宿曉如，謝 悅，王和興，羅冬梅

(佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 土木系， 廣東 佛山 528000)

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對再生混凝土的各項性能進行了較多的研究，取得了豐碩的研究成果。但國內(nèi)絕大部分研究限于廢棄的混凝土，對其它廢棄材料如：陶瓷、木材、玻璃、瓦片、油棕殼、橡膠纖維等研究甚少。粗骨料是水泥混凝土的主要組成成分之一，不同的粗骨料按不同級配組合，構(gòu)成混凝土的基本骨架，其質(zhì)量約占總質(zhì)量的60%～70%。廢陶瓷來源廣泛，用來替代天然粗骨料，既可解決天然粗骨料不足的問題，又有利于對廢陶瓷進行環(huán)保處理。程云虹等[1]發(fā)現(xiàn)廢棄陶瓷骨料部分或全部取代天然骨料后，其強度仍能滿足設(shè)計強度等級的要求。而郭賓[2]、邵蓮芬等[3]則認為陶瓷粗骨料的取代率增加時，雖然陶瓷混凝土的流動性和抗折強度逐漸降低，但抗壓強度有所增加。李澤峰[4]對陶瓷混凝土的力學(xué)性能做了較為詳細的研究，最終認為陶瓷混凝土的強度特性與常規(guī)混凝土相近，是極具潛力的綠色混凝土。許開成等[5]將陶瓷骨料用硅烷偶聯(lián)劑溶液處理后再制備陶瓷再生混凝土，測試了立方體抗壓強度和彈性模量，結(jié)果表明：彈性模量提高，抗壓強度也能滿足要求。吳本英等[6]認為普通混凝土的配合比計算方法不適用于陶瓷粗骨料混凝土，推導(dǎo)出了陶瓷粗骨料混凝土配合比的設(shè)計計算方法，試驗測得的陶瓷粗骨料混凝土的抗壓強度、抗拉強度和彈性模量均略低于普通混凝土。曾志興等[7]詳細分析了再生陶瓷混凝土的力學(xué)性能，認為基于統(tǒng)計回歸分析的配合比設(shè)計列線圖法預(yù)測材料的力學(xué)特性較為可靠，迄今為止，關(guān)于陶瓷混凝土材料研究得到的力學(xué)性能差異性較大，配合比設(shè)計方法也不統(tǒng)一。

本文將廢棄陶瓷破碎成不同粒徑的陶瓷顆粒和陶瓷粉，部分或全部替代天然粗骨料和細沙石，研究3 d、7 d、14 d、28 d情況下，骨料替代率與骨料尺寸變化對陶瓷混凝土抗壓強度和彈性模量的影響，利用Eviews多元非線性回歸得到抗壓強度與彈性模量的變化規(guī)律與相關(guān)參數(shù)的關(guān)系，為廢棄陶瓷混凝土的有效利用提供理論依據(jù)。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗材料

水泥：海螺牌P·O42.5R水泥；砂：中砂，級配良好，密度2 600 kg/m3；石子：天然碎石，密度2 800 kg/m3，級配良好；水：普通自來水；陶瓷粗骨料：粒徑大小為5～30 mm，級配良好，密度為2 250 kg/m3，陶瓷細骨料：粒徑大小為0.5～1 mm，級配良好，密度為1 850 kg/m3。本試驗中用陶瓷顆粒等體積替代天然石子，用陶瓷粉等質(zhì)量替代細砂。

本試驗中用陶瓷顆粒等體積替代天然石子，用陶瓷粉等質(zhì)量替代細砂，若陶瓷顆粒等質(zhì)量替代天然碎石，由于陶瓷的密度小于碎石，所需陶瓷骨料的體積增大，導(dǎo)致拌和后的混凝土過多，與普通混凝土相比，粗骨料周圍的水泥砂漿會減小，所以采取的替代方式為陶瓷顆粒等體積替代碎石粗骨料，兩種骨料均為人工破碎。

圖1 陶瓷顆粒與陶瓷粉粒

1.2 配合比設(shè)計

本試驗是在基準配合比的基礎(chǔ)上，采取不同替代率的陶瓷顆粒和陶瓷粉替代粗骨料和細骨料來研究陶瓷混凝土的抗壓強度和彈性模量，水灰比為0.5，為避免在拌合過程中陶瓷吸水造成水灰比的變化，在試驗前用水充分浸泡陶瓷顆粒24 h，在試驗攪拌前10 min取出，待表面水分蒸發(fā)后再進行拌合。試驗配合比見表1。

