道路面層用建筑垃圾再生混凝土配合比設(shè)計(jì)分析

雷 斌，徐原威，熊進(jìn)剛

(南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院，南昌 330031)

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道路面層用建筑垃圾再生混凝土配合比設(shè)計(jì)分析

雷 斌，徐原威，熊進(jìn)剛

(南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院，南昌 330031)

通過(guò)廢混凝土骨料和廢磚骨料按比例混合模擬建筑垃圾的組成，制成建筑垃圾再生混凝土，在分析廢磚骨料摻量、附加水用量和顆粒級(jí)配等對(duì)再生混凝土性能影響的基礎(chǔ)上，研究道路面層建筑垃圾再生混凝土配合比設(shè)計(jì)方法。結(jié)果表明：建筑垃圾再生混凝土抗折強(qiáng)度隨水灰比的增大而降低，隨附加水用量的增大而降低；當(dāng)再生粗骨料中摻25%磚骨料時(shí)，建筑垃圾再生混凝土基本力學(xué)性能滿足新建水泥路面面層材料的要求，而當(dāng)摻量達(dá)50%時(shí)，對(duì)再生混凝土抗折強(qiáng)度影響較大；顆粒級(jí)配的影響較小；用本文的計(jì)算公式得到的再生混凝土抗折強(qiáng)度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值很接近。

建筑垃圾； 再生混凝土； 配合比設(shè)計(jì)； 附加用水量； 抗折強(qiáng)度

1 引 言

再生混凝土是指將建筑廢棄物經(jīng)過(guò)破碎、清洗與分級(jí)后，按一定的比例與級(jí)配混合形成再生骨料，部分或全部代替砂石等天然骨料配制而成新的混凝土。歐美地區(qū)及日本等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)廢混凝土粗骨料制成的再生混凝土技術(shù)研究較早[1-2]，近年來(lái)國(guó)內(nèi)也開(kāi)始了再生混凝土相關(guān)方面的研究[3-4]。國(guó)內(nèi)外對(duì)廢混凝土骨料制備的再生混凝土在路用性能方面的試驗(yàn)研究結(jié)果表明[5-7]，廢混凝土再生粗骨料在水泥混凝土路面上的應(yīng)用是安全可行的，可以作為新建水泥路面的建筑材料。文獻(xiàn)[8-9]對(duì)廢磚再生粗骨料混凝土進(jìn)行了配合比及基本的力學(xué)性能試驗(yàn)研究。但這些是針對(duì)建筑垃圾中的廢混凝土或者是廢磚單一成分進(jìn)行的相關(guān)研究。王武祥[10]研究了建筑垃圾的組成與用量對(duì)再生混凝土性能的影響，結(jié)果表明廢磚骨料用量對(duì)再生混凝土強(qiáng)度的影響顯著，而廢混凝土骨料用量則對(duì)再生混凝土強(qiáng)度影響較小。張亞梅等[11]通過(guò)試驗(yàn)研究探索了再生混凝土配合比設(shè)計(jì)的方法，提出了在普通混凝土配合比設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行廢混凝土骨料的預(yù)吸水法；史巍等[12]提出了基于自由水灰比之上的配合比設(shè)計(jì)方法。對(duì)于建筑垃圾再生粗骨料全部取代天然粗骨料時(shí)路面面層用再生混凝土的配合比設(shè)計(jì)方法未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。因此有必要開(kāi)展這方面的研究，進(jìn)一步驗(yàn)證建筑垃圾再生混凝土在路面面層中應(yīng)用的可行性。

2 試 驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)?zāi)z凝材料采用“海螺”牌普通硅酸鹽水泥(P·O 42.5R)；細(xì)骨料采用天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.7；天然粗骨料為碎石，再生粗骨料為廢混凝土粗骨料和廢磚粗骨料，來(lái)源分別為某檢測(cè)中心的廢棄C30混凝土試塊和學(xué)生宿舍改造產(chǎn)生的廢棄磚塊，經(jīng)破碎篩分后所得；減水劑采用聚羧酸高效減水劑，減水率20%～40%，目的是改善混凝土的工作性能；水為自來(lái)水。本文采用的粗骨料性能見(jiàn)表1。

