再生骨料混凝土强度离散性试验研究

陈海霞 宋学庆

摘 要：通過在天然骨料中掺加部分再生骨料，配制了4组骨料（骨料组号依次为RA0，RA25，RA50和RA75，总骨料中再生骨料体积百分比依次为0%，25%，50%和75%）。首先对4组骨料的压碎指标和吸水率进行了测试，其次用4组骨料配制了4组混凝土，对混凝土进行了抗压强度和抗折强度试验。分析骨料测试数据和强度试验数据得出：天然骨料（RA0）压碎指标变异系数为0.095，吸水率变异系数为0.089，其他3组再生骨料压碎指标变异系数为0.185～0211，吸水率变异系数为0.176～0.243，再生骨料压碎指标和吸水率的离散性相对于天然骨料明显增大，但其离散性与再生骨料掺量对应关系不明显。掺加部分再生骨料后，混凝土抗压强度和抗折强度随再生骨料体积百分比增加表现出先增大后降低，增大幅度大约为6%和5%，降低幅度大约为12%和16%，当天然骨料中再生骨料体积百分比为25%时强度最高。用天然骨料配制的混凝土，其抗压强度变异系数为0.072，抗折强度变异系数为0.106，用再生骨料配制的混凝土，其抗压强度变异系数为0.114～0.137，抗折强度变异系数为0.128～0.148，用再生骨料配制的混凝土相对于用天然骨料配制的混凝土，其抗压强度、抗折强度离散性较大，但其离散性与再生骨料掺量对应关系不明显。结果表明：在天然骨料中掺加部分再生骨料配制混凝土是可行的;掺加后对混凝土抗压强度和抗折强度有一定影响，且强度离散性相对较大。关键词：再生骨料;混凝土强度;离散性;压碎指标;吸水率;标准差;变异系数中图分类号：TU 528.53

文献标志码：A

文章编号：1672-9315（2021）02-0290-08

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2021.0213开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Experimental study on the strength dispersion of recycled aggregates concrete

CHEN Haixia1，SONG Xueqing2

（1.China Coal Xian Design Engineering Company Limited，Xian 700054，China;

2.China Electronic Research Institute of Engineering Investigation and Design，Xian 700054，China）

Abstract：Four groups of aggregates were prepared by adding partially recycled aggregates to natural aggregates （The aggregate numbers were RA0，RA25，RA50 and RA75，and the volume percentage of recycled aggregates in the total aggregate was in turn 0%，25%，50%and 75%）.In this paper，the crushing index and water absorption of the four groups of aggregates were tested first.Then，four groups of concretes were prepared with four sets of aggregates，and the compressive strength and flexural strength tests were carried out on the concrete.According to the test data： for the natural aggregate（RA0），the coefficient of variation of crushing index is 0.095 and that of water absorption is 0.089.For the other three groups，the coefficient of variation of crushing index of is 0.185～0.211，and that of water absorption is 0.176～0.243.The dispersion of the crushing index and water absorptionis significantly increased compared with the natural aggregate，but the relationship between the dispersion and the amount of recycled aggregate is not obvious.After adding a part of recycled aggregate，the compressive strength and flexural strength of the concrete increased first and then decreased with the increase of the volume percentage of the recycled aggregate in the total aggregate.The increasing rate was about 6% and 5%，and the decrease was about 12 % and 16%，the highest strength appeared when the volume percentage of recycled aggregate in the total aggregate is 25%.For the concrete with natural aggregate，the coefficient of variation of the compressive strength and the flexural strength were 0.072 and 0.106 respectively.For the concrete with recycled aggregate，the coefficient of variation of the compressive strength and the flexural strength were 0.114～0.137 and 0.128～0.148.Compared with the concrete with natural aggregate configuration，the compressive strength and flexural strength of the concrete with recycled aggregate are more discrete，but the correlation between the dispersion and the amount of recycled aggregate is not clear.The results show that it is feasible to mix part recycled aggregate into natural aggregate to prepare concrete.Adding part recycled aggregate has certain influence on concrete compressive strength and flexural strength，with the strength dispersion relatively bigger.

