基于弯拉强度的路面再生混凝土配合比设计研究

刘 灿

基于弯拉强度的路面再生混凝土配合比设计研究

刘 灿

（广东交通职业技术学院，广东广州510650）

再生粗骨料孔隙率大、吸水率大、表观密度低、压碎指标值高，与天然粗骨料有很大差异。考虑再生粗骨料本身的特点，文中提出了一种基于弯拉强度的路面再生混凝土配合比设计方法。经试验研究证明，通过该方法设计的路面再生混凝土可以很好地满足路面使用的各项性能指标要求。该配合比设计方法可为再生混凝土在路面中的应用提供参考。

弯拉强度；路面；再生混凝土；配合比设计

引言

混凝土作为土木工程中最大宗使用的材料，其年使用量是十分庞大的。数据统计显示，混凝土在全世界的使用量为7×1010m3/年，而我国的混凝土使用量为2×1010m3。以粗细骨料占75%估算，每年因生产混凝土消耗的砂石资源将超过20亿t。长期以来，混凝土中用量最大的砂石材料被认为是取之不尽、用之不竭，而被随意开采，甚至滥采滥用。事实上，砂石材料属于自然条件下短期内难以再生的天然资源，它们的形成需要历经漫长的地质年代。一方面，有限的天然资源被大量消耗；另一方面，废弃混凝土数量却相当惊人[1]。

传统的处理废弃混凝土方法主要是露天堆放或填埋，虽也有少量用于铺筑道路，但绝大多数废弃混凝土得不到有效的利用。对大量废混凝土进行循环再生利用即再生混凝土技术通常被认为是解决废混凝土问题最有效的措施。目前，再生混凝土主要用于道路工程基层和底基层，也有少量用于建筑物结构构件。总体而言，利用率不高。本文拟从再生混凝土用于路面的考虑出发，提出了一种基于弯拉强度的路面再生混凝土的配合比设计方法，结果表明，利用该方法设计的路面再生混凝土可以满足路面各项性能指标要求。

1 再生粗骨料的制备

再生混凝土的力学性能取决于再生骨料的物理性能、水泥强度以及配合比的设计，因此再生粗骨料的制备过程是十分重要的，它将影响再生骨料本身的性能，进而影响再生混凝土的力学性能。在对国内外现有的废混凝土破碎和再生集料加工工艺进行综合分析的基础上，结合相关实验研究及文献资料，再生混凝土骨料的制作过程可以分为以下的步骤[2]：

(1)破碎废弃混凝土，可以选用机器破碎或者人工破碎两种。俄罗斯、德国以及国内史巍、李惠强等人都提出了破碎混凝土的工艺流程。但考虑到目前我国劳动力成本相对较低，且机械不适宜处理大块杂质，因此，本次试验选用的是人工破碎。

(2)去除废弃混凝土中的杂质（如钢筋、纸屑、土、树叶等，本次试验中，采用过筛，鼓风机等对其进行除杂）。

(3)筛分出破碎后的骨料等级。

(4)将废弃混凝土破碎后按照级配要求进行使用，得到需要的再生粗骨料。

2 再生粗骨料的物理力学性能试验

对按照上述方法制备的再生粗骨料进行筛分试验、密度试验、力学性能试验、吸水率试验等。筛分试验结果表明一次破碎的再生混凝土粗集料含量偏多，4.75 mm以下集料含量不足5%。由空隙率试验可知，一次破碎的再生混凝土骨料与大空隙集料级配比较接近；二次破碎的再生骨料粗、细颗粒比较均匀，与《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40-2011）中规定的级配范围相比，基本满足要求的级配范围[3]。

再生粗骨料的密度、吸水率试验结果如表1所示；力学性能试验结果如表2所示。

表1 再生粗骨料的密度、吸水率试验结果

表2 再生粗骨料力学指标

从表1、表2可以看出：

(1)再生骨料的堆积密度、表观密度均低于天然骨料。

(2)再生骨料的磨耗值和压碎值尽管较高，但完全能够满足规范的要求。而压碎指标越大越代表再生混凝土的强度将低于天然混凝土的强度。但是完全能够满足规范的要求，因此再生混凝土具有实施的可行性。

(3)再生粗骨料的吸水率明显大于天然粗骨料，但本试验中所用的再生粗骨料能够满足RILEM建议标准对II类再生粗骨料（II级粗骨料主要来源于废混凝土）的要求（表观密度≥2 200 kg/m3，吸水率≤10%）。因此，该再生粗骨料可以配制素混凝土及钢筋混凝土。

3 基于弯拉强度的路面再生混凝土配合比设计

再生混凝土配合比设计的任务就是要确定能获得预期性能而又经济的混凝土各组成材料的用量。它与普通混凝土配合比设计的目的是相同的，即在保证结构安全使用的前提下，力求达到便于施工和经济节约的要求。国内外大量试验已表明：再生粗骨料的基本性能与天然粗骨料有很大差异，如孔隙率大、吸水率大、表观密度低、压碎指标值高等。

