混合砂再生粗骨料混凝土試驗研究

周志福

（上海建工南航預拌混凝土有限公司， 上海 201311）

自“十二五”以來，建設資源節約型，環境友好型社會已成為我國經濟轉型的重要著力點。作為混凝土的細骨料天然中砂經長期開采以日漸枯竭，細砂與機制砂的大量使用必將成為趨勢。同樣，粗骨料主要依靠傳統粗獷的開采方式，嚴重破壞生態平衡，且開礦產生大量粉塵嚴重影響當地居民的生活；另一方面，城市產生的大量建筑垃圾的處理已成為城市管理的難題，傳統上作為道渣填埋遠解決不了如此體量龐大的建筑垃圾。將其成再生骨料，既解決城市建筑垃圾問題，又減少對礦山的開采，留住青山綠水利國利民。

1 原材料

水泥采用德清南方PO42.5水泥，標準稠度26%，28天抗壓強度50.2mpa；粉煤灰采用C類Ⅱ級灰，細度28%，需水量比101%；礦粉采用S95級礦粉，28d活性指數99%；外加劑采用聚羧酸高效減水劑，摻量1.1%。

細骨料采用特細砂和機制砂按比例混合，粗骨料采用再生骨料不同比例取代。

表1 細骨料級配情況

特細砂平均粒徑不大于0.315mm，大于1.25mm的顆粒較少，機制砂和特細砂混合，可以調整顆粒分布，補充0.315mm以下的顆粒，使顆粒級配更加合理。機制砂MB值0.9，石粉含量6.5%。

表2 混合砂的細度模數

表3 粗骨料性能指標

2 試驗方法

細砂0.63mm以上的顆粒很少，大部分顆粒分布在0.30mm以下，孔隙率高，需水量高，如單獨采用特細砂配制混凝土，必須采用低水膠比，低砂率。過高的水膠比和砂率會導致細砂上浮或下沉，形成表面和下部砂漿集中，混凝土均勻性差的局面，易產生裂縫，對構件力學性能耐久性均不利。但低水膠比低砂率配出的混凝土流動性差，無法泵送。機制砂是由機械破碎，經篩分制成的人工砂。一般石粉含量較高，級配中大于2.36mm小于0.15mm顆粒較多，顆粒多呈狹長狀或三角狀，粗糙度長徑都比較大，顆粒圓度低，影響混凝土流動性；石粉含量高，需水量大，混凝土粘稠，不利泵送。再生碎石由廢棄的混凝土破碎后分選制成，再生石原料來源復雜，吸水率高，缺陷多等特質決定其品質不穩定性。

本文將細砂、機制砂和再生碎石三種較為特殊的原材料組合在一起配制混凝土，并研究不同因素對混凝土性能的影響。試驗水膠比采用常用的0.5，膠凝材料總量350kg，摻合料40%。外加劑的摻量為1.1%。

由于再生骨料的加入，試驗用水量分為兩部分：一部分是附加水，另一部分是拌合水。附加水可通過下式計算決定[1]

ΔW=mRCA×(S’RCA-S’OCA)

式中 ΔW——再生骨料附加水量，kg

mRCA——再生骨料質量，kg

S’RCA——再生骨料的相對吸水率，kg

S’OCA——天然骨料的相對吸水率，kg

試驗采用正交試驗的方法，選取機制砂與細砂比例、砂率以及再生骨料的取代率以及摻合料的比例作為因素，每個因素取四個水平。考察每種因素對混凝土工作性能以及力學的影響。

表4 因素水平表

采用L16(45)正交表安排試驗

表5 試驗方案

表6 正交試驗配合比

4 396 396 605 404 98：42 26 5 411 274 335 783 84：56 13 6 432 288 162 919 98：42 6 7 454 303 627 418 56：84 25 8 476 317 454 555 70：70 18 9 497 205 503 614 98：42 20 10 505 216 649 433 84：56 26 11 530 227 157 888 70：70 6 12 555 238 303 706 56：84 12 13 548 137 670 447 70：70 27 14 577 144 486 595 56：84 20 15 605 151 314 732 98：42 12 16 634 159 151 858 84：56 6

3 試驗數據與分析

表7 正交試驗數據

表8 坍落度和容重極差分析

影響坍落度的因素順序為 ACDB,即機制砂和細砂的比例對坍落度的最大，其次是再生石，砂率外摻料的比例對坍落度的影響略小。機制砂細度模數較大，一般大于3.0，顆粒尖銳表面粗糙，長徑比較大石粉含量高，級配不合理，中間少，兩頭多，對混凝土的和易性影響較大。細砂的摻入，使粗骨料與機制砂之間的空隙得到填充，機制砂中石粉顆粒細度與水泥差不多，在混凝土體系中起到微集料的作用，因此細砂和石粉使體系在不同的粒徑區間得到補充，體系的孔隙率降低，自由水量增加，混凝土的流動性的到改善。但石粉本身具有吸水性，因此，石粉摻量存在一個臨界值，低于臨界值，可以改善流動性，高于臨界值，需水量增大，拌合物粘度增加，屈服剪切應力增大，混凝土流動性變差。從表8中可以看出機制砂與細砂的比例由5：5增加到8：2，混合砂的細度模數由2.16增加到2.81，混凝土的坍落度先增大后減小，粘聚性的變化規律基本相同。當機制砂與細砂的比例為6：4，細度模數2.41時，混凝土的和易性最佳。

