全再生骨料混凝土配合比設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

李曉克，郭 琦，趙順波，李廣欣，蘇延峰

(華北水利水電大學(xué) 土木與交通學(xué)院，河南 鄭州 450045)

由于混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命大多為幾十年，這些結(jié)構(gòu)完成其使用功能后，一般會(huì)被拆除和廢棄.世界上每年因拆除而產(chǎn)生的混凝土垃圾數(shù)量驚人，我國(guó)每年的建筑垃圾達(dá)4 000 萬(wàn)t，廢棄混凝土就有1 360萬(wàn)t.如何解決如此之多的建筑垃圾，已經(jīng)成為世界各國(guó)研究的熱點(diǎn)［1］.再生骨料混凝土為其提供了一個(gè)綠色環(huán)保的發(fā)展方向，關(guān)于這方面的研究國(guó)內(nèi)外也取得了一定的成果.因河砂的大規(guī)模開(kāi)采會(huì)引發(fā)河道的環(huán)境惡化［2］，可考慮采用100%的再生砂作為細(xì)骨料、100%的再生粗骨料作為粗骨料配制全再生骨料混凝土，以避免河道環(huán)境惡化現(xiàn)象的發(fā)生.通過(guò)試驗(yàn)研究了全再生骨料混凝土的拌合物工作性、立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和彈性模量，分析了水灰比、砂率對(duì)混凝土的影響規(guī)律，為再生骨料混凝土的配合比設(shè)計(jì)提供參考.

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

水泥采用焦作“堅(jiān)固”牌P·O 42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥，其標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量29.2%，初凝和終凝時(shí)間分別為170，260 min，密度3.16 kg/m3，28 d 抗壓強(qiáng)度43.0 MPa、抗折強(qiáng)度7.0 MPa.

再生粗骨料利用廢棄混凝土制備.將土木交通科學(xué)研究中心廢棄的科研梁板構(gòu)件(混凝土強(qiáng)度等級(jí)約為C40)經(jīng)人工初步拆分剔除鋼筋后，通過(guò)顎式破碎機(jī)進(jìn)行兩次破碎成合適的粒形.經(jīng)過(guò)篩分選取3 個(gè)單粒級(jí)配，粒徑范圍為5～10 mm，10～20 mm，20～26.5 mm，按粗骨料總量的40%，30%，30%混合，達(dá)到符合現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的碎石或卵石的顆粒連續(xù)級(jí)配范圍［3］.再生粗骨料基本性質(zhì)見(jiàn)表1，吸水率延時(shí)曲線如圖1 所示.

表1 再生粗骨料基本性質(zhì)

圖1 再生粗骨料與再生砂吸水率延時(shí)曲線

細(xì)骨料為再生砂，由制備的再生粗骨料篩分而成，表觀密度為2 387 kg/m3，細(xì)度模數(shù)3.28，吸水率延時(shí)曲線如圖1 所示，1 h 吸水率為8.92%.

拌合水采用生活飲用自來(lái)水.減水劑采用高效減水劑，減水率為25%.

1.2 配合比設(shè)計(jì)

參照普通混凝土配合比的設(shè)計(jì)方法，并基于自由水灰比的配合比設(shè)計(jì)，考慮集料的吸水率，引入附加水(W附)的概念［4－9］.由圖1 可見(jiàn)，粗、細(xì)骨料30 min的吸水率已經(jīng)達(dá)到1 h 吸水率的80%以上，且增長(zhǎng)率趨于平穩(wěn).故該試驗(yàn)的附加水用量采用集料30 min 時(shí)的吸水率作為附加水的計(jì)算依據(jù)，總用水量為凈用水量(W凈)與附加用水量之和.通過(guò)調(diào)整砂率以及利用減水劑進(jìn)一步優(yōu)化配合比設(shè)計(jì).試驗(yàn)選取3 個(gè)系列水灰比，分別為RC－Z30 (W/C=0.40)、RC－Z40 (W/C=0.35)和RC－Z50(W/C=0.26).每個(gè)系列對(duì)應(yīng)4 個(gè)砂率.配合比設(shè)計(jì)見(jiàn)表2.

表2 配合比設(shè)計(jì)

1.3 試驗(yàn)方法

混凝土攪拌時(shí)，首先加入附加用水量預(yù)濕粗、細(xì)骨料10 min，然后加入摻入減水劑的凈用水量進(jìn)行攪拌.混凝土拌合物試驗(yàn)和混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)按現(xiàn)行普通混凝土試驗(yàn)方法進(jìn)行［10－11］.混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊成型后24 h 脫模，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)28 d 進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn).

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 拌合物工作性能

全再生骨料混凝土砂率－ 坍落度關(guān)系如圖2所示.

圖2 砂率－坍落度關(guān)系曲線

在水灰比相同的情況下，全再生骨料混凝土的坍落度隨砂率的變化而變化.在砂率相對(duì)較小時(shí)，坍落度隨砂率的增大而增大，但砂率過(guò)大時(shí)其坍落度值反而有所減小，影響了其工作性能，其發(fā)展規(guī)律與普通骨料混凝土類似.通過(guò)調(diào)節(jié)砂率的方法獲得全再生骨料混凝土的合適工作性是可行的.全再生骨料混凝土W/C=0.40 的合理砂率為40%左右，W/C=0.35的合理砂率為38%左右，W/C=0.26 的合理砂率為36%左右.

