再生粗骨料混凝土配合比设计方法探究

祝文凯，杨善顺，徐仁崇，戴鹏，王伟

（1. 厦门市建筑科学研究院集团股份有限公司，福建 厦门 361004；2. 厦门天润锦龙建材有限公司，福建 厦门 361027）

再生粗骨料混凝土配合比设计方法探究

祝文凯1,2，杨善顺1,2，徐仁崇1,2，戴鹏1,2，王伟1,2

（1. 厦门市建筑科学研究院集团股份有限公司，福建 厦门 361004；2. 厦门天润锦龙建材有限公司，福建 厦门 361027）

本文通过分析等质量/体积替换、有效水胶比法（EW/C 法）以及等效砂浆体积法（EMC 法）三种再生粗骨料混凝土配合比设计方法，指出有效水胶比及浆体含量是再生骨料混凝土配合比设计的关键，在此基础上提出了改进等效砂浆体积法（PEMC 法），并分析了普通骨料保留率（β值）及富余砂浆系数（γ值）对配合比的影响。结果表明：在不同再生骨料取代率下，通过控制γ值能不同程度缓和 EMC 法设计时水胶比偏低及有效浆体体积偏少的问题，即 PEMC 法更适合用于大掺量再生骨料混凝土的配合比设计。

再生骨料混凝土；配合比；含浆量；有效水胶比；富余砂浆系数

0 引言

建筑物在拆除过程中会产生大量的废弃混凝土，经分拣、破碎、分级等工序后可制备再生粗骨料（下文简称RCA），并可用于取代天然骨料制备再生混凝土[1]，既能解决废弃建筑垃圾处置所带来的环境负荷，又能变废为宝，带来巨大的经济效益，是建筑垃圾处置的最优途径。为规范再生粗骨料的使用，国标 GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》对再生粗骨料的品质加以限制，主要是依据压碎值、表观密度、吸水率等性能参数对再生粗骨料进行分类，但并未指明 RCA 性能与天然骨料（下文简称 NCA）之间差异的原因之所在，也未对 RCA 混凝土的利用，即配合比设计提供指导，使得再生骨料混凝土生产时多沿用普通骨料的配合比设计方法，完全忽略了 RCA 与普通骨料之间的差异。本文旨在分析 RCA 配合比方法之间的差异，并提出新的设计方法，为再生混凝土的应用提供指导。

1 常用的再生粗骨料配合比设计方法

1.1 等质量/体积替换法

多数学者采用等质量或者等体积替换天然骨料（NCA）的方法，来研究取代率对再生粗骨料混凝土性能的影响。图1对比分析了数十篇文献中所使用的 RCA 及 NCA 的密度与吸水率的关系，与 NCA 相比，RCA 具有表观密度低、吸水率较大的特征，这是 RCA 具有一定的残余浆体含量（MC）所致，这也使得 RCA 的压碎值通常大于 NCA[2,3]。RCA 吸水率大，会导致混凝土的有效水胶比降低[4]，混凝土拌合物表现出较差的流动性、粘聚性、保水性，并且坍损大，难以用作商品混凝土。而胶材用量相同时，再生骨料混凝土有效水胶比低，使得强度往往高于设计强度等级，在经济上并不合理。混凝土的强度主要由浆体和界面过渡区共同决定，等质量或等体积替换 NCA 时，会造成浆体体积增大，不利于混凝土强度的发展，该设计方法完全忽视了 RCA 的特征，是不合理的。

图1 骨料吸水率与表观密度的关系

图2 混凝土组成示意图

1.3 等效砂浆体积法（EMC 法）

RCA 是由原状碎石和残余砂浆两部分组成，为解决 RCA混凝土浆体比例偏高的问题，G. Fathifazl[7]提出了等效砂浆体积的再生混凝土配合比设计方法（简称 EMC 法），其基本设计思路是两个等效：（1）再生混凝土中砂浆的总体积与天然碎石混凝土相等；（2）再生骨料混凝土中碎石的总体积（如图2 所示，RCA 中碎石部分体积＋天然碎石体积）与天然骨料混凝土相等，即将 RCA 的残余砂浆等效于新拌砂浆。通过控制混凝土的实际浆集比来优化再生骨料混凝土的性能。

EMC 法再生骨料混凝配合比计算公式：

EMC 法基本设计思路如下：（1）设计天然骨料混凝土配合比，分别为单方混凝土中胶凝材料、水和粗、细骨料用量；分别为单方混凝土中粗骨料及砂浆体积；（2）依据等效思路计算再生骨料混凝土中碎石和总砂浆体积，如式 1-1 和 1-2 所示。其中，分别为 RCA 所含碎石体积，以及天然碎石体积；分别为再生骨料混凝土中新拌砂浆和 RCA残余砂浆的体积；（3）计算 RCA 所含碎石的体积，如式 1-3 和 1-4 所示。其中，RMC 为 RCA 含浆量，%；ρRCA， ρCA1分别为 RCA 和 RCA 所含碎石的表观密度；（4）计算RCA 体积如式 1-5 和 1-6 所示。其中，β 为骨料保留率即 RAC 中碎石与 NAC 中的比值，%； VRCA为单方 RAC 中 RCA 的体积；（5）计算新拌砂浆含量VNMR，如式 1-7 和 1-8 所示；（6）计算单方 RCA 混凝土中各原材料用量，如式 1-9 所示。

采用 EMC 法需已知 RCA 的表观密度、含浆量以及 RCA所含碎石的表观密度。通常，可将 RCA 碎石的表观密度近似等同于天然碎石密度 ρRCA≈ρNA；但是 RCA 的含浆量测试却比较复杂，且目前没有相关标准指出可行的测试方法[8]，可通过加热（＋机械作用）、酸蚀、冻融、硫酸盐侵蚀等方法破坏残余浆体的方式测量。

