浙江大学学报(工学版)

浙江大学学报(工学版), 2021, 55(1): 10-19 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2021.01.002

土木工程、交通工程、水利工程

再生砖骨料混凝土架构模型试验研究

葛培,, 黄炜,, 李萌

1. 西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 710055

2. 陕西省天然气股份有限公司，陕西 西安 710055

Experimental study on recycled brick aggregate concrete frame model

GE Pei,, HUANG Wei,, LI Meng

1. College of Civil Engineering, Xi'an University of Architecture and Technology, Xi'an 710055, China

2. Shanxi Provincial Natural Gas Limited Company, Xi'an 710055, China

通讯作者: 黄炜，男，教授. orcid.org/0000-0001-9415-3611. E-mail： 3320194230@qq.com

收稿日期: 2020-10-28  

Received: 2020-10-28  

作者简介 About authors

葛培（1984—），男，博士生，从事再生骨料混凝土材料的研究.orcid.org/0000-0001-6048-5191.E-mail：810541715@qq.com , E-mail：810541715@qq.com

摘要

通过试验研究水灰质量比、粒径级配、再生砖骨料和砂体积分数对混凝土抗压强度的影响以及灰砂质量比对水泥石抗压强度的影响，分析骨浆体积比、灰砂质量比、再生砖骨料和砂体积分数对混凝土架构贡献强度的影响. 结果表明，再生砖骨料混凝土的抗压强度随着水灰质量比的减小而增大，当骨料粒径为19~26.5 mm时抗压强度达到最大值；当再生砖骨料体积分数为30%~43.2%时，混凝土抗压强度和再生砖骨料构架贡献强度都随着再生砖骨料体积分数的增大而增大，且都随着砂体积分数的增大而增大；当灰砂质量比为0.33~1.33时，水泥砂浆试件的抗压强度随着灰砂质量比的增大而增大；当再生砖骨料体积分数为40%和43.2%时，灰砂质量比与再生砖骨料架构贡献强度以及骨浆体积比与再生砖骨料架构贡献强度均高度线性相关；再生砖骨料架构贡献强度高于混凝土强度，主要集中在再生砖骨料体积分数为40%~43.2%，特别是再生砖骨料体积分数为43.2%、砂体积分数为18%~26%.

关键词： 再生砖骨料混凝土 ; 架构贡献强度 ; 骨浆体积比 ; 灰砂质量比 ; 抗压强度

Abstract

The influence of water cement mass ratio, particle size distribution, recycled brick aggregate and sand volume fraction on the compressive strength of concrete and the influence of cement sand mass ratio on the compressive strength of cement paste were analyzed through experiments. The influence of aggregate cement volume ratio, cement sand mass ratio, recycled brick aggregate and sand volume fraction on the contribution strength of concrete framework was analyzed. Results show that the compressive strength of recycled brick aggregate concrete increases with the decrease of water cement mass ratio, and the compressive strength reaches the maximum value when the aggregate size ranges from 19 to 26.5 mm. The compressive strength of concrete and the contribution strength of recycled brick aggregate framework increase with the increase of recycled brick aggregate volume fraction when the volume fraction of recycled brick aggregate is between 30% and 43.2%, and both of them increase with the increase of sand volume fraction. The compressive strength of cement paste specimen increases with the increase of cement sand mass ratio when the cement sand mass ratio is between 0.33 and 1.33. The cement sand mass ratio is highly linear to the contribution strength of recycled brick aggregate framework, and aggregate cement volume ratio is highly linear to the contribution strength of recycled brick aggregate framework when the volume fraction of recycled brick aggregate is 40% and 43.2%. The contribution strength of recycled brick aggregate framework is higher than that of concrete, mainly concentrated in the recycled brick aggregate volume fraction of 40%-43.2%, especially when the volume fraction of recycled brick aggregate is 43.2% and the volume fraction of sand is 18%-26%.

Keywords： recycled brick aggregate concrete ; frame contribution strength ; aggregate cement volume ratio ; cement sand mass ratio ; compressive strength

PDF (1225KB) 元数据 多维度评价 相关文章 导出 EndNote| Ris| Bibtex  收藏本文

本文引用格式

葛培, 黄炜, 李萌. 再生砖骨料混凝土架构模型试验研究. 浙江大学学报(工学版)[J], 2021, 55(1): 10-19 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2021.01.002

GE Pei, HUANG Wei, LI Meng. Experimental study on recycled brick aggregate concrete frame model. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2021, 55(1): 10-19 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2021.01.002

我国每年拆除旧建筑产生的建筑垃圾可达18亿t以上，其中70%以上为建筑砖垃圾，将这些建筑垃圾合理回收利用，可以实现建筑垃圾的资源化[1]. 梁炯丰等[2-6]对再生砖骨料混凝土的基本力学性能进行了详细的报道. 文献[2-6]中没有详细说明配合比的设计方法，经过对比发现，这些文献中各组分配合比千差万别. 大多数学者都是采用《普通混凝土配合比设计规程JGJ 55—2011》规范中的质量法进行配合比设计，由于再生砖骨料的体积密度比天然骨料小，采用质量法必然造成同质量骨料条件下再生砖骨料的体积比天然骨料的大. 骨料的体积分数会对混凝土的力学性能造成重要影响[7-9]. 由此可见配合比设计是研究再生骨料混凝土性能的前提，只有在合理的配合比条件下才能保证再生骨料混凝土的性能研究是在同等条件下进行的.

罗冠祥等[10-12]虽然对再生骨料混凝土配合比设计进行了研究，但是没有绕开《普通混凝土配合比设计规程JGJ 55—2011》中的质量法，只是在质量法中代换了一些计算参数. 吴中伟等[13]首次提出“中心质假说”，用以阐明混凝土组分对力学性能的影响. “中心质假说”的实质是混凝土架构模型的雏形. 汪振双等[14-18]提出混凝土架构模型并形成了完善的理论体系，这为混凝土配合比设计提供了新的思路. 混凝土架构理论主要突出粗集料在混凝土中主要起骨架和增强体积稳定性作用，细集料起到增强水泥石、填充粗集料空隙的作用. 汪振双[14]研究天然骨料混凝土基础架构理论，刘莎等[15-18]分别研究卵石、破碎卵石、轻骨料和沥青混合料混凝土架构理论，但是再生骨料混凝土架构试验研究和理论分析还处于空白.

