輕骨料混凝土的研究與應用*

張毓慶，郝凱航，黃開運，李志鑫，王宗萍，黃 瑤

（桂林理工大學博文管理學院，廣西 桂林 541004）

此次研究通過數據收集和實驗法，對再生粗輕骨料替代率與大坍落度的強度之間的關系、再生粗輕骨料的替代率對再生混凝土抗壓強度的影響以及制備小坍落度再生粗輕骨料混凝土時的相關實踐進行了研究，最后對此次實驗發現的問題進行了總結，并對研究的未來實踐進行了展望。

1 實驗參數的設計

通過對國內外關于輕骨料混凝土的試驗研究結果進行收集與整理后得知，存在著眾多會對再生粗輕骨料混凝土力學性能產生影響的因素，其中粗輕骨料的替代率是一項重要指標。因此，選取粗輕骨料的替代率作為變量，研究其對再生混凝土強度的影響。參照《公路瀝青路面設計規范》（JTG D50—2006）、《公路工程集料試驗規程》（JTG E42—2005）等國家標準和規范可以得到：再生輕骨料的最大粒徑為31.5mm，水泥用量不得少于170kg/m3，選取坍落度的實驗范圍分別為110～160mm和30～50mm。

2 再生輕骨料的處理

該實驗在進行輕骨料混凝土的研究過程中，由于舊房改造、拆遷的廢棄混凝土塊是再生輕骨料的來源，因此在實驗前處理再生輕骨料的外觀，具體處理步驟如下。

（1）稱重：挑選適合破碎機的混凝土廢料，然后利用電子稱稱出重量，目的是測量混凝土廢料的可利用率。

（2）破碎：使用浙江德東電機股份有限公司生產的Y100L1-4型號的小型顎式破碎機對混凝土廢料進行破碎。

（3）挑選：破碎機破碎后的混凝土碎塊中針狀、粉狀、片狀顆粒過多，在此背景下必然會對混凝土的強度、和易性產生一定的不利影響。因此，需要合理地對粗輕骨料的片狀、針狀顆粒含量進行控制，挑選出形狀和棱角合適的再生混凝土碎石作為實驗用的再生粗輕骨料。

（4）清洗：使用鋼絲刷對得到的再生粗輕骨料經行清洗，這樣得到的再生輕骨料會更好地與水泥、砂相黏結，更有效地提高其力學性能。

（5）晾曬：經過清洗后得到的再生粗輕骨料的含水率會偏大，所以需要晾曬，以降低含水率，得到更加可靠的實驗結果。

（6）裝袋稱重：經過暴曬后，把得到的再生粗輕骨料裝袋打包，再稱重，得到經過加工后合格的再生粗輕骨料。

通過以上步驟，得到可以用于再生混凝土實驗研究的再生粗輕骨料，查驗后，得到的再生粗輕骨料和使用新粗輕骨料表面的棱角和形狀沒有太大的區別，最大的不同是再生粗輕骨料的表面有大量小孔，其利用率在70%左右。

3 實驗過程

3.1 110～160mm坍落度實驗

通過查找資料發現，有研究認為調整再生輕骨料、新輕骨料及減水劑的用量，可以提高混凝土的強度。減水劑是混凝土外加劑的一種，它的作用是在保證混凝土和易性及水泥用量不變的條件下，能夠減少拌合用水量，提高混凝土強度；或在和易性、強度不變的情況下，減少水泥的混凝土外加劑用量，尤其是對于再生輕骨料來說，其孔隙率大于新輕骨料，若要達到較大的坍落度，增大減水劑用量是有效的方法。所以，當拌合用水量不能繼續增加的情況下，加大減水劑用量是可行的。初步配合比主要是依據設計的基本條件，參照理論和大量實驗提供的參數進行計算，得到基本滿足強度和耐久性要求的配合比。因此需要對調整后的混凝土的配合比進行計算，驗證調整后的配合比是否滿足坍落度、抗壓強度的要求。110～160mm坍落度實驗中調整后的配合比均符合要求（見表1）。

表1 調整后110～160mm的配合比表

3.2 30～50mm坍落度實驗

（1）初步配合比。按照《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ 55—2011）對30～50mm坍落度的配合比進行設計，其根本原因是期望盡可能擴大再生混凝土的用途。配合比設計過程如下。

①確定混凝土強度。按照《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ 55—2011）、《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）的相關規定，得到：

式中：fcu,o為混凝土的配制強度，MPa；fcu,k為設計的混凝土立方體抗壓強度的標準值，MPa；δ為混凝土強度標準差，MPa。

式中：A、B為經驗系數。碎石：A=0.46，B=0.52；卵石：A=0.48，B=0.61。

計算得出：

fcu,o=fcu,k+1.645δ=30+1.645×5=38.225MPa

fce=γc×fce,k=42.3×1.08=42.90MPa

再生粗輕骨料混凝土實驗屬于一類環境中的素混凝土，查單位體積混凝土的膠凝材料用量表，取最小的水灰比為：。

③確定用水量和水泥用量。根據水灰比和單位用水量可以計算出水泥用量。

式中：mc為水泥用量，kg/m3；mw為用水量，kg/m3；根據坍落度和碎石粒徑大小查表得到mw=185kg/m3，計算得到mc=343.7kg/m3。

通過以上步驟計算及查表就可以計算出小坍落度的每立方米混凝土配合比。初始混凝土配合比為水泥∶水∶細輕骨料∶粗輕骨料=349∶185∶641∶1192。

（2）試件的養護。采用上海雷韻試驗儀器制造有限公司的SHBY-60B型數控水泥砼標準養護箱養護試件。當養護時，需要防止水分蒸發，因而需要用濕布覆蓋試件表面，此外，需要在-2～20℃的溫度范圍靜置一晝夜到兩晝夜，最后編號拆模。拆模后的試件立即放在溫度范圍在-2～20℃、相對濕度為95%以上的養護室中。在試件的過程中，彼此間隔10～20mm為宜，并需用水直接沖淋試件進行養護。