Key words：recycled aggregate;concrete strength;dispersion;crushing index;water absorption;standard deviation;coefficient of variation

0 引 言

混凝土主要由水泥、砂子、碎石（或者卵石）組成，每立方米混凝土消耗的砂石骨料大约为1 700～2 000 kg。随着混凝土使用量的增加，砂石资源日益枯竭，开采成本不断提高，直接导致天然砂石骨料供给量日益减少和价格逐年攀升，与此同时，全球范围内每年都要产生大量的废弃混凝土、砖瓦等建筑垃圾[1-3]。数量庞大的建筑垃圾如果不能得到有效处理将对城市环境造成巨大的破坏。目前，再生骨料的再生过程和再生工艺相对简单，生产出的骨料性能差异较大。一般先将废弃混凝土、砖瓦等经过处理和机械破碎，再进行筛选分级，并按一定的比例混合，就可以生产出再生骨料。LIMBACHIYA M等在天然骨料中掺加再生混凝土骨料配制了再生混凝土，该项研究认为在天然骨料中掺加适量再生骨料配制再生混凝土是可行的[4-7]。吴道尧等对再生骨料的基本性能开展了研究，提出了再生骨料质量标准[8-11]。张莹等对再生骨料混凝土的基本力学性能和再生骨料混凝土尺寸效应[12-13]等进行了研究，指出再生混凝土抗压强度有明显的尺寸效应。王社良等对再生

混凝土的基本力学性能进行了研究，指出了再生混凝土力学性能与再生骨料掺量之间的关系[14-20]。近年来，用再生骨料全部或者部分替代天然骨料，配制再生混凝土已经应用于工程实践中。大多情况下，再生骨料由废弃混凝土、砖瓦等经过处理、破碎、分级制成。再生骨料特点有三：首先，再生骨料表面相对粗糙、骨料棱角相对较多;其次，部分再生骨料表面残留、包裹着水泥砂浆;最后，机械破碎过程使再生骨料内部产生大量细微裂纹，这种损伤导致再生骨料质量相对较差，强度较低[2]。与再生骨料不同，天然骨料一般结构坚硬致密、孔隙率低，强度较高。众多学者对再生骨料性能的离散性已经进行了初步研究，但是，关于再生混凝土强度离散性的研究较少。文中拟通过在天然骨料中掺加再生骨料配制4组骨料，对4组骨料压碎指标和吸水率的离散性进行测试分析，用4组骨料配制混凝土，对混凝土进行抗压强度和抗折强度试验，分析其抗压强度和抗折强度的离散性及其与骨料的关系。4组骨料的组号分别为RA0，RA25，RA50和RA75，相应的再生骨料占总骨料体积百分比分别为0%，25%，50%和75%，RA0称为天然骨料，RA25，RA50和RA75称为再生骨料。

1 试验

1.1 试验材料水泥标号为PO.42.5，唐山冀东水泥股份有限公司生产。依据国家规范GB/17671-1999、GB/1346-2011和GB/1345-2005对水泥的强度、安定性、凝结时间和细度分别测定[21-23]，参数指标见表1，细度采用45 μm筛。

粉煤灰的需水比、烧失量、细度及主要化学成分依据国家规范GB/T1596-2017分别测试[24]，参数指标见表2，细度采用45 μm筛。

骨料的粒径范围是5～10 mm，天然骨料与再生骨料的性能参数见表3，骨料的参数测定标准按GB/T14685-2011测定[25]。再生骨料主要由废弃砖瓦等组成，其吸水率是天然骨料的11.5倍，压碎指标值是4.3倍，均明显大于天然骨料[2]。拌合混凝土用水采用普通自来水。砂采用天然河砂。减水剂掺加量按0.5%，聚羧酸减水剂。

1.2 配合比1.2 混凝土配合比及拌合养护 试验设计了4组混凝土配合比，具体见表4，RA0，RA25，RA50，RA75分别代表再生骨料占总骨料体积百分比为0%，25%，50%和75%。混凝土拌制过程为，先将骨料、水泥、粉煤灰加入搅拌机拌合大约1 min，拌合均匀后再将水和减水剂一起加入拌合大约2 min。装模振捣密实养护1 d，脱模后在标准条件下养护28 d，养护室温度为20±2 ℃，湿度大于95%。