与天然骨料相比，再生砖骨料的表观密度小、压碎指标高、吸水率大[19-20]，这些指标的变化都将影响再生砖骨料在混凝土中的架构作用. 《普通混凝土配合比设计规程JGJ 55—2011》中给出混凝土配合比设计的体积法，但是没有给出各组分的合理体积分数. 通过试验研究各组分体积分数对再生砖骨料混凝土抗压强度的影响规律是配合比设计的第一步. 汪振双等[14-18]强调了架浆比和砂浆比对混凝土强度的贡献；《普通混凝土配合比设计规程JGJ 55—2011》强调了水灰质量比对混凝土强度的贡献. 本文研究水灰质量比、粒径级配、再生砖骨料和砂体积分数对混凝土抗压强度的影响，分析砂对水泥石强度的影响以及骨浆体积比、灰砂质量比、再生砖骨料和砂体积分数对混凝土架构贡献强度的影响.

1. 试验介绍

1.1. 原材料

胶凝材料为海螺牌32.5级普通硅酸盐水泥，密度为3 100 kg/m3；拌和水为普通自来水；细骨料为普通河砂，细度模数为2.76，水质量分数为0.1%，表观密度为2 640 kg/m3；再生砖骨料（RBA）和天然骨料（NA）的基本性能见表1. 表中，ρa为表观密度，ρc为堆积密度，T为压碎指标，W为吸水率。自然状态下的再生砖骨料级配较细，经过人工筛分重新进行级配混合，使级配在合理范围以内.

表 1   骨料物理性能

Tab.1  Physical properties of aggregate

骨料类型 ρa /（kg·m−3） ρc /（kg·m−3） T /% W /%
RBA 2100 1012 22 18.11
NA 2713 1401 10 0.22

新窗口打开| 下载CSV


1.2. 试验设计、制作和方法

该试验主要考虑水灰质量比、粒径级配、再生砖骨料和砂体积分数对混凝土架构模型的影响，配合比方案详见表2. 试件H1~H4为天然骨料，主要以水灰质量比为变量；试件H5~H8为再生砖骨料，主要以水灰质量比为变量；试件H9~H11是在试件H7基础上以粒径级配为变量；试件H12~H28为再生砖骨料，主要以再生砖骨料和砂体积分数为变量. 由于再生砖骨料和天然骨料的表观密度不同，若采用《普通混凝土配合比设计规程JGJ 55—2011》质量法进行配合比设计，则必然造成等质量的情况下再生砖骨料的体积比天然骨料的体积大. 本次试验试件H5~H11是根据《普通混凝土配合比设计规程JGJ 55—2011》进行配合比设计，用等体积再生砖骨料替换天然骨料. 其中再生砖骨料是在称量重量后用自来水进行浸泡，然后静置至饱和面干状态[12]. 试件H12~H28的水和水泥用量的确定方法如下. 根据每立方米混凝土中骨料和砂的体积分数算出水泥石的体积分数，经过试验测得水灰质量比为0.46的水泥石的密度为1 796 kg/m3，可以计算水泥石的质量并根据水灰质量比分别算出水和水泥的用量，计算结果如表2所示. 表中，mc/ms为灰砂质量比，mw/mc为水灰质量比。

表 2   混凝土配合比试验方案

Tab.2  Test plan of concrete mix proportion

试件编号 骨料粒径 mc/ms mw/mc ρB /(kg·m−3) $\varphi _{\rm{B}}$
水 水泥 RBA NA 砂 RBA NA 砂
H1 2.36~26.5 0.58 0.63 205 325 0 1309 561 0 0.483 0.213
H2 2.36~26.5 0.71 0.52 205 394 0 1243 558 0 0.458 0.211
H3 2.36~26.5 0.77 0.46 205 446 0 1172 577 0 0.432 0.219
H4 2.36~26.5 0.82 0.41 205 500 0 1085 610 0 0.400 0.231
H5 2.36~26.5 0.58 0.63 205 325 1013 0 561 0.483 0 0.213
H6 2.36~26.5 0.71 0.52 205 394 962 0 558 0.458 0 0.211
H7 2.36~26.5 0.77 0.46 205 446 907 0 577 0.432 0 0.219
H8 2.36~26.5 0.82 0.41 205 500 840 0 610 0.400 0 0.231
H9 19~26.5 0.77 0.46 205 446 907 0 577 0.432 0 0.219
H10 9.5~19 0.77 0.46 205 446 907 0 577 0.432 0 0.219
H11 2.36~9.5 0.77 0.46 205 446 907 0 577 0.432 0 0.219
H12 2.36~26.5 1.35 0.46 294 640 630 0 475 0.300 0 0.180
H13 2.36~26.5 1.02 0.46 272 590 630 0 577 0.300 0 0.220
H14 2.36~26.5 0.79 0.46 249 541 630 0 686 0.300 0 0.260
H15 2.36~26.5 1.22 0.46 266 578 735 0 475 0.350 0 0.180
H16 2.36~26.5 0.92 0.46 243 529 735 0 577 0.350 0 0.220
H17 2.36~26.5 0.70 0.46 220 480 735 0 686 0.350 0 0.260
H18 2.36~26.5 1.09 0.46 237 517 840 0 475 0.400 0 0.180
H19 2.36~26.5 0.81 0.46 215 467 840 0 577 0.400 0 0.220
H20 2.36~26.5 0.61 0.46 193 418 840 0 686 0.400 0 0.260
H21 2.36~26.5 1.00 0.46 220 477 907 0 475 0.432 0 0.180
H22 2.36~26.5 0.55 0.46 174 379 907 0 686 0.432 0 0.260
H23 2.36~26.5 0.83 0.46 181 394 1050 0 475 0.500 0 0.180
H24 2.36~26.5 0.60 0.46 159 344 1050 0 577 0.500 0 0.220
H25 2.36~26.5 0.43 0.46 136 295 1050 0 686 0.500 0 0.260
H26 2.36~26.5 0.70 0.46 153 332 1155 0 475 0.550 0 0.180
H27 2.36~26.5 0.49 0.46 130 283 1155 0 577 0.550 0 0.220
H28 2.36~26.5 0.34 0.46 107 234 1155 0 686 0.550 0 0.260

