再生混凝土的配合比與抗壓強度關系實驗研究

徐恩祥 丁賢鋒

(江蘇省建設工程設計院有限公司，江蘇 南京 210019)

0 引言

資源與環境問題使得再生材料的研發與利用成為熱門領域，混凝土作為建筑領域的主要材料之一，用量大，拆除后產生的建筑垃圾也多。為了實現再生混凝土的利用，營造綠色低碳建筑，再生混凝土的研究大為必要。

再生混凝土(本文為再生粗骨料混凝土，下同)屬離散材料，且具有地域性特點，其性能指標遵循統計規律支配下的概率分布特征，本文根據強度試驗結果，本著工程適用的原則，提取再生混凝土的強度與配合比的關系，對再生混凝土的強度特征作系統的試驗驗證，以利其推廣。

1 實驗部分

1.1 實驗原材料

水泥采用32.5 MPa海螺牌普通硅酸鹽水泥；細骨料：天然河沙；天然粗骨料：5 mm～25 mm連續粒級的天然石子；再生粗骨料由廢棄柱經人工敲碎制得，原混凝土試塊立方體抗壓強度為35 MPa(設計值)，骨料粉碎后用31.5 mm的標準方孔篩過篩，人工選取5～31.5的連續級配。拌和混凝土用水為自來水。

1.2 配合比

本試驗測試再生粗骨料取代率為0%,25%,50%,75%和100%的情況下，水灰比分別為0.4,0.45,0.5,0.55,0.6時，各組混凝土的抗壓強度。按普通混凝土配合比設計方法設計水灰比，因再生粗骨料增加的用水量，按再生粗骨料的飽和面干狀態的吸水率(量)計算，作為添加水在攪拌時一并加入[1]。配合比設計的詳細情況見表1。單位用水量根據和易性試拌后確定，有三種不同取值。單位用水量在四種水平(165,175,185,195)下強度相差不大，可根據和易性要求選擇[2]。

1.3 試件制作及養護

試驗采用人工拌和，考慮到再生骨料粉碎、加工制作等問題，制作100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊，共75個，標準養護28 d后進行試驗。

1.4 量測方案

根據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》[3]，按每秒鐘5 kN的加載速度連續均勻加載。再生混凝土立方體抗壓強度按式(1)計算。

(1)

其中，F為試驗荷載；A為受荷面積。

2 實驗結果及分析

各組試件的28 d抗壓強度見表1，將試驗結果繪成如圖1，圖2所示柱狀圖。

表1 配合比設計及其試驗強度

圖1表明：再生粗骨料取代率相同情況下，再生混凝土的抗壓強度都隨水灰比的增加而下降；再生粗骨料取代率r為25%,50%和75%時，再生混凝土的抗壓強度隨水灰比幾乎線性變化，這與普通混凝土相同；當再生粗骨料取代率為100%時，強度與水灰比的變化關系卻表現為先下降又上升的趨勢，未見明顯規律。

圖2為同一水灰比情況下再生混凝土的抗壓強度隨再生粗骨料取代率的變化趨勢。由圖2可知，在水灰比為0.4,0.45和0.5時，再生混凝土的抗壓強度隨著再生粗骨料取代率的增加，以近似線性的規律減小，當水灰比增到0.55時，隨著再生粗骨料取代率的增加，再生混凝土的抗壓強度降幅變小，r=75%和r=100%的再生混凝土強度值相當。當水灰比達到0.6時，再生混凝土的抗壓強度隨著再生粗骨料的增加表現為先降后升的趨勢，但是降幅不大；當r=100%時，再生混凝土的強度超過了普通混凝土(天然骨料)，隨再生粗骨料取代率的增加，再生混凝土的抗壓強度總體卻表現出增長趨勢。

上述的變化趨勢表明：再生混凝土強度發展規律與普通混凝土有相似也有不同。

一方面，在不大于75%的情況下，再生混凝土的強度與水灰比關系與普通混凝土相似，本文所使用的基于自由水灰比的再生混凝土配合比設計方法能夠滿足工程需要；在水灰比不大于0.55的情況下，再生混凝土的配合比設計可以參照普通混凝土。

另一方面，當r=100%和水灰比為0.6時，表現出了與普通混凝土不一樣甚至是相反的變化趨勢。在高水灰比情況下，界面和水泥石強度較低，再生混凝土的強度取決于強度較低的界面以及水泥石結構，而且影響因素眾多。當水灰比為0.6時，再生混凝土的強度高于普通混凝土，這是由于再生粗骨料的“內養護”作用造成的，這在文獻[4]～[6]中均有論述。

3 再生混凝土抗壓強度與水灰比的數量關系

試驗表明當再生粗骨料取代率r為25%,50%和75%時，再生混凝土的抗壓強度與水灰比及灰水比的關系與普通混凝土相似，如圖3～圖5所示。這表明，r≤75%的情況下普通混凝土配合比設計公式同樣適用于再生混凝土，當r=100%則另需考慮。目前，我國一般采用即改進的Bolomy公式描述普通混凝土的28 d抗壓強度與水灰比之間的關系，即式(2)。根據式(2)，混凝土的28 d抗壓強度與灰水比成線性關系。

(2)

其中，fce為水泥的實測強度，本文試驗實測fce=34.1 MPa；αa,αb均為回歸系數。

在式(2)中，αa×fce的物理意義為當灰水比發生單位變化時，相應的混凝土28 d強度變化量。根據JGJ 55—2000普通混凝土配合比設計規程：回歸系數αa,αb應根據工程所使用的水泥、骨料，通過實驗由建立的水灰比與混凝土強度關系式確定。

