再生混凝土配合比設計方法現狀分析

楊震 李奕方 周汝光

摘 要：本文圍繞再生混凝土配合比設計方法，分析了水膠比、單方用水量和砂率三個配合比設計中的關鍵參數對再生混凝土強度和工作性能的影響，介紹了這三個參數的確定方法和研究進展，同時闡述了再生混凝土配合比設計的新方法。其間對目前的再生混凝土配合比設計方法進行了總結，評述了這些方法的優缺點，為再生混凝土配合比設計提供了研究方法和思路。

關鍵詞：再生混凝土;配合比設計;水膠比;單方用水量;砂率

中圖分類號：TU528文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）03-0072-04

Review on Current Situation of Recycled Concrete Mix Design Method

YANG Zhen1 LI Yifang2 ZHOU Ruguang1

（1.Henan Urban Planning Institute & Corporation，Zhengzhou Henan 450053;2. Henan Construction Drawing Review Center Corporation，Zhengzhou Henan 450099）

Abstract： This paper focused on the mixture design method of recycled concrete， analyzed the influence of three key parameters of mixture proportion design （including water-binder ratio， unit water consumption and sand ratio） on the strength and workability of recycled concrete， introduced the determination method and research progress of these three parameters， and explained the new method of recycled concrete mix design. In the meantime， the current design methods of recycled concrete mix were summarized， the advantages and disadvantages of these methods were reviewed， and the research methods and ideas were provided for the design of recycled concrete mix.

Keywords： recycled concrete;mix design;water-binder ratio;water consumption per unit;sand ratio

凡是由膠凝材料、集料和水等按適當比例配合拌制的混合物，再經澆筑成型硬化后得到的人造石材，都統稱為混凝土。以水泥為膠凝材料的水泥混凝土是現代土木建筑工程中應用最為廣泛的一類建筑材料。水泥混凝土主要由水泥、砂、石子及水四種基本材料組成，砂子填充石子空隙，水泥和水形成水泥漿，填充砂、石的空隙。每立方米混凝土需要石子800～1 200 kg，需要砂子600～800 kg。水泥混凝土的應用廣泛，導致砂石用量激增。聯合國環境署預測，到2030年，全球每年對砂石的需求將接近500億t。天然砂石集料的生產需要挖掘大量的山體與河道，對環境的損害不容忽視，尤其是我國目前砂石的自然資源接近枯竭。

隨著我國城市化建設的逐步推進，城市化改造期間產生大量建筑垃圾，其中廢舊混凝土最為龐大，占整個建筑垃圾的40%～50%[1]。近年來，建筑垃圾的無序堆放已成為社會問題，建筑垃圾滑坡、堵塞河道等事件時有發生，已經對城市的環境和安全造成一定威脅，妥善處理和使用建筑垃圾成為亟待解決的社會問題。再生骨料混凝土（Recycled Aggregate Concrete，RAC）是指將廢棄的混凝土經分離、破碎、清洗、篩分后制作成再生骨料（Recycled Aggregate，RA），全部或部分取代天然骨料從而配制成為新的混凝土[2]。再生骨料混凝土能有效處理城市建設過程中產生的建筑廢棄物，減少對天然砂石等自然資源的需求和依賴，降低建筑垃圾對環境產生的污染。因此，廢棄混凝土的回收利用逐漸獲得重視。