新窗口打开| 下载CSV


为了对比分析砂对水泥石强度的架构贡献以及再生砖骨料和天然骨料对水泥砂石强度的架构贡献，在水灰质量比为0.46的基础上设计以灰砂质量比为变量的水泥砂浆试件，配合比方案详见表3. 由表2可知，试件H1~H28的灰砂质量比都为0.34~1.22，均在表3的范围内，其中G7为水灰质量比为0.46的纯水泥浆试件.

表 3   水泥砂浆试件配合比方案

Tab.3  Mix proportion scheme of cement mortar specimen

试件编号 mw/mc mc/ms 备注
G1 0.46 0.33 −
G2 0.46 0.5 −
G3 0.46 1 −
G4 0.46 1.33 −
G5 0.46 2 −
G6 0.46 4 −
G7 0.46 − 纯水泥浆试件

新窗口打开| 下载CSV


试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的标准立方体试块. 根据表2、3每组的配合比，制作3个试件用于抗压强度测试，共105个试件. 试件制作完毕1 d后拆模，移送到标准养护室标养至28 d. 强度测试依据《普通混凝土力学性能试验方法标准GB/T 50081—2002》进行. 试验加载设备为TYA-2000型电液式压力试验机.

2. 试验结果及分析

2.1. 水灰质量比对再生砖骨料混凝土强度的影响

不同水灰质量比条件下的再生砖骨料和天然骨料混凝土28 d抗压强度fcu试验结果见图1. 可以看出，再生砖骨料混凝土和天然骨料混凝土的抗压强度都随着水灰质量比的降低而提高. 这是因为在骨料体积一定的情况下，水灰质量比越小，水泥砂浆越稠，强度越高. 再生砖骨料混凝土的抗压强度在4种水灰质量比条件下的强度均低于天然骨料混凝土，在水灰质量比为0.63、0.52、0.46和0.41时强度分别降低了38.46%、25.3%、18.99%和15.38%，即随着水灰质量比的减小，再生砖骨料混凝土的抗压强度降低幅度逐渐减小. 这是因为再生砖骨料的压碎值比天然骨料大，骨料的压碎值决定了骨料的强度，骨料的强度直接影响了混凝土的强度[21-23]. 《普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验方法JGJ 53—92》规定岩石的抗压强度与混凝土强度等级的比值不应小于1.5，但是再生砖骨料的压碎值为22%，是天然骨料的2.2倍. 在再生砖骨料混凝土破坏过程中，砖骨料存在大量的破碎，即再生砖骨料的强度小于混凝土强度等级，因此再生砖骨料在混凝土中降低了骨架作用. 再生砖骨料混凝土的强度主要取决于骨料自身强度、骨料与水泥石的界面以及水泥石自身的强度[24]. 天然骨料多为界面破坏，即天然骨料的强度大于混凝土强度等级，因此天然骨料在混凝土中具有较强的骨架作用. 天然骨料混凝土的强度主要取决于骨料与水泥石的界面及水泥石自身的强度[25-27].

图 1

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图 1   不同水灰质量比混凝土的抗压强度

Fig.1   Compressive strength of concrete with different water cement ratio


2.2. 级配对再生砖骨料混凝土强度的影响

杨再富等[21, 28-30]的研究表明，级配良好的粗集料有较大的堆积密度和较小的空隙率，不仅可以减少胶凝材料的用量，而且能够增加材料的密实度，减少湿润集料表面的用水量，使混凝土的强度和耐久性得到提高和改善；当粗集料的级配不良时，造成混凝土拌合物的流动性差，容易在硬化混凝土内部形成蜂窝孔洞缺陷，使得混凝土强度降低，给混凝土的质量带来不利影响. 如图2所示为4种粒径范围试件的抗压强度. 图中，dp为粒径。可以看出，再生砖骨料混凝土的抗压强度随着骨料粒径直径的增大而增大，当粒径为19.0~26.5 mm时抗压强度达到最大值31.25 MPa，比全级配2.36~26.50 mm的抗压强度高出4.29 MPa. 这个规律与文献[21, 28~30]的骨料最大密实度理论不同. 主要原因可能是当骨料体积分数一样时，骨料最小直径越小，骨料总表面积越大[31]. 再生砖骨料总表面积从大到小的顺序为H11>H7>H10>H9，混凝土强度从大到小的顺序为H9>H10>H7>H11.

图 2

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图 2   不同级配再生砖骨料混凝土的抗压强度

Fig.2   Compressive strength of recycled brick aggregate concrete with different gradation


2.3. 再生砖骨料体积分数对混凝土强度的影响

在混凝土中，增加粗集料用量可以增强混凝土的体积稳定性，减小混凝土收缩，不仅能够降低混凝土的生产成本，而且能够改善和提高混凝土的耐久性. 粗骨料在普通混凝土中起着骨架作用，体积分数的改变将会引起混凝土的收缩、徐变及强度等变化.

依据《普通混凝土配合比设计规程JGJ 55—2011》可知，在砂率为30%保持不变和砂率为35%、33%、31%、29%、28%、27%、26%依次变化2种情况下，分别计算混凝土强度等级C20-C50的配合比. 计算结果表明，无论砂率不变还是砂率变化，随着所配制混凝土等级的提高，粗骨料、细骨料及粗细骨料的体积分数都是下降的. 《普通混凝土配合比设计规程JGJ 55—2011》中提高混凝土强度等级的核心思想是降低粗细骨料的体积分数，同时增加水泥用量，减小水灰质量比. 无论砂率是否变化，不同等级混凝土粗细骨料总体积分数是相等的，只是粗骨料和细骨料体积分数变化. 计算结果还表明，粗细骨料的体积分数都小于73.1%，这和蔡志达等[32]所推导的致密状态下粗细骨料的体积分数为71.52%是非常吻合的，即《普通混凝土配合比设计规程JGJ 55—2011》考虑了粗骨料在混凝土中的骨架作用和水泥浆体包裹粗细骨料的厚度.

