水灰比和砂率對再生骨料混凝土抗壓強度的影響

何啟東，陳守開,2，邱子軒

(1. 華北水利水電大學水利學院，鄭州 450046；2. 河南省水環境治理與生態修復院士工作站，鄭州 450002)

目前，我國建筑垃圾數量已占到城市垃圾總量的30%～40%[1]，《中國建筑垃圾資源化產業發展報告(2014年度)》表明，我國每年產生的建筑垃圾約為16～24 億t。建筑垃圾經破碎、清洗、分級之后，成為再生骨料(Recycled aggregate, RA)，用于部分或100%替代天然骨料制備再生骨料混凝土(RAC)[2]。RAC由于RA具有孔隙率高、密度小、吸水率高、強度較低等特點[3]，使得利用RA制備的RAC與天然骨料混凝土(NAC)相比，RAC的抗壓強度低于NAC的抗壓強度，因而建筑垃圾再利用化效率低。

抗壓強度是混凝土的一項重要性能指標，為探究水灰比和砂率對RAC不同齡期抗壓強度的影響，初步設計9組配合比，測其3、7、28 d抗壓強度。同時選定灰色關聯分析法研究水灰比、砂率、水泥含量對再生骨料混凝土28 d抗壓強度的影響。

1 試驗設計

1.1 原材料

水泥：天瑞集團水泥有限公司生產的P.O 42.5水泥；粗骨料：許昌金科資源再生股份有限公司制造的再生粗骨料，采用二級配混合骨料(粗：中粗=3:2)，基本物理性能指標見表1，滿足《再生骨料應用技術規程》(JGJT 240-2011)；細骨料：天然砂，連續級配，細度模數Mx=2.56，屬于中砂；水：許昌市自來水。

表1 再生骨料基本性能指標Tab.1 Basic performance index of RA

1.2 試驗配合比

依據《普通混凝土設計規程》(JGJ55-2011)，設計配合比，考慮再生粗骨料15 min吸水率的影響，加入附加水[2]，以確保實際水灰比變動不大，以100 %再生粗骨料替代天然骨料，設計9組配合比，水泥含量(16.6～17.5)%。為減少影響因素，試驗中不添加任何外加劑，表2為再生混凝土試驗配合比。

表2 再生骨料混凝土配合比Tab.2 Mix proportion of RAC

1.3 試驗方法

1.3.1 制備與養護

試件制備參見《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081-2002)，試驗采用人工拌制，拌制前噴灑附加水以預濕再生粗骨料，骨料吸收儲存水分為水泥水熱化反應提供保障，當在環境比較干燥的時候拌制，又能釋放內部水分，保證混凝土濕度，類似“內養護”現象[4]。試件尺寸150 mm×150 mm×150 mm，每組9個試塊。試件成型后，拆模放至標準養護室內養護。

1.3.2 強度試驗

混凝土立方體試件抗壓強度試驗參照《普通混凝土力學性能測試方法標準》(GB/T 50081-2002)，分別測其3、7、28 d齡期的抗壓強度。

2 試驗結果與分析

探究水灰比與砂率對不同齡期抗壓強度的影響，本次試驗結果見表3。

表3 再生骨料混凝土試驗結果Tab.3 Test results of RAC

2.1 水灰比影響

圖1為不同配合比與不同齡期抗壓強度fcu曲線。再生骨料混凝土3 d抗壓強度能達到28 d抗壓強度的43.1%～60.3%，7 d抗壓強度能達到28 d抗壓強度的71.8%～89.2%。水灰比是影響混凝土抗壓強度的主要因素之一，對于普通混凝土而言，抗壓強度與水灰比成反比關系，但在再生骨料混凝土中則規律不明顯。在砂率為33%、35%時，RAC抗壓強度先是隨著水灰比的增加而增加，抗壓強度均在水灰比為0.55時達到最大值，隨著水灰比增加抗壓強度反而下降，與鄧旭華[5]的研究結果一致；而在砂率為37%的情況下，抗壓強度隨水灰比的增大而降低，為探究出現這種情形的原因，下面討論砂率對再生骨料混凝土抗壓強度的影響。

圖1 再生骨料混凝土抗壓強度fcu與水灰比-砂率關系曲線Fig.1 Relationship curves between compressive strength fcu and w/c ratio-sand ratio of RAC

2.2 砂率影響

據圖1、圖2可知，對于RAC0.50，其28 d抗壓強度隨著砂率的增大而增大，在砂率為37%達到最大值25.33 MPa；對于RAC0.55，其28 d抗壓強度隨著砂率的增大而減小，在砂率為33%達到最大值27.20 MPa；對于RAC0.60，砂率變化對其28 d抗壓強度的影響規律不明顯。對于3 d齡期抗壓強度，RAC0.50抗壓強度沒有隨著砂率的增加而增加，RAC0.55抗壓強度則隨著砂率的增加而降低，RAC0.60抗壓強度隨著砂率的增加而增加；對于7 d齡期抗壓強度，除了RAC0.60達到最大值(19.12 MPa，砂率35%)，其他配合比的強度增減規律不明顯。

