自保温再生混凝土的配合比优化设计

张会芝, 刘纪峰,2* ,崔秀琴

(1. 三明学院 建筑工程学院, 福建 三明 365004;2. 密歇根州立大学 工学院, 美国密歇根州 东兰辛市 MI48823)

0 引言

近年来，随着国家经济发展和基础建设投入加大，对混凝土及其原材料砂石料的需求巨大，开山采石生产砂石料导致生态环境破坏.同时，伴随着能源的日益紧张和国家对环境保护的重视，建筑垃圾的资源化利用越来越受到专家学者的关注，并在废旧混凝土再生利用方面做了大量卓有成效的工作.肖建庄[1-2]、李秋义[3]、郑建岚[4]、Vivian W Y T[5]等为再生混凝土的工程应用进行了有意义的研究；张泽平[6]对玻化微珠保温混凝土进行了研究，证实了普通混凝土中掺加玻化微珠配制自保温混凝土的可行性.

与天然骨料相比，再生骨料强度低、孔隙率大、吸水率高，这些特性导致新拌再生混凝土水灰比增大及工作性能和弹性模量降低，收缩和徐变增大，因此各国对再生混凝土应用于建筑结构尚持谨慎态度[7].但再生骨料具有多孔隙特性，保温性能比天然骨料好，将再生混凝土应用于非受力结构，如采用振动挤压模制作再生混凝土建筑墙体砌块，其对混凝土坍落度要求不高，只需要较小的用水量即可满足要求，因此可以有效避免再生混凝土的上述缺陷，同时又充分利用了再生混凝土传热系数小的优势，其空心砌块将更有利于墙体节能.基于以上认识，本文对适合生产空心砌块的自保温再生混凝土的优化配合比及其物理力学性能进行了试验研究.

1 自保温再生混凝土的配合比设计

1.1 试验原材料

再生骨料由强度等级为C20～C45(C20、C30、C35、C40、C45的质量比为1∶4∶3.5∶0.5∶1)的废弃混凝土试块通过颚式破碎机和立式复合破碎机二次破碎加工而成，最大粒径为25 mm.再生粗骨料表观密度2 340.5 kg/m3，针片状含量8%，吸水率7.8%，压碎指标13.0，含泥量0.8%.再生细骨料表观密度2 330.1 kg/m3，细度模数2.9，吸水率8.9%，空隙率42%，含泥量1.9%.砂为大田中砂，细度模数为2.7，表观密度为2 764 kg/m3.减水剂为聚羧酸系减水剂.水为普通自来水.玻化微珠：粒度0.5～1.5 mm，容重110 kg/m3，导热系数0.047～0.054 W/(m·k)，筒强度38%～46%，耐火度1 280℃～1 360 ℃.

1.2 试验设计及测试

参考《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55-2010)进行自保温再生混凝土的配合比设计.经计算，再生混凝土配合比确定为：水灰比0.25，每立方米混凝土中各材料用量为：水泥384 kg/m3，再生粗骨料1 205 kg/m3，大田中砂301 kg/m3，粉煤灰96 kg/m3.考虑细骨料孔隙吸水导致参加水化反应的实际拌合水减少的问题，水用量需要计算再生细骨料饱和面干时的含水率，折算成“有效拌合水”用量后进行取值.经计算不同细骨料取代率时的混凝土用水量取270～285 kg/m3.

再生粗骨料的质量取代率为100%，再生细骨料的质量取代率分别为0%、50%、100%，玻化微珠掺量分别为取混凝土总的120%、110%、100%、90%、80%、60%(见表1).

混凝土搅拌和标准试件制作过程如下：先将搅拌机湿润，然后加入中砂或再生细骨料，随后加入粗骨料，预先搅拌均匀，最后加入水，搅拌3 min左右测试新拌混凝土的坍落度，如满足要求则制作每一配合比的标准立方体试块2组共6块.将新拌混凝土倒入标准试模，放在标准振动台振动成型，振动结束后和收浆时各抹平一次，使混凝土表面和试模边缘高低差小于0.5 mm，放入标准养护室24 h后拆模，7 d、28 d各取1组试块依据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)测其抗压强度，测试设备为TYE-2000A型压力试验机.

表1 自保温再生混凝土配合比及试验结果

注： 表1中,W为水质量，F为粉煤灰质量，C为水泥质量，RC为再生粗骨料质量，RF为再生细骨料质量，S为砂质量，B为玻化微珠体积掺量，28 dS为立方体试块28 d抗压强度，TI为导热系数，D为密度.

