再生骨料制備C20 防汛塊體的配合比優化研究

馮興國，范琦琦，陳翔飛，盧 恒，張祎吉，沈 陽，章樂遠，徐逸文，王 偉

（1.海岸災害及防護教育部重點實驗室（河海大學），江蘇 南京 210098； 2.河海大學 港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098； 3.江蘇省水利防汛物資儲備中心，江蘇 南京 210029；4.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

隨著我國城市化進程的不斷推進，建筑行業發展迅速，相伴而生的建筑垃圾日益增多。 截至2011 年，我國建筑垃圾存量已高達21 億t，約占城市垃圾總量的35%［1］。 然而，目前絕大部分建筑垃圾采用露天堆放或填埋的處理方式，不僅耗費大量人力物力，而且建筑垃圾本身也會對大氣和地下水環境造成嚴重污染［2］。 由于骨料資源相對匱乏，隨水利、交通、建筑等行業的快速發展，以江蘇為代表的東部地區天然骨料資源價格飆升，因此合理利用建筑垃圾，開展再生骨料混凝土配合比研究，對環境污染的防治和緩解東部地區骨料資源短缺問題具有重要意義，可以為石料匱乏地區利用再生骨料經濟、高效地生產防洪防汛塊體提供參考。 目前的《防汛儲備物資驗收標準》（SL 297—2004）［3］中只提到了塊石相關的驗收標準，不包含混凝土塊體的相關驗收標準。 隨著近年來石料資源的減少和價格上漲，已有少量工程采用C15 或C20 混凝土防汛塊體［4－5］，因此本文將采用C20 作為防汛混凝土塊體的強度要求。

一般來說，骨料特性對混凝土各項性能起到決定性作用，再生骨料取代比例和水灰比首先引起學者的廣泛關注。 李偉［6］研究了再生粗骨料替代天然骨料的比例對再生混凝土力學性能的影響，將質量比分別為10%、20%、30%、40%、60%、80%、100%的天然粗骨料用再生骨料替代，并對制備的混凝土進行基本力學試驗和抗彎疲勞試驗，研究發現再生骨料具有較大吸水率和較大的壓碎指標，是導致再生混凝土基本力學性能下降的主要因素，隨著再生骨料摻入比率的增大，混凝土的基本力學性能明顯降低，但在摻入比率為30%以內時能滿足實際強度要求。 姚大立等［7］研究了粉煤灰與再生骨料對自密實混凝土性能的影響，結果表明粉煤灰摻量為25%時自密實再生混凝土的立方體抗壓強度和軸心抗壓強度最大，但其拉壓比最小；當粉煤灰摻量低于50%時，制備再生骨料的廢棄混凝土強度對自密實再生混凝土抗壓強度無明顯影響。 譚藝帥等［8］研究了再生細骨料取代率分別為0、30%、50%、100%的再生混凝土單軸受壓本構關系，結果發現隨再生細骨料取代率的增大，再生混凝土的抗壓強度、彈性模量均呈下降趨勢，而峰值應變和極限應變都有所增大，總體而言再生混凝土應力—應變全曲線形狀與普通混凝土的類似。 張麗素等［9］采用正交試驗探究了水膠比、再生骨料取代率等對再生混凝土28 d 抗壓強度的影響，發現水膠比是影響再生混凝土抗壓強度的關鍵因素，水膠比為0.4 時再生混凝土的強度最高。郭維維［10］研究了砂率對再生混凝土工作性能和強度的影響，結果發現砂率的增大將使C30 再生混凝土和C30 普通混凝土的坍落度先增大后減小， 但其對兩種混凝土的強度影響不大，在拉壓比方面，隨著砂率增大普通混凝土的拉壓比呈先增大后減小的趨勢，而再生混凝土的拉壓比隨著砂率的增大始終呈增大趨勢，只是其拉壓比的增幅逐步減小。 李航宇等［11］采用部分粉煤灰取代水泥，研究了粉煤灰的取代率對再生混凝土表觀密度、孔隙率、抗壓強度、抗折強度及比強度的影響，試驗發現在14 d 齡期時，粉煤灰取代20%水泥的再生混凝土試件其抗壓強度、抗折強度、比強度等都明顯高于普通混凝土；在28 d 齡期時再生混凝土的力學性能仍有所提升。 徐芊等［12］通過試驗研究了再生粗骨料取代率、水膠比和礦物摻合料對再生骨料混凝土基本力學性能的影響，研究發現50%和70%再生粗骨料取代率的混凝土在28 d 時抗壓強度分別比普通混凝土降低了7.8%和10.8%～12.79%；再生混凝土水膠比越大，其強度越低，以0.38 水膠比的再生混凝土為參照，水膠比為0.42 和0.45 的再生骨料混凝土28 d抗壓強度分別下降5.6%～11.8%和14.4%～18.2%；30%～50%的粉煤灰或粉煤灰和礦渣復摻將導致再生混凝土28 d 抗壓強度降低10.7%～32.9%。