1.3 試驗過程分析

通過觀察可知，從裂縫出現(xiàn)到試件破壞，陶瓷混凝土的裂縫發(fā)展規(guī)律和最終破壞形式與普通混凝土類似。開始加載時，試件表面無肉眼可見的裂縫，隨著荷載的增加，試件側(cè)面角部的混凝土開始剝落，出現(xiàn)可見的裂紋，荷載繼續(xù)增加，裂紋進一步發(fā)展，當接近極限荷載時，裂紋迅速發(fā)展并貫穿試件，最終試件完全破壞。觀察破壞面后發(fā)現(xiàn)，陶瓷混凝土試件的破壞大多發(fā)生在陶瓷粗骨料與水泥、細骨料間的粘結(jié)界面，大部分陶瓷粗骨料保持完好。圖2(c)為彈性模量測定過程，試驗前調(diào)整測定儀位置，使其中心與試件軸心、上下承壓板的中心對準，測定過程中及時讀取千分表上的數(shù)據(jù)并記錄。測定結(jié)束后，試件表面出現(xiàn)裂縫，但并沒有完全破壞，如圖2(d)所示。

表1 陶瓷混凝土配合比

注：A表示用陶瓷顆粒替代粗骨料(石子)，B表示用陶瓷粉替代細骨料(砂)

圖2 試驗過程分析

1.4 試驗數(shù)據(jù)處理

針對混凝土的受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線，國內(nèi)外學(xué)者提出了許多不同的曲線方程，本文試驗得到不同齡期的混凝土受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示，采用混凝土規(guī)范附錄[10]中的混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線方程：

y=a0+a1x+a2x2+a3x3(x≤1)

(1)

顯然a1與齡期、替代率、抗壓強度有關(guān)，而《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》附錄[10]規(guī)定C60以下不同強度混凝土單軸受壓的應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段的參數(shù)值的計算公式：

αa=2.4-0.012 5fcu

(2)

方程滿足下列條件：

代入方程(1)可得到

y=a1x+(3-2a1)x2+(a1-2)x3(x≤1)(a1>0)

(3)

式中，fcu為普通混凝土的抗壓強度。

利用Eviews通過多元非線性回歸得到a1與應(yīng)力-應(yīng)變曲線參數(shù)、齡期、替代率的表達式a1為：

(4)

式中，p為替代率，d為齡期，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入方程(4)得到結(jié)果如表2所示。

表2 式(4)中的參數(shù)a1

a1/%3 d7d14 d28 d01.525 4081.609 4781.873 7032.156 431301.095 9451.245 1501.525 4082.010 657500.830 004 40.926 756 61.387 7381.916 325701.290 2751.450 0411.660 5532.317 4541001.711 5291.829 2011.966 0932.692 377

根據(jù)試驗得到的混凝土強度，進行多元非線性回歸，得出陶瓷混凝土的抗壓強度與普通混凝土抗壓強度、體積分數(shù)和齡期回歸方程為

F=-0.063 163fcu+fcu×e0.002 112p+

0.006 299d2-0.348 930p+0.003 30p2

(5)

式中，F(xiàn)為陶瓷混凝土的抗壓強度； 陶瓷混凝土峰值應(yīng)力對應(yīng)的峰值應(yīng)變?yōu)椋?/p>

(6)

該回歸方程的決定系數(shù)為R2=0.934 121，該值通過了t-檢驗和F-檢驗?；谏鲜龇匠痰玫奖疚牡奶沾苫炷帘緲?gòu)方程為：

σ=F[a1ε+(3-2a1)ε2+(a1-2)ε3]

(7)

式中ε=x×εF

圖3 不同陶瓷粗骨料替代率下混凝土材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

圖4 試驗值與回歸值的關(guān)系(40%替代率)

2 試驗結(jié)果分析

2.1 質(zhì)量

圖5和圖6分別表示了陶瓷粗骨料混凝土和陶瓷細骨料混凝土的質(zhì)量與骨料替代率的關(guān)系。試件的質(zhì)量均隨著骨料替代率的增加而減小，說明陶瓷骨料在減小建構(gòu)筑物的質(zhì)量方面是有利的。

圖5 陶瓷混凝土質(zhì)量與替代率的關(guān)系(粗骨料)

圖6 陶瓷混凝土質(zhì)量與替代率的關(guān)系(細骨料)

2.2 抗壓強度分析

圖7為不同齡期的試件的抗壓強度隨骨料替代率的變化，圖8為不同替代率的試件的抗壓強度隨齡期的變化。

圖7 抗壓強度隨齡期和替代率的變化關(guān)系(粗骨料)