导热系数检测选用沈阳紫薇机电设备有限公司生产的CD-DR3030导热系数测定仪，该仪器采用双试件防护热板法(GB10294-2008)，由微机自动控制系统、计量加热单元、冷板单元、防护单元、外防护单元、测量系统、压紧系统、制冷机构等组成，其测量范围为0.02～1.00 W/(m·K).CD-DR3030导热系数测定仪测试原理为双平板法.假定一个平壁由匀质材料构成，壁厚为δ，当热传递达到平衡时，平板两侧表面温度趋于稳定，其值分别为tw1和tw2，平板的表面积为A，平壁无任何形式的内热源，在此温度范围内，平壁材料的导热系数可以视为常数.基于以上几个条件，可以将问题作为一维稳态导热来考虑：

(1)

边界条件为

t|x=0=tw1；t|x=δ=tw2.

(2)

由式(1)和式(2)求解可以得出：

(3)

将式(3)代入到傅里叶导热定律，得到单层平壁的热流密度为

(4)

变形可以得出双平板法的导热系数公式为

(5)

式中:λ为导热系数，W/(m·K)；tw1和tw2分别代表热板和冷板的平均温度，K；δ为再生混凝土平板的平均厚度，m；A为平板的表面积，m2；Q为平板传递的热量，W.

试件为长×宽×厚为300 mm×300 mm×15 mm的自保温再生混凝土薄板，由自制的钢板试模制作.加工过程中要特别注意表层收光抹平，试件测试前要再用细砂纸磨平1～2次，以减少试件表面不平整可能导致的误差，试验结果见表1.

2 结果与分析

2.1 玻化微珠体积掺量对28 d强度的影响

不同细骨料取代率时28 d立方体抗压强度和玻化微珠体积掺量关系如图1所示.由图1可知：不同细骨料取代率时，随玻化微珠体积掺量的增加，试块的28 d立方体抗压强度均降低，玻化微珠体积掺量在60%～100%区间时，28 d立方体抗压强度降低幅度相对较少；玻化微珠体积掺量在100%～120%区间时，28 d立方体抗压强度降低幅度相对较大；细骨料取代率50%时，玻化微珠体积掺量由110%增加到120%时，试块28 d立方体抗压强度降低幅度最大；不同细骨料取代率时的玻化微珠体积掺量和28 d立方体抗压强度关系可由多项式进行拟合.

细骨料取代率为0%、50%和100%时，玻化微珠体积掺量和28 d立方体抗压强度的拟合式如式(6)所示.式(6)中A=[36.95,37.39,28.95]T，B=[-5.26,-5.54,1.29]T，C=[1.65,1.82,-0.57]T，D=[-0.17,-0.2,0.05]T，对应的拟合系数分别为0.987、0.963和0.999.

y=A+Bx+Cx2+Dx3.

(6)

图1 不同细骨料取代率时玻化微珠体积掺量对28 d强度的影响

考虑再生细骨料取代率和玻化微珠体积掺量两个因素对28 d立方体抗压强度的影响，将表1中的再生细骨料一列数值用无量纲的取代率表示，并转置为X1列，玻化微珠体积掺量转置为X2列，强度转置为Y列，并用Matlab7.0编程，得出二者综合作用时与基准混凝土28 d强度关系，结果如式(7)和图2所示.

y=40.26×(0.6672I+0.0234X1+0.4745X2-

(7)

其中I为元素全为1的列向量.

图2 再生细骨料取代率和玻化微珠体积掺量对28 d强度的影响

2.2 玻化微珠体积掺量对导热系数的影响

不同细骨料取代率时的导热系数和玻化微珠体积掺量关系如图3所示.由图3可知：不同细骨料取代率时，随玻化微珠体积掺量的增加，试件的导热系数均降低，但细骨料取代率不同时，玻化微珠体积掺量对导热系数影响的程度不同. 细骨料取代率100%时，玻化微珠体积掺量对导热系数的影响程度最大.不同细骨料取代率时的玻化微珠体积掺量和导热系数关系可由多项式进行拟合.细骨料取代率为0%、50%和100%时，玻化微珠体积掺量和导热系数的多项拟合式如式(8)所示，式(8)中A=[0.666,0.674,0.677]T，B=[-0.017,-0.0198,0.0032]T，C=[0.0012,0.0015,-0.00234]T，对应的拟合系数分别为0.992、0.953和0.975.

y=A+Bx+Cx2.