綜上所述，盡管目前關于再生骨料取代率和水灰比對再生混凝土的影響研究較為充分，但對于各因素的最優組合缺乏統一認識。 除此以外，砂率、礦物摻和量等也是混凝土配合比的重要組成部分。 因此，本文采用正交試驗，選取再生粗骨料取代率、水灰比、砂率和粉煤灰摻量4 個變量，進一步探究以建筑垃圾為原料制備防汛混凝土塊體的最優配合比，優化江蘇地區防汛塊體的實際生產。

1 正交試驗

1.1 原材料

再生粗骨料取自強度等級為C30 的建筑工地廢棄混凝土，采用顎式破碎機進行粉碎，依照規范《混凝土用再生粗骨料》（GB／T 25177—2010）［13］加工處理后得到粒徑范圍為5 ～25 mm 的粗骨料顆粒，見圖1。天然粗骨料采用碎石，兩種粗骨料的主要物理性質見表1。 通過對比表中兩種骨料的壓碎指標可以發現，再生粗骨料自身強度低于天然粗骨料，其原因是再生骨料表面附著強度低、孔隙率大的水泥漿體。 細骨料為河砂，細度模數1.63，屬細砂。 試驗采用海螺牌P?O 32.5級普通硅酸鹽水泥制備再生混凝土，密度為3.1 g／cm3，所采用粉煤灰為Ⅱ級粉煤灰，細度（0.045 mm 方孔篩篩余）23.1%，需水量比100%，燒失量6.5%，含水量0.5%，膠凝材料化學成分見表2。

圖1 再生粗骨料

表1 粗骨料主要物理性質

表2 膠凝材料化學成分（質量分數） %

1.2 試驗方案

試驗依照《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ 55—2011）［14］中的強度等級C30（因再生混凝土強度常低于普通混凝土，試配時按照稍高強度等級的配合比，以便能夠達到稍低等級強度再生混凝土）制備再生混凝土，基準配合比如下：水灰比0.48，砂率30%，即一方混凝土中水泥質量375 kg，水質量180 kg，砂子質量529 kg，再生粗骨料質量1 233 kg，制備過程中根據骨料吸水率添加相應附加用水，以排除真實水膠比對再生混凝土強度的影響。 通過正交試驗，以再生粗骨料取代率、水膠比、砂率和粉煤灰摻量為影響因素，分別選取4～5 個梯度水平，研究不同因素對再生混凝土抗壓強度的影響，試驗設計見表3。 再生混凝土試塊形狀為邊長150 mm 的立方體，配合比見表3。 按不同的配合比共分為17 組，每組9 個平行試樣， 制備過程均按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB ／T 50081—2002）［15］規定進行操作，振搗1 min 并敷上保鮮膜養護，24 h 后脫模，放入清水養護。 依照標準，在3 、7、28 d 時分別取3 個平行試塊，通過SHT4305型微機控制電液伺服萬能試驗機測試混凝土試塊抗壓強度，并計算平均值與標準差。