再生砖骨料和砂体积分数对抗压强度的影响见图3. 图中， $\varphi_{\rm{s}} $为砂体积分数， $\varphi_{\rm{g}} $为骨料体积分数。可以看出，当再生砖骨料体积分数为30%~43.2%时，混凝土抗压强度随着再生砖骨料体积分数的增大而增大，并且每种再生砖骨料体积分数中混凝土抗压强度都随着砂体积分数的增大而增大. 这是因为随着再生砖骨料和砂体积分数的增加，骨料间距逐渐减小，骨料空隙填充密实，骨料的架构作用增强，这与文献[7，8, 14]得出的结论一致. 当再生砖骨料的体积分数为43.2%，砂体积分数为26%时，抗压强度达到最大值. 说明在该状态时，水泥裹浆的厚度最合理，混凝土达到最密实的状态. 蔡志达等[32]以致密配比逻辑为基础，配合富勒曲线推导出致密堆积状态下粗、细骨料的孔隙体积分数为28.48%，即粗细骨料的总体积分数为71.52%. 汪振双[14]认为在理想状态下，等粒径球体颗粒最理想的堆积填充方式是空隙率降到26%，即粗细骨料的总体积分数为74%. 蔡志达等[32]和汪振双[14]的结论都与本文的试验结论高度吻合.

图 3

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图 3   粗细骨料体积分数对抗压强度的影响

Fig.3   Influence of volume fraction of coarse and fine aggregate on compressive strength


从图3可以发现，当再生砖骨料体积分数为43.2%~55%时，混凝土的抗压强度随着再生砖骨料体积分数的增大而减小，特别是再生砖骨料体积分数为55%的平均强度比最大抗压强度降低了63%. Stock等[7-8, 14]的研究发现，当粗集料体积分数在一定范围内时，混凝土强度随着粗集料体积分数的增加而增大，超出这个范围混凝土强度迅速下降. 这是因为随着再生砖骨料体积分数和砂体积分数的增加，水泥的裹浆厚度减薄，从而影响了水泥石与砖骨料的粘结和混凝土整体强度的发挥. 张立新等[30]认为当粗骨料的体积分数为60%时，混凝土强度达到最大值. 沈卫国[33]的研究表明，当粗集料体积分数为54%时，混凝土的强度最高. 本文的试验结论与他们的结论不同，这一方面可能是因为本文针对的是再生砖骨料，而前面几位学者针对的是天然骨料，骨料的性能造成了试验结论的不同；另一方面不能单看粗骨料的体积分数，应该结合细骨料体积分数来综合分析.

2.4. 砂体积分数对混凝土强度的影响

郭有阳等[34-36]给出最优砂率分别为40%、44%和40%，即大多数学者认为砂率约为40%是最优的. 依据《普通混凝土配合比设计规程JGJ 55—2011》可知，砂率的确定和塌落度、水灰质量比及最大粗骨料粒径密切相关. 砂率是单位体积内砂的质量比上砂和粗骨料总的质量，由前面的分析可知，粗集料和细集料的体积分数是密切相关的，所以应该在粗集料体积分数一定时讨论细集料体积分数. 蔡志达等[32]给出致密堆积状态下粗细骨料的体积分数为71.52%，根据《普通混凝土配合比设计规程JGJ 55—2011》计算得到粗骨料的体积分数约为50%，细骨料的体积分数约为20%. 当粗骨料的体积分数一定时，细骨料的体积分数分为3种情况，如图4所示. 第1种如图4（a）所示，细骨料的体积分数较小，水泥浆包裹厚度较厚，这种情况下粗骨料和水泥石主要承担混凝土的骨架. 第2种如图4（b）所示，细骨料的体积分数适中，水泥浆包裹厚度适中，这种情况下细骨料、粗骨料和水泥石共同承担混凝土的骨架. 第3种如图4（c）所示，细骨料的体积分数较大，水泥浆包裹厚度较薄，这种情况下细骨料和粗骨料主要承担混凝土的骨架，但由于水泥浆包裹厚度较薄，可能造成混凝土强度较低.

图 4

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图 4   不同砂体积分数示意图

Fig.4   Sketch map of different sand volume fraction


3. 再生砖骨料混凝土架构分析

3.1. 砂架构贡献强度分析

在不同的灰砂质量比情况下，水泥砂浆试件G1~G7的抗压强度fcs如图5所示. 可以看出，当灰砂质量比为0.33~1.33时，试件抗压强度随着灰砂质量比的增大而增大；当灰砂质量比为1.33~4.00时，试件抗压强度随着灰砂质量比的增大而减小；当灰砂质量比为1.33时，试件抗压强度达到最大值. 当灰砂质量比为0.33时，试件的抗压强度小于纯水泥浆试件的抗压强度. 这说明当灰砂质量比为1.0~2.0时砂对水泥石的架构贡献强度较大，当灰砂质量比不为1.0~2.0时砂对水泥石的架构贡献强度减弱. 因为当砂体积分数适中时，水泥浆包裹厚度适中，使砂的架构作用能够充分发挥；当砂体积分数过小时，水泥浆包裹厚度较厚，砂无法起到架构作用，主要架构作用由水泥石承担；当砂体积分数过大时，水泥浆包裹厚度较薄，砂与水泥石的黏结强度降低.