1.3 试验方法抗压强度和抗折强度参考国标GB50081-2011进行试验[26]，抗压强度试验加载速率为10 kN/s，抗折强度试验加载速率为0.5 kN/s，试件的养护龄期为28 d。抗压强度和抗折强度试验每组6个试样，强度取其平均值。骨料的压碎指标和吸水率进行6次取样测试，取其平均值。

2 试验结果与分析

2.1 试验结果骨料的压碎指标和吸水率测试结果见表5，混凝土的抗压强度和抗折强度试验结果见表6，压碎指标、吸水率、抗压强度、抗折强度的标准差和变异系数见表7。

2.2 骨料性能离散性再生骨料基本性能包括压碎指标、吸水率、表观密度、堆积密度和含泥量等，其吸水率范围大约在3%～10%，压碎指标范围大约在10%～30%，相比天然骨料，再生骨料的性能差异很大，性能指标的测试数据更为离散。已有的研究表明，在上述的骨料性能指标中压碎指标和吸水率对混凝土强度的影响更敏感[10]。骨料的压碎指标测试结果见表5，可以看出，天然骨料RA0的压碎指标最小，为9%，随着再生骨料体积百分比的增加，再生骨料RA25，RA50，RA75的压碎指标分别为17.1%，25.4%和322%，依次增大。每组骨料的压碎指标做了6次测试，依

据测试结果绘制压碎指标标准差，如图1所示，变异系数如图2所示。对测试结果进行离散性分析，可以明显看出其标准差随总骨料中再生骨料体积百分比增大依次增大（虚线为趋势线），所以再生骨料的性能差异比天然骨料大的多，考虑到原始数据尺度的影响，进一步计算得到其变异系数进行分析，可以明显的看到天然骨料的变异系数在一个水平上，即0.095，但其他3组再生骨料的变异系数在另一个水平上，即0.197（RA25，RA50，RA75对应的变异系数分别为0.211，0.185，0195，0.197指的是平均值）。因此再生骨料的压碎指标相比天然骨料差异大、更加离散。

分析表5中骨料的吸水率測试结果可知，天然骨料RA0的吸水率为1.1%，随着再生骨料体积百分比的增加，RA25，RA50和RA75的吸水率依次增大，分别为3.1%，6.3%和8.7%。每组骨料的吸水率进行了6次测试，依据测试结果绘制吸水率标准差和变异系数图。吸水率的标准差如图3所示，随着总骨料中再生骨料体积百分比增大依次增大（虚线为趋势线），因此再生骨料的吸水率差异比天然骨料大的多。吸水率的变异系数如图4所示，可以明显地看到天然骨料吸水率的变异系数在在一个水平上，即0.089，其他3组再生骨料的变异系数在另一个水平上，即0.213（指的是其他3组再生骨料变异系数的平均值，RA25，RA50，RA75对应的变异系数分别为0.243，0.219，0176）。通过对骨料的压碎指标和吸水率进行测试分析，可以非常明显的看到，与天然骨料相比，再生骨料的性能差异很大，性能指标的测试数据更为离散。

2.3 抗压强度表6中抗压强度试验数据表明，随着再生骨料体积百分比逐渐增加，抗压强度表现出先增大后减小的趋势[2]。当再生骨料体积百分比从0%增加到25%时，强度从47.2 MPa增加到50.2 MPa，相当于6%的增幅，当再生骨料体积百分比从25%增加到75%时，强度出现小幅度下降，减小到41.5 MPa，相当于12%的降幅。图5为抗压强度与再生骨料含量关系（虚线为趋势线），可以明显看出，随着总骨料中再生骨料体积百分比增大，混凝土强度出现少许增加后逐渐降低。一般来说，混凝土抗压强度的主要影响因素是水胶比和骨料强度[15]。当再生骨料体积百分比增加时，混凝土强度先呈现出小幅增加的趋势，原因可能是相对于天然骨料而言，再生骨料的吸水率较大（天然骨料RA0的吸水率为1.1%，再生骨料RA25，RA50和RA75的吸水率分别为3.1%，6.3%和8.7%）。随着再生骨料体积百分比的增加，水胶比相对减小，间接导致混凝土强度小幅度增加。强度后下降的原因有以下两点，其一是再生骨料的强度范围一般在10～20 MPa之间，相对于天然骨料较低，其二是再生骨料的孔隙率相对于天然骨料较高，由于孔隙的存在，在轴向压力作用下，容易产生应力集中现象，导致混凝土强度下降。随着再生骨料体积百分比继续增加，再生骨料强度低、孔隙率高的影响越来越明显，因此混凝土强度随着再生骨料体积百分比的继续增加反而降低[2]。

