全再生骨料混凝土配合比设计与试验研究

李晓克，郭 琦，赵顺波，李广欣，苏延峰

(华北水利水电大学 土木与交通学院，河南 郑州 450045)

由于混凝土结构的使用寿命大多为几十年，这些结构完成其使用功能后，一般会被拆除和废弃.世界上每年因拆除而产生的混凝土垃圾数量惊人，我国每年的建筑垃圾达4 000 万t，废弃混凝土就有1 360万t.如何解决如此之多的建筑垃圾，已经成为世界各国研究的热点［1］.再生骨料混凝土为其提供了一个绿色环保的发展方向，关于这方面的研究国内外也取得了一定的成果.因河砂的大规模开采会引发河道的环境恶化［2］，可考虑采用100%的再生砂作为细骨料、100%的再生粗骨料作为粗骨料配制全再生骨料混凝土，以避免河道环境恶化现象的发生.通过试验研究了全再生骨料混凝土的拌合物工作性、立方体抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量，分析了水灰比、砂率对混凝土的影响规律，为再生骨料混凝土的配合比设计提供参考.

1 试验设计

1.1 原材料

水泥采用焦作“坚固”牌P·O 42.5 级普通硅酸盐水泥，其标准稠度用水量29.2%，初凝和终凝时间分别为170，260 min，密度3.16 kg/m3，28 d 抗压强度43.0 MPa、抗折强度7.0 MPa.

再生粗骨料利用废弃混凝土制备.将土木交通科学研究中心废弃的科研梁板构件(混凝土强度等级约为C40)经人工初步拆分剔除钢筋后，通过颚式破碎机进行两次破碎成合适的粒形.经过筛分选取3 个单粒级配，粒径范围为5～10 mm，10～20 mm，20～26.5 mm，按粗骨料总量的40%，30%，30%混合，达到符合现行规范规定的碎石或卵石的颗粒连续级配范围［3］.再生粗骨料基本性质见表1，吸水率延时曲线如图1 所示.

表1 再生粗骨料基本性质

图1 再生粗骨料与再生砂吸水率延时曲线

细骨料为再生砂，由制备的再生粗骨料筛分而成，表观密度为2 387 kg/m3，细度模数3.28，吸水率延时曲线如图1 所示，1 h 吸水率为8.92%.

拌合水采用生活饮用自来水.减水剂采用高效减水剂，减水率为25%.

1.2 配合比设计

参照普通混凝土配合比的设计方法，并基于自由水灰比的配合比设计，考虑集料的吸水率，引入附加水(W附)的概念［4－9］.由图1 可见，粗、细骨料30 min的吸水率已经达到1 h 吸水率的80%以上，且增长率趋于平稳.故该试验的附加水用量采用集料30 min 时的吸水率作为附加水的计算依据，总用水量为净用水量(W净)与附加用水量之和.通过调整砂率以及利用减水剂进一步优化配合比设计.试验选取3 个系列水灰比，分别为RC－Z30 (W/C=0.40)、RC－Z40 (W/C=0.35)和RC－Z50(W/C=0.26).每个系列对应4 个砂率.配合比设计见表2.

表2 配合比设计

1.3 试验方法

混凝土搅拌时，首先加入附加用水量预湿粗、细骨料10 min，然后加入掺入减水剂的净用水量进行搅拌.混凝土拌合物试验和混凝土力学性能试验按现行普通混凝土试验方法进行［10－11］.混凝土标准试块成型后24 h 脱模，放入标准养护室中养护28 d 进行力学性能试验.

2 试验结果分析

2.1 拌合物工作性能

全再生骨料混凝土砂率－ 坍落度关系如图2所示.

图2 砂率－坍落度关系曲线

在水灰比相同的情况下，全再生骨料混凝土的坍落度随砂率的变化而变化.在砂率相对较小时，坍落度随砂率的增大而增大，但砂率过大时其坍落度值反而有所减小，影响了其工作性能，其发展规律与普通骨料混凝土类似.通过调节砂率的方法获得全再生骨料混凝土的合适工作性是可行的.全再生骨料混凝土W/C=0.40 的合理砂率为40%左右，W/C=0.35的合理砂率为38%左右，W/C=0.26 的合理砂率为36%左右.

