砂率和水灰比對再生混凝土抗壓性能的影響研究

姜 峰

(葫蘆島市綏中縣大風口水庫管理處，遼寧 綏中 125200)

據統計，中國城市垃圾的30%-40%來源于建筑垃圾，建筑垃圾的每年生產量達到16-24億t。通過破碎、分級、清洗等一系列處理建筑垃圾被制成再生骨料(RA)，采用這種材料100%或部分替代天然骨料制成再生混凝土(RAC)。因存在密度小、強度低、孔隙率高、吸水性好等特征，采用再生骨料制成的RAC抗壓強度低于天然骨料混凝土(NAC)，這也是導致建筑垃圾再利用率較低的主要原因。混凝土的力學性能主要體現在抗壓強度上，通過合理設計9組配合比方案以及不同齡期(3d、7d、28d)抗壓強度檢測，應用灰色關聯法揭示了再生混凝土28d抗壓強度受不同水泥含量、砂率、水灰比的影響[1-3]。

1 試驗設計

1.1 原材料

原材料包括：①水泥：葫蘆島渤海牌P.O42.5級水泥；粗骨料：綏中建材廠提供的再生粗骨料，骨料的物理性能指標符合《再生骨料應用技術規程》，骨料性能指標，見表1；②細骨料：綏中縣中游范家鄉趙家店甸村區的狗河天然砂，細讀模數2.61，屬級配連續中砂；③水：葫蘆島自來水。

表1 骨料性能指標

1.2 配合比設計

借鑒《普通混凝土設計規程》合理設計再生混凝土配合比，加入附加水以降低再生骨料15min吸水率對實際水灰比的影響，水泥含量占16.5%-17.6%，天然骨料被再生骨料100%替代，配合比設計未考慮外加劑以減少影響因素。再生混凝土配合比設計，見表2。

1.3 試驗方法

1)試件制備與養護。依據相關規程制備再生混凝土試件，人工拌制試驗前需對再生粗骨料噴灑附加水預濕，水泥水化過程中充分利用骨料吸收的儲存水，若拌制時遇較為干燥的環境，還能將內部水分釋放以確保混凝土濕度，從而發揮“內養護”的功能。結合規范要求制成150mm×150mm×150mm的立方體石塊，成型后放標養室養護至規定齡期[4-5]。

2)強度檢測。根據規范規定的測試方法，檢測再生骨料混凝土立方體試件的3d、7d、28d齡期抗壓強度。

2 結果與分析

為揭示RAS不同齡期抗壓強度受砂率、水灰比的影響規律，按照前文所述方法制備、養護、檢測其抗壓強度。不同齡期抗壓強度，見表3。

表2 再生混凝土配合比設計

表3 不同齡期抗壓強度

2.1 砂率影響

砂率對28d抗壓強度影響，見圖1。從圖1可以看出，水灰比為0.50情況下，隨著砂率的增大RAC28d抗壓強度呈增加趨勢，抗壓強度最大值為砂率38%時的25.41MPa；水灰比為0.55情況下，隨著砂率的增大RAC28d抗壓強度呈減少趨勢，抗壓強度最大值為砂率32%時的27.30MPa；水灰比為0.60情況下，隨著砂率的增大RAC28d抗壓強度未表現出明顯的規律。3d齡期條件下，隨著砂率的增大水灰比0.50的RAC抗壓強度未呈現出增大趨勢，而水灰比0.55的抗壓強度反而呈減少趨勢，水灰比0.60抗壓強度呈現出增大趨勢；7d齡期條件下，除砂率36%、水灰比0.60的RAC抗壓強度達到最大值19.14MPa外，其它配合比均未呈現出明顯的增減規律[6]。

隨著砂率的增加3d、7d齡期水灰比0.55的RAC抗壓強度表現出明顯的下降規律，而其它配合比并未呈現出明顯的規律性，進一步分析導致此現象的原因為吸水率較高的再生西骨料，在一定程度上減少了實際水灰比，并使得短時間內未能充分發揮“內養護”效應。

圖1 砂率對28d抗壓強度影響

2.2 水灰比影響

不同齡期抗壓強度fcu與不同配合比關系線，水灰比-砂率與抗壓強度fcu關系曲線，見圖2。再生混凝土3d、7d抗壓強度可以達到28d抗壓強度的42.6-60.1%和71.6-90.0%。混凝土抗壓強度主要受水灰比的影響，水灰比與普通混凝土抗壓強度存在明顯的反比關系，而與再生混凝土并不存在明顯的變化規律。32%、35%砂率條件下，隨著水灰比的增大RAC抗壓強度不斷增加，水灰比增大至0.55后抗壓強度隨水灰比的增大反而減少，該研究結論與鄧旭華相關研究保持一致；38%的砂率條件下，隨水灰比的增大抗壓強度不斷減少，為進一步探究引起該變化的原因，還需探究RAC抗壓強度受不同砂率的影響。

