再生混凝土配合比设计方法现状分析

杨震 李奕方 周汝光

摘 要：本文围绕再生混凝土配合比设计方法，分析了水胶比、单方用水量和砂率三个配合比设计中的关键参数对再生混凝土强度和工作性能的影响，介绍了这三个参数的确定方法和研究进展，同时阐述了再生混凝土配合比设计的新方法。其间对目前的再生混凝土配合比设计方法进行了总结，评述了这些方法的优缺点，为再生混凝土配合比设计提供了研究方法和思路。

关键词：再生混凝土;配合比设计;水胶比;单方用水量;砂率

中图分类号：TU528文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）03-0072-04

Review on Current Situation of Recycled Concrete Mix Design Method

YANG Zhen1 LI Yifang2 ZHOU Ruguang1

（1.Henan Urban Planning Institute & Corporation，Zhengzhou Henan 450053;2. Henan Construction Drawing Review Center Corporation，Zhengzhou Henan 450099）

Abstract： This paper focused on the mixture design method of recycled concrete， analyzed the influence of three key parameters of mixture proportion design （including water-binder ratio， unit water consumption and sand ratio） on the strength and workability of recycled concrete， introduced the determination method and research progress of these three parameters， and explained the new method of recycled concrete mix design. In the meantime， the current design methods of recycled concrete mix were summarized， the advantages and disadvantages of these methods were reviewed， and the research methods and ideas were provided for the design of recycled concrete mix.

Keywords： recycled concrete;mix design;water-binder ratio;water consumption per unit;sand ratio

凡是由膠凝材料、集料和水等按适当比例配合拌制的混合物，再经浇筑成型硬化后得到的人造石材，都统称为混凝土。以水泥为胶凝材料的水泥混凝土是现代土木建筑工程中应用最为广泛的一类建筑材料。水泥混凝土主要由水泥、砂、石子及水四种基本材料组成，砂子填充石子空隙，水泥和水形成水泥浆，填充砂、石的空隙。每立方米混凝土需要石子800～1 200 kg，需要砂子600～800 kg。水泥混凝土的应用广泛，导致砂石用量激增。联合国环境署预测，到2030年，全球每年对砂石的需求将接近500亿t。天然砂石集料的生产需要挖掘大量的山体与河道，对环境的损害不容忽视，尤其是我国目前砂石的自然资源接近枯竭。

随着我国城市化建设的逐步推进，城市化改造期间产生大量建筑垃圾，其中废旧混凝土最为庞大，占整个建筑垃圾的40%～50%[1]。近年来，建筑垃圾的无序堆放已成为社会问题，建筑垃圾滑坡、堵塞河道等事件时有发生，已经对城市的环境和安全造成一定威胁，妥善处理和使用建筑垃圾成为亟待解决的社会问题。再生骨料混凝土（Recycled Aggregate Concrete，RAC）是指将废弃的混凝土经分离、破碎、清洗、筛分后制作成再生骨料（Recycled Aggregate，RA），全部或部分取代天然骨料从而配制成为新的混凝土[2]。再生骨料混凝土能有效处理城市建设过程中产生的建筑废弃物，减少对天然砂石等自然资源的需求和依赖，降低建筑垃圾对环境产生的污染。因此，废弃混凝土的回收利用逐渐获得重视。