根据《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40-2011）有关规定，水泥混凝土路面的设计强度应采用28 d龄期的弯拉强度。但目前有关混凝土配合比设计，包括国内外相关文献关于再生混凝土配合比设计都是基于抗压强度的配合比设计，不太适用于路面再生混凝土配合比设计[4]。在参考基于抗压强度的配合比设计基础上，本文提出基于弯拉强度的路面再生混凝土设计方法，步骤如下：

(1)计算水灰（胶）比

fs——水泥实测28 d抗折强度；

fc——面层水泥混凝土配制28 d弯拉强度的均值。

(2)水泥混凝土路面砂率选择

根据细集料的细度模数，选择合适砂率Sp。

(3)计算单位用水量

式中：W0——不掺外加剂与掺和料混凝土的单位用水量（kg/m3）；

SL——坍落度，根据《公路水泥混凝土路面施工技术细则》（JTG/T F30-2014）进行选择；

Sp——砂率（%）。

(4)计算单位水泥用量

式中：C0——单位水泥用量（kg/m3）。

(5)按密度法或体积法计算集料用量

按密度法计算时，再生混凝土单位质量取2 400~2 500 kg/m3。

(6)再生混凝土的附加用水量计算

考虑到再生粗骨料的吸水率，再生混凝土附加用水量按下式计算。

式中：Wa——单位体积再生混凝土的附加用水量（kg）；

G0——单位体积再生混凝土的粗集料用量（kg）；

α——单位体积粗集料的吸水率(%)；

r— —单位体积粗集料的取代率(%)。

(7)进行配合比试配、调整与确定。

4 路面再生混凝土配合比设计及力学性能试验

4.1 路面再生混凝土配合比设计

按照以上设计过程，本研究取坍落度为30 mm时的砂率Sp=34%，预配弯拉强度分别为4.0、4.5 MPa的再生混凝土，再生粗骨料掺量分别为0%、40%、80%、100%[5]。由此计算出的配合比如表3所示。

4.2 路面再生混凝土力学性能试验

对成型试件标准养护28 d，根据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG E30-2005）进行试验，结果见表4[6]。

表3 再生混凝土试验配合比

通过对以上试验结果进行分析可知：

(1)随着再生粗骨料掺量的增大，再生混凝土的抗压强度、弯拉强度实测值、劈裂抗拉强度以及塌落度均呈现减小趋势。

(2)再生粗骨料取代率为40%时，再生混凝土各项力学性能指标与相应基准混凝土（全部采用天然粗骨料配制的混凝土）相比降低幅度较小，一般10%左右。而当再生混凝土骨料取代率为100%时（即全部采用再生粗骨料），再生混凝土的各项力学性能降低幅度较大，约下降20%~40%。

(3)在弯拉强度标准值为4.0、4.5 MPa时，再生粗骨料掺量宜控制40%以内，基本可以满足路面混凝土力学性能要求。

表4 再生混凝土抗压强度、弯拉强度、劈裂抗拉强度、弹性模量试验结果

5 结语

(1)随着再生粗骨料掺量的增加，再生混凝土拌和物性能、力学性能指标呈下降趋势。

(2)再生粗骨料取代率为40%时，再生混凝土各项力学性能指标与相应基准混凝土相比降低幅度较小，一般10%左右，可以应用于弯拉强度标准值为4.0、4.5 MPa的路面工程中。

(3)本文所提出的基于弯拉强度的路面再生混凝土设计方法可行，据此设计的再生混凝土可以满足路面各项力学性能要求，可以为再生混凝土在路面工程中的应用提供参考。

[1]李昌铸．水泥混凝土路面再生利用关键技术[M]．北京：人民交通出版社，2010．

[2]田春芳．不同替代率再生混凝土的力学性能研究[D]．河北：河北联合大学，2014．

[3]中交公路规划设计院有限公司．JTG D40-2011公路水泥混凝土路面设计规范[S]．北京：人民交通出版社，2011．

[4]肖建庄．再生混凝土[M]．北京：中国建筑工业出版社，2008．

[5]杨庆国．道路旧砼再生集料及其在路面中应用的试验研究[J]．重庆交通学院学报．2005，24(6)：71-75．

[6]交通部公路研究所．公路工程水泥及水泥混凝土试验规程（JTGE30-2005)[S]．北京：人民交通出版社，2005．

A Study on the Mix Proportionof Pavement Recycled Concrete Based on the Flexural Tensile Strength

LIU Can

(Guangdong Communication Polytechnic,Guangzhou 510650,China)

The recycled coarse aggregate is different from the natural coarse aggregate in that it has the characteristics of high porosity,high water absorption,low apparent density and high crushing value.This paper presents a pavement recycled concrete design method based on the flexural tensile strength.Test results show that the pavement recycled concrete designed with this method satisfies all performance indexes well.The mix proportion design method would provide some references to the application of recycled concrete on pavement.

flexural tensile strength;pavement;recycled concrete;mix proportion design

TU528.041

A

1671-8496-(2016)-04-0001-04

2016-04-12

刘灿(1977-)，女，讲师、工程师，博士

研究方向：从事结构工程教学、研究

广东省交通运输厅科技计划项目“基于广东省湿热重载条件下的路面再生混凝土技术研究”（项目编号：2011-02-005）；广东交通职业技术学院博士基金专项“再生混凝土耐久性研究”（项目编号：GG81080133）