可再生廢棄骨料混凝土超聲回彈測強曲線試驗研究

程志敏

(中鐵建設集團有限公司 北京 100040)

1 引言

再生骨料混凝土由建筑廢棄物作為再生骨料與水、水泥、砂等配置而成[1]，既解決了廢棄混凝土掩埋造成的環境污染，又節省了骨料開采與水泥的消耗[2]。宏觀層面考慮，國家已經明確要將碳達峰、碳中和作為國家生態文明建設的總體格局。在這種時代背景下，以綠色環保、低碳節能著稱的可再生廢棄骨料混凝土必將迎來蓬勃發展的新時期[2-4，13]。

超聲回彈綜合法在普通混凝土的應用研究已非常深入，其不僅為施工安全提供信息，有效避免工程質量事故的發生，而且在可再生廢棄骨料混凝土工程應用領域，超聲回彈綜合法也將起到至關重要的質量保證作用[5]。超聲回彈綜合法針對再生骨料混凝土的研究亟待完善，再生骨料混凝土和一般水泥力學性能和強度都具有明顯差別，將一般混凝土的測強曲線直接運用到可再生廢棄骨料混凝土上并不合理，且可再生廢棄骨料混凝土強度也不能精確預估，使得可再生廢棄骨料混凝土工程質量難以保證[6-8]。針對以上問題，對C30、C35可再生廢棄骨料混凝土進行超聲回彈綜合試驗，建立C30、C35可再生廢棄骨料混凝土超聲回彈綜合法專用測強曲線并進行誤差分析[9-10]。

本文選擇廢棄砼(來自實驗室廢舊混凝土試塊)為再生骨料原材料，而廢棄砼再生骨材在試驗中代替天然骨材的替代率約為50%。通過對50組不同齡期的C30、C35可再生廢棄骨料混凝土試塊進行超聲回彈試驗，根據試驗數據及分析，建立C30、C35強度等級可再生廢棄骨料混凝土超聲回彈綜合法專用測強曲線。

2 試驗概述

2.1 試驗原材料

本文試驗中所使用的廢棄混凝土再生骨材，取自某單位經質檢部門試驗室檢測后的廢混凝土試塊及構件，在通過實驗室粉碎機粉碎和標準篩振機篩分后，取其5～20 mm粒徑范圍的粗骨材，且級配良好。原始骨料取自河北某采石場的自然砂礫。細骨材一般選擇中砂或自然河砂，細度模量約為2.51，粒度小于5 mm，且級配較好。混凝土水泥為金隅通用P.O42.5R硅酸鹽水泥，混凝土材料的拌和水取自實驗室自來水。廢棄混凝土再生粗骨料的各項性能指標如表1所示。

表1 粗骨料性能指標

2.2 可再生廢棄骨料混凝土配合比確定

本試驗采用設計強度為C30和C35的可再生廢棄骨料混凝土，齡期設置為7 d、14 d和28 d。試驗人員對150塊廢棄混凝土再生骨料混凝土試塊(C30、C35強度，7 d、14 d和28 d齡期各25塊)分別測量回彈值、超聲聲速、抗壓強度值，根據計算、試配、重新調整配制，確定試驗用可再生廢棄骨料混凝土的配合比，如表2所示。

表2 可再生廢棄骨料混凝土實際配合比

2.3 試驗設備及方法

本試驗采用HJW-60混凝土試驗攪拌機、振動臺、WES-100混凝土壓力試驗機、HT-225一體式數顯回彈儀和ZW-U91非金屬超聲檢測儀。在采集應變前，對可再生廢棄骨料混凝土試塊進行抗壓強度測試，確定其極限承載力范圍。應力-應變按比例分級加載，先按1/10抗壓強度加載至80%極限承載力，各級荷載穩定持荷2 min。當加載至極限承載力的80%，改變加載方式為位移控制加載方式，直至加載至極限承載能力。試驗過程中，當試塊出現卸載現象或加載至極限承載力的60%時終止試驗。選擇再生廢棄水泥骨料砼試塊兩對面的非澆筑面，進行回彈值和超聲聲速值的測定，每一測量面的測點設計為8個均勻排列的點，合計16個回彈檢測點(如圖1左圖所示)，兩相鄰測點間隔宜大于等于30 mm，測點距邊緣應大于等于50 mm；對廢棄骨料混凝土試塊另外兩對面的非澆筑面進行超聲或音速檢測。換能器在聲速檢測點安裝時，需涂刷黃油以保證換能器與測點完全接觸。對于每1音速量測面，沿該面斜向可在對角均勻布設3個測點，因此共有6個超聲量測點。

圖1 超聲與回彈測點布置

3 試驗結果分析

3.1 試驗數據

因試塊多、測點多，試驗數據龐大，表3僅給出C30、C35可再生廢棄骨料混凝土在齡期為7 d、14 d和28 d的試驗平均值。

3.2 單因素回彈法測強曲線的建立與評價

圖2 可再生廢棄骨料混凝土單因素回彈法測強曲線

C30可再生廢棄骨料混凝土回彈法試驗結果可擬合為:

式(1)擬合相關系數為87.95%。C35可再生廢棄骨料混凝土回彈法試驗結果擬合結果為:0.175 52R1.52719，相關系數為84.92%。

3.3 單因素超聲波測強曲線的建立與評價

根據試驗數據進行整理，測強曲線采用冪函數進行擬合，結果如圖3所示。

圖3 可再生廢棄骨料混凝土單因素超聲法測強曲線

C30可再生廢棄骨料混凝土超聲法擬合結果為:

式(2)擬合相關系數為84.84%。C35可再生廢棄骨料混凝土超聲法擬合結果為:＝0.048 14R4.42706，相關系數為76.76%。

3.4 可再生廢棄骨料混凝土超聲回彈綜合測強曲線的建立與評價

根據規范[11-12]推薦，選取冪函數模型擬合試驗結果。C30、C35可再生廢棄骨料混凝土超聲回彈綜合法測強曲線如圖4所示。

圖4 可再生廢棄骨料混凝土超聲回彈綜合法測強曲線

C30可再生廢棄骨料混凝土超聲回彈綜合測強曲線為:＝0.088 23V2.07028R0.83166，C35再生廢棄物骨料混凝土的超聲回彈綜合法測強曲線為:＝0.079 6V1.73279R1.00537。

C30可再生廢棄骨料混凝土超聲回彈綜合法測強曲線的相對誤差為3.69%，C35可再生廢棄骨料混凝土超聲回彈綜合法測強曲線的相對誤差為4.85%，均滿足相對誤差小于等于12%的要求。對于圖4可再生廢棄骨料混凝土超聲回彈綜合法測強曲線，C30可再生廢棄骨料混凝土測強曲線相關性達到96.31%，C35強度可再生廢棄骨料混凝土的測強曲線相關性為95.51%，擬合效果良好。由分析結果可知:不同強度等級的可再生廢棄骨料混凝土測強曲線參數不同，故不能使用相同參數測強曲線推測C30和C35可再生廢棄骨料混凝土服役狀態的抗壓強度。對比單因素回彈法、單因素超聲測強曲線發現，超聲回彈法測強曲線誤差最小，相關性更高，準確性更大，在以后的再生廢棄骨料混凝土強度測量工作中推薦使用超聲回彈綜合法進行強度檢測。

3.5 可再生廢棄骨料混凝土測強曲線對比國家測強曲線

根據實際測量得到的再生廢棄骨料混凝土試驗數據，將擬合計算得到的再生廢棄骨料混凝土超聲回彈法測強曲線與全國相應強度等級的普通混凝土統一測強曲線進行對比，如圖5所示。

圖5 可再生廢棄骨料混凝土超聲回彈法測強曲線對比國家普通混凝土測強曲線

再生廢棄骨料混凝土超聲回彈法測強曲線對比全國普通混凝土統一測強曲線誤差較大，并不滿足相關規范要求。圖5表明:用全國相應強度等級的普通混凝土統一測強曲線來預測可再生廢棄骨料混凝土并不合理，統一測強曲線預測的抗壓強度值較高，比實測再生廢棄骨料混凝土抗壓強度高30%以上，故直接引用全國統一普通混凝土測強曲線對再生廢棄骨料混凝土的強度進行檢測并不恰當，必須基于更多的試驗結果建立針對性更強的專門適合可再生廢棄骨料混凝土的測強曲線。根據已完成試驗的再生廢棄骨料混凝土的超聲回彈試驗數值，計算擬合得出的針對C30和C35可再生廢棄骨料混凝土的超聲回彈測強曲線檢測的再生廢棄骨料混凝土的抗壓強度誤差小、相關度好。與國家普通混凝土測強曲線推定的強度相比較，本試驗擬合曲線得到的預測值更接近再生廢棄骨料混凝土實測強度值，可為實際工程應用中檢測相同配比再生廢棄骨料混凝土強度提供有效參考。

4 結論

(1)隨齡期的增長，試驗所得C30、C35再生廢棄骨料混凝土的回彈值、超音波聲速值和抗壓強度值均呈上升態勢，其中C30可再生廢棄骨料混凝土抗壓強度值增幅為31%，C35可再生廢棄骨料混凝土抗壓強度值增幅為36%?；貜椫翟龇s20%，超聲聲速隨可再生廢棄骨料混凝土齡期增長的增幅為5%左右。

(2)用超聲回彈法檢測得到C30再生廢棄骨料混凝土測強曲線為:＝0.088 23V2.07028R0.83166， C35再生廢棄骨料混凝土測強曲線為:fccu＝0.079 6V1.73279R1.00537。對強度等級不同的再生廢棄骨料混凝土采用同一測強曲線并不合理，建立不同強度等級再生廢棄骨料混凝土的超聲回彈綜合法專用測強曲線已勢在必行。

(3)針對本試驗表2所給配合比的再生廢棄骨料混凝土，超聲回彈綜合法冪函數回歸模型擬合出的測強曲線擬合精度高，具有較強的可靠性；通過對冪函數回歸模型與國家普通混凝土統一測強曲線進行比較可知，冪函數模型擬合再生廢棄骨料混凝土強度效果較好，建議采用冪函數模型開展再生廢棄骨料混凝土測強曲線回歸分析及工程應用。