由于再生細(xì)骨料和再生粗骨料的吸水率都比較大，試驗(yàn)中記錄了各強(qiáng)度等級(jí)的坍落度延時(shí)損失，繪制成曲線，如圖3 所示.

圖3 坍落度延時(shí)損失曲線

不同強(qiáng)度等級(jí)下的全再生骨料混凝土，其坍落度損失速率和數(shù)值相差不大，損失較快的時(shí)間集中在前30 min.所以在不加入其他外摻劑的情況下，全再生骨料混凝土試件成型過(guò)程中，施工時(shí)間應(yīng)盡量控制在30 min 以內(nèi).

2.2 混凝土抗壓強(qiáng)度

如圖4 所示，水灰比仍是全再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的主要影響因素.在水灰比相同的情況下砂率的變化雖然導(dǎo)致了混凝土強(qiáng)度小幅度變化，但仍處于同一強(qiáng)度等級(jí).比較立方體抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu和軸心抗壓強(qiáng)度f(wàn)c值，發(fā)現(xiàn)立方體抗壓強(qiáng)度的變化幅度要小于軸心抗壓強(qiáng)度.整體來(lái)看，其特點(diǎn)類似于普通混凝土，合理的砂率填充混凝土的細(xì)小縫隙，使得混凝土更加密實(shí)，強(qiáng)度更高.使各水灰比的全再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度較高的合理砂率，同時(shí)也使拌合物的工作性能較好.

圖4 砂率與混凝土抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

由圖4 可知，全再生骨料混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的比值fc/fcu=0.84～0.95.根據(jù)文獻(xiàn)［12－13］，當(dāng)fcu≤50 MPa 時(shí)，該比值對(duì)應(yīng)于普通混凝土應(yīng)取0.76.因此，按照現(xiàn)行規(guī)范由混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)應(yīng)選取軸心抗壓強(qiáng)度，適用于全再生骨料混凝土，且是偏于安全的.

2.3 混凝土抗拉強(qiáng)度

全再生骨料混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度f(wàn)spt也隨著砂率的變化而變化，數(shù)值上隨水灰比的減小而增大，總體變化規(guī)律與立方體抗壓強(qiáng)度類似，如圖5 所示.

圖5 砂率與混凝土抗拉強(qiáng)度的關(guān)系

根據(jù)文獻(xiàn)［12－13］，普通混凝土的抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式為

按式(1)計(jì)算全再生骨料混凝土的抗拉強(qiáng)度，與劈裂抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)值比較如圖5 所示.可見(jiàn)試驗(yàn)值與計(jì)算值的比值，W/C=0.26 系列為0.97～1.05，W/C=0.35 系列為0.86～0.98，W/C=0.40系列為0.80～0.87.證明如果采用式(1)計(jì)算全再生骨料混凝土的抗拉強(qiáng)度，將出現(xiàn)預(yù)估過(guò)量的情況.同時(shí)，該比值隨著水灰比的增大而減小，也說(shuō)明了全再生骨料混凝土的抗拉強(qiáng)度受到了再生骨料與水泥漿界面黏結(jié)性能降低的影響，水灰比越大，再生骨料與水泥漿界面出現(xiàn)缺陷的幾率也越大，從而降低了全再生混凝土的抗拉強(qiáng)度.

2.4 混凝土彈性模量

砂率對(duì)全再生骨料混凝土的彈性模量有一定的影響，合理的砂率使得混凝土更加密實(shí)，彈性模量值更大，變化規(guī)律與抗壓強(qiáng)度的類似，如圖6 所示.

圖6 砂率與混凝土彈性模量的關(guān)系

根據(jù)文獻(xiàn)［12－13］，普通混凝土的彈性模量計(jì)算公式為

按式(2)計(jì)算全再生骨料混凝土的彈性模量，與試驗(yàn)值的比較如圖6 所示.彈性模量的試驗(yàn)值與式(2)計(jì)算值的比值為0.87～0.97.因此，不能按照式(2)預(yù)測(cè)全再生骨料混凝土的彈性模量.也說(shuō)明當(dāng)強(qiáng)度等級(jí)相同時(shí)，全再生骨料混凝土的彈性模量低于普通混凝土的彈性模量.

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)全再生骨料混凝土配合比設(shè)計(jì)及其拌合物工作性、硬化混凝土的基本力學(xué)性能的試驗(yàn)研究，可得出如下的結(jié)論.

1)水灰比是影響全再生骨料混凝土的主要因素.水灰比增大時(shí)，再生骨料與水泥漿體界面的黏結(jié)性能降低，從而影響了全再生骨料混凝土的基本力學(xué)性能，對(duì)抗拉強(qiáng)度和彈性模量的影響更為顯著.

2)全再生骨料混凝土W/C=0.40 的合理砂率約為40%，W/C=0.35 的合理砂率約為38%，W/C=0.26的合理砂率約為36%.

3)全再生骨料混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度可按現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范取值，但其抗拉強(qiáng)度和彈性模量按現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范取值則存在較大偏差，偏于不安全，需要進(jìn)一步通過(guò)大量試驗(yàn)研究加以確定.

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