图 5

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图 5   不同灰砂质量比下的试件抗压强度

Fig.5   Compressive strength of specimens with different cement sand ratio


为了下文计算方便，利用三次多项式对不同灰砂质量比的水泥砂浆试件抗压强度进行拟合，拟合得到的多项式为

${f_{{\rm{cs}}}} = 0.791{\left( {\frac{{{m_{\rm{c}}}}}{{{m_{\rm{s}}}}}} \right)^3} - 6.427{\left( {\frac{{{m_{\rm{c}}}}}{{{m_{\rm{s}}}}}} \right)^2} + 14.72\frac{{{m_{\rm{c}}}}}{{{m_{\rm{s}}}}} + 17.82.$

拟合结果如图5所示. 可以看出，拟合值和试验值高度吻合，相关性系数达到0.969 1. 利用式（1）可以预测不同灰砂质量比对应水泥砂浆试件的抗压强度.

3.2. 再生砖骨料架构贡献强度分析

张学兵[37]给出普通混凝土的抗压强度与水灰质量比之间呈线性关系（称为Bolomey公式），即

${f_{{\rm{cu}}}} = {\alpha _{\rm{a}}}{f_{{\rm{ce}}}}\left( {\frac{{{m_{\rm{w}}}}}{{{m_{\rm{c}}}}} - {\alpha _{\rm{b}}}} \right).$

式中： ${f_{{\rm{ce}}}}$为水泥28 d抗压强度实测值， ${\alpha _{\rm{a}}}$、 ${\alpha _{\rm{b}}}$为回归系数.

从复合材料理论出发，将式（2）改写为

${f_{{\rm{cu}}}} = (1 - {\varphi _{\rm{g}}}){f_{{\rm{cs}}}} + {\varphi_{\rm{g}}}{f_{\rm{g}}}.$

式中： ${f_{\rm{g}}}$为粗骨料的架构贡献强度.

对式（3）等价变换，可得

${f_{\rm{g}}} = \frac{{{f_{{\rm{cu}}}} - (1 - {\varphi_{\rm{g}}}){f_{{\rm{cs}}}}}}{{{\varphi_{\rm{g}}}}}.$

根据式（4）计算试件H12-H28的再生砖骨料架构贡献强度，如图6所示. 可以看出，当再生砖骨料体积分数为30%~43.2%时，再生砖骨料架构贡献强度随着再生砖骨料体积分数的增加而增大；当再生砖骨料体积分数为43.2%~55%时，再生砖骨料架构贡献强度随着再生砖骨料体积分数的增加而减小；当再生砖骨料体积分数为43.2%，砂体积分数为26%时，再生砖骨料架构贡献强度达到最大值. 当再生砖骨料体积分数为30%、对应砂体积分数分别为18%和22%时以及再生砖骨料体积分数为55%时，再生砖骨料架构贡献强度均为负值. 这说明当再生砖骨料体积分数为40%~43.2%时再生砖骨料对混凝土的架构贡献强度较大，当再生砖骨料体积分数不为40%~43.2%时再生砖骨料对混凝土的架构贡献强度减弱. 因为当再生砖骨料体积分数适中时，水泥砂浆包裹厚度适中，使得骨料的架构作用能够充分发挥；当再生砖骨料体积分数过小时，水泥砂浆包裹厚度较厚，再生砖骨料无法起到架构作用，主要架构作用由水泥石承担；当再生砖骨料体积分数过大时，水泥浆包裹厚度较薄，骨料与水泥石的黏结强度降低.

图 6

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图 6   再生砖骨料架构贡献强度

Fig.6   Contribution strength of recycled brick aggregate framework


当再生砖骨料体积分数为30%、35%、40%、43.2%时，分别进行灰砂质量比与再生砖骨料架构贡献强度的线性拟合，如图7（a）所示. 可以看出，再生砖骨料架构贡献强度随着灰砂质量比的减小而增大，说明随着砂体积分数的增加，再生砖骨料之间的空隙更加密实，从而增强了架构贡献强度. 特别是当再生砖骨料体积分数为40%和43.2%时，灰砂质量比与再生砖骨料架构贡献强度高度线性相关，线性相关系数分别达到0.992和0.819 5.

图 7

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图 7   再生砖骨料架构贡献强度相关性图

Fig.7   Correlation diagram of aggregate contribution strength of RBA


当再生砖骨料体积分数为30%、35%、40%、43.2%时，分别进行再生砖骨料和砂的骨浆体积比β和再生砖骨料架构贡献强度的线性拟合，如图7（b）所示. 可以看出，再生砖骨料架构贡献强度随着骨浆体积比的增大而增大，说明再生砖骨料和砂合理搭配，随着总体积分数的增加，使得混凝土内部更加密实，从而增强了架构贡献强度. 特别是当再生砖骨料体积分数为40%和43.2%时，骨浆体积比与再生砖骨料架构贡献强度高度线性相关，线性相关系数分别达到0.995 5和0.856 7.

3.3. 再生砖骨料架构贡献强度与混凝土强度

合理范围内再生砖骨料和砂的排列组合，可以形成混凝土骨架，在混凝土受力过程中承受一定的荷载，在混凝土中起到架构增强作用. 再生砖骨料架构贡献强度和混凝土强度的关系如图8所示. 可以看出，再生砖骨料架构贡献强度与混凝土强度具有相似的增减趋势；再生砖骨料架构贡献强度高于混凝土强度，主要集中在再生砖骨料体积分数为40%~43.2%，特别是当再生砖骨料体积分数为43.2%、砂体积分数为18%~26%时再生砖骨料架构贡献强度均高于混凝土强度，不在上述体积分数范围内时再生砖骨料架构贡献强度大部分低于混凝土强度. 这证明当再生砖骨料体积分数为40%~43.2%时再生砖骨料对混凝土的架构贡献强度较大，当再生砖骨料体积分数不为40%~43.2%时再生砖骨料对混凝土的架构贡献强度减弱.