由廢棄的混凝土制成的再生骨料顆粒存在棱角過多、針狀物占比過大、內部細微裂紋過多的問題，同時，再生骨料表面往往覆蓋著一層水泥砂漿且攜帶著大量的粉塵，這些因素會導致其與天然骨料相比，壓碎指標大，孔隙率大，吸水率高。混凝土配合比設計是指調整和優化混凝土組成材料水泥、摻合料、水、砂、石和外加劑之間的比例關系，合理的配合比設計使配制的混凝土能夠滿足強度、工作性能和耐久性等要求，同時遵循經濟性原則。配合比設計直接決定混凝土性能，是再生混凝土材料和結構研究的基礎。目前，再生混凝土配合比設計沒有統一的標準，因此在研究過程中，很多學者都按照普通混凝土的配合比設計方法對再生混凝土進行配合比設計，導致配制的再生混凝土強度和工作性能都會隨著再生骨料取代率的增加而降低，粗骨料使用再生骨料，其混凝土強度比天然骨料混凝土強度要降低5%～24%。當粗細骨料都使用再生骨料時，其混凝土強度比天然骨料混凝土強度要降低15%～40%。同時，再生骨料混凝土的彈性模量比天然骨料混凝土有所降低，徐變和收縮變形要增大，耐久性要降低[3-4]。幾乎所有研究表明，再生骨料混凝土性能較天然骨料混凝土差。

近年來，有學者不斷研究適合再生混凝土的配合比設計方法，在水膠比、單方用水量、砂率等計算方法等方面進行了很多研究。筆者對其最新研究進展進行整理和分析，提出自己的看法和見解，供再生混凝土配合比設計使用。

1 水膠比

水膠比是決定混凝土強度的重要參數，《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ 55—2011）[5]規定，根據混凝土的配制強度以及所用水泥的強度，通過式（1）可以計算出混凝土的所需水膠比。

[W/B=αafbfcu，0+αaαbfb]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中，[WB]為水膠比;[fcu，0]為混凝土的配制強度;[fb]為水泥28 d膠砂強度;[αa]、[αb]為回歸系數，[αa]、[αb]可根據工程所使用的原材料，通過試驗數據回歸得到，或者使用其推薦值，當所用石子為碎石時，[αa=0.53]，[αb=0.2]，當所用石子為卵石時，[αa=0.49]，[αb=0.13]。《實用建筑材料試驗手冊》[6]定義[αa]為水泥強度轉化系數，表示水泥的膠砂強度轉化為混凝土強度的轉化率;[αb]為虛擬水膠比，即混凝土強度等于0時的水膠比，這個水膠比是虛擬的，它與水泥的水化強度及骨料在混凝土中的骨架作用大小有關。

國內外研究一致表明，當水膠比保持不變時，隨著再生骨料取代率的增加，再生混凝土的強度不斷降低[7-9]。一些學者通過研究再生混凝土的強度與水膠比之間關系得到[10-14]，再生混凝土抗壓強度與灰水比基本符合Bolomey式關系，但是由于再生骨料性質與天然骨料不同，人們需要通過試驗確定Bolomey式中的系數。在此基礎上，有研究通過試驗回歸得到[αa]、[αb]，發現[αa]、[αb]與再生骨料取代率存在一定的關系，得到了[αa]、[αb]與再生骨料取代率之間的關系式[10]，但是其只適用于《再生骨料應用技術規程》（JGJ/T 240—2011）中的二類再生骨料，二類再生骨料只能用于配制C40強度以下的混凝土。

目前，再生骨料配合比設計中的水膠比確定方法取得了一定進展，但是依然存在很多問題。首先，再生骨料品質的離散性較大，[αa]、[αb]兩個試驗回歸系數確定較為困難，雖然目前已經有一些學者建立了[αa]、[αb]與再生骨料取代率之間的關系，但是其普適性還需要進一步地進行試驗驗證。其次，由于水膠比計算公式只考慮了再生粗骨料對混凝土強度的影響，再生細骨料的加入會進一步導致再生混凝土強度的降低，再生細骨料對強度的影響機理還不明確，再生骨料混凝土水膠比計算中是否需要引入再生細骨料的影響系數，需要進一步考慮?？傊?，目前還沒有建立真正適合再生混凝土水膠比的計算方法，能夠使配制的再生混凝土達到目標強度。關于再生混凝土的水膠比確定方法需要進一步深入研究。