圖2 砂率對再生骨料混凝土28 d抗壓強度的影響Fig.2 Effect of sand ratio on 28 d compressive strength of RAC

除了RAC0.55的3、7 d齡期抗壓強度隨著砂率的增加而降低，規律一致，其余配合比的強度規律均不明顯，出現這種現象可能是由于再生細骨料的高吸水率，降低了實際水灰比，以及“內養護”現象短時間內沒有充分發揮效應。

2.3 骨料類型影響

為增加試驗結果的說服力，設計3組天然骨料的對比試驗，天然粗骨料、天然砂均滿足規范《水工混凝土砂石骨料試驗規程》(DL/T 5151-2014)要求，配合比見表4，其不同齡期的抗壓強度見表5。

表4 天然骨料混凝土配合比Tab.4 Mix proportion of NAC

表5 天然骨料混凝土試驗結果Tab.5 Test result of NAC

從表5試驗結果可以看出，天然混凝土28 d抗壓強度隨著水灰比的增加而降低。對于砂率33%的再生混凝土，28 d抗壓強度相比天然混凝土28 d抗壓強度，RAC0.50-1降低32.17%，RAC0.55-1降低3.65%，RAC0.60-1降低1.78%。天然骨料混凝土3 d抗壓強度能達到28 d抗壓強度的34.4%～46.6%，7 d抗壓強度能達到28 d抗壓強度的72.9%～79.1%。天然骨料混凝土早期抗壓強度增長率比同配比再生骨料混凝土強度增長率低20.2%～22.7%，這是因為再生骨料表面附著一層砂漿，新舊水泥砂漿兩者之間的彈性模量差異較小而更易結合[6]；另外再生骨料由于破碎的原因導致骨料表面存在諸多孔隙，表面粗糙，水化產物與骨料結合更緊密，因此再生骨料混凝土早期抗壓強度增長更快，骨料類型影響混凝土早期抗壓強度增長率。

在適宜的水灰比條件下，與天然骨料混凝土28 d抗壓強度相比，再生骨料混凝土28 d抗壓強度低，這是由于再生骨料混凝土復雜的過渡界面決定的[7,8]，復雜的界面結構使得RAC試塊更易受到破壞；在水灰比較高的情況下，NAC 28 d抗壓強度與RAC 28 d抗壓強度相差不大，這與崔正龍等人[9]的發現相同。

對比RAC與NAC 兩者的28 d抗壓強度，RAC0.55-1為RAC組最大，值27.20 MPa；NAC0.50(33%)為NAC組最大，值33.51 MPa，兩者相差23.2%；RAC0.55-1與NAC0.55(33%)相比，兩者28 d抗壓強度相差1.03 MPa，因此，以100%再生粗骨料替代天然粗骨料，制備混凝土，抗壓強度會降低。

2.4 灰色關聯分析法

灰色關聯分析(GRA)，其基本思想是比較參考數列與比較數列的幾何形狀相似程度來判斷其是否關聯，反映了曲線間的關聯程度[10]。運用GRA能夠分析各因素對于結果的影響程度，依照相關性大小得出結論[11]。關聯度愈大，則其影響程度愈高。

T=

對T進行初值化得矩陣S，目的是便于分析，保證指標的同序性與等效性[12]。計算矩陣S里參考數列與比較數列的絕對差值，構成差異矩陣Δb，利用式(1)對Δb求得關聯系數矩陣ξ，最終結果見表6。

(1)

式中：ρ∈[0,1]為分辨系數，其作用是削弱因絕對差值過大而失真的影響[12]，一般取ρ=0.5。

Δb=

ξ=

表6 各因素與28 d抗壓強度的灰色關聯度Tab.6 Grey correlation degree between various factors and 28 d compressive strength

因素水灰比砂率水泥含量灰色關聯度0．57110．75450．7255

結果表明，砂率對再生骨料混凝土28 d抗壓強度的影響最大，其次是水泥含量，最后是水灰比。

3 結 語

本文研究了再生骨料混凝土不同齡期的抗壓強度，重點分析了水灰比、砂率對再生骨料混凝土的作用，并與天然骨料混凝土進行對比。基于以上數據，得出結論如下。

(1)在砂率為33%、35%時，隨著水灰比的增大，RAC抗壓強度不斷增加，在水灰比0.55到達最大值，水灰比繼續增加，RAC抗壓強度下降；在砂率為37%的情況下，抗壓強度隨水灰比的增大而降低。

(2)骨料類型影響了混凝土早期抗壓強度增長率，以再生粗骨料100%替代天然粗骨料，制備混凝土會降低抗壓強度。

(3)經灰色關聯分析法分析比較得出，對RAC 28 d抗壓強度影響最大的是砂率，其次是水泥含量，最后是水灰比。

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