由废弃的混凝土制成的再生骨料颗粒存在棱角过多、针状物占比过大、内部细微裂纹过多的问题，同时，再生骨料表面往往覆盖着一层水泥砂浆且携带着大量的粉尘，这些因素会导致其与天然骨料相比，压碎指标大，孔隙率大，吸水率高。混凝土配合比设计是指调整和优化混凝土组成材料水泥、掺合料、水、砂、石和外加剂之间的比例关系，合理的配合比设计使配制的混凝土能够满足强度、工作性能和耐久性等要求，同时遵循经济性原则。配合比设计直接决定混凝土性能，是再生混凝土材料和结构研究的基础。目前，再生混凝土配合比设计没有统一的标准，因此在研究过程中，很多学者都按照普通混凝土的配合比设计方法对再生混凝土进行配合比设计，导致配制的再生混凝土强度和工作性能都会随着再生骨料取代率的增加而降低，粗骨料使用再生骨料，其混凝土强度比天然骨料混凝土强度要降低5%～24%。当粗细骨料都使用再生骨料时，其混凝土强度比天然骨料混凝土强度要降低15%～40%。同时，再生骨料混凝土的弹性模量比天然骨料混凝土有所降低，徐变和收缩变形要增大，耐久性要降低[3-4]。几乎所有研究表明，再生骨料混凝土性能较天然骨料混凝土差。

近年来，有学者不断研究适合再生混凝土的配合比设计方法，在水胶比、单方用水量、砂率等计算方法等方面进行了很多研究。笔者对其最新研究进展进行整理和分析，提出自己的看法和见解，供再生混凝土配合比设计使用。

1 水胶比

水胶比是决定混凝土强度的重要参数，《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55—2011）[5]规定，根据混凝土的配制强度以及所用水泥的强度，通过式（1）可以计算出混凝土的所需水胶比。

[W/B=αafbfcu，0+αaαbfb]                            （1）

式中，[WB]為水胶比;[fcu，0]为混凝土的配制强度;[fb]为水泥28 d胶砂强度;[αa]、[αb]为回归系数，[αa]、[αb]可根据工程所使用的原材料，通过试验数据回归得到，或者使用其推荐值，当所用石子为碎石时，[αa=0.53]，[αb=0.2]，当所用石子为卵石时，[αa=0.49]，[αb=0.13]。《实用建筑材料试验手册》[6]定义[αa]为水泥强度转化系数，表示水泥的胶砂强度转化为混凝土强度的转化率;[αb]为虚拟水胶比，即混凝土强度等于0时的水胶比，这个水胶比是虚拟的，它与水泥的水化强度及骨料在混凝土中的骨架作用大小有关。

国内外研究一致表明，当水胶比保持不变时，随着再生骨料取代率的增加，再生混凝土的强度不断降低[7-9]。一些学者通过研究再生混凝土的强度与水胶比之间关系得到[10-14]，再生混凝土抗压强度与灰水比基本符合Bolomey式关系，但是由于再生骨料性质与天然骨料不同，人们需要通过试验确定Bolomey式中的系数。在此基础上，有研究通过试验回归得到[αa]、[αb]，发现[αa]、[αb]与再生骨料取代率存在一定的关系，得到了[αa]、[αb]与再生骨料取代率之间的关系式[10]，但是其只适用于《再生骨料应用技术规程》（JGJ/T 240—2011）中的二类再生骨料，二类再生骨料只能用于配制C40强度以下的混凝土。

目前，再生骨料配合比设计中的水胶比确定方法取得了一定进展，但是依然存在很多问题。首先，再生骨料品质的离散性较大，[αa]、[αb]两个试验回归系数确定较为困难，虽然目前已经有一些学者建立了[αa]、[αb]与再生骨料取代率之间的关系，但是其普适性还需要进一步地进行试验验证。其次，由于水胶比计算公式只考虑了再生粗骨料对混凝土强度的影响，再生细骨料的加入会进一步导致再生混凝土强度的降低，再生细骨料对强度的影响机理还不明确，再生骨料混凝土水胶比计算中是否需要引入再生细骨料的影响系数，需要进一步考虑。总之，目前还没有建立真正适合再生混凝土水胶比的计算方法，能够使配制的再生混凝土达到目标强度。关于再生混凝土的水胶比确定方法需要进一步深入研究。