影響容重的因素順序為 CABD,再生石的摻入比例對容重影響最大，其次是機制砂的摻入比例，砂率和外摻料的影響略小。再生石比天然碎石比表觀密度小，因此隨著再生石的增加，混凝土的容重降低。機制砂與細砂的孔隙率都較大，其它材料不變，混凝土的容重與混合砂緊密密度正相關。

表9 泌水極差分析

影響泌水的因素順序為 ABCD,機制砂對泌水的影響最大，其次是砂率，再生骨料和摻合料的影響較低。隨著機制砂的摻入比例由5：5增加到8：2，泌水率先降低后升高。一方面細砂石粉和粉煤灰礦粉的加入，微集料效應改善體系的顆粒分布，同時也使泌水通道變長，對降低泌水率有利。另一方面，細砂比表面積大需水量高，機制砂中的石粉也有吸水的特性，細砂石粉的加入增大了混凝土的需水量，體系的自由水量減少。當機制砂與細砂的比例為7：3時，體系的顆粒級配效應與細砂石粉的需水疊加，泌水率最低。再生石的高吸水率對混凝土的保水性有利，隨著再生石的增加泌水率呈降低趨勢。

表10 強度極差分析

影響7d強度因素的順序ACDB，影響28d強度因素的順序ACBD。機制砂的摻量對強度影響最大，其次是再生石。砂率和摻合料的影響略小。

隨著機制砂與細砂的比例有5：5增加到8：2，7d和28d強度均呈

表1 機制砂對強度的影響

先增大后減小的趨勢。當機制砂摻量60%細度模數為2.41時，混合砂為中砂符合Ⅱ區，骨料實現最大密度堆積，強度最佳。機制砂質地堅硬，破碎表面新鮮，具有較高的表面能，且表面粗糙，形狀不規則，限制了水泥石的變形，改善水泥石和機制砂的界面性能。減少界面的孔隙，降低界面應力集中。適量的石粉不僅可以改善混凝土的和易性，而且改善混凝土的微結構。有研究表明，細石灰石粉在早期為水化硅酸鈣凝膠提供有利成核和生長的表面，加速水泥水化[2]。

表2 再生骨料對強度的影響

再生骨料的取代率從15%增加到45%，平均強度為別為36.2mpa、34.6mpa和35.3mpa，變化不大，再生骨料取代率30%時最高強度達39.2mpa，與純天然骨料和天然中砂配制的混凝土相差無幾。再生骨料中存在著未水化的膠凝材料，拌制成混凝土時再次水化，再生骨料的再次水化效應與吸水性相應疊加造成混凝土實際水膠比降低。其次，再生石的高吸水率，在拌制過程中吸入大量的自由水，當水泥水化時，新砂漿內自由水不斷被消耗，于是再生石與新水泥砂漿界面產生濕度梯度，由于毛細管的壓力差，再生石內的自由水向新的水泥石內遷移，使界面過渡區水化更充分，提高界面強度，產生“內養護效應”。取代率由45%增至60%時，強度明顯下降。從破壞形態上來區分，混凝土的破壞有三種：水泥砂漿破壞，骨料破壞，水泥砂漿和骨料界面破壞。混凝土的強度由三者中最弱的部位決定，再生骨料情況較復雜，僅界面就存在三種不同形式：一、原始骨料與原始砂漿之間的界面；二、原始砂漿與新砂漿之間的界面；三、原始骨料與新砂漿之間的界面。由這些界面構成的混凝土過渡區對混凝土的力學性能產生較大的影響。其次再生石在加工過程中附著的砂漿層容易產生微裂縫，這種原始的損傷也將成為混凝土結構最薄弱的環節之一。當再生骨料的摻量上升至 60%后，界面缺陷以及加工產生的裂縫產生的負面影響占主導，因此強度下降明顯。

4 結論

通過試驗研究本文得出如下結論：

（1）混凝土坍落度影響因素依次為：混合砂＞再生骨料＞砂率＞摻合料。混合砂混凝土砂率不宜過高，本文機制砂與細砂比例為6：4，砂率40%時，混凝土的工作性能與力學性能與天然砂混凝土無異。

（2）混凝土泌水影響因素依次為：混合砂＞砂率＞再生骨料＞摻合料，適量的石粉加入可以改善混凝土的泌水。

（3）水膠比為0.5時，混凝土強度影響因素依次為：混合砂＞再生骨料＞砂率＞摻合料。再生石取代率不大于45%時，對混凝土和易性和強度影響不大。