表1 再生粗骨料的性能

2.2 混凝土配合比

試驗(yàn)考慮水灰比和廢磚粗骨料在再生混凝土中粗骨料的取代率影響，據(jù)文獻(xiàn)[13]統(tǒng)計(jì)資料顯示，建筑垃圾組成成分中廢混凝土、碎磚(砌塊)和廢砂漿約占建筑垃圾總量的80%，而碎磚在這其中所占的比例大約在20%～50%范圍內(nèi)，其它如木材、玻璃等約占20%。取廢磚粗骨料取代率為0%、25%和50%。根據(jù)文獻(xiàn)[14]可知再生粗骨料1 h吸水率為24 h吸水率的75%左右，所以本文附加水按廢磚粗骨料吸水率的75%計(jì)算。本文擬采用再生混凝土配合比設(shè)計(jì)方法為預(yù)吸水法，而為了考慮方便施工，拌和時(shí)兩部分用水實(shí)際上是同時(shí)加入的。同時(shí)為了驗(yàn)證附加水對(duì)再生混凝土性能的影響，選用0.38水灰比設(shè)計(jì)了兩組配合比，附加水分別按廢磚粗骨料吸水率的50%和100%計(jì)算；再生混凝土配合比見(jiàn)表2(試件編號(hào)中NC代表天然混凝土；RC代表再生混凝土，不摻廢磚粗骨料；Q和H表示廢磚粗骨料在再生混凝土粗骨料中的取代率分別為25%和50%；下標(biāo)50和00表示附加水分別按廢磚粗骨料吸水率的50%和100%計(jì)算，其他無(wú)下標(biāo)表示附加水按廢磚粗骨料吸水率的75%計(jì)算)。另外為了驗(yàn)證粗骨料顆粒級(jí)配對(duì)再生混凝土的影響，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)將粗骨料粒徑分為4.75～16 mm(A)和16～26.5 mm(B)兩個(gè)區(qū)間，根據(jù)粗骨料篩分試驗(yàn)結(jié)果確定兩個(gè)區(qū)間粗骨料所占的百分比(A-55%，B-45%)，將天然粗骨料同樣分為兩個(gè)區(qū)間按比例加入到配合比中，配合比見(jiàn)表2。

表2 再生混凝土配合比

續(xù)表

2.3 試塊制作

試塊的制作采用表2配合比，用機(jī)械攪拌，振動(dòng)臺(tái)上振實(shí)成型，抗折試件尺寸：100 mm×100 mm×400 mm。第二天拆模后放入混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d?？拐蹚?qiáng)度試驗(yàn)按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定執(zhí)行。

3 結(jié)果與討論

3.1 廢磚粗骨料摻量對(duì)再生混凝土抗折強(qiáng)度影響

圖1 再生混凝土抗折強(qiáng)度隨水灰比的變化Fig.1 Flexural strength of recycled concrete changed with the change of W/C

各水灰比下再生混凝土試塊抗折強(qiáng)度分別見(jiàn)圖1。由圖1可知，隨著水灰比的增大，再生混凝土抗折強(qiáng)度均降低。在相同水灰比下，摻25%廢磚粗骨料再生混凝土強(qiáng)度最高，最低的為摻50%廢磚粗骨料再生混凝土。建筑垃圾再生混凝土中摻25%廢磚粗骨料后強(qiáng)度高于不摻廢磚粗骨料，這是由于摻25%廢磚粗骨料后，加入的附加水并不能使廢磚粗骨料完全吸水飽和，廢磚粗骨料會(huì)繼續(xù)吸水，導(dǎo)致其有效水灰比降低。當(dāng)廢磚粗骨料的摻量達(dá)到再生粗骨料的50%時(shí)，雖然其同樣會(huì)使再生混凝土的有效水灰比降低，但由于廢磚粗骨料摻量較高而其本身強(qiáng)度很低，最終使得再生混凝土強(qiáng)度降低，說(shuō)明當(dāng)廢磚粗骨料摻量較高時(shí)對(duì)再生混凝土的力學(xué)性能影響比較大。