圖8 抗壓強度隨齡期和替代率的變化關(guān)系(粗骨料)

由圖7可知，隨著替代率的增加，混凝土的抗壓強度先減小后增大，在100%替代時，強度達到最大，齡期越短，強度變化差值越大，這是因為試驗前陶瓷骨料充分吸收水分達到飽和狀態(tài)，將水分儲存在骨料內(nèi)部，起到蓄水作用，為后續(xù)養(yǎng)護過程中水泥水化和凝結(jié)硬化提供足夠的水分，這有利于混凝土強度的發(fā)展，當周圍環(huán)境或混凝土表面水分蒸發(fā)后，骨料內(nèi)部可以釋放出一部分水讓混凝土可以在長時間內(nèi)保持濕度，使混凝土的強度得到發(fā)展，這叫做混凝土的“內(nèi)養(yǎng)護”，比外養(yǎng)護更經(jīng)濟[9]。圖8顯示粗骨料替代率為50%時，不論齡期長短，試件的抗壓強度始終最低，替代率為100%時，抗壓強度最大。

由圖9可知，不同齡期的試件，隨著陶瓷細骨料替代率的增加，抗壓強度逐漸減小，齡期越小，減小得越顯著。由于陶瓷細骨料與水泥的粘聚力小于砂與水泥的粘聚力，導(dǎo)致抗壓強度急劇減小，此外，由于陶瓷細骨料的密度遠小于砂的密度，引起陶瓷混凝土密實度的下降，因此陶瓷細骨料替代天然砂并無意義。

2.3 彈性模量分析

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定混凝土彈性模量計算公式如下[10]：

Ec=105/(2.2+34.7/fcu,k)

(8)

fck=0.88×αc1×αc2×fcu,k

(9)

其中：fcu,k為立方體抗壓強度，fck為軸心抗壓強度。

αc1為棱柱體強度與立方體強度之比：對C50及以下普通混凝土取αc1=0.76；對高強混凝土C80取αc1=0.82，中間按線性規(guī)律變化插值。

C40以上的混凝土考慮脆性折減系數(shù)αc2： 對C40取1.0；對高強混凝土C80取0.87，中間按線性規(guī)律變化插值。

本文混凝土強度為C30，故

Ec=105/(2.2+23.207/fck)

(10)

各試件不同替代率下測得的彈性模量試驗值與利用式(10)的計算結(jié)果如圖10所示。

圖9 陶瓷混凝土抗壓強度與替代率的關(guān)系(細骨料)

圖10 替代粗骨料彈性模量公式計算與試驗結(jié)果

由圖10可知，彈性模量與抗壓強度的變化規(guī)律一致。齡期較短時，公式計算結(jié)果大于試驗結(jié)果，隨著齡期的增加，彈性模量逐漸穩(wěn)定，試驗結(jié)果從14d開始大于公式計算。隨著替代率的增加，混凝土的抗壓強度先減小后增大，替代率大約50%時，彈性模量最低，隨后繼續(xù)隨替代率的增大而增大，在100%替代時，強度達到最大。由此可見，用粒徑較大的陶瓷粗骨料替代天然骨料時，替代率越高越有利于提高材料的力學(xué)性能。

圖11為細骨料混凝土的彈性模量變化曲線。與粗骨料的情況不同， 隨著替代率的增大，彈性模量逐漸減小，齡期較短時，彈性模量較小，隨著齡期增加，彈性模量也逐漸增大。實驗結(jié)果與公式計算所得結(jié)果較為吻合。

圖11 替代細骨料彈性模量公式計算與試驗結(jié)果比較

3 結(jié)論

本文將廢棄陶瓷人工破碎成粒徑不同的粗骨料和細骨料，將粗骨料部分或全部替代天然粗骨料，將細骨料部分替代細砂石，以一定的配合比制作再生陶瓷增強混凝土試件，利用軸心抗壓試驗測試試件的抗壓強度和彈性模量，利用Eviews多元非線性回歸進行數(shù)值擬合，得到再生陶瓷混凝土的抗壓強度與陶瓷骨料替代率、齡期等參數(shù)的解析關(guān)系。結(jié)果表明粒徑較大的陶瓷粗骨料不會降低抗壓強度和彈性模量，但替代率較小時抗壓強度和彈性模量會降低，替代率在50%的情況達到最低，隨后則隨替代率的增大逐步增大，直至全部替換。陶瓷細骨料的粒徑太小時，陶瓷粉末與水泥的粘聚力小于砂與水泥的粘聚力，導(dǎo)致抗壓強度和彈性模量都減小，不利于改善混凝土的強度和剛度。

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