混凝土抗压强度标准差和吸水率，见表7。依据表7计算结果绘制抗压强度标准差与再生骨料体积百分比关系曲线如图7所示，抗压强度变异系数与再生骨料体积百分比关系曲线，如图8所示。对于用天然骨料RA0配制的混凝土，抗压强度标准差是3.42 MPa，对于用再生骨料RA25，RA50和RA75配制的混凝土，抗压强度标准差依次是5.7，5.94，5.67 MPa，可以看出，天然骨料和再生骨料对应的标准差明显不在一个水平上。为了更客观的分析抗压强度的离散性，对其变异系数进行计算，随着总骨料中再生骨料体积百分比从0%增加到75%，其变异系数依次是0.072，0114，0.128，0.137，总的趋势是变异系数依次增大，但更为明显的是，和标准差表现出的规律一样，即用天然骨料配制的混凝土和用再生骨料配制的混凝土，两者的变异系数明显不在一个水平上（用天然骨料配制的混凝土，变异系数是0.072，对于用再生骨料配制的混凝土，变异系数平均值是0126）。抗压强度的标准差和变异系数表明采用再生骨料配制的混凝土相比采用天然骨料配制的混凝土，其抗压强度离散性较大。本次试验的其他条件并没有发生变化，水灰比、加料顺序、搅拌时间、养护条件都是一致的，只是骨料不同，因此，可以得出混凝土抗压强度的离散性增大是骨料的离散性导致的。

2.4 抗折强度抗折强度与再生骨料含量关系如图8所示（虚线为趋势线），可以明显看出，随着总骨料中再生骨料体积百分比增大，混凝土抗折强度出现少许增加后逐渐降低。当再生骨料体积百分比为0%和25%时，抗折强度分别为5.5 MPa和5.8 MPa，增加的幅度大约为5%，当再生骨料体积百分比为75%时，抗折强度为4.9 MPa，下降的幅度大约为16%。原因是，用再生骨料配制的混凝土，其内部通常情况下存在一些缺陷，导致其抗折强度较低、韧性较低。4组骨料RA0，RA25，RA50和RA75，再生骨料体积百分比依次增大，部分再生骨料表面附着了一层硬化水泥砂浆，导致骨料与新旧砂浆界面之间胶结较为薄弱[2]，与此同时，再生骨料在制备过程中一般采用机械破碎，破碎过程会导致骨料产生损伤和裂缝，这些影响因素使再生骨料的性能下降，性能差异变大。因此，随着总骨料中再生骨料体积百分比的增大，其抗折强度降低。试验数据表明，单从抗压强度和抗折强度的角度讲，对于用再生骨料配制的混凝土，总骨料中再生骨料体积百分比存在一个分界点，大约是25%，此时对应的强度最大。

图9和图10为依据表7中混凝土抗折强度标准差和变异系数绘制的抗折强度标准差与再生骨料体积百分比关系曲线和抗折强度变异系数与再生骨料体积百分比关系曲线。对于用天然骨料配制的混凝土，抗折强度标准差是0.58 MPa，对于用再生骨料配制的混凝土，抗折强度标准差依次是0.85，0.68和0.65 MPa，用再生骨料配制的混凝土其标准差显然大于用天然骨料配制的混凝土。采用变异系数进一步进行分析[27-28]，当总骨料中再生骨料体积百分比为0%时，其变异系数是0.106，当体积百分比为25%，50%，75%时，其变异系数依次为0.148，0.128，0.141（平均值为0.139），同样，用再生骨料配制的混凝土其变异系数显然大于用天然骨料配制的混凝土，和标准差表现出的规律一致。抗折强度标准差和变异系数分析表明采用天然骨料配制的混凝土相比采用再生骨料配制的混凝土，其抗折强度离散性较小。如上节所述，本次试验的其他条件并没有发生变化，因此混凝土抗折强度离散性增大的原因只能是骨料性能离散性增大所导致的。

