再生骨料混凝土的配合比設計及性能分析

王彥，李傳軍，董波，王曉龍

(1.山東高速路橋集團股份有限公司，山東濟南　250021；2.山東省高速路橋養護有限公司，山東濟南　250032；3.山東交通學院交通土建學院，山東濟南　250357)

?

再生骨料混凝土的配合比設計及性能分析

王彥1，李傳軍2，董波2，王曉龍3

(1.山東高速路橋集團股份有限公司，山東濟南250021；2.山東省高速路橋養護有限公司，山東濟南250032；3.山東交通學院交通土建學院，山東濟南250357)

摘要：針對再生粗骨料的特點，結合普通混凝土配合比設計方法，以飽和面干狀態作為設計基準，進行再生骨料混凝土配合比設計研究。通過C20再生骨料混凝土試驗，研究分析抗壓強度與干縮性能。試驗結果表明，當水灰比為0.54～0.62時，再生骨料混凝土的強度變化規律遵循Bolomey理論；再生骨料混凝土成型后1～7 d吸水體積膨脹，7 d后體積干燥收縮，且后期干燥收縮明顯，收縮應變高于普通混凝土，故再生骨料混凝土施工更應加強養護，保證溫度與濕度。

關鍵詞：再生骨料；飽和面干狀態；配合比；抗壓強度；干縮應變

再生骨料混凝土是一種以破碎、分級加工的廢舊混凝土為骨料，部分或全部取代天然骨料配制而成的混凝土[1]。在道路工程中研究和應用再生骨料混凝土，可節約天然砂石，低碳節能，生態環保，充分提高建筑垃圾的使用價值，能夠創造可觀的社會和經濟效益。國外早在20世紀40年代已開始使用再生骨料混凝土進行工程建設[2]，而我國對再生骨料混凝土的研究和應用起步較晚。由于再生骨料的料源不同，廢舊混凝土的破碎方式和處理工藝均存在差異，因此與普通混凝土相比，再生骨料混凝土性能的變異問題更為突出[3-10]。與天然骨料相比，再生骨料表觀密度小，吸水率大[11-17]，目前進行再生骨料混凝土配合比設計，常采用引入附加水和摻加高效減水劑的方法[18]，這種設計方法可以保證再生骨料混凝土的工作性，但存在設計方法復雜、生產成本高等缺點。本文針對再生骨料表面裂隙多、材質不均勻、吸水率大等特點，優化研究一種適合再生骨料混凝土的配合比設計方法，并對其抗壓強度、干縮應變兩項力學指標進行試驗研究與分析。

1原材料

1.1再生粗骨料

再生粗骨料以拆除近代混凝土建筑物為主，為工廠化生產，有5～25、5～10 mm兩種規格，對比天然粗骨料為石灰巖碎石。檢測再生粗骨料與天然粗骨料的表觀密度、堆積密度、吸水率及壓碎值，試驗結果見表1。由表1可知，再生粗骨料與天然骨料的表觀密度、堆積密度、吸水率有較大差別，再生粗骨料的表觀密度、堆積密度均小于天然骨料，吸水率大于天然粗骨料。再生粗骨料的表觀密度、堆積密度和吸水率隨粒徑增大而降低。再生粗骨料的壓碎值比天然粗骨料高60.4%，這是由于再生粗骨料表面附著砂漿，強度低且在破碎再生過程中易產生裂隙，在外力作用下，砂漿層易壓碎脫落，壓碎值增大，比天然粗骨料的抗壓碎能力減弱。

1.2細骨料

采用天然砂和再生砂兩種細骨料，經篩分試驗確定均為中砂，細度模數分別為2.61和2.87。對細骨料進行表觀密度試驗，天然砂和再生砂的表觀密度分別為2 610、2 428 kg/m3。可見，再生砂比天然砂粗，且表觀密度較天然砂小。

表1　再生粗骨料與天然粗骨料的對比試驗結果

1.3水泥

選用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，主要技術指標，如表2所示，主要性能指標滿足相應技術標準要求。

