装配式建筑中的应用进行了大量的研究[1-6].然而关于再生保温混凝土长龄期抗压强度的试验研究却相对匮乏.

混凝土长龄期强度是混凝土长期性能的重要组成部分，相较于标准养护28 d的抗压强度，360 d龄期内强度更能真实反应混凝土的后期强度，对结构安全承载更为重要.肖建庄[7-8]等人对再生混凝土长龄期强度进行了研究，其结果表明：再生混凝土的长龄期立方体抗压强度变化规律与普通混凝土保持一致，但再生混凝土的后期强度增长率远大于普通混凝土.王永贵[9]等研究表明在再生混凝土中添加适量纤维可以有效促进其早中期抗压强度的提高，但对其90 d强度的影响较小.成国耀、陈宗平[10-11]等人通过试验研究发现：再生混凝土长龄期棱柱体抗压强度比标准龄期实测值平均提高了16.8%.

再生骨料取代率是影响混凝土长龄期强度的重要因素之一.相关研究表明，再生骨料取代率越高，混凝土28 d抗压强度越低，但再生混凝土后期会获得较大的强度增量[12-14].肖建庄等[15]基于试验结果提出了基于再生粗骨料取代率的再生混凝土长期强度预测公式.而国内关于再生粗骨料取代率对再生保温混凝土的360 d龄期内强度影响规律的研究匮乏，因此本文针对这一问题，展开了一系列研究.

1 试验方案

1.1 试验材料

天然粗骨料：试验采用粒径为4.74～9.6 mm和9.6～20 mm的天然碎石，并按1∶1的比例将两种粒径的骨料混合.其物理性质见表1.

再生粗骨料：取自邯郸市某生态公司，由废弃混凝土破碎处理后所得，其级配曲线如图1所示.

图1 再生粗骨料级配曲线图

细骨料：本试验采用河砂，通过试验测得细度模数为2.5，粒径为0.074～4.74 mm，其他物理性质见表1.

表1 骨料的物理性质

水泥：标号为P.O 42.5普通硅酸盐水泥.其物理性质见表2.

硅灰：四川某硅灰厂生产的高性能硅灰.相关物理性质见表2.

表2 水泥和硅灰的物理性质

保温骨料：选择玻化微珠作为保温骨料.其相关物理性质见表3.

表3 玻化微珠物理性质

1.2 配合比设计

本试验采用课题组之前提出的C35最优配合比，以再生粗骨料取代率(采用体积取代的方式来计算)为控制参数，分别设置了0%、50%、100%三种取代率，对应的试件编号分别为：RATIC-0、RATIC-50、RATIC-100，并设置普通混凝土(NC)为试验对照组.

表4 混凝土配合比

1.3 试件设计

为了进行360 d龄期内抗压强度试验，本试验共制作156个试件，分为4组.具体试件设计如表5所示.

表5 试件的尺寸和数量

1.4 试验方法与试验设备

混凝土立方体及棱柱体抗压强度试验均根据《普通混凝土力学性能试验方法》(GB/T500 81)的规定进行，取三块试件所测得的均值作为该配比下再生保温混凝土的抗压强度值.试验所用的设备是200 0 kN微机控制电液伺服万能试验机.

2 试验结果及分析

2.1 360 d龄期内立方体抗压强度结果及分析

本文针对4组不同配合比的混凝土试件进行了360 d龄期内立方体抗压强度试验.试验结果如图2所示.

图2 不同再生粗骨料取代率混凝土立方体抗压强度

由图2可知，再生保温混凝土的360 d龄期内抗压强度随着再生粗骨料取代率的增大而减小.分析其原因可能是：新旧砂浆界面区域的微裂缝较多，随着荷载增大，界面区的微裂缝扩展延伸，使混凝土破坏；再生粗骨料表面附着有旧水泥砂浆，而新旧水泥砂浆之间的粘结力小于粗骨料与新水泥砂浆之间的粘结力，导致混凝土抗压强度降低；在破碎过程中再生粗骨料内部会产生较多的裂缝和空隙，混凝土内部空隙率增大，导致混凝土抗压强度减小.

在28 d龄期时，RATIC-0的立方体抗压强度值比RATIC-100高17.9%，RATIC-50比RATIC-100高9.9%；在120 d龄期时，RATIC-0的立方体抗压强度值比RATIC-100高17.5%，RATIC-50比RATIC-100高9%；在150 d龄期时，RATIC-0的立方体抗压强度值比RATIC-100高10.9%，RATIC-50比RATIC-100高6.8%；在360 d龄期时，RATIC-0的立方体抗压强度值比RATIC-100高8.9%，RATIC-50比RATIC-100高4.3%.由此可见，龄期越长，RATIC-100后期抗压强度增长速度更快，增长速率超过了RATIC-0和RATIC-50，再生粗骨料中附着的未水化水泥颗粒进一步水化反应促进了再生保温混凝土强度的后期增长.

在28 d、120 d、360 d三个龄期时，RATIC-100的立方体抗压强度分别是NC的70.2%、74.7%、81%.可以看出，虽然再生粗骨料的加入降低了混凝土的早期强度，但随着龄期延长，再生保温混凝土的后期强度增长潜力更高.这是因为再生粗骨料表面附着的旧砂浆中仍有未水化的水泥，其在长达360 d龄期内进一步发生了水化反应，增加了混凝土粘结性能，从而增大了混凝土强度.

