混凝土密度和抗压强度预测模型的建立与应用

2021-09-22李天龙姜鹏霄杨建宇

中外公路 2021年4期

李天龙，姜鹏霄，杨建宇

(1.琼海市建设工程质量安全监督站，海南琼海 571400;2.中国建筑第五工程局有限公司；3.长沙理工大学)

1 前言

目前全球国家对轮胎需求日益增长，在这些轮胎达到使用寿命成为废物后，由于其不可降解性，将会造成严重的环境污染问题。研究表明：再生轮胎可作为混凝土和砂浆生产中细骨料的替代品进行再利用。由于橡胶集料的比重较低，所得混合物的比重会随橡胶含量的增加而降低。此外，由于橡胶颗粒是弹性变形的，且水泥浆体比橡胶颗粒硬，导致在加载过程中橡胶颗粒周围快速形成裂缝，使混凝土的抗压强度降低；也可能是由于橡胶颗粒与黏合膏体之间的黏合不坚固导致裂缝形成，致使混凝土的抗压强度降低。舒兴旺采用废旧橡胶代替砂石制备了高掺量(0～50%)废旧橡胶改性环氧树脂混凝土，发现混凝土的抗压强度随橡胶掺量的增加呈线性降低；薛刚等配制了水灰比为0.35、0.40、0.45，橡胶掺量为0、10%、20%、30%的橡胶混凝土，通过轴心抗压强度试验得出：随着橡胶掺量的增加,轴心抗压强度逐渐降低,强度损失逐渐增大；橡胶掺量相同时，水灰比越小，抗压强度越大；周金枝等研究了橡胶混凝土中橡胶颗粒占细骨料体积5%～40%条件下，不同橡胶颗粒目数与混凝土密度和抗压强度的关系，建立了密度折减系数和橡胶掺量之间的线性拟合方程，可用于橡胶混凝土的密度和抗压强度的预测。

此外，混凝土的性能可通过调节水灰比来改善。亢景付等对3种水灰比(0.3，0.4，0.5)水泥净浆中掺入不同体积含量橡胶颗粒(10%、15%、20%、30%、50%)后的开裂敏感性进行了对比分析，结果表明：在水泥净浆中掺入橡胶颗粒可以显著延缓试件的开裂时间，延缓时间随橡胶颗粒掺量的增加和水灰比的增大而延长；宋慧等指出水灰比对混凝土硬化性能的影响，发现随着水灰比从0.6增加到0.8，抗压强度降低了32%～40%；胡冉等的研究表明：水分过量会使微观毛细空隙增加。尽管降低含水量会导致水泥颗粒紧密堆积，但由于润滑性和流动性降低，可能会增加排出空隙的难度；陈代果等针对不同水灰比对混凝土的性能进行试验，结果表明随水灰比的增大，混凝土的抗压强度先增大后减小，水灰比为0.31时混凝土的抗压强度最大，当水灰比大于0.31时，由于水泥浆体流动性过大，使得在试件成型过程中，浆体在重力作用下向下层流动，堵塞下部孔隙，而上部粗骨料水泥浆体包裹过薄，导致抗压强度降低。

橡胶混凝土的密度和抗压强度取决于橡胶骨料的相对用量和所用的水灰比。因此，该文的目的是基于试验测试结果建立模型，以预测一定橡胶含量和水灰比范围内所得混凝土的密度和抗压强度。

2 试验部分

2.1 原料

研究中，用于制备橡胶混凝土的材料包括普通硅酸盐水泥、砂石、采矿粉、碎石、橡胶和水。使用的普通硅酸盐水泥的化学组成如表1所示。

砂石铺开在阳光下以去除水分。砂石、矿粉、碎石和橡胶的物理性质如表2所示。

2.2 方法

2.2.1 配合比

选用普通混凝土作为对照，记为Pj，其中P表示普通混凝土，j表示水灰比；掺杂了橡胶的混凝土记为Ri/j，其中R表示掺杂了橡胶的混凝土，i为橡胶占砂石的重量百分比，j为水灰比。试验的不同混合比如表3所示，每批生产6个样品，取样品试验的平均值作为试验结果。橡胶占砂石的重量百分比分别为0%、10%、20%、30%、40%、50%和60%。

表1 普通硅酸盐水泥的化学组成 %

表2 砂石、矿粉、碎石和橡胶的物理性质

2.2.2 试样制备

对砂石、水泥、矿粉和橡胶进行称重后用瓦刀混合均匀，再加入碎石并搅拌10 min，然后加入水搅拌至混合均匀。用长200 mm、宽100 mm、深60 mm的钢模进行模具设计。将混合物倒入涂油的模具中，用锤子和木杆手动压实，然后将得到的混凝土块从钢模中移除。将混凝土用湿棉袋包裹，每天浇水2次，以防止混凝土中的水过度蒸发，养护28 d后开始试验。

2.2.3 密度测试

混凝土的密度根据重量除以体积计算：

密度(kg/m3)=质量(kg)/体积(m3)

(1)

表3 混凝土配合比

2.2.4 抗压强度测试

对混凝土采取轴向压缩，直到观察到混凝土试样出现破坏，根据式(2)计算混凝土的抗压强度：

抗压强度(N/mm2)=破坏载荷(N)/承压面积(mm2)

(2)

3 结果与讨论

试验所得混凝土的密度和抗压强度分别如图1、2所示。

图1 不同橡胶含量混凝土在不同水灰比下的密度

图2 不同橡胶含量混凝土在不同水灰比下的抗压强度

由图1、2可以看出：① 随着橡胶含量的增加，混凝土的密度降低。无论所用的水灰比是多少，用橡胶代替砂石达60%时，混凝土的密度约有18%的降低，这可能是由于橡胶的密度比砂石低造成的；② 橡胶混凝土的抗压强度随着橡胶含量的增加而降低，当用橡胶代替60%的砂石时，所得混凝土的抗压强度降低了约87%，与所用的水灰比无关;③ 橡胶混凝土密度和抗压强度会随水灰比的不同而不同。

3.1 橡胶混凝土性能预测模型建立

采用多元回归分析建立预测模型，多元回归分析是目前应用最广泛的分析多个自变量和单个因变量之间关系的技术。因此，多元回归分析提供了一个或多个自变量(X1，X2，X3，…，Xk)的变化导致因变量Y改变的方法，并且可以分析每个自变量的变化对因变量变化影响程度的大小。根据经典线性回归模型，因变量Yp与自变量X1，X2，X3，…，Xk之间的关系定义为：Yp=α+β1X1+β2X2+…+βkXk+ε；其中α为Y轴上的常数，β1～βk为相关系数，X1～Xk为自变量，ε为误差项。在此次试验中，水灰比和橡胶含量为自变量，因变量为所得混凝土的密度或抗压强度。