再生骨料混凝土強度離散性試驗研究

陳海霞 宋學(xué)慶

摘 要：通過在天然骨料中摻加部分再生骨料，配制了4組骨料（骨料組號依次為RA0，RA25，RA50和RA75，總骨料中再生骨料體積百分比依次為0%，25%，50%和75%）。首先對4組骨料的壓碎指標(biāo)和吸水率進行了測試，其次用4組骨料配制了4組混凝土，對混凝土進行了抗壓強度和抗折強度試驗。分析骨料測試數(shù)據(jù)和強度試驗數(shù)據(jù)得出：天然骨料（RA0）壓碎指標(biāo)變異系數(shù)為0.095，吸水率變異系數(shù)為0.089，其他3組再生骨料壓碎指標(biāo)變異系數(shù)為0.185～0211，吸水率變異系數(shù)為0.176～0.243，再生骨料壓碎指標(biāo)和吸水率的離散性相對于天然骨料明顯增大，但其離散性與再生骨料摻量對應(yīng)關(guān)系不明顯。摻加部分再生骨料后，混凝土抗壓強度和抗折強度隨再生骨料體積百分比增加表現(xiàn)出先增大后降低，增大幅度大約為6%和5%，降低幅度大約為12%和16%，當(dāng)天然骨料中再生骨料體積百分比為25%時強度最高。用天然骨料配制的混凝土，其抗壓強度變異系數(shù)為0.072，抗折強度變異系數(shù)為0.106，用再生骨料配制的混凝土，其抗壓強度變異系數(shù)為0.114～0.137，抗折強度變異系數(shù)為0.128～0.148，用再生骨料配制的混凝土相對于用天然骨料配制的混凝土，其抗壓強度、抗折強度離散性較大，但其離散性與再生骨料摻量對應(yīng)關(guān)系不明顯。結(jié)果表明：在天然骨料中摻加部分再生骨料配制混凝土是可行的;摻加后對混凝土抗壓強度和抗折強度有一定影響，且強度離散性相對較大。關(guān)鍵詞：再生骨料;混凝土強度;離散性;壓碎指標(biāo);吸水率;標(biāo)準(zhǔn)差;變異系數(shù)中圖分類號：TU 528.53

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-9315（2021）02-0290-08

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2021.0213開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Experimental study on the strength dispersion of recycled aggregates concrete

CHEN Haixia1，SONG Xueqing2

（1.China Coal Xian Design Engineering Company Limited，Xian 700054，China;

2.China Electronic Research Institute of Engineering Investigation and Design，Xian 700054，China）

Abstract：Four groups of aggregates were prepared by adding partially recycled aggregates to natural aggregates （The aggregate numbers were RA0，RA25，RA50 and RA75，and the volume percentage of recycled aggregates in the total aggregate was in turn 0%，25%，50%and 75%）.In this paper，the crushing index and water absorption of the four groups of aggregates were tested first.Then，four groups of concretes were prepared with four sets of aggregates，and the compressive strength and flexural strength tests were carried out on the concrete.According to the test data： for the natural aggregate（RA0），the coefficient of variation of crushing index is 0.095 and that of water absorption is 0.089.For the other three groups，the coefficient of variation of crushing index of is 0.185～0.211，and that of water absorption is 0.176～0.243.The dispersion of the crushing index and water absorptionis significantly increased compared with the natural aggregate，but the relationship between the dispersion and the amount of recycled aggregate is not obvious.After adding a part of recycled aggregate，the compressive strength and flexural strength of the concrete increased first and then decreased with the increase of the volume percentage of the recycled aggregate in the total aggregate.The increasing rate was about 6% and 5%，and the decrease was about 12 % and 16%，the highest strength appeared when the volume percentage of recycled aggregate in the total aggregate is 25%.For the concrete with natural aggregate，the coefficient of variation of the compressive strength and the flexural strength were 0.072 and 0.106 respectively.For the concrete with recycled aggregate，the coefficient of variation of the compressive strength and the flexural strength were 0.114～0.137 and 0.128～0.148.Compared with the concrete with natural aggregate configuration，the compressive strength and flexural strength of the concrete with recycled aggregate are more discrete，but the correlation between the dispersion and the amount of recycled aggregate is not clear.The results show that it is feasible to mix part recycled aggregate into natural aggregate to prepare concrete.Adding part recycled aggregate has certain influence on concrete compressive strength and flexural strength，with the strength dispersion relatively bigger.