图 8

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图 8   再生砖骨料架构贡献强度与混凝土强度

Fig.8   Contribution strength of recycled brick aggregate framework and concrete strength


分别对再生砖骨料体积分数为30%~43.2%和43.2%~55%时的架构贡献强度和混凝土强度进行线性拟合，如图9所示. 可以看出，再生砖骨料架构贡献强度和混凝土的强度高度线性相关，相关系数分别达到0.987 3和0.988 1. 当再生砖骨料体积分数为30%~43.2%时，混凝土强度随着再生砖骨料架构贡献强度的增大而增大，这说明混凝土强度的提升主要取决于再生砖骨料架构贡献强度的增大；当再生砖骨料体积分数为43.2%~55%时，混凝土强度随着再生砖骨料架构贡献强度的减小而减小，这说明再生砖骨料体积分数不为40%~43.2%时再生砖骨料对混凝土的架构贡献强度减弱.

图 9

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图 9   再生砖骨料架构贡献强度与混凝土强度相关性图

Fig.9   Correlation diagram of recycled brick aggregate contribution strength and concrete strength


4. 结　论

（1）在4种水灰质量比条件下，再生砖骨料和天然骨料混凝土的抗压强度都随着水灰质量比的减小而增大，但是再生砖骨料混凝土在4种水灰质量比条件下的抗压强度均低于天然骨料混凝土，当水灰质量比为0.63、0.52、0.46和0.41时强度分别降低了38.46%、25.3%、18.99%和15.38%；在4种粒径级配中，再生砖骨料混凝土的抗压强度随着骨料粒径的增大而增大，当粒径为19.0~26.5 mm时抗压强度达到最大值.

（2）当再生砖骨料体积分数为30%~43.2%时，混凝土抗压强度随着再生砖骨料体积分数和砂体积分数的增大而增大；当再生砖骨料体积分数为43.2%~55%时，混凝土的抗压强度随着再生砖骨料体积分数的增大而减小，特别是当再生砖骨料体积分数为55%时的平均强度比最大抗压强度降低了63%.

（3）当灰砂质量比为0.33~1.33时，水泥砂浆试件抗压强度随着灰砂质量比的增大而增大；当灰砂质量比为1.33~4.00时，水泥砂浆试件抗压强度随着灰砂质量比的增大而减小；当灰砂质量比为1.33时，水泥砂浆试件抗压强度达到最大值. 当再生砖骨料体积分数为30%~43.2%时，再生砖骨料架构贡献强度随着再生砖骨料体积分数的增加而增大；当再生砖骨料体积分数为43.2%~55%时，再生砖骨料架构贡献强度随着再生砖骨料体积分数的增加而减小；当再生砖骨料体积分数为43.2%，砂体积分数为26%时，再生砖骨料架构贡献强度达到最大值.

（4）当再生砖骨料体积分数为40%和43.2%时，灰砂质量比与再生砖骨料架构贡献强度高度线性相关，线性相关系数分别达到0.992和0.819 5；骨浆体积比与再生砖骨料架构贡献强度高度线性相关，线性相关系数分别达到0.995 5和0.856 7.

（5）再生砖骨料架构贡献强度高于混凝土强度主要集中在再生砖骨料体积分数为40%~43.2%，特别是当再生砖骨料体积分数为43.2%、砂体积分数为18%~26%时再生砖骨料架构贡献强度均高于混凝土强度，不在上述范围时再生砖骨料架构贡献强度大部分低于混凝土强度；当再生砖骨料体积分数分别为30%~43.2%和43.2%~55%时再生砖骨料架构贡献强度和混凝土的强度高度线性相关，相关系数分别达到0.987 3和0.988 1.

参考文献

郑华, 娄源峰

建筑废弃黏土砖资源化利用途径探究

[J]. 河南建材, 2019, (4): 167- 169

DOI:10.3969/j.issn.1008-9772.2019.04.098      [本文引用: 1]

ZHENG Hua, LOU Yuan-feng

Probe into the resource utilization of abandoned clay bricks in construction

[J]. Henan Building Materials, 2019, (4): 167- 169

DOI:10.3969/j.issn.1008-9772.2019.04.098      [本文引用: 1]

梁炯丰, 何春锋, 王长诚, 等

再生废砖粗骨料混凝土基本力学性能研究

[J]. 混凝土, 2014, (4): 56- 58

DOI:10.3969/j.issn.1002-3550.2014.04.017      [本文引用: 2]

LIANG Jiong-feng, HE Chun-feng, WANG Chang-cheng, et al

Study on basic mechanical properties of recycled waste brick coarse aggregate concrete

[J]. Concrete, 2014, (4): 56- 58

DOI:10.3969/j.issn.1002-3550.2014.04.017      [本文引用: 2]

YANG Jian, DU Qiang, BAO Yi-wang

Concrete with recycled concrete aggregate and crushed clay bricks

[J]. Construction and Building Materials, 2011, 25 (4): 1935- 1945

DOI:10.1016/j.conbuildmat.2010.11.063     

赵爱华, 翟爱良, 韩健, 等

再生砖粗骨料混凝土基本力学性能试验研究

[J]. 水利与建筑工程学报, 2014, 12 (3): 98- 105

ZHAO Ai-hua, ZHAI Ai-liang, HAN Jian, et al

Experimental research on basic mechanical properties of recycled brick coarse aggregate concrete

[J]. Journal of Water Resources and Architectural Engineering, 2014, 12 (3): 98- 105

PITARCH A M, REIG L, TOMAS A E, et al

Effect of tiles, bricks and ceramic sanitary-ware recycled aggregates on structural concrete properties

[J]. Waste and Biomass Valorization, 2019, 10 (6): 1779- 1793

DOI:10.1007/s12649-017-0154-0     

NEPOMUCENO M C S, ISIDORO R A S, CATARINO J P G

Mechanical performance evaluation of concrete made with recycled ceramic coarse aggregates from industrial brick waste

[J]. Construction and Building Materials, 2018, 165: 284- 294

DOI:10.1016/j.conbuildmat.2018.01.052      [本文引用: 2]

STOCK A F, HANNANTT D J, WILLIAMS R I T

The effect of aggregate concentration upon the strength and modulus of elasticity of concrete

[J]. Magazine of Concrete Research, 1979, 32 (113): 246- 250

[本文引用: 3]