3.2 附加水用量對(duì)再生混凝土抗折強(qiáng)度影響

不同附加水用量再生混凝土抗抗折強(qiáng)度見(jiàn)圖2。由圖2可知，抗折強(qiáng)度隨附加水量的增加而降低，這個(gè)跟水灰比的影響變化規(guī)律是一致的。加入的附加水為廢磚粗骨料吸水率的50%時(shí)，其與加入的附加水為廢磚粗骨料吸水率的75%時(shí)的抗折強(qiáng)度相差不大，相差約為4.0%。而當(dāng)附加水用量為廢磚粗骨料吸水率的100%時(shí)，再生混凝土抗折強(qiáng)度較附加水為廢磚粗骨料吸水率的50%時(shí)降低14.5%，降幅較大。結(jié)果表明不同附加水用量的加入改變了再生混凝土有效水灰比從而影響再生混凝土的強(qiáng)度，當(dāng)附加水量達(dá)到廢磚粗骨料的100%吸水率時(shí)，對(duì)再生混凝土的強(qiáng)度影響較大。

3.3 顆粒級(jí)配對(duì)再生混凝土抗折強(qiáng)度影響

考慮顆粒級(jí)配影響的再生混凝土抗折強(qiáng)度對(duì)比圖見(jiàn)圖3。由圖3可知，考慮用粒徑范圍為A、B區(qū)間天然粗骨料的按比例分別代替試件RC48H配合比中的再生粗骨料，試件的強(qiáng)度變化不大。RC48HA試件的抗折強(qiáng)度為4.38 MPa，而RC48HB試件的抗折強(qiáng)度為4.31 MPa，相差0.07 MPa，結(jié)果表明顆粒級(jí)配對(duì)再生混凝土的力學(xué)性能影響不大；但由于天然粗骨料的加入，所以其抗折強(qiáng)度均比RC48H要大。

圖2 再生混凝土抗折強(qiáng)度隨附加水用量的變化Fig.2 Flexural strength of recycled concrete changed with the change of supplementary water

圖3 考慮顆粒級(jí)配的再生混凝土抗折強(qiáng)度Fig.3 Flexural strengt of recycled concrete considered the grain composition

圖4 試件破壞界面(a)RC48HA;(b)RC48HBFig.4 Damage interface of specimen

試驗(yàn)后觀察到再生混凝土試件斷裂界面見(jiàn)圖4。由圖4可知，用顆粒粒徑在A區(qū)間(粒徑4.75～16 mm)的天然粗骨料代替再生粗骨料(見(jiàn)圖4a)發(fā)現(xiàn)，廢磚粗骨料在整個(gè)界面的分布比較均勻；而用顆粒粒徑在B區(qū)間(粒徑16～26.5 mm)的天然粗骨料代替再生粗骨料(見(jiàn)圖4b)發(fā)現(xiàn)，廢磚粗骨料在界面的分布集中在混凝土的中上部。這由于廢磚粗骨料本身較輕，在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)時(shí)較輕的骨料會(huì)往上部方向運(yùn)動(dòng)，但是當(dāng)廢磚粗骨料的顆粒粒徑較大時(shí)，其向上運(yùn)動(dòng)的阻力較大，所以分布較均勻；而當(dāng)廢磚粗骨料的顆粒粒徑較小時(shí)，其向上運(yùn)動(dòng)的阻力較小，更容易向上運(yùn)動(dòng)，所以會(huì)集中在試件的上部。

4 配合比中水灰比設(shè)計(jì)方法分析

《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F30-2014)給出了碎石混凝土的水灰比計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式，見(jiàn)式(1)。

(1)