2 改进等效浆体体积的配合比设计方法（PEMC）

有效水胶比法（EW/C 法）和等效砂浆体积法（EMC法）均是考虑 RCA 的特征后的设计方法，但前者并未考虑RCA 的含浆量，并忽略了 NCA 同样具备吸水特征；而后者并未考虑 RCA 的吸水特征，并且将 RCA 残余砂浆全部等同于新拌砂浆，会造成混凝土工作性能的降低，尤其是高含浆量的 RCA。考虑到二者各自的优缺点，在此提出了新的配合比设计方法：改进等效砂浆体积法（PEMC 法）。其基本设计思路沿用等效砂浆法，但与 EMC 法不同之处在于：（1）引入 EW/C 法的设计思路；（2）近似等效砂浆设计。

PEMC 法再生骨料混凝土配合比计算公式：

3 不同再生骨料配合比设计方法的对比分析

选用 RCA 配制 C30 强度等级混凝土，粗骨料的性能如下：5～20mm 连续级配天然碎石，表观密度 2700kg/m3，吸水率 0.6%，压碎值 27%；5～20mm 连续级配再生粗骨料，表观密度 2450kg/m3，吸水率 4.6%，压碎值 27%，含浆量 29%。表1 为 40% 取代率下各方法计算出的再生骨料混凝土配合比，其中，PEMC 法富余砂浆系数γ取值 0.035（0.5γmax），通过对比计算结果可知，PEMC 法具备普通RCA、EW/C 法及 EMC 法各自的优点，即减小混凝土的 W/C但不改变有效 W/C；同时减小了 VM和 VNM，但又小于 EMC法的程度，有利于缓和浆体含量及W/C变动对再生骨料混凝土性能的影响。

图3 为表1 所示 5 组混凝土的组成分析，等质量/体积取代与 EW/C 法设计的再生骨料混凝土浆集比一致，说明二者方法没有实质性差别。PEMC 法设计的混凝土浆集比处于EW/C 法和 EMC 法之间，且与 EMC 法相比，NCA 所占体积未变，而新拌砂浆体积有所增加，说明γ值是通过削减 RCA体积来实现，即在 EMC 法基础之上定量削减 RCA 的体积，而且 RCA 替换率越大，弱化效果越明显。故 PEMC 法更适合用于大掺量或者高含浆量再生骨料混凝土的配合比设计。

表1 C30 再生混凝土配合比设计对比分析

图4 为 PEMC 法中最大γ值与骨料保留率β的关系，随着骨料保留率的增大，γ呈线性递减的趋势，即随着 RCA 取代率的增大，RCA 所含浆体对混凝土浆集体系的影响越来越大，富余砂浆系数的可变动区间也越来越大。

图5 为γ取值对混凝土浆体总含量及新拌浆体含量变化的影响，当 RCA 取代率较低时，γ取值对二者的影响较小，而当 RCA 取代率较大时，浆体有效浆体含量急剧减小，通过适当增大γ取值，能显著增加有效浆体含量而又不会对浆体总含量造成较大影响。这也同样说明，在 RCA 取代率较大的情况下，PEMC 法较 EMC 法更适用。

图3 不同设计方法下混凝土组成分析

图4 骨料保留率β与最大砂浆富余系数γ的关系

4 结论

（1）结合再生骨料的特征，分析了等质量/体积替换、有效水胶比法（EW/C 法）以及等效砂浆体积法（EMC 法）的设计思路、计算方法及缺陷。

（2）提出了改进等效浆体体积的配合比设计方法（PEMC），引入富余砂浆系数γ对 EMC 法的等效浆体进行修正，以弥补有效浆体不足所造成的缺陷；引入 EW/C 法对再生骨料吸水特性对用水量进行修正。

（3）分析 PEMC 法设计的再生骨料混凝土的组成：混凝土浆体总含量及新拌浆体含量介于等质量/体积取代和 EMC法之间，且随着富余砂浆系数γ增大而增大；再生骨料取代率越大，γ取值范围越大，使得 PEMC 法更适合大掺量再生粗骨料混凝土的配合比设计。

图5 混凝土浆体体积与富余砂浆系数的关系

[1] 郑强．废弃混凝土再生利用的研究进展[J]．商品混凝土，2009(6)．

[2] 周栋梁，周伟玲，林玮．再生骨料混凝土基本性能分析与研究[J]．商品混凝土，2009(10)．

[3] 李雯霞，张雄，刘昕．再生混凝土中再生骨料取代率、浆含量、表观密度和吸水率的关系探讨[J]．混凝土，2009(10): 60-63．

[4] 刘鹏宇．等量砂浆法配制再生混凝土的力学性能和收缩及抗冻性能研究[D]．哈尔滨工业大学，2013．

[5] 贾宗明．再生混凝土基于含浆量配合比设计及其力学性能试验研究[D]．内蒙古工业大学，2014．

[6] Fathifazl G, Abbas A, Razaqpur A G, et al. New Mixture Proportioning Method for Concrete Made with Coarse Recycled Concrete Aggregate[J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2009, 21(10):601-611.

[7] Bendimerad A Z, Rozière E, Loukili A. Plastic shrinkage and cracking risk of recycled aggregates concrete[J]. Construction Building Materials, 2016, 121:733-745.

[8] 张雄，刘昕．再生粗骨料砂浆含量测定方法及分级研究[C]. 中国科协年会，2009:219-222．

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祝文凯（1991—），男，硕士，助理工程师。［通讯地址］厦门市海沧区东孚镇凤山村凤美四路 39 号