邢锋, 冷发光, 冯乃谦, 等

高性能混凝土骨料数量效应研究

[J]. 四川建筑科学研究, 2001, 27 (2): 43- 45

DOI:10.3969/j.issn.1008-1933.2001.02.019      [本文引用: 2]

XING Feng, LENG Fa-guang, FENG Nai-qian, et al

The quantity effects of aggregate of high-performance- concrete

[J]. Sichuan Building Science, 2001, 27 (2): 43- 45

DOI:10.3969/j.issn.1008-1933.2001.02.019      [本文引用: 2]

蒋正武, 孙振平, 王培铭

若干因素对多孔透水混凝土性能的影响

[J]. 建筑材料学报, 2005, 8 (5): 513- 519

DOI:10.3969/j.issn.1007-9629.2005.05.008      [本文引用: 1]

JIANG Zheng-wu, SUN Zhen-ping, WANG Pei-ming

Effects of some factors on properties of porous pervious concrete

[J]. Journal of Building Materials, 2005, 8 (5): 513- 519

DOI:10.3969/j.issn.1007-9629.2005.05.008      [本文引用: 1]

罗冠祥. 再生混凝土配合比设计及其强度与龄期关系的试验研究[D]. 长沙: 中南林业科技大学, 2010.

[本文引用: 1]

LUO Guan-xiang. Experiment research of recycled concrete proportioning design and the relationship between strength and ages [D]. Changsha: Central South University of Forestry and Technology, 2010.

[本文引用: 1]

景嘉骅. 混杂纤维再生砖骨料混凝土试验及性能计算方法[D]. 河南: 郑州大学, 2018.

JING Jia-hua. The experiment and performance calculation method of hybrid fibers reinforced recycled brick aggregates concrete [D]. Henan: Zhengzhou University, 2018.

顾月芹. 废弃砖再生骨料在混凝土中的应用研究[D]. 合肥: 安徽建筑大学, 2015.

[本文引用: 2]

GU Yue-qin. Research on the application of recycled aggregates from waste brick in concrete [D]. Hefei: Anhui Jianzhu University, 2015.

[本文引用: 2]

吴中伟, 廉慧珍. 高性能混凝土[M]. 北京: 中国铁道出版社, 1999: 49-50.

[本文引用: 1]

汪振双. 架构混凝土基础理论研究[D]. 大连: 大连理工大学, 2012.

[本文引用: 7]

WANG Zhen-shuang. Study on basic theory of frame concrete [D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2012.

[本文引用: 7]

刘莎. 卵石混凝土的架构理论研究[D]. 大连: 大连理工大学, 2014.

[本文引用: 1]

LIU Sha. Research on frame theory of pebble concrete [D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2014.

[本文引用: 1]

王林杰. 破碎卵石混凝土的架构理论研究[D]. 大连: 大连理工大学, 2016.

WANG Lin-jie. Research on frame theory of broken pebble concrete [D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2016.

侯文博. 轻骨料架构混凝土理论研究[D]. 大连: 大连理工大学, 2014.

HOU Wen-bo. Study on frame theory of light weight concrete [D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2014.

王晓建, 仵纪荣, 田尔布

骨架沥青混合料与架构混凝土的对比

[J]. 交通标准化, 2007, (11): 44- 47

DOI:10.3869/j.issn.1002-4786.2007.11.009      [本文引用: 3]

WANG Xiao-jian, WU Ji-rong, TIAN Er-bu

Contrasting skeleton asphalt mixture with structure concrete

[J]. Communications Standardization, 2007, (11): 44- 47

DOI:10.3869/j.issn.1002-4786.2007.11.009      [本文引用: 3]

宿辉, 唐阳, 韩国松, 等

基于SEM和ICT的建筑垃圾再生砖细观破坏机理

[J]. 混凝土与水泥制品, 2014, (10): 93- 97

DOI:10.3969/j.issn.1000-4637.2014.10.023      [本文引用: 1]

SU Hui, TANG Yang, HAN Guo-song, et al

Microscopic destruction mechanism of recycled building bricks based on SEM and ICT

[J]. Concrete and Cement Products, 2014, (10): 93- 97

DOI:10.3969/j.issn.1000-4637.2014.10.023      [本文引用: 1]

高丹盈, 景嘉骅, 周潇

混杂纤维增强再生砖骨料混凝土增强机制与抗压性能计算方法

[J]. 复合材料学报, 2018, 35 (12): 3441- 3449

[本文引用: 1]

GAO Dan-ying, JING Jia-hua, ZHOU Xiao

Hybrid fiber reinforced recycled brick aggregate concrete reinforcement mechanism and compression method calculation method

[J]. Journal of Composite Materials, 2018, 35 (12): 3441- 3449

[本文引用: 1]

杨再富. 粗集料对混凝土强度影响的试验研究与数值模拟[D]. 重庆: 重庆大学, 2005.

[本文引用: 3]

YANG Zai-fu. Experimental study and numerical simulation on the influence of coarse aggregate on concrete strength [D]. Chongqing: Chongqing University, 2005.

[本文引用: 3]

ÖZTURAN T, CECEN C

Effect of coarse aggregate type on mechanical properties of concretes with different strengths

[J]. Cement and Concrete Research, 1997, 27 (2): 165- 170

DOI:10.1016/S0008-8846(97)00006-9     

BESHR H, ALMUSALLAM A A, MASLEHUDDIN M

Effect of coarse aggregate quality on the mechanical properties of high strength concrete

[J]. Conctruction and Building Materials, 2003, 17 (2): 97- 103

DOI:10.1016/S0950-0618(02)00097-1      [本文引用: 1]

张君, 刘骞, 王林

混凝土内裂纹沿水泥石/骨料界面或穿透骨料发展的条件

[J]. 清华大学学报: 自然科学版, 2004, 44 (3): 387- 390

[本文引用: 1]

ZHANG Jun, LIU Qian, WANG Lin

Conditions promoting crack growth in concrete along the aggregate/matrix interface or into the aggregate