由于再生细骨料和再生粗骨料的吸水率都比较大，试验中记录了各强度等级的坍落度延时损失，绘制成曲线，如图3 所示.

图3 坍落度延时损失曲线

不同强度等级下的全再生骨料混凝土，其坍落度损失速率和数值相差不大，损失较快的时间集中在前30 min.所以在不加入其他外掺剂的情况下，全再生骨料混凝土试件成型过程中，施工时间应尽量控制在30 min 以内.

2.2 混凝土抗压强度

如图4 所示，水灰比仍是全再生骨料混凝土抗压强度的主要影响因素.在水灰比相同的情况下砂率的变化虽然导致了混凝土强度小幅度变化，但仍处于同一强度等级.比较立方体抗压强度fcu和轴心抗压强度fc值，发现立方体抗压强度的变化幅度要小于轴心抗压强度.整体来看，其特点类似于普通混凝土，合理的砂率填充混凝土的细小缝隙，使得混凝土更加密实，强度更高.使各水灰比的全再生骨料混凝土抗压强度较高的合理砂率，同时也使拌合物的工作性能较好.

图4 砂率与混凝土抗压强度的关系

由图4 可知，全再生骨料混凝土的轴心抗压强度与立方体抗压强度的比值fc/fcu=0.84～0.95.根据文献［12－13］，当fcu≤50 MPa 时，该比值对应于普通混凝土应取0.76.因此，按照现行规范由混凝土强度等级对应选取轴心抗压强度，适用于全再生骨料混凝土，且是偏于安全的.

2.3 混凝土抗拉强度

全再生骨料混凝土的劈裂抗拉强度fspt也随着砂率的变化而变化，数值上随水灰比的减小而增大，总体变化规律与立方体抗压强度类似，如图5 所示.

图5 砂率与混凝土抗拉强度的关系

根据文献［12－13］，普通混凝土的抗拉强度计算公式为

按式(1)计算全再生骨料混凝土的抗拉强度，与劈裂抗拉强度的试验值比较如图5 所示.可见试验值与计算值的比值，W/C=0.26 系列为0.97～1.05，W/C=0.35 系列为0.86～0.98，W/C=0.40系列为0.80～0.87.证明如果采用式(1)计算全再生骨料混凝土的抗拉强度，将出现预估过量的情况.同时，该比值随着水灰比的增大而减小，也说明了全再生骨料混凝土的抗拉强度受到了再生骨料与水泥浆界面黏结性能降低的影响，水灰比越大，再生骨料与水泥浆界面出现缺陷的几率也越大，从而降低了全再生混凝土的抗拉强度.

2.4 混凝土弹性模量

砂率对全再生骨料混凝土的弹性模量有一定的影响，合理的砂率使得混凝土更加密实，弹性模量值更大，变化规律与抗压强度的类似，如图6 所示.

图6 砂率与混凝土弹性模量的关系

根据文献［12－13］，普通混凝土的弹性模量计算公式为

按式(2)计算全再生骨料混凝土的弹性模量，与试验值的比较如图6 所示.弹性模量的试验值与式(2)计算值的比值为0.87～0.97.因此，不能按照式(2)预测全再生骨料混凝土的弹性模量.也说明当强度等级相同时，全再生骨料混凝土的弹性模量低于普通混凝土的弹性模量.

3 结语

通过对全再生骨料混凝土配合比设计及其拌合物工作性、硬化混凝土的基本力学性能的试验研究，可得出如下的结论.

1)水灰比是影响全再生骨料混凝土的主要因素.水灰比增大时，再生骨料与水泥浆体界面的黏结性能降低，从而影响了全再生骨料混凝土的基本力学性能，对抗拉强度和弹性模量的影响更为显著.

2)全再生骨料混凝土W/C=0.40 的合理砂率约为40%，W/C=0.35 的合理砂率约为38%，W/C=0.26的合理砂率约为36%.

3)全再生骨料混凝土的轴心抗压强度可按现行混凝土结构设计规范取值，但其抗拉强度和弹性模量按现行混凝土结构设计规范取值则存在较大偏差，偏于不安全，需要进一步通过大量试验研究加以确定.

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