Key words：recycled aggregate;concrete strength;dispersion;crushing index;water absorption;standard deviation;coefficient of variation

0 引 言

混凝土主要由水泥、砂子、碎石（或者卵石）組成，每立方米混凝土消耗的砂石骨料大約為1 700～2 000 kg。隨著混凝土使用量的增加，砂石資源日益枯竭，開采成本不斷提高，直接導(dǎo)致天然砂石骨料供給量日益減少和價格逐年攀升，與此同時，全球范圍內(nèi)每年都要產(chǎn)生大量的廢棄混凝土、磚瓦等建筑垃圾[1-3]。數(shù)量龐大的建筑垃圾如果不能得到有效處理將對城市環(huán)境造成巨大的破壞。目前，再生骨料的再生過程和再生工藝相對簡單，生產(chǎn)出的骨料性能差異較大。一般先將廢棄混凝土、磚瓦等經(jīng)過處理和機械破碎，再進行篩選分級，并按一定的比例混合，就可以生產(chǎn)出再生骨料。LIMBACHIYA M等在天然骨料中摻加再生混凝土骨料配制了再生混凝土，該項研究認(rèn)為在天然骨料中摻加適量再生骨料配制再生混凝土是可行的[4-7]。吳道堯等對再生骨料的基本性能開展了研究，提出了再生骨料質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[8-11]。張瑩等對再生骨料混凝土的基本力學(xué)性能和再生骨料混凝土尺寸效應(yīng)[12-13]等進行了研究，指出再生混凝土抗壓強度有明顯的尺寸效應(yīng)。王社良等對再生

混凝土的基本力學(xué)性能進行了研究，指出了再生混凝土力學(xué)性能與再生骨料摻量之間的關(guān)系[14-20]。近年來，用再生骨料全部或者部分替代天然骨料，配制再生混凝土已經(jīng)應(yīng)用于工程實踐中。大多情況下，再生骨料由廢棄混凝土、磚瓦等經(jīng)過處理、破碎、分級制成。再生骨料特點有三：首先，再生骨料表面相對粗糙、骨料棱角相對較多;其次，部分再生骨料表面殘留、包裹著水泥砂漿;最后，機械破碎過程使再生骨料內(nèi)部產(chǎn)生大量細(xì)微裂紋，這種損傷導(dǎo)致再生骨料質(zhì)量相對較差，強度較低[2]。與再生骨料不同，天然骨料一般結(jié)構(gòu)堅硬致密、孔隙率低，強度較高。眾多學(xué)者對再生骨料性能的離散性已經(jīng)進行了初步研究，但是，關(guān)于再生混凝土強度離散性的研究較少。文中擬通過在天然骨料中摻加再生骨料配制4組骨料，對4組骨料壓碎指標(biāo)和吸水率的離散性進行測試分析，用4組骨料配制混凝土，對混凝土進行抗壓強度和抗折強度試驗，分析其抗壓強度和抗折強度的離散性及其與骨料的關(guān)系。4組骨料的組號分別為RA0，RA25，RA50和RA75，相應(yīng)的再生骨料占總骨料體積百分比分別為0%，25%，50%和75%，RA0稱為天然骨料，RA25，RA50和RA75稱為再生骨料。

1 試驗

1.1 試驗材料水泥標(biāo)號為PO.42.5，唐山冀東水泥股份有限公司生產(chǎn)。依據(jù)國家規(guī)范GB/17671-1999、GB/1346-2011和GB/1345-2005對水泥的強度、安定性、凝結(jié)時間和細(xì)度分別測定[21-23]，參數(shù)指標(biāo)見表1，細(xì)度采用45 μm篩。

粉煤灰的需水比、燒失量、細(xì)度及主要化學(xué)成分依據(jù)國家規(guī)范GB/T1596-2017分別測試[24]，參數(shù)指標(biāo)見表2，細(xì)度采用45 μm篩。

骨料的粒徑范圍是5～10 mm，天然骨料與再生骨料的性能參數(shù)見表3，骨料的參數(shù)測定標(biāo)準(zhǔn)按GB/T14685-2011測定[25]。再生骨料主要由廢棄磚瓦等組成，其吸水率是天然骨料的11.5倍，壓碎指標(biāo)值是4.3倍，均明顯大于天然骨料[2]。拌合混凝土用水采用普通自來水。砂采用天然河砂。減水劑摻加量按0.5%，聚羧酸減水劑。

1.2 配合比1.2 混凝土配合比及拌合養(yǎng)護 試驗設(shè)計了4組混凝土配合比，具體見表4，RA0，RA25，RA50，RA75分別代表再生骨料占總骨料體積百分比為0%，25%，50%和75%?；炷涟柚七^程為，先將骨料、水泥、粉煤灰加入攪拌機拌合大約1 min，拌合均勻后再將水和減水劑一起加入拌合大約2 min。裝模振搗密實養(yǎng)護1 d，脫模后在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護28 d，養(yǎng)護室溫度為20±2 ℃，濕度大于95%。

1.3 試驗方法抗壓強度和抗折強度參考國標(biāo)GB50081-2011進行試驗[26]，抗壓強度試驗加載速率為10 kN/s，抗折強度試驗加載速率為0.5 kN/s，試件的養(yǎng)護齡期為28 d?？箟簭姸群涂拐蹚姸仍囼灻拷M6個試樣，強度取其平均值。骨料的壓碎指標(biāo)和吸水率進行6次取樣測試，取其平均值。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果骨料的壓碎指標(biāo)和吸水率測試結(jié)果見表5，混凝土的抗壓強度和抗折強度試驗結(jié)果見表6，壓碎指標(biāo)、吸水率、抗壓強度、抗折強度的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)見表7。