表3 再生混凝土試驗設計

2 試驗結果與分析

2.1 不同因素對再生混凝土抗壓強度的影響

混凝土立方體抗壓強度是衡量其力學性能的重要指標之一，是確定其強度等級的依據［16］。 影響混凝土強度的材料因素主要包括3 個方面：膠凝材料強度、粗集料強度、粗集料與膠凝材料基體界面間的強度［17］。本試驗主要從4 個方面研究了不同因素對再生混凝土立方體抗壓強度的影響，并綜合對比分析得到能夠滿足強度要求且具備經濟性的C20 混凝土配合比。

2.1.1 再生粗骨料取代率的影響

再生混凝土立方體抗壓強度隨再生粗骨料取代率和齡期的變化見圖2。 可以看出，各組配合比的再生混凝土抗壓強度均隨齡期不斷增長，強度前期增長明顯較快，3 d 強度達到28 d 強度的58%，7 d 強度則達到28 d 強度的75%。 胡飛佳［18］在研究齡期對再生混凝土強度的影響時，發現混凝土7 d 強度可以達到28 d強度的80%，與本試驗結果接近。 進一步觀察可以發現，各齡期再生混凝土抗壓強度隨再生骨料取代率的變化規律基本一致。 取代率低于25%時，再生骨料的摻入對再生混凝土強度的影響不大，并接近基準混凝土強度。 Gómez－Soberón［19］和黃文鋒［20］發現相似的規律，即再生骨料取代率不高于30%時，其對混凝土強度的影響可以忽略不計。 當取代率在25%～50%之間時，混凝土強度呈上升趨勢，再生骨料取代率為50%時28 d 強度達到30.38 MPa，相較于基準混凝土提高了4.3%。 其原因：一方面是再生骨料表面更粗糙，骨料與膠凝材料界面嚙合能力更強；另一方面，再生骨料表面存在較多微裂縫，水化過程中會吸入一定的水泥顆粒，使得界面水化程度更完全，界面結構更為致密。 上述兩方面都在一定程度上彌補了再生骨料自身強度的不足，提高了混凝土抗壓強度［21］。 因此當再生粗骨料取代率不高時，再生混凝土與基準混凝土強度差別不大，并且在取代率為50%時，各齡期再生混凝土強度最高，并且均高于基準混凝土。 當取代率大于50%時，混凝土28 d 強度急劇下降。 針對這一現象，肖建莊等［22－24］將其歸因于骨料高孔隙率導致軸向荷載作用下產生應力集中，以及再生粗骨料與新舊砂漿之間存在黏結較為薄弱的區域，再生粗骨料自身對混凝土強度劣化的影響在高取代率下占據了主導地位。 此外，當再生粗骨料取代率為75%、100%時，混凝土28 d 強度分別為27.69、23.71 MPa，均不滿足C30強度等級要求，考慮到實際工程應用價值，后續試驗中再生粗骨料取代率固定為50%，見表3。