3 结 论

1）通过对骨料的压碎指标和吸水率进行测试分析可以得到，与天然骨料RA0相比，再生骨料RA25，RA50和RA75的性能差异很大，性能指标的测试数据更为离散，但其离散性与再生骨料掺量对应关系不明显。2）在天然骨料中掺加适量再生骨料配制混凝土是可行的，掺加部分再生骨料后，混凝土抗压强度和抗折强度随再生骨料体积百分比增加表现出先增大后降低，变化大约幅度在+5%～-16%之间，体积百分比为25%时对应的强度最大。3）通过对混凝土抗压强度、抗折强度的标准差、变异系数分析，表明采用再生骨料RA25，RA50和RA75配制的混凝土相比采用天然骨料RA0配制的混凝土，其抗压强度、抗折强度离散性较大。4）在混凝土强度检测评定中应充分认识再生混凝土强度离散型较大的特点，具体的工作有待进一步研究。

参考文献（References）：

[1] 黄世谋，何廷树，李国新.建筑废料的再生利用研究[J].混凝土，2006（5）：30-34.

HUANG Shimou，HE Tingshu，LI Guoxin.Study of recycling building wastes[J].Concrete，2006（5）：30-34.

[2]张志权，刘云霄.再生骨料含量对透水混凝土性能的影响[J].混凝土，2017（8）：123-126.

ZHANG Zhiquan，LIU yunxiao.The influence of recycled clay brick aggregate content on the properties of pervious concrete[J].Concrete，2017（8）：123-126.

[3]ZAETANG Y，WONGSA A，SATA V，et al.Use of lightweight aggregates in pervious concrete[J].Construction & Building Materials，2013，48（11）：585-591.

[4]LIMBACHIYA M，MEDDAH M S，OUCHAGOUR Y.Use of recycled concrete aggregate in flyash concrete[J].Construction & Building Materials，2012，27（1）：439-449.

[5]陈国慧，彭泽艳.再生骨料取代率对再生混凝土物理力学性能的影响[J].重庆建筑，2014，13（5）：61-63.

CHEN Guohui，PENG Zeyan.Impact of recycled aggregates replacement rate on physical and mechanical properties of recycled aggregate concrete[J].Chongqing Architecture，2014，13（5）：61-63.

[6]METHA P K，MONTEIRO P J M.Concrete：microstructure，properties and materials[M].3rd ed.New York：McGraw Hill，2005.

[7]BRAVO M，SANTOS SILVA A，et al.Microstructure of concrete with aggregates from construction and demolition waste recycling plants[J].Microsc Microanal，2016，22（1）：149-167.

[8]吴道尧，徐亦冬.再生骨料的生產与质量标准初探[J].混凝土，2009（3）：73-75.

WU Daoyao，XU Yidong.Preliminary study of production technology and quality specification of recycled aggregate[J].Concrete，2009（3）：73-75.

[9]季旭嵘，顾永明，苏东兰，等.苏州地区废弃旧混凝土再生骨料的性能及其离散性研究[J].华东公路，2016（4）：84-87.

JI Xurong，GU Yongming，SU Donglan，et al.Study on the properties and dispersion of recycled aggregate of discarded old concrete in SuZhou[J].East China Highway，2016（4）：84-87.

[10]纪锋，陈亮亮，张鹏.再生混凝土吸水率与强度的相关性研究[J].长江科学院院报，2019，36（3）：139-144.

JI Feng，CHEN Liangliang，ZHANG Peng.Correlation between water absorption rate and strength of recycled concrete[J].Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2019，36（3）：139-144.

[11]贺春鹏，付兴国，孙相博，等.混凝土用再生粗骨料性能研究[J].混凝土与水泥制品，2019（2）：98-100.