4 抗壓強度和彈性模量的測定

4.1 實驗參數與結果

將養護好的試件置于上海三思縱橫機械制造有限公司生產的WAW-2000微機控制電液伺服萬能試驗機上進行7d抗壓強度試驗，并推算28d抗壓強度，同時根據試驗應力與應變關系推算出再生輕骨料混凝土的彈性模量。

4.2 推算強度方法

按照設計配合比，每組3個試件，根據壓力機抗壓強度的試驗值取平均抗壓強度，可推算出28d抗壓強度值。

式中：fn為nd齡期混凝土的抗壓強度，MPa；f28為28d齡期混凝土的抗壓強度，MPa；n為養護齡期（n＞3），d。

4.3 Mori-Tanaka法計算再生輕骨料混凝土彈性模量的基本方程

假設有限元的代表單元具有微觀足夠大、宏觀盡量小、含有n種不同級配的輕骨料，其力學和幾何統計信息的特征將與整個復合材料相同。借助于Eshelby的等效夾雜理論，得到基體的總應力為[1]：

夾雜的總平均應力為：

圖1 含輕骨料與不含輕骨料混凝土材料

根據Mori-Tanaka法，在輕骨料不存在的情況下，平均應變與平均應力的關系式為[2]：

在輕骨料出現后，其關系式為：

由Eshelby等效本征應變理論，輕骨料內的攝動應變與本征應變滿足如下關系[3]：

由于復合材料的總平均應力是由輕骨料平均應力與基體平均應力相加得到的，因此可得：

應變計算的通式可表示為：

5 實驗成果和分析

在110～160mm坍落度時，抗壓強度與再生粗輕骨料替代率的關系曲線（見圖2）說明：按照正常的配合比試配后，和易性滿足實驗要求。換算成施工配合比后進行試驗，試驗結果表明：（1）在110～160mm坍落度再生粗輕骨料混凝土實驗中，抗壓強度隨代替率的增大而減??；（2）100%代替率時，抗壓強度為65MPa，該抗壓強度完全滿足低等級混凝土路面抗壓強度要求；（3）在110～160mm坍落度前提下，替代率與混凝土抗壓強度成線性關系，說明實驗結果具有較強的連續性。

圖2 110～160mm坍落度抗壓強度與再生粗輕骨料替代率關系

當坍落度為30～50mm時，抗壓強度與再生粗輕骨料替代率的關系曲線（見圖3）說明：（1）在不同粗輕骨料替代率時，抗壓強度均能達到相關設計規范要求，在60%替代率時，抗壓強度為46.52MPa，該值與最大值的誤差不超過9%，均能夠滿足規范及工程需要；（2）在30～50mm坍落度試驗中，替代率對再生混凝土抗壓強度無明顯影響；（3）在再生輕骨料替代率持續增大的背景下，想要保持相同的強度，則需要根據具體狀況相應地增加用水量，這是因為與粗輕骨料孔隙率相比，再生粗輕骨料的孔隙率更大，因此需要適當增加用水量，進而才能夠實現強度、和易性滿足需求。（4）運用Mori-Tanahod理論對再生輕骨料替代率和混凝土材料的彈性模量間關系進行計算，得出相關的計算結果（見圖4）。在圖4中，以E=25GPa為基準，得知在再生輕骨料彈性模量與水泥砂漿彈性模量相同的情況下，便會出現再生混凝土材料的彈性模量不會受到再生輕骨料的影響，意味著在添加相應的再生輕骨料后并不會增強其彈性模量。在基準線上方，當再生輕骨料彈性模量比水泥砂漿彈性模量低的情況下，相應的，再生混凝土的彈性模量會隨著再生輕骨料替代率的增加而減少；在基準線下方，當再生輕骨料彈性模量比水泥砂漿彈性模量高時，再生混凝土彈性模量會隨著再生輕骨料替代率的增加而增加。通過以上分析，得知水泥砂漿自身的彈性模量影響再生輕骨料替代率對彈性模量的影響。

圖4 實驗推算彈性模量與理論計算的關系曲線

6 實驗發現的問題與展望

（1）通過該次實驗發現，再生粗輕骨料替代率與大坍落度的強度成反比關系；小坍落度時，再生輕骨料替代率對再生混凝土強度無明顯影響。

（2）在該次實驗中，制備大坍落度再生輕骨料混凝土時，減水劑的摻入量、再生粗輕骨料的替代率對再生混凝土抗壓強度的影響尚不明確，有待后續進行相關理論及實驗研究。

（3）制備小坍落度再生粗輕骨料混凝土時，還有待尋求再生粗輕骨料的替代率與相應用水量之間的關系。