配合比與骨料級配對再生混凝土磚強(qiáng)度的影響

蔡基偉，許鴿龍，閆思嘉，李靜，黃寧飛

（河南大學(xué)材料與結(jié)構(gòu)研究所，河南　開封　475004）

配合比與骨料級配對再生混凝土磚強(qiáng)度的影響

蔡基偉，許鴿龍，閆思嘉，李靜，黃寧飛

（河南大學(xué)材料與結(jié)構(gòu)研究所，河南開封475004）

再生骨料具有較高的吸水率，進(jìn)行配合比設(shè)計時必須考慮其吸水性。按一系列凈水膠比 (W0/B)，基于吸水率制備再生混凝土試樣，以研究配合比與骨料級配對再生混凝土磚強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)再生骨料最大粒徑 16mm、凈水膠比0.49 時，再生混凝土磚 28d 強(qiáng)度達(dá) 16.2MPa；當(dāng)再生骨料最大粒徑 5mm、凈水膠比 0.40 時，再生混凝土磚強(qiáng)度達(dá) 22.8MPa?？傮w說來，凈水膠比在 0.55 以下時，再生混凝土磚的強(qiáng)度均能達(dá)到 MU10 級以上。在再生混凝土磚中，再生骨料所吸的水起到自養(yǎng)護(hù)作用，既不增大凈水膠比，又為膠凝材料水化提供了補(bǔ)充來源，對提高強(qiáng)度有利。當(dāng)再生骨料最大粒徑為 5mm 時，不必另外加砂。用廢棄混凝土制備再生磚時，合理的最大粒徑宜為 16mm。

再生混凝土磚；再生骨料；配合比；抗壓強(qiáng)度

0　引言

有研究表明，廢棄混凝土若用于再生骨料混凝土可以節(jié)約 62% 的石灰石資源[1]。廢棄混凝土的再利用可以為建材行業(yè)挖掘出巨大的經(jīng)濟(jì)效益。并且近年來粘土磚的禁止生產(chǎn)使用，使人們更加傾向于建筑垃圾磚的開發(fā)，有研究說明再生磚完全可以替代粘土磚，而且再生磚在一些地方已經(jīng)用于樓房、蓄水池和古建筑工程中[2-3]。本文利用再生混凝土骨料制備再生磚，研究配合比與骨料級配對抗壓強(qiáng)度的影響。

1　試驗(yàn)原材料與方法

1.1原材料

（1）膠凝材料為 P·O42.5 水泥和 Ⅲ 級粉煤灰，水泥強(qiáng)度見表 1。

表1　水泥強(qiáng)度

（2）用廢棄混凝土破碎成兩種級配的再生骨料進(jìn)行試驗(yàn)，一種為 16mm 篩下的全部顆粒（RCA-16），吸水率為2.86%，另一種為 5mm 篩下的全部顆粒（RCA-5），吸水率為 6.50%，并用黃河特細(xì)砂作為補(bǔ)充細(xì)骨料，其細(xì)度模數(shù)為1.24。再生骨料與特細(xì)砂的級配曲線見圖 1 和圖 2。

圖1　再生骨料級配曲線

圖2　特細(xì)砂級配曲線

1.2試驗(yàn)方法

采用附加水法[4]進(jìn)行一系列 W0/B 的配合比設(shè)計。膠凝材料由 70% 水泥和 30% 粉煤灰組成，從 0.40 起步，按 0.10 步長遞增初定一系列 W0/B，以滿足成型要求的拌合物工作性確定合適的 W0/B，然后固定骨料用量、凈用水量（W0）、附加水量（W1）和外加特細(xì)砂（S）用量，整理最終配合比。試塊養(yǎng)護(hù)到規(guī)定齡期后，參照 GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測試抗壓強(qiáng)度。

2　結(jié)果與討論

2.1再生混凝土磚的配合比與強(qiáng)度

用不同骨料配制再生混凝土磚的配合比及其 28d 抗壓強(qiáng)度見表 2。

表2　再生混凝土磚的配合比與強(qiáng)度

2.2再生混凝土磚的抗壓強(qiáng)度與凈膠水比的關(guān)系

由表 2 可以看出，用 16mm 篩下再生骨料外加特細(xì)砂制備的再生磚，在 W0/B=0.49 時最高強(qiáng)度達(dá) 16.2MPa；只用5mm 篩下再生骨料不加特細(xì)砂制備的再生磚，在 W0/B=0.40時最高強(qiáng)度達(dá) 22.8MPa。

對表 2 中抗壓強(qiáng)度與凈膠水比（B/W0）的關(guān)系進(jìn)行線性回歸分析（如圖 3），得到再生混凝土磚的鮑羅米公式，如式(1)。

圖3　抗壓強(qiáng)度與凈膠水比的關(guān)系

式中：

αa、αb——回歸系數(shù)，見表 3；

fb——膠凝材料強(qiáng)度，可由式 (2) 估算。

式中：

γf——粉煤灰的影響系數(shù)，對于 Ⅲ 級粉煤灰取 0.65[5]；

fce——水泥 28d 抗壓強(qiáng)度，見表 1。

表3　不同骨料再生磚的回歸系數(shù)

由圖 3 得知，兩種再生骨料與特細(xì)砂混合制備的再生磚強(qiáng)度與 B/W0回歸直線的斜率，小于僅用 5mm 篩下骨料制備的試樣。該斜率反映了強(qiáng)度隨 B/W0變化的增長速率。圖 3 顯示再生細(xì)骨料所占比例越大，強(qiáng)度增長速率越大。這是由于再生細(xì)骨料的吸水率是粗骨料的兩倍之多，而原生天然砂的吸水率較之更小。在養(yǎng)護(hù)過程中，水泥水化首先消耗水泥漿中的水分，隨養(yǎng)護(hù)時間的延長，漿體中的水分逐漸減少，骨料所吸附的水在濕度梯度的作用下向漿體中轉(zhuǎn)移，使水泥與粉煤灰后期的水化都處于一個較高濕度的條件下，也就是說膠凝材料的水化反應(yīng)更加完全。