圖2 水灰比-砂率與抗壓強度fcu關系曲線

2.3 骨料類型影響

通過設計3組對比試驗增強試驗結果的可信度與說服力，天然砂和天然骨料均試驗規程要求，不同配合比設計及其抗壓強度檢測。天然骨料混凝土試驗，見表4。

表4 天然骨料混凝土試驗

從表4可知，隨著水灰比的增大天然混凝土28d抗壓強度呈現出減少趨勢，與天然混凝土相比砂率32%的再生混凝土，其NAC-1、NAC-2、NAC-3的28d抗壓強度降低了32.30%、3.26%、1.96%。天然骨料混凝土3d、7d抗壓強度達到28d的34.4%-46.0%和47.5%-57.3%，再生骨料混凝土早期抗壓強度增長率較天然骨料混凝土增加20.1%-22.8%，其原因為新水泥砂漿與附著于再生骨料表面的舊水泥差將存在較小的彈性模量差異，從而使得兩者更易結合；此外，因破碎作用使得再生骨料表面較為粗糙，其孔隙較多，骨料與水化產物能夠更好的緊密結合，所以早期再生混凝土具有更快的強度增長速度，早期抗壓強度增長率受到骨料類型的影響。

水灰比適宜情況下，再生骨料混凝土低于普通混凝土28d抗壓強度，這主要取決于骨料與砂漿膠結面，RAC石塊因復雜的界面結構而更容易發生破壞；較高水灰比條件下，RAC與NAC的28d抗壓強度較為接近，該研究結論與崔正龍等相關研究相符。

通過對比分析NAC和RAC檢測結果發現，水灰比0.55的RAC-4組28d抗壓強度最大27.30MPa；砂率32%的NAC-1組28d抗壓強度最大33.50MPa，兩者28d抗壓強度相差23.5%；砂率32%的NAC-2組和水灰比0.55的RAC-4組的28d抗壓強度相差0.91MPa，表明天然骨料被再生骨料100%替代時，這在一定程度上降低了混凝土抗壓強度[7]。

2.4 灰色關聯分析

20世紀80年代發展起來的一種適用于解決隨機性、不確定性性決策問題的灰色關聯法，現已廣泛應用于工業、農業、能源、石油、地質、經濟、社會等領域，有效解決了生產生活和科學研究等方面的問題。一般地，該方法用于不同要素行為與關聯程度的評估分析，通過比較不同系統行為間或不同因素間的指標列、數據列發展行為及態勢，按照一定的原則利用數學方法給出相異或相似程度的對比。實際上，能夠以關聯度反映不同要素或系統之間的關聯性大小，并考慮不同要素的主要關系準確識別出重要因素，以此揭示事物的關鍵特征，并引導與推動系統的快速發展。此外，通過關聯度計算還可實現數據關聯分析、優劣方案排序、最優方案的選擇等[8]。

(1)

為保證不同因素之間的等效性和共序性，即解決不同量綱帶來的不可通透性問題，需要對初始矩陣T進行歸一處理以獲取標準矩陣S。通過對矩陣S中比較數列與參考數列絕對差值的計算構造差異矩陣Δb，其關聯系數矩陣ξ利用公式(1)求解，即：

(2)

(3)

(4)

根據以上運算結果，最終求出再生混凝土28d抗壓強度與水泥含量、砂率、水灰比的灰色關聯度為0.7216、0.7640、0.5815，研究表明再生混凝土28d抗壓強度受砂率的影響最大，水灰比的影響最低，水泥含量居中。

3 結 論

文章探究了不同齡期再生混凝土抗壓強度受砂率、水灰比的影響，在此基礎上對比分析了天然骨料混凝土，主要結論有：

1)32%、35%砂率條件下，RAC抗壓強度隨水灰比的增大呈現出增加趨勢，水灰比超過0.55以后RAC抗壓強度隨水灰比繼續增加反而成下降趨勢；38%砂率條件下，隨水灰比增加抗壓強度呈現出減少趨勢。

2)再生骨料混凝土早期抗壓強度增長率較天然骨料混凝土有所增加，其原因為新水泥砂漿與附著于再生骨料表面的舊水泥差將存在較小的彈性模量差異，這使得兩者更易結合；此外，因破碎作用導致再生骨料表面較為粗糙，其孔隙較多，骨料與水化產物能夠更好的緊密結合，因此早期再生混凝土具有更快的強度增長速度，早期抗壓強度增長率受到骨料類型的影響。天然骨料被再生骨料100%替代時，這在一定程度上降低了混凝土抗壓強度。

3)再生混凝土28d抗壓強度與水泥含量、砂率、水灰比的灰色關聯度為0.7216、0.7640、0.5815，研究表明再生混凝土28d抗壓強度受砂率的影響最大，水灰比的影響最低，水泥含量居中。