2 單方用水量

混凝土的單方用水量為每立方米混凝土的用水量，雖然目前有很多高效減水劑，但是單方用水量依然是混凝土工作性能的重要決定因素。每增減1 kg水，同時增加或減少1 L膠凝材料漿體量，用水量還會影響膠凝材料漿體黏度的大小，而膠凝材料漿體量和用水量是混凝土拌合物工作性能最敏感的影響因素。普通混凝土配合比設計中，根據石子類型、石子最大粒徑以及混凝土目標塌落度確定單方用水量。而再生混凝土骨料表面附著大量的水泥砂漿，其吸水率遠高于天然骨料。使用普通混凝土單方用水量配制再生混凝土時，再生骨料會吸取大量的水分，導致拌合物的有效水分明顯減少，其塌落度會明顯低于天然混凝土拌合物的塌落度[15]。根據文獻[16-17]中的試驗數據，得到不同取代率下混凝土單方用水量與塌落度之間的關系圖，如圖1所示，混凝土的單方用水量隨著坍落度的增加而增大，并且當坍落度一定時，混凝土的單方用水量隨著再生骨料取代率的增加而增大。

為了解決這個問題，在對再生骨料進行配合比設計時，通常會考慮其高吸水率的特性。為了不降低塌落度，進行配合比設計時，除了采用普通混凝土配合比設計得到的用水量外，還可額外增加再生骨料達到吸水飽和狀態時所需要的用水量，這種方法被稱為附加用水量法[18-19]。圖2為不同砂率下單方混凝土的附加用水量與塌落度之間的關系圖，可見附加用水量隨著砂率的減小而不斷增大，當砂率一定時，單方附加用水量隨著坍落度的增大而增大。

這部分額外附加用水量需要根據再生骨料的吸水率進行計算。對于拌制混凝土的用水量，分別按不考慮吸水的總用水量和扣除骨料吸水消耗的凈用水量，計算與之相對應的總水灰比和凈水灰比。這種用水量計算方法較為煩瑣，在實際混凝土澆筑中，再生骨料吸水飽和需要一定的時間，這種方法無法精確控制拌合物的實際用水量，會間接影響再生骨料混凝土的水膠比和強度。

還有學者選擇在澆筑混凝土前，先將再生骨料濕水，使其達到吸水飽和狀態，這樣再生骨料就不會消耗拌合物中的有效水分。研究表明，預吸水處理的再生骨料能夠減小因其自身吸水率高的缺陷對再生骨料混凝土性能的影響，因此預吸水或對用水量進行調整的處理方法能使混凝土配合比設計更為合理。但實際澆筑中，人們很難精確控制再生骨料使其處于吸水飽和狀態，這種方法可行性和可操作性都不高。

有研究[14]建立了再生混凝土的單方用水量計算公式，即

[Wg=C（0.1T+Kg）]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中，[Wg]為再生骨料混凝土單方需水量;[C]為影響系數，可通過試驗數據回歸分析得到;[T]為再生混凝土的目標塌落度;[Kg]為與再生骨料的類型、粒徑取代率和吸水率有關的系數。

這種方法可以直接計算出再生混凝土的單方用水量，但其系數需要通過試驗回歸分析才能確定，計算方法的實用性及適用范圍仍需要進一步研究。

3 砂率

砂率為砂子的質量占所有砂石骨料總質量的比例。砂子的作用是填充石子間的空隙，與水泥混合后形成水泥砂漿，水泥砂漿包裹在石子外面，可以減少石子間的摩擦，使混凝土具有一定的流動性。砂率的改變會改變石子間的空隙率和粗細骨料的總表面積，顯著影響混凝土拌合物的和易性。砂率過大，隨著砂率增加，粗細骨料的總表積增大，在水泥漿用量一定的條件下，骨料表面包裹的漿量變薄，潤滑作用下降，使混凝土流動性降低;若砂率過小，則石子間的空隙率會增加，水泥砂漿總量也減少，如果不能保證石子之間有足夠的砂漿層，就會降低拌合物的流動性，同時影響其黏聚性和保水性，易造成流漿和離析現象。在漿體量不變的條件下，合理的砂率可以使混凝土拌合物獲得較高的流動性和良好的和易性，尤其是黏聚性和保水性。砂率對混凝土硬化后的密實度、力學性能和耐久性能也有重要影響。砂率是混凝土配合比設計中的重要參數。普通混凝土配合比設計中，砂率一般根據骨料的技術指標、混凝土拌合物的性能和施工要求，參考歷史資料進行確定。若沒有歷史資料，則砂率根據水膠比、骨料類型和最大粒徑查表得到。