2.3骨料對強(qiáng)度的影響

由式(1)、式(2) 和表 3 中的回歸系數(shù)，可計算出在 W0/B介于 0.50～0.65 之間時再生磚的 28d 強(qiáng)度（如圖 4）。

圖4　用不同骨料制備再生磚的強(qiáng)度對比

由圖 4 看出，在 W0/B=0.50～0.65 區(qū)間內(nèi)，用 16mm 篩下骨料制備再生磚的強(qiáng)度普遍高于同水膠比 5mm 篩下骨料制備的再生磚，這與再生骨料的級配和性質(zhì)有關(guān)。首先，骨料的最大粒徑越大，骨料總體比表面積越小，新舊材料交界面就越少；其次，越大的顆粒所含原生骨料越多、含廢水泥漿越少，原生骨料自身具有較高的強(qiáng)度，對再生磚強(qiáng)度有利；而粘附在原生骨料表面的廢水泥漿強(qiáng)度相對較低，對再生磚強(qiáng)度不利。再生骨料顆粒越小，在加工過程中遭受外力破壞越嚴(yán)重，內(nèi)部就存在越多的裂紋，對再生磚強(qiáng)度不利。新舊材料交界面是再生磚內(nèi)部的薄弱環(huán)節(jié)，比表面積越小，弱面就越少；比表面積越大，表面吸附的廢粉就越多，對粘結(jié)強(qiáng)度不利。再生骨料的最大粒徑越大，其骨架作用的主導(dǎo)性越強(qiáng)，越能揚(yáng)長避短。

對于 5mm 篩下再生骨料，外加特細(xì)砂不但不能提高強(qiáng)度，反而使再生磚強(qiáng)度下降。這是因?yàn)?5mm 篩下再生骨料本身已經(jīng)擁有足夠多的細(xì)顆粒，外加特細(xì)砂使得大顆粒無法發(fā)揮骨架作用，小顆粒懸浮作用的主導(dǎo)性取代了填充作用，從而造成再生磚強(qiáng)度降低。

3　結(jié)論

（1）再生混凝土磚 28d 抗壓強(qiáng)度符合隨凈膠水比線性增加的規(guī)律。當(dāng)凈水膠比在 0.55 以下時，再生混凝土磚的抗壓強(qiáng)度均可達(dá)到 MU10 級別。用 16mm 篩下再生骨料外加特細(xì)砂，按 0.49 凈水膠比制備的再生磚強(qiáng)度可達(dá) 16.2MPa，只用 5mm 篩下再生骨料按 0.40 凈水膠比制備的再生磚強(qiáng)度達(dá)22.8MPa。

（2）再生骨料吸附的水對再生磚具有自養(yǎng)護(hù)功能，為后期水化起到了補(bǔ)充水分的作用，使膠凝材料的水化更完全。

（3）與最大粒徑較小的級配相比，16mm 篩下再生骨料具有自身強(qiáng)度較高、比表面積較小、微裂紋較少、粘附廢水泥漿較少、吸附廢粉也少的優(yōu)點(diǎn)。同時能起到很好的骨架作用，對再生混凝土磚的強(qiáng)度有利，而且還有利于節(jié)約水泥和降低能耗。

[1] 萬惠文，水中和，林宗壽，等．再生混凝土的環(huán)境評價[J].武漢理工大學(xué)報，2003,25(4):17-20．

[2] 張孟雄，張學(xué)良，王衛(wèi)秋，等．建筑垃圾磚的開發(fā)及應(yīng)用[J]．粉煤灰綜合利用，2006,(3):43-45．

[3] 周理安．建筑垃圾再生磚制備技術(shù)及其性能研究[D]．北京建筑工程學(xué)院，2009．

[4] 宗蘭，余倩，張士萍．碎磚類骨料再生混凝土的配合比設(shè)計研究[J]．混凝土，2012,(12):113-116．

[5] JGJ 55-2011．普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程[S]．

［通訊地址］河南省開封市金明大道（475004）

Effect of proportion and aggregate gradation on strength of the recycled concrete brick

Cai Jiwei, Xu Gelong, Yan Sijia, Li Jing, Huang Ningfei
(Institute of Materials and Structures, Henan University, Kaifeng 475004, China)

Recycled concrete aggregate (RCA) has a high water absorption that must be considered in proportion design. The concrete samples with RCA in a series of net water-to-binder ratios (W0/B) were prepared to study the effect of proportion and RCA gradation on compressive strength of recycled concrete brick. The results reveal that 28d compressive strength of brick with minus 16 mm RCA in W0/ B of 0.49 was 16.2 MPa; and the strength of brick with minus 5 mm RCA in W0/B of 0.40 reached 22.8 MPa; The strength grade of bricks can reach to MU10 when W0/B≤0.55. The water absorbed by aggregate provides necessary humidity required by hydration reaction of cementitious materials and contributes to strength development. When the brick is prepared with minus 5 mm RCA, it needs not to add excess ultra-fine sand. The best value of maximum particle size of RCA should be 16 mm rather than any smaller one.

recycled concrete brick; recycled aggregate; proportion; compressive strength

蔡基偉（1963—），男，教授，博士。主要從事高性能水泥基材料和固體廢棄物資源化利用研究。