再生粗骨料取代率对混凝土抗压强度的影响

丁海军 王振波 张卫东

再生混凝土是指利用废弃混凝土破碎加工而成的再生集料,部分或全部代替天然集料配制而成的新混凝土[1]。

1 再生粗骨料

本试验采用的再生粗骨料(Recycled Aggregate Concrete,RAC)来源于宿迁学院建筑工程系结构试验室废弃的混凝土试块。天然粗骨料(Natural Aggregate Concrete,NAC)为市场上购买的2号石子,最大颗粒粒径为31.5 mm,级配为连续级配。再生骨料生产工艺流程主要有破碎处理、剔除钢筋等杂质、筛分、清洗等[2]。经过比较分析国内外对再生骨料的生产工艺,根据学校实验室现有设备,给出一套适合本试验的生产工艺流程。首先,废弃混凝土块中存在着钢筋、木块、塑料碎片、玻璃、建筑石膏等各种杂质,为确保再生混凝土的品质,人工去除杂质。把废弃混凝土试块用鄂式破碎机破碎成颗粒,用孔径5 mm和40 mm的筛把粒径在5 mm～40 mm的颗粒筛分出来。颗粒的表面较为粗糙,空隙较多,天然粗骨料的表面则相对光滑。肉眼可以看到颗粒表面大都附着水泥砂浆,直接导致水泥浆和骨料的粘结力降低,从而降低再生混凝土的强度。因此需经冲洗,烘干后作为再生粗骨料使用[3]。

1)级配。试验仪器设备:实验筛孔径为31.5 mm,26.5 mm,19.0 mm,16.0 mm,9.5 mm,4.75 mm,2.36 mm的方孔筛,以及筛的底盘、盖各一只,筛框内径约300 mm;电子称一台;摇筛机一台。将取代率为0%,25%,50%,75%,100%的再生粗骨料各取8 kg按标准实验方法筛分。筛分结果见表1,可见几种取代率的再生粗骨料粒径大小组合都符合GB/T 14685-2001建筑用碎石、卵石的连续级配要求。

2)堆积密度与表观密度。再生粗骨料与天然粗骨料的堆积密度和表观密度的试验结果见表2。试验结果表明,与天然粗骨料对比,再生粗骨料的堆积密度和表观密度分别降低 8%和10%,密度降低的主要原因有再生粗骨料表面裹有水泥砂浆,另外再生粗骨料里还包含部分独立成块的水泥砂浆[4]。水泥砂浆的密度要低于天然碎石的密度,导致再生粗骨料的密度要低于天然粗骨料。

表2 天然粗骨料与再生粗骨料的密度 kg/m3

表1 再生骨料的筛分结果表

3)吸水率。再生粗骨料与天然粗骨料的吸水率试验结果见表3,试验表明,再生粗骨料的吸水率高于天然粗骨料,大约为天然粗骨料的3.7倍。其原因在于再生骨料颗粒棱角多,表面粗糙,组分中包含相当数量的硬化水泥砂浆(包裹在天然骨料表面或以碎屑形式存在),水泥砂浆本身孔隙比较大,且在破碎过程中其内部产生大量的微裂缝[5],因此,再生骨料的吸水性和吸水速率比天然骨料要大。随时间的变化关系可以看出天然粗骨料和再生粗骨料均在短时间内吸水饱和。对于再生粗骨料,10 min吸水量可以达到饱和量的85%,30 min吸水量可以达到饱和量的95%。

表3 天然粗骨料和再生粗骨料的吸水率 %

由以上试验可以看出,本试验中用的再生粗骨料能够满足规范GB/T 14685-2001建筑用碎石、卵石对粗骨料的要求(表观密度不小于2 500 kg/m3,堆积密度不小于1 350 kg/m3,吸水率不大于10%)。因此,目前看来,该再生粗骨料可以代替天然粗骨料来配制混凝土。

2 再生混凝土配合比设计

1)试验材料。水泥为32.5级普通硅酸盐水泥,其表观密度为3 100 kg/m3;砂为中砂,细度模数为2.6,含水量为6.6%;上述试验得粗骨料基本性能见表4。

表4 粗骨料的基本性能

2)基于抗压强度的配合比设计。借鉴JGJ 55-2000普通混凝土配合比设计章程,配制C30强度等级混凝土。水灰比0.409,砂率35%,将再生混凝土的用水量分为净用水量和附加用水量两部分。混凝土共分为五组,编号为 RC—0%,RC—25%,RC—50%,RC—75%,RC—100%,分别代表粗骨料取代率为 0%,25%,50%,75%,100%的再生混凝土,施工配合比见表5。

表5 再生混凝土的施工配合比设计

3 立方体抗压强度

1)试块制作和养护。混凝土搅拌设备为一容量为15 L的搅拌机。采用二次投料法,先加入粗骨料和砂,搅拌2 min,再加入水泥和水,搅拌5 min。5组不同取代率试块,每组做 3块,共计15块。将混凝土拌合物注入钢模,经振动台振实,24 h后拆模,放入实验室标准养护28 d后取出试验。2)试验方法。立方体抗压试验采用长春试验机研究所生产的电液伺服压力试验机,最大试验力5 000 kN。试验过程中连续均匀加载,加载速度为2 mm/min。取三个试件测试值的平均值作为该组试件的抗压强度值,若三个测定值中的最大值或最小值中有一个与中间值的差值超过中间值的15%,则把最大值和最小值舍除,取中间值作为该组试件的抗压强度值。如果最大值和最小值与中间值的差值均大于中间值的 15%,则该组试验结果无效[6]。3)试验结果。五种不同再生粗骨料取代率的再生混凝土立方体抗压强度见表6。由表6可见,再生混凝土的立方体抗压强度随再生粗骨料取代率的增加而降低,与普通混凝土相比,再生混凝土的抗压强度有所降低。与普通混凝土试块r=0%相比,再生混凝土试块r=25%的抗压强度降低了0.41 MPa;再生混凝土试块r=50%的抗压强度降低了1.17 MPa;再生混凝土试块r=75%的抗压强度降低了2.79 MPa;再生混凝土试块r=100%的抗压强度降低了3.09 MPa。但是所有取代率的再生混凝土都达到C30强度等级要求。

表6 立方体抗压试验值 MPa

4 结语

如果再生粗骨料能够满足规范GB/T 14685-2001建筑用碎石、卵石对粗骨料的要求,再生粗骨料可以部分或全部代替天然骨料生产C30强度等级混凝土。再生混凝土抗压强度相对低于普通混凝土,且随再生粗骨料取代率的增加而降低。

[1] 刘婷婷,张 涛.再生混凝土研究现状与存在的问题[J].山东建材,2005(4):1-4.

[2] 肖建庄.再生混凝土[M].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[3] 沈大钦.再生骨料混凝土性能的研究[D].北京:北京交通大学,2006.

[4] Shelburne Wayne M,Degroot Don J.Useof waste and recycled materials in highway construction[J].Civil engineering practice,1998,13(1):5-6.

[5] 陈永刚,曹贝贝.再生混凝土国内外发展动态[J].国外建材科技,2004(3):4-5.

[6] 肖建庄,李佳彬,孙振平,等.再生混凝土的抗压强度研究[J].同济大学学报,2004(2):37-38.