HE Chunpeng，FU Xingguo，SUN Xiangbo，et al.Study on recycled coarse aggregate for concrete[J].China Concrete and Cement Products，2019（2）：98-100.

[12]张莹，杨秋伟，赵婧芸，等.再生混凝土抗压强度尺寸效应试验研究[J].混凝土，2018（2）：29-31.

ZHANG Ying，YANG Qiuwei，ZHAO Jingyun，et al.Experiment study size effect from compression strength of recycled concrete[J].Concrete，2018（2）：29-31.

[13]苏捷，方志.不同骨料组分混凝土立方体抗压强度尺寸效应试验研究[J].建筑结构学报，2014（2）：152-157.

SU Jie，FANG Zhi.Experimental Study on impact of aggregate mixture on dimensional effect of concrete cubic compression strength[J].Journal of Building Structures，2014（2）：152-157.

[14]王社良，刘伟，张波.再生骨料混凝土骨料性能试验研究[J].工业建筑，2013，43（11）：6-11.

WANG Sheliang，LIU Wei，ZHANG Bo.Experimental study on behavior of aggregate for recycled aggregate concrete[J].Industrial Buildings，2013，43（11）：6-11.

[15]张博，王社良，杜园芳.压碎值指标对再生混凝土抗压强度的影响[J].工业建筑，2013，43（11）：1-6.

ZHANG Bo，WANG Sheliang，DU Yuanfang.Influence of crush value index on compressive strength of recycled aggregate concrete[J].Industrial Construction，2013，43（11）：1-6.

[16]周明辉，李连君.再生骨料混凝土强度的试验研究与分析[J].混凝土，2011（5）：99-101.

ZHOU Minghui，LI Lianjun.Test and analysis of strength of recycled aggregate concrete[J].Concrete，2011（5）：99-101.

[17]赵志青，余振鹏，孙雪，等.不同取代率再生混凝土基本力学性能试验研究[J].混凝土，2019（3）：86-89，93.

ZHAO Zhiqing，YU Zhenpeng，SUN Xue，et al.Experimental study on basic mechanical properties of recycled aggregate concrete with different substitution rate[J].Concrete，2019（3）：86-89，93.

[18]谭艺帅，彭有开，吴徽.不同再生细骨料取代率下的再生混凝土单轴受压本构关系[J].混凝土，2019（3）：65-70.

TAN Yishuai，PENG Youkai，WU Hui.Constitutive relationship of recycled concrete with different recycled fine aggregate repacement rates under uniaxial compression[J].Concrete，2019（3）：65-70.

[19]张向冈，邓大鹏，张轩轩，等.砂轻页岩集料混凝土折压比试验研究[J].混凝土，2019（2）：57-60，64.

ZHANG Xianggang，DENG Dapeng，ZHANG Xuanxuan，et al.Experimental study on flexure and compressions ratio of sand lightw eight concrete with shale aggregate[J].Concrete，2019（2）：57-60，64.

[20]陳海霞，张志权，宋学庆.再生骨料喷射混凝土基本性能试验[J].西安科技大学学报，2020，40（3）：434-440.CHEN Haixia，ZHANG Zhiquan，SONG Xueqing.Basic performance testing on shotcrete with recycled aggregate[J].Journal of Xian University of Science and Technology，2020，40（3）：434-440.

[21]GB/17671-1999，国家质量技术监督局.水泥胶砂强度检验方法[S].

[22]GB/1346-2001，国家质量技术监督局.水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法[S].

[23]GB/1345-2005，国家质量技术监督局.水泥细度检验方法[S].

[24]GB/T1596-2017，国家质量监督检验检疫总局.用于水泥和混凝土中的粉煤灰[S].

[25]GB/T14685-2011，中华人民共和国住房和城乡建设部.建设用卵石、碎石[S].

[26]GB50081-2011，中华人民共和国住房和城乡建设部.普通混凝土力学性能试验方法标准[S].

[27]NEVILLE A M.Properties of concrete （5thedition）[M].Essex：Pearson，2011：846.

[28]ZAETANG Y，SATA V，WONGSA A，et al.Properties of pervious concrete containing recycled concrete block aggregate and recycled concrete aggregate[J].Constr Build Mater，2016，111（5）：15-21.