可再生废弃骨料混凝土超声回弹测强曲线试验研究

程志敏

(中铁建设集团有限公司 北京 100040)

1 引言

再生骨料混凝土由建筑废弃物作为再生骨料与水、水泥、砂等配置而成[1]，既解决了废弃混凝土掩埋造成的环境污染，又节省了骨料开采与水泥的消耗[2]。宏观层面考虑，国家已经明确要将碳达峰、碳中和作为国家生态文明建设的总体格局。在这种时代背景下，以绿色环保、低碳节能著称的可再生废弃骨料混凝土必将迎来蓬勃发展的新时期[2-4，13]。

超声回弹综合法在普通混凝土的应用研究已非常深入，其不仅为施工安全提供信息，有效避免工程质量事故的发生，而且在可再生废弃骨料混凝土工程应用领域，超声回弹综合法也将起到至关重要的质量保证作用[5]。超声回弹综合法针对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学性能和强度都具有明显差别，将一般混凝土的测强曲线直接运用到可再生废弃骨料混凝土上并不合理，且可再生废弃骨料混凝土强度也不能精确预估，使得可再生废弃骨料混凝土工程质量难以保证[6-8]。针对以上问题，对C30、C35可再生废弃骨料混凝土进行超声回弹综合试验，建立C30、C35可再生废弃骨料混凝土超声回弹综合法专用测强曲线并进行误差分析[9-10]。

本文选择废弃砼(来自实验室废旧混凝土试块)为再生骨料原材料，而废弃砼再生骨材在试验中代替天然骨材的替代率约为50%。通过对50组不同龄期的C30、C35可再生废弃骨料混凝土试块进行超声回弹试验，根据试验数据及分析，建立C30、C35强度等级可再生废弃骨料混凝土超声回弹综合法专用测强曲线。

2 试验概述

2.1 试验原材料

本文试验中所使用的废弃混凝土再生骨材，取自某单位经质检部门试验室检测后的废混凝土试块及构件，在通过实验室粉碎机粉碎和标准筛振机筛分后，取其5～20 mm粒径范围的粗骨材，且级配良好。原始骨料取自河北某采石场的自然砂砾。细骨材一般选择中砂或自然河砂，细度模量约为2.51，粒度小于5 mm，且级配较好。混凝土水泥为金隅通用P.O42.5R硅酸盐水泥，混凝土材料的拌和水取自实验室自来水。废弃混凝土再生粗骨料的各项性能指标如表1所示。

表1 粗骨料性能指标

2.2 可再生废弃骨料混凝土配合比确定

本试验采用设计强度为C30和C35的可再生废弃骨料混凝土，龄期设置为7 d、14 d和28 d。试验人员对150块废弃混凝土再生骨料混凝土试块(C30、C35强度，7 d、14 d和28 d龄期各25块)分别测量回弹值、超声声速、抗压强度值，根据计算、试配、重新调整配制，确定试验用可再生废弃骨料混凝土的配合比，如表2所示。

表2 可再生废弃骨料混凝土实际配合比

2.3 试验设备及方法

本试验采用HJW-60混凝土试验搅拌机、振动台、WES-100混凝土压力试验机、HT-225一体式数显回弹仪和ZW-U91非金属超声检测仪。在采集应变前，对可再生废弃骨料混凝土试块进行抗压强度测试，确定其极限承载力范围。应力-应变按比例分级加载，先按1/10抗压强度加载至80%极限承载力，各级荷载稳定持荷2 min。当加载至极限承载力的80%，改变加载方式为位移控制加载方式，直至加载至极限承载能力。试验过程中，当试块出现卸载现象或加载至极限承载力的60%时终止试验。选择再生废弃水泥骨料砼试块两对面的非浇筑面，进行回弹值和超声声速值的测定，每一测量面的测点设计为8个均匀排列的点，合计16个回弹检测点(如图1左图所示)，两相邻测点间隔宜大于等于30 mm，测点距边缘应大于等于50 mm；对废弃骨料混凝土试块另外两对面的非浇筑面进行超声或音速检测。换能器在声速检测点安装时，需涂刷黄油以保证换能器与测点完全接触。对于每1音速量测面，沿该面斜向可在对角均匀布设3个测点，因此共有6个超声量测点。

图1 超声与回弹测点布置

3 试验结果分析

3.1 试验数据

因试块多、测点多，试验数据庞大，表3仅给出C30、C35可再生废弃骨料混凝土在龄期为7 d、14 d和28 d的试验平均值。

3.2 单因素回弹法测强曲线的建立与评价

图2 可再生废弃骨料混凝土单因素回弹法测强曲线

C30可再生废弃骨料混凝土回弹法试验结果可拟合为:

式(1)拟合相关系数为87.95%。C35可再生废弃骨料混凝土回弹法试验结果拟合结果为:0.175 52R1.52719，相关系数为84.92%。

3.3 单因素超声波测强曲线的建立与评价

根据试验数据进行整理，测强曲线采用幂函数进行拟合，结果如图3所示。

图3 可再生废弃骨料混凝土单因素超声法测强曲线

C30可再生废弃骨料混凝土超声法拟合结果为:

式(2)拟合相关系数为84.84%。C35可再生废弃骨料混凝土超声法拟合结果为:＝0.048 14R4.42706，相关系数为76.76%。

3.4 可再生废弃骨料混凝土超声回弹综合测强曲线的建立与评价

根据规范[11-12]推荐，选取幂函数模型拟合试验结果。C30、C35可再生废弃骨料混凝土超声回弹综合法测强曲线如图4所示。

图4 可再生废弃骨料混凝土超声回弹综合法测强曲线

C30可再生废弃骨料混凝土超声回弹综合测强曲线为:＝0.088 23V2.07028R0.83166，C35再生废弃物骨料混凝土的超声回弹综合法测强曲线为:＝0.079 6V1.73279R1.00537。

C30可再生废弃骨料混凝土超声回弹综合法测强曲线的相对误差为3.69%，C35可再生废弃骨料混凝土超声回弹综合法测强曲线的相对误差为4.85%，均满足相对误差小于等于12%的要求。对于图4可再生废弃骨料混凝土超声回弹综合法测强曲线，C30可再生废弃骨料混凝土测强曲线相关性达到96.31%，C35强度可再生废弃骨料混凝土的测强曲线相关性为95.51%，拟合效果良好。由分析结果可知:不同强度等级的可再生废弃骨料混凝土测强曲线参数不同，故不能使用相同参数测强曲线推测C30和C35可再生废弃骨料混凝土服役状态的抗压强度。对比单因素回弹法、单因素超声测强曲线发现，超声回弹法测强曲线误差最小，相关性更高，准确性更大，在以后的再生废弃骨料混凝土强度测量工作中推荐使用超声回弹综合法进行强度检测。

3.5 可再生废弃骨料混凝土测强曲线对比国家测强曲线

根据实际测量得到的再生废弃骨料混凝土试验数据，将拟合计算得到的再生废弃骨料混凝土超声回弹法测强曲线与全国相应强度等级的普通混凝土统一测强曲线进行对比，如图5所示。

图5 可再生废弃骨料混凝土超声回弹法测强曲线对比国家普通混凝土测强曲线

再生废弃骨料混凝土超声回弹法测强曲线对比全国普通混凝土统一测强曲线误差较大，并不满足相关规范要求。图5表明:用全国相应强度等级的普通混凝土统一测强曲线来预测可再生废弃骨料混凝土并不合理，统一测强曲线预测的抗压强度值较高，比实测再生废弃骨料混凝土抗压强度高30%以上，故直接引用全国统一普通混凝土测强曲线对再生废弃骨料混凝土的强度进行检测并不恰当，必须基于更多的试验结果建立针对性更强的专门适合可再生废弃骨料混凝土的测强曲线。根据已完成试验的再生废弃骨料混凝土的超声回弹试验数值，计算拟合得出的针对C30和C35可再生废弃骨料混凝土的超声回弹测强曲线检测的再生废弃骨料混凝土的抗压强度误差小、相关度好。与国家普通混凝土测强曲线推定的强度相比较，本试验拟合曲线得到的预测值更接近再生废弃骨料混凝土实测强度值，可为实际工程应用中检测相同配比再生废弃骨料混凝土强度提供有效参考。

4 结论

(1)随龄期的增长，试验所得C30、C35再生废弃骨料混凝土的回弹值、超音波声速值和抗压强度值均呈上升态势，其中C30可再生废弃骨料混凝土抗压强度值增幅为31%，C35可再生废弃骨料混凝土抗压强度值增幅为36%。回弹值增幅约20%，超声声速随可再生废弃骨料混凝土龄期增长的增幅为5%左右。

(2)用超声回弹法检测得到C30再生废弃骨料混凝土测强曲线为:＝0.088 23V2.07028R0.83166， C35再生废弃骨料混凝土测强曲线为:fccu＝0.079 6V1.73279R1.00537。对强度等级不同的再生废弃骨料混凝土采用同一测强曲线并不合理，建立不同强度等级再生废弃骨料混凝土的超声回弹综合法专用测强曲线已势在必行。

(3)针对本试验表2所给配合比的再生废弃骨料混凝土，超声回弹综合法幂函数回归模型拟合出的测强曲线拟合精度高，具有较强的可靠性；通过对幂函数回归模型与国家普通混凝土统一测强曲线进行比较可知，幂函数模型拟合再生废弃骨料混凝土强度效果较好，建议采用幂函数模型开展再生废弃骨料混凝土测强曲线回归分析及工程应用。