表2　水泥主要技術指標

2配合比設計方法

結合再生粗骨料吸水率高的特點，為提高再生骨料混凝土的強度，降低強度變異性，參考普通混凝土配合比設計方法，進行再生骨料混凝土配合比設計研究。配合比研究以充分考慮經濟因素為前提，在保證再生混凝土基本性能的條件下，不使用外加劑和摻合料，該方法的設計要點如下：1)再生粗骨料應處于飽和面干狀態；2)參照普通混凝土配合比設計方法，計算初始水灰比，確定單位用水量，初選砂率，計算水泥單位用量；3)采用絕對體積法計算再生粗、細骨料的單位用量；4)采用連續級配原則設計再生粗骨料配合比，天然砂與再生砂的摻配比例經試拌確定；5)根據試拌結果，調整水灰比。按照上述方法計算C20再生骨料混凝土配合比[19]，未摻加減水劑和摻合料，設計干稠型再生骨料混凝土，設計坍落度為10～30 mm。調試出滿足成型要求的5種水灰比，并據此提出5種再生骨料混凝土的配合比方案，見表3。

表3　再生骨料混凝土的配合比　單位:kg/m3

注：1.再生粗骨料1(5～25 mm)、2(5～10 mm)為飽和面干狀態用量；

2.依據連續級配的設計要求，再生粗骨料的配合比為再生粗骨料1與再生粗骨料2的質量比為52:48。

3再生骨料混凝土的力學性能研究

3.1抗壓強度試驗分析

試拌5種配合比的混凝土，測定坍落度并成型再生骨料混凝土試件。首先將再生粗骨料飽水24 h，試驗前，擦拭再生粗骨料表面水分，使其達到飽和面干狀態。試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm立方體標準試件；成型方式為振動成型，振動時間為30 s；養護方法為標準養護，溫度20 ℃，相對濕度95%；養護齡期為28 d。進行5組不同水灰比的再生骨料混凝土試驗，坍落度與抗壓強度試驗結果見表4。

表4　再生骨料混凝土28 d抗壓強度試驗結果

由表4知，水灰比為0.54～0.62時，5種配合比均能達到C20的強度要求，且工作性能良好，說明配合比設計方法合理。對比分析5種配合比試驗結果，2#、3#配合比的各項性能指標良好，2#配合比的性價比更優。隨著水灰比的增加，再生骨料混凝土的抗壓強度呈遞減趨勢，再生骨料混凝土的水灰比-強度關系與普通混凝土相似，其變化規律遵循Bolomey規則[20]。

3.2干縮性能試驗分析

選擇2#配合比進行再生骨料混凝土干縮性能試驗，試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，成型方式、養護方法同前，主要儀器為干縮試驗箱。干縮性能試驗采用千分表測定法，每塊標準試件左右兩端分別用502膠黏結有機玻璃片，并將千分表固定在收縮儀上，在收縮儀上安放涂有潤滑劑的玻璃棒，收縮儀連同試件一起放入干縮室。在試件左右兩端各安裝2個千分表，分別記為左表1、左表2、右表1、右表2，試驗前將千分表頭頂到玻璃片上，調至千分表的初始讀數為800(0.001 mm)。試驗共制備2組試件，每組試件6塊，標準養護3 d后(即試件成型并標準養護的第4天)開始進行早期收縮性試驗，試驗周期為60 d ，同時進行C20普通混凝土試件同條件下的收縮性能試驗用于比對研究。再生骨料混凝土干縮性試驗結果見表5。

表5　再生骨料混凝土干縮試驗結果

分析表5可知，1～7 d再生骨料混凝土的體積變化主要表現為膨脹，7 d后逐漸開始收縮。再生骨料混凝土1～7d早期體積膨脹速率與普通混凝土的收縮速率基本相同，但7 d后兩種混凝土均表現為收縮，普通混凝土14～60 d收縮應變逐漸減小，體積收縮趨于穩定，而再生骨料混凝土的體積收縮則繼續增大，說明再生骨料混凝土需要更長的養護周期。配合比設計中再生粗骨料處于飽和面干狀態，而再生砂為風干狀態，早期吸水膨脹，水泥水化緩慢，因此再生骨料混凝土早期出現體積膨脹，在這種狀態下再生混凝土在水泥水化初期能起到良好的保水作用。但隨著后期水泥水化反應的加速和水分的散失，再生骨料混凝土產生較大的干燥收縮量，導致干縮應變增大。