圖2 再生粗骨料取代率對再生混凝土抗壓強度的影響

2.1.2 水膠比的影響

水膠比大小決定了水泥砂漿內部的微孔體積，直接影響混凝土強度的大小，一般來說，水膠比越大，水泥砂漿孔隙率越大，混凝土強度越低［25］。 對于再生混凝土而言，再生骨料的高吸水性會影響砂漿內部自由水含量，使得混凝土強度隨水膠比的變化規律較為復雜。 本試驗選取0.45、0.48、0.50 和0.53 這4 個梯度，研究了水膠比對不同齡期再生混凝土強度的影響，見圖3。 可以看出，各水膠比下再生混凝土強度隨齡期不斷增長，且呈現早強特征，這與2.1.1 節中結果一致。 同一齡期的再生混凝土強度隨水膠比先增大后減小，從圖3 中的曲線可以看出，兩者呈近似二次拋物線關系，這與肖建莊等［24］觀察到的現象十分相近。 各齡期再生混凝土抗壓強度均在水膠比為0.48 時達到最大值，28 d 強度達到31.08 MPa。 鄧旭華［26］在研究再生骨料混凝土后同樣發現，對于全再生混凝土抗壓強度存在最優水灰比0.57，而對于基準混凝土，抗壓強度隨水灰比增大逐漸下降。 其原因是再生骨料吸水率高，當水膠比較低時，水泥漿體中的自由水含量較低，再生骨料與水泥漿的結合能力因此減弱，混凝土抗壓強度較低［27］。 當水膠比不斷增大且不超過水泥漿飽和臨界值時，由于再生骨料具有吸水性，再生混凝土中的水泥漿體較基準混凝土飽和程度更低，水泥漿強度隨水膠比增大而增大，再生混凝土強度同樣增大。 當水膠比進一步增大，水泥漿體吸水趨于飽和，其密實度和強度降低，與基準混凝土相同，混凝土抗壓強度隨水膠比增大而不斷減小。 因此，再生混凝土最優水膠比為0.48，這與鄧旭華［26］所得結論不同。 其原因是本試驗采用50%的再生粗骨料取代率，骨料總體吸水率較鄧旭華［26］采用的全再生骨料更低，其達到飽和吸水所需水膠比也更低，因此再生混凝土強度達到最大值時的水膠比更低。

圖3 水膠比對再生混凝土抗壓強度的影響

2.1.3 砂率的影響

砂率是混凝土配合比設計的基本參數之一，砂率的改變會對混凝土的工作性能和力學性能產生一定的影響［28］，確定合理砂率對混凝土的攪拌、運輸和施工具有重要意義。 仇影等［28］研究發現，C30 普通混凝土砂率設定為0.43 時最為合適，因此本文選取0.35、0.40、0.45 和0.50 這4 個梯度研究砂率對再生混凝土抗壓強度的影響，結果見圖4。 可以看出，砂率的變化對再生混凝土早期抗壓強度的影響很小。 崔正龍等［29］以砂率為變量研究了100%再生骨料取代率下的C30 再生混凝土強度的變化，同樣發現隨砂率增大，混凝土抗壓強度趨于平穩，變化不大。 隨齡期的延長，砂率對再生混凝土抗壓強度產生了一定的影響，可以觀察到，砂率為0.40 時再生混凝土強度最大，28 d 時達到32.12 MPa，滿足C30 混凝土強度要求。 此外，不同砂率下，再生混凝土抗壓強度的最大值（32.12 MPa）較最小值（30.03 MPa）僅增長7%，說明砂率的變化對養護后期再生混凝土強度的影響并不大。 何啟東等［30］和惠存等［31］在分別研究砂率對100%取代率再生混凝土和高強再生混凝土強度影響時得出了類似結論。 總的來說，對于本試驗中再生骨料取代率為50%的再生混凝土，最合理砂率為0.40，這小于文獻報道值［32］。 其原因是再生骨料的高吸水率使得水泥漿自由水含量相對減少，骨料與水泥漿結合力下降，當砂率較小時，水泥相對含量較高，一定程度上提高了水泥漿的密實度和強度，因此對于再生混凝土而言，最合理砂率較普通混凝土低。

圖4 砂率對再生混凝土抗壓強度的影響

2.1.4 粉煤灰取代率的影響

粉煤灰在混凝土的反應中具有三大效應即“形態效應”“微集料效應”和“活化效應”［32］。 本文選取10%、20%、30%和40%四個梯度研究粉煤灰取代率對再生混凝土抗壓強度的影響。 由圖5 可以看出，再生混凝土早期抗壓強度均隨粉煤灰取代率的增加而顯著下降。 粉煤灰取代率為40%時，混凝土3 d 和7 d 抗壓強度分別為未摻粉煤灰混凝土強度的33.6%和41.1%。 這是由于早期粉煤灰火山灰反應活性較低，導致混凝土水化反應程度較低，因此混凝土早期強度受粉煤灰取代率影響較大。 28 d 時，再生混凝土強度依然隨粉煤灰取代率的增大而降低，并且僅在不摻粉煤灰時超過30 MPa。 通過觀察發現，28 d 時粉煤灰對再生混凝土強度的影響比早期明顯減小，40%粉煤灰取代率下，混凝土強度為未摻粉煤灰混凝土強度的58.1%，該比例較3 d 和7 d 明顯升高。 Stoitchkov 等［33］將其歸因于粉煤灰與一次水化產生的氫氧化鈣發生二次水化反應生成了更多的凝膠產物，使混凝土結構更為致密。 因此，未摻粉煤灰的混凝土與粉煤灰部分取代水泥的混凝土之間的抗壓強度差別減小。 本試驗中考慮到實際工程強度等級要求，按最優配合比制備的再生混凝土中不摻入粉煤灰。