式中：W/C-水灰比；fs-水泥實(shí)測(cè)28 d抗折強(qiáng)度；fc-混凝土配置28 d抗折強(qiáng)度。

若用式(1)推算建筑垃圾再生混凝土28 d抗折強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)計(jì)算值與實(shí)測(cè)的抗折強(qiáng)度相差較大，見(jiàn)圖5。由圖5可知，式(1)不適合于道路用建筑垃圾再生混凝土的配合比設(shè)計(jì)。

為了得出適用于再生混凝土水灰比計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)不摻廢磚粗骨料再生混凝土和摻25%廢磚粗骨料再生混凝土實(shí)際抗折強(qiáng)度(見(jiàn)表3)進(jìn)行擬合；而摻50%廢磚粗骨料對(duì)再生混凝土抗折強(qiáng)度影響較大，并未給予考慮。擬合試驗(yàn)結(jié)果得式(2)。

(2)

將計(jì)算得出的再生混凝土抗折強(qiáng)度與實(shí)際抗折強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖6。由圖6可知，用本文擬合得出的計(jì)算公式計(jì)算得出的再生混凝土抗折強(qiáng)度與實(shí)際抗折強(qiáng)度相差不大。

圖5 抗折強(qiáng)度推算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.5 Compared between calculated with actual flexural strength

圖6 抗折強(qiáng)度擬合值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.6 Compared between fitted with actual flexural strength

5 結(jié) 論

(1)建筑垃圾再生混凝土在摻25%廢磚粗骨料時(shí)，其基本的力學(xué)性能滿足路用時(shí)對(duì)混凝土材料的要求，可以在公路面層中使用；通過(guò)合理的配合比設(shè)計(jì)及改性可用于等級(jí)較高公路面層中。而當(dāng)廢磚粗骨料摻量為50%時(shí)，由于建筑垃圾再生混凝土的力學(xué)性能下降較大，所以建議要控制廢磚粗骨料的摻量;

(2)建筑垃圾再生混凝土抗折強(qiáng)度隨水灰比的增大而降低，隨附加水用量的增大而降低。建議附加水用量按廢磚粗骨料吸水率的75%進(jìn)行計(jì)算;

(3)顆粒級(jí)配對(duì)再生混凝土抗折強(qiáng)度影響不大。由于廢磚粗骨料較輕，振動(dòng)時(shí)更容易上浮，建議在實(shí)際工程中盡量選用粒徑較大的廢磚粗骨料;

(4)用本文計(jì)算公式得出的再生混凝土抗折強(qiáng)度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值很接近。

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Analysis on Mix Proportion Design of Construction Waste Recycled Concrete Used in Road Surface

LEIBin，XUYuan-wei，XIONGJin-gang

(School of Civil Engineering and Architecture,Nanchang University,Nanchang 330031,China)

Construction waste recycled concrete is made by mixing recycled brick aggregate and recycled concrete aggregate in proportion. Based on the analysis of the impact the mixing amount of waste brick aggregate, the amount of supplementary water and grain composition on the performance of recycled concrete, the method of mix proportion design on construction waste recycled concrete used in road surface is studied. It shows that the flexural strength of construction waste recycled concrete decreases with the increase of water-cement ratio and supplementary water. While the content of brick aggregate in recycled coarse aggregate is 25%, the basic mechanical performance of construction waste recycled concrete can satisfy the requirements of material to new cement pavement surface. While the content is 50%, the flexural strength of recycled concrete is greatly influenced by the brick aggregate. The influence of grain composition is very limited. The prediction of flexural strength of recycled concrete obtained by the calculating formula derived from this paper is very close to the actual flexural strength.

construction waste;recycled concrete;mix proportion design;additional water;flexural strength

國(guó)家自然科學(xué)基金(51562024)；江西省自然科學(xué)基金(20151BAB206057)；江西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(20161BBG70056)；江西省研究生創(chuàng)新資金資助(YC2015-S063)

雷 斌(1980-)，男，博士，副教授.主要從事再生混凝土材料與結(jié)構(gòu)研究.

熊進(jìn)剛，博士，教授.

TU525

A

1001-1625(2016)12-3931-05