4結論

1)再生粗骨料的表觀密度、堆積密度均小于天然骨料，再生粗骨料的吸水率大于天然粗骨料。2)再生骨料混凝土配合比優先設計方法的要點是：再生粗骨料采用飽和面干狀態；參照普通混凝土配合比設計方法選用參數與計算用量；采用連續級配原則設計再生粗骨料配比，天然砂與再生砂的摻配比例經試拌確定；根據試拌結果，調整水灰比。3)當水灰比為0.54～0.62，再生骨料混凝土的水灰比-強度關系與普通混凝土相似，遵循Bolomey理論。4)再生骨料混凝土成型后1～7 d體積早期膨脹，7 d后體積干燥收縮，且收縮應變高于普通混凝土，故應用再生骨料混凝土更應保證有充足的施工養護措施。

參考文獻：

[1]史巍,侯景鵬.再生混凝土技術及其配合比設計方法[J].建筑技術開發,2001,28(8):18-20.

SHI Wei, HOU Jingpeng. Technology and mix design on recycled concrete[J].Building Technique Development, 2001,28(8):18-20.

[2]HANSEN T C. Recycled aggregates and recycled aggregate concrete second state-of-the-art report developments 1945-1985[J]. Materials and Structures, 1986，19(19):201-246.

[3]KHATIB J M. Properties of concrete incorporating fine recycled aggregate[J]. Cement and Concrete Research, 2005,35(4):763-769.

[4]ROODY. Strength and toughness of HDPE fiber reinforced recycled aggregate concrete as a sustainable construction material[D]. Florida：Florida Atlantic University, 2011.

[5]SURYA M, VVL K R,LAKSHMY P.Recycled aggregate concrete for transportation Infrastructure[J].Procedia-Social and Behavioral Sciences, 2013,104(7):1158-1167.

[6]鄧壽昌,張學兵,羅迎社.廢棄混凝土再生利用的現狀分析與研究展望[J].混凝土,2006(11):20-24.

DENG Shouchang, ZHANG Xuebing, LUO Yingshe. Abandon the concrete present condition of the reborn exploitation analysis and the research outlook[J].Concrete, 2006(11):20-24.

[7]盧鵬程.再生混凝土的抗壓強度特征[J].混凝土，2004(7):34-36.

LU Pengcheng. Characteristics for compressive strength of recycled aggregate concrete[J].Concrete, 2006(11):20-24.

[8]李佳彬,肖建莊,黃健.再生粗骨料取代率對混凝土抗壓強度的影響[J].建筑材料學報,2006,9(3):297-301.

LI Jiabin, XIAO Jianzhuang, HUANG Jian. Influence of recycled coarse aggregate replacement percentages on compressive strength of concrete[J]. Journal of Building Materials, 2006,9(3):297-301.

[9]林壯斌.基于試驗二維隨機骨料再生混凝土抗壓強度研究[J].佳木斯大學學報(自然科學版),2014，32(3):329-332.

LIN Zhuangbin. Research on compressive strength of recycled concrete based on 2D random aggregate[J]. Journal of Jiamusi University(Natural Science Edition), 2014(3):329-332.

[10]徐蔚.再生混凝土的單軸受壓性能[J].混凝土,2006(10):21-23.

XU Wei. Properties of recycled aggregate concrete under uniaxial loading[J]. Concrete,2006(10):21-23.

[11]李雯霞,張雄,劉昕.再生混凝土中再生骨料取代率、漿含量、表觀密度和吸水率的關系探討[J].混凝土,2010(10):60-63.

LI Wenxia, ZAHNG Xiong, LIU Xin. Mechanical properties of recycled aggregate concrete study of the impact of factors[J]. Concrete, 2010(10):60-63.

[12]楊曉光,郝永池,薛勇.再生骨料基本性能的研究[J].混凝土,2012(2):66-68.

YANG Xiaoguang, HAO Yongchi,XUE Yong. Study on the basic properties of recycled aggregates[J]. Concrete, 2012(2):66-68.

[13]許岳周,石建光.再生骨料及再生骨料混凝土的性能分析與評價[J].混凝土,2006(7):41-46.

