全再生骨料混凝土工作性能控制方法

楊 震 李奕方 周汝光

1河南省城鄉規劃設計研究總院股份有限公司（450053）

2河南省建設工程施工圖審查中心有限公司（450099）

0 引言

再生混凝土是指將建筑垃圾中含量較高的廢棄混凝土塊經破碎、篩分后代替天然骨料配制而成的混凝土[1]。再生混凝土可以消耗大量的建筑垃圾，解決建筑垃圾填埋、 堆放造成的城市環境問題，同時減少對天然骨料的開采使用量， 保護了自然環境，解決了建筑行業將要面對的天然砂石資源枯竭的困境，使混凝土變成一種可循環利用、可持續發展的綠色建筑產品[2-3]。符合我國“十四五規劃”中提出的發展綠色建筑的理念。

文章圍繞再生混凝土的工作性能展開研究，粗、細骨料均全部使用再生骨料，通過調整再生砂漿的砂灰比，保證再生砂漿具有澆好的流動性；在此基礎上，通過調整再生混凝土的攪拌工藝，保證的全再生混凝土滿足目標強度，同時具有較好的工作性能。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

試驗采用河南滎陽生產的天瑞牌P·O42.5 水泥，水泥各項性能指標見表1。 再生粗、細骨料均為市場購買的商品骨料，生產再生骨料的廢棄混凝土來源和強度均未知。 分別按照國家規范GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》、GBT 25176—2010《混凝土和砂漿用再生細骨料》中的試驗方法對再生粗、細骨料的性能進行檢測，再生細骨料的細度模數為2.3。 聚羧酸鹽高效減水劑，減水率30%，減水劑用量為水泥質量的1%。

表1 水泥物理力學性能

1.2 試驗方法

配置再生混凝土的目標強度為 C30、C40 和C50，試驗水膠比分別取 0.6，0.45 和 0.3。 再生混凝土砂率定為42%。 因為單方用水量無法根據經驗確定，通過砂漿擴展度試驗，確定合適的灰砂比。 再生砂漿的擴展度與灰砂比之間的關系見表2。 當砂漿擴展度超過300 mm 即停止試實驗。

表2 不同水膠比下砂漿擴展度角與砂灰比之間關系

根據確定再生混凝土水膠比、灰砂比，假定混凝土單方質量為2 400 kg，進行再生混凝土的配合比設計。 再生混凝土的攪拌工藝如下:第一步，先將水泥與再生細骨料干拌2 min；第二步，將減水劑和一半水加入攪拌2 min， 使水泥和減水劑充分發生反應；第三步，加入石子和剩余的水分，攪拌2 min。 攪拌結束后，立刻進行混凝土塌落度試驗，最后將再生混凝土裝入試模中，室內環境養護24 h 后，脫模放入標準養護室。養護到需要齡期時，測試混凝土的抗壓和劈拉強度。 根據 GB/T 50081—2016《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行強度測試。 再生混凝土的配合比設計見表3，塌落度及28 d 立方體抗壓強度及劈拉強度見表4。

表3 再生混凝土配合比

表4 再生混凝土塌落度及28 d 強度

2 試驗結果分析

2.1 砂漿擴展度與砂灰比之間關系

根據表2 中的試驗結果，砂漿的擴展度隨砂灰比變化關系如圖1 所示，三條曲線分別代表了水膠比為 0.6、0.45、0.3 時， 砂漿擴展度與砂灰比之間的關系。

圖1 砂漿擴展度隨灰砂比變化關系

由圖可知，隨著水膠比的減小，砂漿的砂灰比也需要相應地減小，由表2 可以，試驗起點處三種水膠比下，三種砂漿的擴展度僅為170 mm、170 mm和150 mm。 這主要是因為再生砂子吸水率較大，在砂漿加水攪拌的瞬間會吸走大量的水分，使實際能參與水泥水化反應的有效水分遠小于加入的總用水量，使加入的減水劑也無法充分發揮作用。 隨著后續試驗的進行，按照比例再加入一定的水、水泥，可以明顯觀察到水泥漿體中有大量的減水劑與水泥發生反應的氣泡產生，說明減水劑開始發揮作用，可見減水劑與水泥的之間產生化學反應也需要一定的時間。 所以，再生砂漿的制備中，需要保證一定的有效用水量和足夠的攪拌時間，才能使減水劑發揮作用，保證砂漿的流動度。