圖5 粉煤灰取代率對再生混凝土抗壓強度的影響

2.2 再生骨料制備防汛塊體的最優配合比

2.1 節中采用正交試驗研究了不同試驗因素對再生混凝土抗壓強度的影響，可以看出各因素均存在最優梯度。 總的來說，再生粗骨料取代率、水膠比、砂率和粉煤灰取代率分別為50%、0.48、0.40 和0%時，再生混凝土抗壓強度達到最大值。 目前，對于防汛塊體而言，混凝土強度等級達到C20 即滿足要求。 為進一步優化混凝土配合比，降低防汛塊體制備成本，后續試驗中將再生骨料完全取代天然骨料，并摻入不同含量的粉煤灰制備優化組混凝土，分別于養護3、7、28 d 后測量其抗壓強度，結果見圖6。 可以看出，與2.1.4節所得結論相同，混凝土強度隨粉煤灰摻量的增加顯著降低。對于28 d 強度而言，當粉煤灰取代率為20%時，混凝土強度達到20.13 MPa，滿足防汛塊體C20 的強度等級要求。 值得一提的是，關于28 d 強度未達到C30 的可能原因有以下兩點：一是再生骨料來源，在已有的關于不同取代率再生混凝土的研究中，部分報道隨著再生骨料的取代率提高，再生混凝土抗壓強度有所降低，也有報道隨著再生骨料的取代率提高，再生混凝土抗壓強度有一定的提高，這可能是再生骨料的來源不同所導致，再生骨料來源混凝土強度會對新配制的再生混凝土強度有一定的影響，同時不同再生骨料的物理特性和粒徑分布對再生混凝土的強度也有較大的影響［34］；二是水泥砂漿強度低且附著在再生粗骨料表面，因為積累形成的細裂紋存在于再生粗骨料中，且存在薄弱的過渡區，所以再生混凝土的強度有所降低［10］。 根據2.1.1 節所得結論，盡管相對于再生骨料取代率為100%時，75%取代率下的混凝土強度更高，但考慮到再生骨料的利用能節約天然骨料、降低混凝土成本，因此本文所確定的用于制備防汛塊體的再生混凝土最優配合比為再生骨料取代率100%，粉煤灰摻量20%，水灰比0.48，砂率0.40，即每立方混凝土中水泥300 kg，粉煤灰75 kg，拌和水180 kg，砂子688.2 kg，再生粗骨料1 033.3 kg。

圖6 100%再生骨料取代率下粉煤灰對混凝土抗壓強度的影響

3 結論

（1）再生粗骨料取代率較低時，再生混凝土強度與基準混凝土強度相差不大；當取代率大于50%時，再生混凝土28 d 強度隨再生粗骨料取代率增大而明顯減小。

（2）再生混凝土28 d 強度隨水膠比和砂率均先增大后減小，當水膠比和砂率分別為0.48 和0.4 時，再生混凝土強度達到最大值；粉煤灰取代水泥會降低再生混凝土抗壓強度，隨著粉煤灰取代率增大，再生混凝土抗壓強度降低，粉煤灰取代率低于20%的試塊28 d 時強度均達到了C20 強度等級要求。

（3）通過配合比優化確定用于制備防汛塊體的C20 再生混凝土最優配合比為每立方混凝土中水泥300 kg、粉煤灰75 kg、水180 kg、砂子688.2 kg、再生粗骨料1 033.3 kg。