[J]. Journal of Tsinghua University: Science and Technology, 2004, 44 (3): 387- 390

[本文引用: 1]

SCRIVENER K L, CRUMBIE A K, LAUGESEN P

The interfacial transition zone (ITZ) between cement paste and aggregate in concrete

[J]. Interface Science, 2004, 12 (4): 411- 421

DOI:10.1023/B:INTS.0000042339.92990.4c      [本文引用: 1]

董芸, 杨华全, 张亮, 等

骨料界面特性对混凝土力学性能的影响

[J]. 建筑材料学报, 2014, 17 (4): 598- 605

DOI:10.3969/j.issn.1007-9629.2014.04.007     

DONG Yun, YANG Hua-quan, ZHANG Liang, et al

Effects of aggregate interface characteristics on the mechanical property of concrete

[J]. Journal of Building Materials, 2014, 17 (4): 598- 605

DOI:10.3969/j.issn.1007-9629.2014.04.007     

AKÇAOĞLU T, TOKYAY M, ÇELIK T

Effect of coarse aggregate size and matrix quality on ITZ and failure behavior of concrete under uniaxial compression

[J]. Cement and Concrete Composites, 2004, 26 (6): 633- 638

DOI:10.1016/S0958-9465(03)00092-1      [本文引用: 1]

刘代, 董长振

粗集料的技术指标对水泥混凝土性能的影响

[J]. 山西建筑, 2012, 38 (6): 124- 125

DOI:10.3969/j.issn.1009-6825.2012.06.072      [本文引用: 2]

LIU Dai, DONG Chang-zhen

On influence of aggregate technical indexes on performance of cement concrete

[J]. Shanxi Architecture, 2012, 38 (6): 124- 125

DOI:10.3969/j.issn.1009-6825.2012.06.072      [本文引用: 2]

韩建国, 阎培渝

粗集料级配对混凝土强度发展历程的影响

[J]. 混凝土, 2008, (1): 62- 63

DOI:10.3969/j.issn.1002-3550.2008.01.019     

HAN Jian-guo, YAN Pei-yu

Effect of coarse aggregate size distribution on concrete strength development process

[J]. Concrete, 2008, (1): 62- 63

DOI:10.3969/j.issn.1002-3550.2008.01.019     

张立新, 吕伟民, 陈兵, 等

集料性状对高强混凝土断裂和声发射特性的影响

[J]. 同济大学学报: 自然科学版, 2001, 29 (5): 546- 550

[本文引用: 3]

ZHANG Li-xing, LV Wei-min, CHEN Bing, et al

Effects of aggregates' character on concrete fracture performance and acoustic emission

[J]. Journal of Tongji University: Natural Science, 2001, 29 (5): 546- 550

[本文引用: 3]

姜璐, 郑建军

混凝土界面体积百分比的计算方法

[J]. 浙江工业大学学报, 2004, 32 (2): 163- 167

DOI:10.3969/j.issn.1006-4303.2004.02.010      [本文引用: 1]

JIANG Lu, ZHENG Jian-jun

A method of computing the volume fraction of interfacial transition zone in concrete

[J]. Journal of Zhejiang University of Technology, 2004, 32 (2): 163- 167

DOI:10.3969/j.issn.1006-4303.2004.02.010      [本文引用: 1]

蔡志达, 张建智, 叶叔通, 等

利用粒料裹浆厚度推演混凝土配比设计方法

[J]. 建筑材料学报, 2009, 12 (2): 152- 157

DOI:10.3969/j.issn.1007-9629.2009.02.006      [本文引用: 4]

CAI Zhi-da, ZHANG Jian-zhi, YE Shu-tong, et al

New approach to design concrete mix proportions by coating thickness of aggregates

[J]. Journal of Building Materials, 2009, 12 (2): 152- 157

DOI:10.3969/j.issn.1007-9629.2009.02.006      [本文引用: 4]

沈卫国

抛填集料工艺对混凝土力学性能的影响

[J]. 建筑材料学报, 2007, 10 (6): 711- 716

DOI:10.3969/j.issn.1007-9629.2007.06.015      [本文引用: 1]

SHEN Wei-guo

Effect of scattering-filling aggregate technology on the mechanical properties of concrete

[J]. Journal of Building Materials, 2007, 10 (6): 711- 716

DOI:10.3969/j.issn.1007-9629.2007.06.015      [本文引用: 1]

郭有阳

浅析砂率对C50混凝土和易性及强度的影响

[J]. 中国公路, 2018, (10): 102- 103

DOI:10.3969/j.issn.1006-3897.2018.10.036      [本文引用: 1]

GUO You-yang

Influence of sand ratio on workability and strength of C50 concrete

[J]. China Highway, 2018, (10): 102- 103

DOI:10.3969/j.issn.1006-3897.2018.10.036      [本文引用: 1]

陈华艳, 罗才松, 黄奕辉, 等

桥梁用钢纤维混凝土最优砂率的试验研究

[J]. 铁道建筑, 2007, (10): 97- 99

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2007.10.035     

CHEN Hua-yan, LUO Cai-song, HUANG Yi-hui, et al

Experimental study on optimal percentage of sand in steel fibre concrete in bridge girder

[J]. Railway Engineering, 2007, (10): 97- 99

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2007.10.035     

唐明, 张延屏, 梁丽敏

细砂、卵石高强混凝土的最优设计

[J]. 沈阳建筑大学学报: 自然科学版, 2004, 20 (4): 304- 307

[本文引用: 1]

TANG Ming, ZHANG Yan-ping, LIANG Li-min

The optimum design of HSC of fine sand and pebbles

[J]. Journal of Shenyang Jianzhu University: Natural Science, 2004, 20 (4): 304- 307

[本文引用: 1]

张学兵. 再生混凝土改性及配合比设计研究[D]. 长沙: 湖南大学, 2015.

[本文引用: 1]

ZHANG Xue-bing. Modification and mix proportion design of recycled concrete [D]. Changsha: Hunan University, 2015.

[本文引用: 1]

/

〈 〉