再生混凝土砂率研究目前主要有以下幾種成果。合理的砂率可以提高混凝土的密實度，改善再生混凝土的力學性能，但無法改善再生骨料表面附著的水泥砂漿強度，當混凝土受力時，薄弱區為新舊砂漿界面過渡區，造成再生混凝土力學強度下降。由于再生骨料表面包裹著舊的水泥砂漿，表觀密度低、棱角多、空隙率較大，這些空隙需要由細骨料砂子來填充，為了保證再生混凝土的工作性能，其所需砂率一般大于普通混凝土的砂率。有研究建立了砂率的計算公式，再生混凝土砂率隨著再生骨料取代率和空隙率的增大而增加，再生骨料取代率增加25%，砂率增大1.2%左右[14]。但是，在相同配合比條件下，C30強度等級的再生混凝土坍落度隨著砂率的增加而逐漸減小，與普通混凝土相比，再生混凝土坍落度值要更小些;隨著砂率的不斷增加，C30再生粗骨料混凝土的抗壓強度變化幅度較小，逐漸趨于平穩，對中低等強度等級的混凝土而言，砂率不同，對混凝土的抗壓強度影響較小;與普通混凝土相比，再生粗骨料混凝土的抗壓強度有少許下降。

再生骨料表面包裹一層舊的水泥砂漿，加上新拌混凝土所用的砂子，一般會導致再生混凝土實際砂率遠高于普通混凝土，這也是再生混凝土變形遠大于普通混凝土的重要原因，目前還沒有針對再生混凝土砂率的良好計算方法。

4 配合比設計新方法

目前，人們已經研究出多種制備再生骨料混凝土的配合比設計程序，其中被認為最適用于再生骨料混凝土配合比設計的是ACI（美國認證協會）方法。針對不同強度等級的再生骨料混凝土，人們通過試驗提出了一種改進骨料水泥比的方法。由于骨料水泥比提高，為了達到設計的強度，人們需要向再生骨料混凝土中額外添加8%～13%的水泥，水泥用量越多，表明混凝土強度等級越高。水泥用量的增加會提高成本，同時增大混凝土的變形。

在傳統的再生骨料混凝土制備工藝中，砂漿體積由再生骨料自身附著的殘余砂漿和新制備的砂漿構成。由于配合比設計時直接將再生骨料看作粗骨料從而忽略其附著的殘余砂漿，因此按照傳統方法制備出的再生骨料混凝土總水泥砂漿量遠大于普通天然骨料混凝土的砂漿量，這導致制備的再生混凝土彈性模量低、收縮變形增加、抗凍融能力變差和滲透率提高。為了解決上述問題，人們提出一種再生混凝土配合比設計方法——等砂漿體積法，因為再生骨料是天然石子和水泥砂漿組成的復合材料，所以再生骨料中的殘余砂漿也是用再生骨料制備的再生混凝土水泥砂漿的一部分，如果進行配合比設計時能夠保證新拌的再生骨料混凝土中的水泥砂漿總量（即殘余砂漿和新制備的水泥砂漿）與普通混凝土的水泥砂漿量相同，就可以保證再生骨料混凝土與普通混凝土具有相似的力學性能，這種配合比設計方法已經通過試驗驗證。但是，這種配合比設計方法計算煩瑣，并且再生骨料的取代率一般都達不到100%。所以，目前國內外還沒有真正適合再生混凝土的配合比設計方法。