2 单方用水量

混凝土的单方用水量为每立方米混凝土的用水量，虽然目前有很多高效减水剂，但是单方用水量依然是混凝土工作性能的重要决定因素。每增减1 kg水，同时增加或减少1 L胶凝材料浆体量，用水量还会影响胶凝材料浆体黏度的大小，而胶凝材料浆体量和用水量是混凝土拌合物工作性能最敏感的影响因素。普通混凝土配合比设计中，根据石子类型、石子最大粒径以及混凝土目标塌落度确定单方用水量。而再生混凝土骨料表面附着大量的水泥砂浆，其吸水率远高于天然骨料。使用普通混凝土单方用水量配制再生混凝土时，再生骨料会吸取大量的水分，导致拌合物的有效水分明显减少，其塌落度会明显低于天然混凝土拌合物的塌落度[15]。根据文献[16-17]中的试验数据，得到不同取代率下混凝土单方用水量与塌落度之间的关系图，如图1所示，混凝土的单方用水量随着坍落度的增加而增大，并且当坍落度一定时，混凝土的单方用水量随着再生骨料取代率的增加而增大。

为了解决这个问题，在对再生骨料进行配合比设计时，通常会考虑其高吸水率的特性。为了不降低塌落度，进行配合比设计时，除了采用普通混凝土配合比设计得到的用水量外，还可额外增加再生骨料达到吸水饱和状态时所需要的用水量，这种方法被称为附加用水量法[18-19]。图2为不同砂率下单方混凝土的附加用水量与塌落度之间的关系图，可见附加用水量随着砂率的减小而不断增大，当砂率一定时，单方附加用水量随着坍落度的增大而增大。

这部分额外附加用水量需要根据再生骨料的吸水率进行计算。对于拌制混凝土的用水量，分别按不考虑吸水的总用水量和扣除骨料吸水消耗的净用水量，计算与之相对应的总水灰比和净水灰比。这种用水量计算方法较为烦琐，在实际混凝土浇筑中，再生骨料吸水饱和需要一定的时间，这种方法无法精确控制拌合物的实际用水量，会间接影响再生骨料混凝土的水胶比和强度。

还有学者选择在浇筑混凝土前，先将再生骨料湿水，使其达到吸水饱和状态，这样再生骨料就不会消耗拌合物中的有效水分。研究表明，预吸水处理的再生骨料能够减小因其自身吸水率高的缺陷对再生骨料混凝土性能的影响，因此预吸水或对用水量进行调整的处理方法能使混凝土配合比设计更为合理。但实际浇筑中，人们很难精确控制再生骨料使其处于吸水饱和状态，这种方法可行性和可操作性都不高。

有研究[14]建立了再生混凝土的单方用水量计算公式，即

[Wg=C（0.1T+Kg）]                        （2）

式中，[Wg]为再生骨料混凝土单方需水量;[C]为影响系数，可通过试验数据回归分析得到;[T]为再生混凝土的目标塌落度;[Kg]为与再生骨料的类型、粒径取代率和吸水率有关的系数。

这种方法可以直接计算出再生混凝土的单方用水量，但其系数需要通过试验回归分析才能确定，计算方法的实用性及适用范围仍需要进一步研究。

3 砂率

砂率为砂子的质量占所有砂石骨料总质量的比例。砂子的作用是填充石子间的空隙，与水泥混合后形成水泥砂浆，水泥砂浆包裹在石子外面，可以减少石子间的摩擦，使混凝土具有一定的流动性。砂率的改变会改变石子间的空隙率和粗细骨料的总表面积，显著影响混凝土拌合物的和易性。砂率过大，随着砂率增加，粗细骨料的总表积增大，在水泥浆用量一定的条件下，骨料表面包裹的浆量变薄，润滑作用下降，使混凝土流动性降低;若砂率过小，则石子间的空隙率会增加，水泥砂浆总量也减少，如果不能保证石子之间有足够的砂浆层，就会降低拌合物的流动性，同时影响其黏聚性和保水性，易造成流浆和离析现象。在浆体量不变的条件下，合理的砂率可以使混凝土拌合物获得较高的流动性和良好的和易性，尤其是黏聚性和保水性。砂率对混凝土硬化后的密实度、力学性能和耐久性能也有重要影响。砂率是混凝土配合比设计中的重要参数。普通混凝土配合比设计中，砂率一般根据骨料的技术指标、混凝土拌合物的性能和施工要求，参考历史资料进行确定。若没有历史资料，则砂率根据水胶比、骨料类型和最大粒径查表得到。

