再生粗骨料混凝土配合比設計方法探究

祝文凱，楊善順，徐仁崇，戴鵬，王偉

（1. 廈門市建筑科學研究院集團股份有限公司，福建 廈門 361004；2. 廈門天潤錦龍建材有限公司，福建 廈門 361027）

再生粗骨料混凝土配合比設計方法探究

祝文凱1,2，楊善順1,2，徐仁崇1,2，戴鵬1,2，王偉1,2

（1. 廈門市建筑科學研究院集團股份有限公司，福建 廈門 361004；2. 廈門天潤錦龍建材有限公司，福建 廈門 361027）

本文通過分析等質量/體積替換、有效水膠比法（EW/C 法）以及等效砂漿體積法（EMC 法）三種再生粗骨料混凝土配合比設計方法，指出有效水膠比及漿體含量是再生骨料混凝土配合比設計的關鍵，在此基礎上提出了改進等效砂漿體積法（PEMC 法），并分析了普通骨料保留率（β值）及富余砂漿系數（γ值）對配合比的影響。結果表明：在不同再生骨料取代率下，通過控制γ值能不同程度緩和 EMC 法設計時水膠比偏低及有效漿體體積偏少的問題，即 PEMC 法更適合用于大摻量再生骨料混凝土的配合比設計。

再生骨料混凝土；配合比；含漿量；有效水膠比；富余砂漿系數

0 引言

建筑物在拆除過程中會產生大量的廢棄混凝土，經分揀、破碎、分級等工序后可制備再生粗骨料（下文簡稱RCA），并可用于取代天然骨料制備再生混凝土[1]，既能解決廢棄建筑垃圾處置所帶來的環境負荷，又能變廢為寶，帶來巨大的經濟效益，是建筑垃圾處置的最優途徑。為規范再生粗骨料的使用，國標 GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》對再生粗骨料的品質加以限制，主要是依據壓碎值、表觀密度、吸水率等性能參數對再生粗骨料進行分類，但并未指明 RCA 性能與天然骨料（下文簡稱 NCA）之間差異的原因之所在，也未對 RCA 混凝土的利用，即配合比設計提供指導，使得再生骨料混凝土生產時多沿用普通骨料的配合比設計方法，完全忽略了 RCA 與普通骨料之間的差異。本文旨在分析 RCA 配合比方法之間的差異，并提出新的設計方法，為再生混凝土的應用提供指導。

1 常用的再生粗骨料配合比設計方法

1.1 等質量/體積替換法

多數學者采用等質量或者等體積替換天然骨料（NCA）的方法，來研究取代率對再生粗骨料混凝土性能的影響。圖1對比分析了數十篇文獻中所使用的 RCA 及 NCA 的密度與吸水率的關系，與 NCA 相比，RCA 具有表觀密度低、吸水率較大的特征，這是 RCA 具有一定的殘余漿體含量（MC）所致，這也使得 RCA 的壓碎值通常大于 NCA[2,3]。RCA 吸水率大，會導致混凝土的有效水膠比降低[4]，混凝土拌合物表現出較差的流動性、粘聚性、保水性，并且坍損大，難以用作商品混凝土。而膠材用量相同時，再生骨料混凝土有效水膠比低，使得強度往往高于設計強度等級，在經濟上并不合理。混凝土的強度主要由漿體和界面過渡區共同決定，等質量或等體積替換 NCA 時，會造成漿體體積增大，不利于混凝土強度的發展，該設計方法完全忽視了 RCA 的特征，是不合理的。

圖1 骨料吸水率與表觀密度的關系

圖2 混凝土組成示意圖

1.3 等效砂漿體積法（EMC 法）

RCA 是由原狀碎石和殘余砂漿兩部分組成，為解決 RCA混凝土漿體比例偏高的問題，G. Fathifazl[7]提出了等效砂漿體積的再生混凝土配合比設計方法（簡稱 EMC 法），其基本設計思路是兩個等效：（1）再生混凝土中砂漿的總體積與天然碎石混凝土相等；（2）再生骨料混凝土中碎石的總體積（如圖2 所示，RCA 中碎石部分體積＋天然碎石體積）與天然骨料混凝土相等，即將 RCA 的殘余砂漿等效于新拌砂漿。通過控制混凝土的實際漿集比來優化再生骨料混凝土的性能。

EMC 法再生骨料混凝配合比計算公式：

EMC 法基本設計思路如下：（1）設計天然骨料混凝土配合比，分別為單方混凝土中膠凝材料、水和粗、細骨料用量；分別為單方混凝土中粗骨料及砂漿體積；（2）依據等效思路計算再生骨料混凝土中碎石和總砂漿體積，如式 1-1 和 1-2 所示。其中，分別為 RCA 所含碎石體積，以及天然碎石體積；分別為再生骨料混凝土中新拌砂漿和 RCA殘余砂漿的體積；（3）計算 RCA 所含碎石的體積，如式 1-3 和 1-4 所示。其中，RMC 為 RCA 含漿量，%；ρRCA， ρCA1分別為 RCA 和 RCA 所含碎石的表觀密度；（4）計算RCA 體積如式 1-5 和 1-6 所示。其中，β 為骨料保留率即 RAC 中碎石與 NAC 中的比值，%； VRCA為單方 RAC 中 RCA 的體積；（5）計算新拌砂漿含量VNMR，如式 1-7 和 1-8 所示；（6）計算單方 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 的表觀密度、含漿量以及 RCA所含碎石的表觀密度。通常，可將 RCA 碎石的表觀密度近似等同于天然碎石密度 ρRCA≈ρNA；但是 RCA 的含漿量測試卻比較復雜，且目前沒有相關標準指出可行的測試方法[8]，可通過加熱（＋機械作用）、酸蝕、凍融、硫酸鹽侵蝕等方法破壞殘余漿體的方式測量。