由图3可知，随着龄期增长，不同配合比的试件混凝土龄期系数均出现逐渐增长的趋势.在整个强度增长过程中，RATIC-50的龄期系数大于RATIC-0；90 d之后，RATIC-100的龄期系数增长速度迅速提高，逐渐超过RATIC-0、RATIC-50.与NC比较发现，RATIC-0、RATIC-50、RATIC-100的龄期系数均大于NC，当龄期为360 d时，它们龄期系数分别比NC高6.78%、16.9%、15.3%.可以看出，再生粗骨料越多，再生保温混凝土后期抗压强度增长速率越快.这是因为再生粗骨料上附着的未水化的水泥颗粒在360 d龄期期间进一步发生水化反应，从而提高了混凝土抗压强度.

图3 不同再生粗骨料取代率的混凝土龄期系数

2.2 棱柱体抗压强度结果及分析

试验测得的不同再生粗骨料取代率的28 d棱柱体抗压强度以及立方体抗压强度结果见图4.

图4 棱柱体抗压强度与立方体抗压强度

由图4可知，RATIC-0的棱柱体抗压强度比NC低19%，比RATIC-50高2%，比RATIC-100高4%，由此可见随再生粗骨料掺量的增加，混凝土的棱柱体抗压强度减小，这与上文中立方体抗压强度试验所得结论一致.在同一试验条件下，再生保温混凝土立方体抗压强度大于棱柱体抗压强度，符合混凝土尺寸效应.

2.3 再生保温混凝土360 d龄期内强度预测模型

本文将实验数据与根据欧洲CEB-FIP MODEL CODE 1990规范[16]给出的EC2模型计算所得结果进行对比，结果如图5所示.

图5 试验实测值与EC2模型预测值

通过计算可知，NC的360 d龄期内强度实测曲线与EC2模型曲线的线性回归判定系数为0.955，RATIC-0的线性回归判定系数为0.885，RATIC-100的线性回归判定系数为0.754，可见EC2模型曲线与普通混凝土360 d龄期内强度实测曲线拟合度较高，而与保温混凝土、再生保温混凝土强度曲线拟合度较低，哈尔滨工业大学王庆贺[17]的研究表明EC2可以准确预测再生混凝土长龄期抗压强度.由此可知，EC模型适用于普通混凝土、再生混凝土360 d龄期内强度预测，而对保温混凝土及再生保温混凝土360 d龄期内强度预测精度较低.

图5显示，在45 d龄期以前，EC2模型对再生保温混凝土强度预测精度较高，45 d之后再生保温混凝土强度的实测值与EC2模型预测值之间的差距显著，这是因为前期保温骨料吸收了大量水分，随着龄期增长不断释放水分，促进水化反应进一步发生从而提高了混凝土强度.因此，本文在EC2模型的基础上考虑了保温骨料影响系数，分龄期对EC2模型进行修正.

在本试验中，当龄期>45 d时，再生保温混凝土强度的实测值与EC2模型预测值之间的差距显著，因此，本文以45 d为界限修正该模型，修正后的预测公式如公式(4)所示.

fcm(t)=βcc(t)fc,28

(1)

(2)

(3)

φa=1+0.472a0.035

(4)

上式中：fcm(t)为加载龄期为t时,混凝土立方体抗压强度平均值;s为水泥品种对混凝土抗压强度的影响系数，快硬高强型水泥，s=0.2；普通快硬型水泥，s=0.25；缓慢快硬型水泥，s=0.38;βcc(t)为龄期系数;t1为常数，t=1 d;fc,28为28 d混凝土立方体抗压强度平均；φa为保温骨料掺量对混凝土360 d龄期内强度的影响修正系数，a为保温骨料掺量

根据修正后的预测公式计算混凝土360 d龄期内强度值，不同配合比的混凝土的实测值与模型预测值的对比曲线如图6所示.

图6 试验实测值与EC2修正模型预测值

由图6可知，不同配比的混凝土360 d龄期内强度实测值曲线与修正后的模型预测值曲线表现出较高的拟合度.通过计算可知，RATIC-0的360 d龄期内强度实测曲线与修正后模型预测值曲线的线性回归判定系数为0.975，RATIC-50的线性回归判定系数为0.955，RATIC-100的线性回归判定系数为0.915，均大于0.9，表现出较强的相关性.由此可见，再生保温混凝土的360 d龄期内抗压强度可以通过本文提出的修正模型准确预测.

3 结论

本文选取不同再生粗骨料取代率的再生保温混凝土作为研究对象，进行抗压强度试验，对立方体抗压强度、棱柱体抗压强度以及龄期系数等试验结果进行分析，提出了适用于再生保温混凝土的360 d龄期内强度预测模型.本文主要得出以下结论：

(1)再生粗骨料取代率越大，再生保温混凝土的360 d龄期内抗压强度越小，而其后期强度增长速度越快.在360 d龄期时，RATIC-100的龄期系数是RATIC-50的1.01倍，是RATIC-0的1.24倍，可见随着龄期的增长，再生粗骨料有助于再生保温混凝土后期强度的增长.

(2)再生粗骨料取代率越大，再生保温混凝土的棱柱体抗压强度越小，且在同一试验条件下，棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度，符合混凝土尺寸效应.

(3)再生保温混凝土的360 d龄期内抗压强度可以通过本文基于欧洲EC2强度模型提出的修正模型进行准确预测.本试验中，RATIC-0、RATIC-50、RATIC-100的实测曲线与修正后的预测曲线的判定系数均大于0.9，表现出较高的拟合度.可见，本文提出的修正模型适用于再生保温混凝土的360 d龄期内强度预测.