再生混凝土砂率研究目前主要有以下几种成果。合理的砂率可以提高混凝土的密实度，改善再生混凝土的力学性能，但无法改善再生骨料表面附着的水泥砂浆强度，当混凝土受力时，薄弱区为新旧砂浆界面过渡区，造成再生混凝土力学强度下降。由于再生骨料表面包裹着旧的水泥砂浆，表观密度低、棱角多、空隙率较大，这些空隙需要由细骨料砂子来填充，为了保证再生混凝土的工作性能，其所需砂率一般大于普通混凝土的砂率。有研究建立了砂率的计算公式，再生混凝土砂率随着再生骨料取代率和空隙率的增大而增加，再生骨料取代率增加25%，砂率增大1.2%左右[14]。但是，在相同配合比条件下，C30强度等级的再生混凝土坍落度随着砂率的增加而逐渐减小，与普通混凝土相比，再生混凝土坍落度值要更小些;随着砂率的不断增加，C30再生粗骨料混凝土的抗压强度变化幅度较小，逐渐趋于平稳，对中低等强度等级的混凝土而言，砂率不同，对混凝土的抗压强度影响较小;与普通混凝土相比，再生粗骨料混凝土的抗压强度有少许下降。

再生骨料表面包裹一层旧的水泥砂浆，加上新拌混凝土所用的砂子，一般会导致再生混凝土实际砂率远高于普通混凝土，这也是再生混凝土变形远大于普通混凝土的重要原因，目前还没有针对再生混凝土砂率的良好计算方法。

4 配合比设计新方法

目前，人们已经研究出多种制备再生骨料混凝土的配合比设计程序，其中被认为最适用于再生骨料混凝土配合比设计的是ACI（美国认证协会）方法。针对不同强度等级的再生骨料混凝土，人们通过试验提出了一种改进骨料水泥比的方法。由于骨料水泥比提高，为了达到设计的强度，人们需要向再生骨料混凝土中额外添加8%～13%的水泥，水泥用量越多，表明混凝土强度等级越高。水泥用量的增加会提高成本，同时增大混凝土的变形。

在传统的再生骨料混凝土制备工艺中，砂浆体积由再生骨料自身附着的残余砂浆和新制备的砂浆构成。由于配合比设计时直接将再生骨料看作粗骨料从而忽略其附着的残余砂浆，因此按照传统方法制备出的再生骨料混凝土总水泥砂浆量远大于普通天然骨料混凝土的砂浆量，这导致制备的再生混凝土弹性模量低、收缩变形增加、抗冻融能力变差和渗透率提高。为了解决上述问题，人们提出一种再生混凝土配合比设计方法——等砂浆体积法，因为再生骨料是天然石子和水泥砂浆组成的复合材料，所以再生骨料中的残余砂浆也是用再生骨料制备的再生混凝土水泥砂浆的一部分，如果进行配合比设计时能够保证新拌的再生骨料混凝土中的水泥砂浆总量（即残余砂浆和新制备的水泥砂浆）与普通混凝土的水泥砂浆量相同，就可以保证再生骨料混凝土与普通混凝土具有相似的力学性能，这种配合比设计方法已经通过试验验证。但是，这种配合比设计方法计算烦琐，并且再生骨料的取代率一般都达不到100%。所以，目前国内外还没有真正适合再生混凝土的配合比设计方法。