XU Yuezhou, SHI Jiangguang. Analyses and evaluation of the behaviour of recycled aggregate and recycled concrete[J]. Concrete, 2006(7):41-46.

[14]李紹鵬,劉良駿,李謨忍.再生骨料的關鍵特性分析[J].北方交通,2015(11):65-67.

LI Shaopeng, LIU Liangjun, LI Moren. Analysis on key characteristic of recycled aggregate[J]. Northern Communications, 2015(11):65-67.

[15]陳晉華.再生骨料對再生混凝土基本性能的影響[J].長沙大學學報,2015，29(5):29-31.

CHEN Jinhua. Influence of recycled aggregate on basic properties of recycled concrete[J]. Journal of Changsha University, 2015,29(5):29-31.

[16]陳昌萍,何富強,周先齊.再生骨料性質與原生混凝土強度等級的關系[J].廈門理工學院學報,2012,20(2):76-79.

CHEN Changping, HE Fuqiang, ZHOU Xianqi. Study on relationships between original concrete strength and properties of recycled aggregates[J]. Journal of Xiamen University of Technology, 2012，20(2):76-79.

[17]張晏清.建筑廢渣再生骨料混凝土的性能[J].建筑材料學報,2003,6(1):100-103.

ZHANG Yanqing. Properties of concrete made from waste building block[J]. Journal of Building Materials, 2003,6(1):100-103.

[18]鄧壽昌,羅冠祥.混凝土配合比設計與再生混凝土配合比設計方法的比較與分析[J].惠州學院學報,2011,31(3):9-18.

DENG Shouchang, LUO Guanxiang. Comparision and analysis of designs of mix ratio for benchmark concrete and recycled concrete[J]. Journal of Huizhou University, 2011，31(3):9-18.

[19]李曉克,郭琦,趙順波，等.全再生骨料混凝土配合比設計與試驗研究[J].華北水利水電學院學報,2013,34(4):53-56.

LI Xiaoke, GUO Qi, ZHAO Shunbo，et al. Experimental study on mix design of full-recycled-aggregate concrete[J]. Journal of North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power, 2013,34(4):53-56.

[20]張永娟,何舜,張雄,等.再生混凝土Bolomey公式的修正[J].建筑材料學報,2012,15(4):538-543.

ZHANG Yongjuan, HE Shun, ZHANG Xiong. Modification of the Bolomey formula in recycled aggregate concrete[J]. Journal of Building Materials, 2012,15(4):538-543.

(責任編輯：郎偉鋒)

收稿日期：2015-05-01

作者簡介：王彥(1975—)，男，山東滕州人，高級經濟師，主要研究方向為路橋工程及養護,E-mail：jgswya21cn.com.

DOI：10.3969/j.issn.1672-0032.2016.02.011

中圖分類號：U414

文獻標志碼：A

文章編號：1672-0032(2016)02-0061-05

The Mixture Ratio Design and Performance Analysis of Recycled Aggregate Concrete

WANGYan1，LIChuanjun2，DONGBo2，WANGXiaolong3

(1.ShandongHi-speedRood&BridgeCo.,Ltd.,Jinan250021,China;2.ShandongSuperhighwayandBridgeMaintenanceCo.,Ltd.,Jinan250032,China;3.SchoolofTransportationandCivilEngineering,ShandongJiaotongUniversity,Jinan250357,China)

Abstract:Aiming at the characteristics of the recycled coarse aggregate, the mixture ratio design of the recycled aggregate concrete is discussed based on the design method of the common concrete mixture ratio and regarding the coarse aggregate surface-dry state as the design reference. Through the C20 recycled aggregate concrete test, the compressive strength and dry shrinkage performance are analyzed. The test results show that the strength of the recycled aggregate concrete follows the Bolomey theory when the water-cement ratio range is 0.54 to 0.62, the recycled aggregate concrete volume is expanded by the water absorption from 1 to 7 d at the post-forming stage. Its volume becomes dry and shrinking after 7 d and later it becomes dry and shrinking obviously. Because the shrinkage strain of the recycled aggregate concrete is higher than that of the ordinary concrete, the maintenance should be strengthened in the recycled aggregate concrete construction to ensure the temperature and humidity.

Key words:recycled aggregate; surface-dry state; mixture ratio; compressive strength; shrinkage strain