5 結論

本文總結了國內外再生混凝土配合比設計方法的研究進展，對配合比設計中水膠比、單方用水量和砂率三個重要設計參數的計算方法進行梳理，主要得出以下結論。一是Bolomey式關系可用于再生混凝土水膠比計算，但是再生骨料品質的離散性較大，[αa]、[αb]兩個系數需要通過試驗回歸確定，雖然目前已經有一些[αa]、[αb]與再生骨料取代率之間的計算模型，但是其普適性還需要進一步驗證。二是目前再生混凝土單方用水量的確定方法仍不統一，雖然根據再生骨料吸水率增加的額外用水量可以解決再生骨料需水量過大的問題，但是計算和施工過程都比較煩瑣，尤其是影響再生混凝土的水膠比，從而影響其強度。三是再生骨料表面包裹一層舊的水泥砂漿，一般會導致再生混凝土實際砂率遠高于普通混凝土，砂率過大是引起再生混凝土變形和收縮量增大的主要原因，如何合理控制砂率是再生混凝土配合比設計的關鍵。

參考文獻：

[1]肖建莊.再生混凝土[M].北京：中國建筑工業出版社，2008：56-57.

[2]DING T，XIAO J，TAM V W Y.A closed-loop life cycle assessment of recycled aggregate concrete utilization in China[J].Waste Management，2016（56）：367-375.

[3]KIGKU N，JOSHI H，ANSARI M，et al.A critical review and assessment for usage of recycled aggregate as sustainable construction material[J].Construction and Building Materials，2017（131）：721-740.

[4]SILVA R V，BRITO J D，DHIR R K.Prediction of the shrinkage behavior of recycled aggregate concrete：A review[J].Construction and Building Materials，2015（77）：327-339.

[5]住房和城鄉建設部.普通混凝土配合比設計規程：JGJ 55—2011[S].北京：中國建筑工業出版社，2011.

[6]張彩霞.實用建筑材料試驗手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2011：42-43.

[7]SOMNA R，JATURAPITAKKUL C，CHALEE W，et al.Effect of the Water to Binder Ratio and Ground Fly Ash on Properties of Recycled Aggregate Concrete[J].Journal of Materials in Civil Engineering，2012，（1）：16-22.

[8]XIAO J，LI W，FAN Y，et al.An overview of study on recycled aggregate concrete in China （1996-2011）[J].Construction and Building Materials，2012（31）：364-383.

[9]KISKU N，RAJHANS P，PANDA S K，et al.Microstructural investigation of recycled aggregate concrete produced by adopting equal mortar volume method along with two stage mixing approach[J].Structures，2020（24）：742-753.

[10]鄧壽昌，張學兵.再生混凝土強度計算Bolomey公式回歸系數αa′、αb′的試驗研究[J].混凝土，2012（8）：24-26.

[11]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（4）：538-543.

[12]周棟梁，周偉玲，林瑋.關于再生混凝土強度計算公式的試驗研究[J].混凝土，2009（12）：8-10.

[13]孫躍東，肖祥，龐儉，等.再生骨料混凝土的配合比試驗研究[J].山東科技大學學報（自然科學版），2009（1）：25-29.

[14]高丹盈，張麗娟，蘆靜云，等.再生骨料混凝土配合比設計參數研究[J].建筑科學與工程學報，2016（1）：8-14.

[15]MONTERO J，LASERNA S.Influence of effective mixing water in recycled concrete[J].Construction and Building Materials，2017（132）：343-352.

[16]蘆靜云.鋼纖維再生混凝土配合比及基本力學性能[D].鄭州：鄭州大學，2014：26-27.

[17]李秋義.再生混凝土技術[M].北京：中國建材工業出版社，2010：77-78.

[18]盛黎.再生混凝土水量和原料配比研究[J].浙江樹人大學學報（自然科學版），2010（1）：31-34.

[19]張學兵，鄧壽昌，黃繼承，等.再生混凝土單位體積用水量的計算[J].中南林學院學報，2005（5）：105-107.