5 结论

本文总结了国内外再生混凝土配合比设计方法的研究进展，对配合比设计中水胶比、单方用水量和砂率三个重要设计参数的计算方法进行梳理，主要得出以下结论。一是Bolomey式关系可用于再生混凝土水胶比计算，但是再生骨料品质的离散性较大，[αa]、[αb]两个系数需要通过试验回归确定，虽然目前已经有一些[αa]、[αb]与再生骨料取代率之间的计算模型，但是其普适性还需要进一步验证。二是目前再生混凝土单方用水量的确定方法仍不统一，虽然根据再生骨料吸水率增加的额外用水量可以解决再生骨料需水量过大的问题，但是计算和施工过程都比较烦琐，尤其是影響再生混凝土的水胶比，从而影响其强度。三是再生骨料表面包裹一层旧的水泥砂浆，一般会导致再生混凝土实际砂率远高于普通混凝土，砂率过大是引起再生混凝土变形和收缩量增大的主要原因，如何合理控制砂率是再生混凝土配合比设计的关键。

参考文献：

[1]肖建庄.再生混凝土[M].北京：中国建筑工业出版社，2008：56-57.

[2]DING T，XIAO J，TAM V W Y.A closed-loop life cycle assessment of recycled aggregate concrete utilization in China[J].Waste Management，2016（56）：367-375.

[3]KIGKU N，JOSHI H，ANSARI M，et al.A critical review and assessment for usage of recycled aggregate as sustainable construction material[J].Construction and Building Materials，2017（131）：721-740.

[4]SILVA R V，BRITO J D，DHIR R K.Prediction of the shrinkage behavior of recycled aggregate concrete：A review[J].Construction and Building Materials，2015（77）：327-339.

[5]住房和城乡建设部.普通混凝土配合比设计规程：JGJ 55—2011[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[6]张彩霞.实用建筑材料试验手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2011：42-43.

[7]SOMNA R，JATURAPITAKKUL C，CHALEE W，et al.Effect of the Water to Binder Ratio and Ground Fly Ash on Properties of Recycled Aggregate Concrete[J].Journal of Materials in Civil Engineering，2012，（1）：16-22.

[8]XIAO J，LI W，FAN Y，et al.An overview of study on recycled aggregate concrete in China （1996-2011）[J].Construction and Building Materials，2012（31）：364-383.

[9]KISKU N，RAJHANS P，PANDA S K，et al.Microstructural investigation of recycled aggregate concrete produced by adopting equal mortar volume method along with two stage mixing approach[J].Structures，2020（24）：742-753.

[10]邓寿昌，张学兵.再生混凝土强度计算Bolomey公式回归系数αa′、αb′的试验研究[J].混凝土，2012（8）：24-26.

[11]张永娟，何舜，张雄，等.再生混凝土Bolomey公式的修正[J].建筑材料学报，2012（4）：538-543.

[12]周栋梁，周伟玲，林玮.关于再生混凝土强度计算公式的试验研究[J].混凝土，2009（12）：8-10.

[13]孙跃东，肖祥，庞俭，等.再生骨料混凝土的配合比试验研究[J].山东科技大学学报（自然科学版），2009（1）：25-29.

[14]高丹盈，张丽娟，芦静云，等.再生骨料混凝土配合比设计参数研究[J].建筑科学与工程学报，2016（1）：8-14.

[15]MONTERO J，LASERNA S.Influence of effective mixing water in recycled concrete[J].Construction and Building Materials，2017（132）：343-352.

[16]芦静云.钢纤维再生混凝土配合比及基本力学性能[D].郑州：郑州大学，2014：26-27.

[17]李秋义.再生混凝土技术[M].北京：中国建材工业出版社，2010：77-78.

[18]盛黎.再生混凝土水量和原料配比研究[J].浙江樹人大学学报（自然科学版），2010（1）：31-34.

[19]张学兵，邓寿昌，黄继承，等.再生混凝土单位体积用水量的计算[J].中南林学院学报，2005（5）：105-107.