本文對取代率為0%,25%,50%和75%的再生混凝土采用式(2)所示的模型來擬合再生混凝土28 d抗壓強度與灰水比的關系。對于取代率為100%的情況，采用式(3)所示的二次多項式擬合。擬合結果見圖4，擬合參數的回歸結果如表2所示。

(3)

其中，A,B,C均為回歸系數。

分析圖5還可以得到：各取代率的再生混凝土強度與灰水比都存在曲線變化的趨勢，用二次多項式(3)擬合，同樣有著較好的相關性，各參數的回歸結果見表2。

表2 回歸結果

系數取代率r=0r=25%r=50%r=75%r=100%αa0．670．610．560．500．39αb0．810．770．690．6210．77A0．117．758．3917．1820．5B22．70-11．32-15．95-54．5-72．2C-18．317．0022．6562．5783．2R(相關系數)0．99/0．980．97/0．970．98/0．990．96/0．990．87/0．93

表2表明，使用同種水泥情況下，再生混凝土的αa值較普通混凝土的小，而且隨著r的增大αa值逐漸減小，即在水灰比發生單位變動時，再生混凝土的抗壓強度變化量小于普通混凝土，再生粗骨料用得越多，這種趨勢越明顯。再生混凝土對水灰比的敏感程度不及普通混凝土，這可能是再生粗骨料的強度性能不及天然粗骨料造成的。從表2所示的αa的數值看，其隨r的增加呈線性減小的變化趨勢。A的值則反映了曲線的彎曲程度，A越大，曲線彎曲程度越大。如表2所示，r從0增大到100%，A值從0.11增加到20.5，表明隨再生粗骨料增加，再生混凝土的強度—灰水比曲線的彎曲程度增大，推測其原因，是表面包裹的水泥砂漿及高孔隙率造成的再生粗骨料的剛度不足。

對于r≤75%的再生混凝土，考慮工程適用性，再生混凝土配合比設計可按式(2)計算，若無試驗統計資料，αa,αb可根據表2線性插值。當取代率r>75%時，再生混凝土的28 d抗壓強度應按式(3)計算。從回歸結果看，式(3)對r≥25%的再生混凝土都表現出了較好的相關性，具有很好的應用前景。但目前缺乏相應統計資料，所以需謹慎使用。

4 再生混凝土28 d抗壓強度與再生粗骨料取代率的數量關系

各種水灰比情況下再生混凝土28 d抗壓強度與再生粗骨料取代率的關系如圖6所示，經觀察和分析，強度與取代率間呈現出小曲率(二次)曲線的變化趨勢，故用二次多項式式(5)對試驗結果進行擬合。考慮到工程計算宜簡不宜繁，再生混凝土強度—取代率曲線平緩，本文同時用直線公式(4)擬合了該關系。相關參數回歸結果見表3。

Y=a+b×r

(4)

式中：r——再生粗骨料取代率，其值為再生粗骨料與粗骨料總量的比值；

a,b——回歸參數，a為同條件普通混凝土的28 d抗壓強度值；b為再生混凝土的強度減小趨勢。

Y=A+B1×r+B2×r2

(5)

式中：r——再生粗骨料取代率；

A,B1,B2——回歸參數，A為同條件下普通混凝土的強度，B1,B2均反映了曲線的平滑程度。

表3 回歸結果

表3表明，除了在水灰比為0.6時，用式(4)擬合所得結果相關系數很小外，其他情況下的兩種公式擬合都能得到很好的相關性。從表3可見，回歸參數b值隨著水灰比的增大而減小，這就表示：再生粗骨料取代率對低水灰比(強度高)的再生混凝土的強度的影響程度較大，這是由再生粗骨料自身強度不足造成的。B1,B2反映了擬合所得曲線的平滑程度，是再生混凝土強度離散性的綜合反映。

式(4)和式(5)給出了基于自由水灰比理論[1]針對取代率的再生混凝土配合比的設計方法，其中，a,A的值由普通混凝土配合比設計公式計算得出；在不具備試驗統計資料時，其他參數可根據表3插值選取。建議再生混凝土配合比設計時：水灰比不超過0.55情況下采用式(4)所示各參數都有明確意義的直線公式；當水灰比超過0.55時，宜選用式(5)。設計時，二者可互為驗證。

5 結語

1)影響再生混凝土強度的因素多，作用機理復雜。高水灰比時，再生粗骨料具有“內養護”效用，對再生混凝土的強度增長有利。

2)再生混凝土的28 d強度與灰水比的關系：當取代率為25%,50%和75%時近似直線的關系，當取代率為100%時近似遵循二次曲線關系。

再生混凝土的28 d強度與取代率之間呈現出小曲率(二次)曲線的變化趨勢，在水灰比不大于0.55的情況下，用式(4)和式(5)擬合都能得到很好的相關性。

3)經計算分析，提出了用式(4)和式(5)進行再生混凝土配合比設計的方法。

[1] 史 巍,侯景鵬.再生骨料混凝土技術及其配合比設計方法[J]．建筑技術開發，2001,28(8):18-20.

[2] 蔣業浩.再生混凝土抗壓強度及配合比設計研究[D]．南京：南京航空航天大學，2006.

[3] GB/T 50081—2002,普通混凝土力學性能試驗方法標準[S].

[4] Mandal,S.,Gupta.A Strength and durability of recycled aggregate concrete[A].IABSE Melbourne,Australia[C].2002.

[5] 高美蓉，秦鴻根，龐超明.高性能混凝土內養護技術的研究現狀[J].混凝土與水泥制品，2009,6(3)：9-12.

[6] Dale P.Bentz,Pietro Lura,John W.Roberts.Mixture Proportioning for Internal Curing[J].Concret International,2005(2):35-40.