三種砂漿的擴展度均隨著砂灰比的減小而增大，前期變化較慢，后面隨著砂灰比的減小，曲線均會出現一個拐點，拐點之后，砂漿擴展度會突然增大。 砂漿擴展度越大，說明其流動性越好，但是有研究表明，砂漿的強度會隨著砂灰比的增加而增大[4]，為了保證配置的砂漿和混凝土的強度，砂灰比不宜過小。 為了同時滿足再生混凝土的強度和工作性能，在每種水膠比下，均存在一個最佳的砂灰比。 砂灰比減小，則砂漿中的水泥用量增加，會增加砂漿的成本。 從經濟最優的角度考慮，在滿足砂漿流動性能的要求后，水泥用量最小，即砂灰比最大，效果最優。 由于再生粗骨料的吸水率較大，為了保證配置的再生混凝土的工作性能，試驗中當砂漿擴展度超過300 mm 的砂灰比， 即被確定為再生混凝土的試驗砂灰比。

2.2 塌落度與砂灰比之間的關系

圖2 為混凝土塌落度隨著砂灰比的變化關系曲線，圖中黑色數據點為文章中的試驗數據，分別對應水膠比為0.6、0.45、0.3，具體試驗數據如表3、4所示。 可見，隨著混凝土水膠比的降低，為了保證混凝土的塌落度，其所需的砂灰比也在不斷減小。 圖中紅色數據點為文獻[4]中試驗數據，水膠比為0.4，不同的灰砂比下對應的混凝土塌落度。 可見，當混凝土水膠比保持不變時，隨著砂灰比的減小，混凝土的塌落度不斷增加。 通過對試驗數據的回歸擬合分析， 得到了塌落度隨著砂灰比的多項式計算模型，如下公式（1）所示:

圖2 混凝土塌落度隨灰砂比變化關系

由于試驗數據較少，文章中只擬合了水膠比0.4時，混凝土塌落度與砂灰比之間的關系式為二次函數，可見其存在一個最佳的砂灰比，在其他條件都不變的情況下，能夠使混凝土的塌落度達到最大值，通過對函數進行分析，可知其最佳砂灰比為1.4。 可見混凝土配合比設計中，也存在最優砂灰比，其他材料和試驗條件不變情況下，使其塌落度達到最大的砂灰比即為最優灰砂比。

由表4 試驗結果可知，該方法配制的全再生骨料混凝土不僅具有較好的塌落度和工作性能，同時強度也滿足目標強度的要求。 可見，通過控制調整砂灰比，使砂漿的擴展度滿足要求，在此基礎上進行再生混凝土的配合比設計，是一種有效可行的方法。 該方法受其他因素影響較小，只需測量出砂石的表觀密度和堆積密度等材料基礎數據即可。 一方面提高了配合比試驗結果的普遍適用性，另一方面將部分混凝土的工作性能試驗轉化為砂漿的試驗，大大減少了試驗量。

3 結論

文章通過試驗研究了全再生混凝土的工作性能控制方法，粗、細骨料全部使用再生骨料，制備出強度和塌落度滿足目標要求的再生混凝土，主要得到以下結論:

1）再生砂漿的擴展度隨著砂灰比的減小而增大。 為了同時滿足再生砂漿強度和工作性能，在每種水膠比下，均存在一個最佳的砂灰比。 在滿足砂漿流動性能的要求后，水泥用量最小，即為最佳砂灰比。

2）再生砂漿的制備中，需要足夠量的有效用水量保證水泥和水的充分水化反應，同時需要足夠的攪拌時間，使水泥和減水劑之間充分發生化學反應，才能使減水劑發揮作用，保證砂漿的流動度。

3）通過控制調整砂灰比，使砂漿的擴展度滿足要求，在此基礎上進行再生混凝土的配合比設計，是一種有效可行的控制再生混凝土工作性能的方法。該方法受其他因素影響較小，同時可以減少試驗量。