2 改進等效漿體體積的配合比設計方法（PEMC）

有效水膠比法（EW/C 法）和等效砂漿體積法（EMC法）均是考慮 RCA 的特征后的設計方法，但前者并未考慮RCA 的含漿量，并忽略了 NCA 同樣具備吸水特征；而后者并未考慮 RCA 的吸水特征，并且將 RCA 殘余砂漿全部等同于新拌砂漿，會造成混凝土工作性能的降低，尤其是高含漿量的 RCA。考慮到二者各自的優缺點，在此提出了新的配合比設計方法：改進等效砂漿體積法（PEMC 法）。其基本設計思路沿用等效砂漿法，但與 EMC 法不同之處在于：（1）引入 EW/C 法的設計思路；（2）近似等效砂漿設計。

PEMC 法再生骨料混凝土配合比計算公式：

3 不同再生骨料配合比設計方法的對比分析

選用 RCA 配制 C30 強度等級混凝土，粗骨料的性能如下：5～20mm 連續級配天然碎石，表觀密度 2700kg/m3，吸水率 0.6%，壓碎值 27%；5～20mm 連續級配再生粗骨料，表觀密度 2450kg/m3，吸水率 4.6%，壓碎值 27%，含漿量 29%。表1 為 40% 取代率下各方法計算出的再生骨料混凝土配合比，其中，PEMC 法富余砂漿系數γ取值 0.035（0.5γmax），通過對比計算結果可知，PEMC 法具備普通RCA、EW/C 法及 EMC 法各自的優點，即減小混凝土的 W/C但不改變有效 W/C；同時減小了 VM和 VNM，但又小于 EMC法的程度，有利于緩和漿體含量及W/C變動對再生骨料混凝土性能的影響。

圖3 為表1 所示 5 組混凝土的組成分析，等質量/體積取代與 EW/C 法設計的再生骨料混凝土漿集比一致，說明二者方法沒有實質性差別。PEMC 法設計的混凝土漿集比處于EW/C 法和 EMC 法之間，且與 EMC 法相比，NCA 所占體積未變，而新拌砂漿體積有所增加，說明γ值是通過削減 RCA體積來實現，即在 EMC 法基礎之上定量削減 RCA 的體積，而且 RCA 替換率越大，弱化效果越明顯。故 PEMC 法更適合用于大摻量或者高含漿量再生骨料混凝土的配合比設計。

表1 C30 再生混凝土配合比設計對比分析

圖4 為 PEMC 法中最大γ值與骨料保留率β的關系，隨著骨料保留率的增大，γ呈線性遞減的趨勢，即隨著 RCA 取代率的增大，RCA 所含漿體對混凝土漿集體系的影響越來越大，富余砂漿系數的可變動區間也越來越大。

圖5 為γ取值對混凝土漿體總含量及新拌漿體含量變化的影響，當 RCA 取代率較低時，γ取值對二者的影響較小，而當 RCA 取代率較大時，漿體有效漿體含量急劇減小，通過適當增大γ取值，能顯著增加有效漿體含量而又不會對漿體總含量造成較大影響。這也同樣說明，在 RCA 取代率較大的情況下，PEMC 法較 EMC 法更適用。

圖3 不同設計方法下混凝土組成分析

圖4 骨料保留率β與最大砂漿富余系數γ的關系

4 結論

（1）結合再生骨料的特征，分析了等質量/體積替換、有效水膠比法（EW/C 法）以及等效砂漿體積法（EMC 法）的設計思路、計算方法及缺陷。

（2）提出了改進等效漿體體積的配合比設計方法（PEMC），引入富余砂漿系數γ對 EMC 法的等效漿體進行修正，以彌補有效漿體不足所造成的缺陷；引入 EW/C 法對再生骨料吸水特性對用水量進行修正。

（3）分析 PEMC 法設計的再生骨料混凝土的組成：混凝土漿體總含量及新拌漿體含量介于等質量/體積取代和 EMC法之間，且隨著富余砂漿系數γ增大而增大；再生骨料取代率越大，γ取值范圍越大，使得 PEMC 法更適合大摻量再生粗骨料混凝土的配合比設計。

圖5 混凝土漿體體積與富余砂漿系數的關系

[1] 鄭強．廢棄混凝土再生利用的研究進展[J]．商品混凝土，2009(6)．

[2] 周棟梁，周偉玲，林瑋．再生骨料混凝土基本性能分析與研究[J]．商品混凝土，2009(10)．

[3] 李雯霞，張雄，劉昕．再生混凝土中再生骨料取代率、漿含量、表觀密度和吸水率的關系探討[J]．混凝土，2009(10): 60-63．

[4] 劉鵬宇．等量砂漿法配制再生混凝土的力學性能和收縮及抗凍性能研究[D]．哈爾濱工業大學，2013．

[5] 賈宗明．再生混凝土基于含漿量配合比設計及其力學性能試驗研究[D]．內蒙古工業大學，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] 張雄，劉昕．再生粗骨料砂漿含量測定方法及分級研究[C]. 中國科協年會，2009:219-222．

（361026）

祝文凱（1991—），男，碩士，助理工程師。［通訊地址］廈門市海滄區東孚鎮鳳山村鳳美四路 39 號