(8)

图3 不同细骨料取代率时玻化微珠体积掺量对导热系数的影响

如2.1节再生细骨料取代率和玻化微珠体积掺量两个因素对28 d立方体抗压强度影响的分析方法，可得出二者综合作用时与基准混凝土导热系数关系式，结果如式(9)和图4所示.

y=0.9787×(0.7108I+0.0009X1-0.0842X2-

(9)

图4 再生细骨料取代率和玻化微珠体积掺量对导热系数的影响

2.3 玻化微珠体积掺量对密度的影响

不同细骨料取代率时的密度和玻化微珠体积掺量关系如图5所示.由图5可知：不同细骨料取代率时，密度均随玻化微珠体积掺量的增加而降低，在玻化微珠体积掺量为60%～100%区间，细骨料取代率为0%和50%时的密度随玻化微珠体积掺量增加变化不大，细骨料取代率100%时的密度小于取代率0%和50%时的密度；玻化微珠体积掺量为110%和120%时，细骨料取代率对密度的影响不大.不同细骨料取代率时的密度和玻化微珠体积掺量关系可由多项式拟合，细骨料取代率为0%、50%和100%时，玻化微珠体积掺量和密度的多项拟合式如式(10)所示，式中A=[2122.3,2108,2077]T，B=[-50.88,50.73,-39.59]T，C=[13.10,-15.45,10.08]T，D=[-1.87,0.53,-1.47]T，对应的拟合系数分别为0.994、0.99和0.955.

y=A+Bx+Cx2+Dx3.

(10)

图5 不同细骨料取代率时玻化微珠体积掺量对密度的影响

如上所述的分析方法，可得出再生细骨料取代率和玻化微珠体积掺量两因素综合作用时与基准混凝土密度的关系式，结果如式(11)和图6所示.

y=2260×(1.0292I-0.0598X1-0.1594X2-

(11)

图6 再生细骨料取代率和玻化微珠体积掺量对密度的影响

2.4 密度与导热系数的关系

密度与导热系数关系如图7所示，由图7可知：再生混凝土导热系数随着密度降低而减小；随再生细骨料取代率的增大，密度降低导致的导热系数降低的幅度也越明显，这与以往的研究结论一致[8-9].其原因如下：再生混凝土密度降低主要是由于玻化微珠体积掺量增大和再生细骨料取代率增加而导致的，无论是玻化微珠还是再生细骨料，其本身都有一定的孔隙，它们掺量增加，使得混凝土材料孔隙增多，密度下降，导热系数降低，保温性能增加.由图7可以预测，如采取适当掺加外加剂等措施，使自保温再生混凝土材料密度降低到1 800 kg/m3以下时，导热系数将可能进一步降低.

2.5 自保温再生混凝土的优化配合比确定

由图1～图3可知，由于再生细骨料和玻化微珠本身特性及二者复杂的共同作用机理，相同的玻化微珠体积掺量时，28 d立方体抗压强度、导热系数和密度与再生细骨料取代率之间的关系并没有明显的规律性.因此，自保温再生混凝土的优化配合比确定需要结合重点考虑的指标综合确定.基于上述原则，将28 d立方体抗压强度和导热系数两个指标作为重点考虑对象.从表1的试验结果对比来看，再生细骨料取代率为50%、玻化微珠体积掺量为110%的配合比为优化配合比，其对应试块的28 d立方体抗压强度为30.41 MPa，导热系数为0.610 2 W/(m·K)，密度为1 943 kg/m3，该强度等级的混凝土能够满足制作MU5～MU15空心砌块的标准，为下一步研发多排孔自保温混凝土砌块奠定了基础[10,11].

图7 密度与导热系数关系

3 结论

进行了100%再生粗骨料取代率时，不同再生细骨料取代率和不同玻化微珠体积掺量的自保温再生混凝土配合比优化设计，对不同配合比的试件进行了28 d立方体抗压强度、导热系数和密度的测试，对测试结果进行了分析.通过以上研究，可得出如下结论：

(1)不同细骨料取代率时，28 d立方体抗压强度随玻化微珠体积掺量的增加而降低；导热系数随玻化微珠体积掺量的增加而降低；密度随玻化微珠体积掺量的增加而降低.不同玻化微珠体积掺量对应的28 d立方体抗压强度、导热系数和密度的变化幅度不同；不同细骨料取代率时玻化微珠体积掺量和28 d立方体抗压强度、导热系数、密度的关系可拟合相应的多项式；再生细骨料取代率和玻化微珠体积掺量两因素和基准混凝土28 d立方体抗压强度、导热系数、密度的关系可拟合相应的多项式；这些多项式为自保温再生混凝土的优化设计提供了量化参考.

(2)再生混凝土导热系数随着密度降低而减小，如采取适当掺加外加剂等措施，使自保温再生混凝土材料密度降低到1 800 kg/m3以下时，导热系数将可能进一步降低；可为后续进一步开发高性能自保温再生混凝土材料的努力方向.

(3)综合考虑28 d立方体抗压强度和导热系数两个指标，确定再生细骨料取代率为50%、玻化微珠体积掺量为110%的配合比为优化配合比，其对应试块的28 d立方体抗压强度为30.41 MPa，导热系数为0.610 2 W/(m·K)，密度为1 943 kg/m3.