2.2 骨料性能離散性再生骨料基本性能包括壓碎指標(biāo)、吸水率、表觀密度、堆積密度和含泥量等，其吸水率范圍大約在3%～10%，壓碎指標(biāo)范圍大約在10%～30%，相比天然骨料，再生骨料的性能差異很大，性能指標(biāo)的測試數(shù)據(jù)更為離散。已有的研究表明，在上述的骨料性能指標(biāo)中壓碎指標(biāo)和吸水率對混凝土強度的影響更敏感[10]。骨料的壓碎指標(biāo)測試結(jié)果見表5，可以看出，天然骨料RA0的壓碎指標(biāo)最小，為9%，隨著再生骨料體積百分比的增加，再生骨料RA25，RA50，RA75的壓碎指標(biāo)分別為17.1%，25.4%和322%，依次增大。每組骨料的壓碎指標(biāo)做了6次測試，依

據(jù)測試結(jié)果繪制壓碎指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差，如圖1所示，變異系數(shù)如圖2所示。對測試結(jié)果進行離散性分析，可以明顯看出其標(biāo)準(zhǔn)差隨總骨料中再生骨料體積百分比增大依次增大（虛線為趨勢線），所以再生骨料的性能差異比天然骨料大的多，考慮到原始數(shù)據(jù)尺度的影響，進一步計算得到其變異系數(shù)進行分析，可以明顯的看到天然骨料的變異系數(shù)在一個水平上，即0.095，但其他3組再生骨料的變異系數(shù)在另一個水平上，即0.197（RA25，RA50，RA75對應(yīng)的變異系數(shù)分別為0.211，0.185，0195，0.197指的是平均值）。因此再生骨料的壓碎指標(biāo)相比天然骨料差異大、更加離散。

分析表5中骨料的吸水率測試結(jié)果可知，天然骨料RA0的吸水率為1.1%，隨著再生骨料體積百分比的增加，RA25，RA50和RA75的吸水率依次增大，分別為3.1%，6.3%和8.7%。每組骨料的吸水率進行了6次測試，依據(jù)測試結(jié)果繪制吸水率標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)圖。吸水率的標(biāo)準(zhǔn)差如圖3所示，隨著總骨料中再生骨料體積百分比增大依次增大（虛線為趨勢線），因此再生骨料的吸水率差異比天然骨料大的多。吸水率的變異系數(shù)如圖4所示，可以明顯地看到天然骨料吸水率的變異系數(shù)在在一個水平上，即0.089，其他3組再生骨料的變異系數(shù)在另一個水平上，即0.213（指的是其他3組再生骨料變異系數(shù)的平均值，RA25，RA50，RA75對應(yīng)的變異系數(shù)分別為0.243，0.219，0176）。通過對骨料的壓碎指標(biāo)和吸水率進行測試分析，可以非常明顯的看到，與天然骨料相比，再生骨料的性能差異很大，性能指標(biāo)的測試數(shù)據(jù)更為離散。

2.3 抗壓強度表6中抗壓強度試驗數(shù)據(jù)表明，隨著再生骨料體積百分比逐漸增加，抗壓強度表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢[2]。當(dāng)再生骨料體積百分比從0%增加到25%時，強度從47.2 MPa增加到50.2 MPa，相當(dāng)于6%的增幅，當(dāng)再生骨料體積百分比從25%增加到75%時，強度出現(xiàn)小幅度下降，減小到41.5 MPa，相當(dāng)于12%的降幅。圖5為抗壓強度與再生骨料含量關(guān)系（虛線為趨勢線），可以明顯看出，隨著總骨料中再生骨料體積百分比增大，混凝土強度出現(xiàn)少許增加后逐漸降低。一般來說，混凝土抗壓強度的主要影響因素是水膠比和骨料強度[15]。當(dāng)再生骨料體積百分比增加時，混凝土強度先呈現(xiàn)出小幅增加的趨勢，原因可能是相對于天然骨料而言，再生骨料的吸水率較大（天然骨料RA0的吸水率為1.1%，再生骨料RA25，RA50和RA75的吸水率分別為3.1%，6.3%和8.7%）。隨著再生骨料體積百分比的增加，水膠比相對減小，間接導(dǎo)致混凝土強度小幅度增加。強度后下降的原因有以下兩點，其一是再生骨料的強度范圍一般在10～20 MPa之間，相對于天然骨料較低，其二是再生骨料的孔隙率相對于天然骨料較高，由于孔隙的存在，在軸向壓力作用下，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致混凝土強度下降。隨著再生骨料體積百分比繼續(xù)增加，再生骨料強度低、孔隙率高的影響越來越明顯，因此混凝土強度隨著再生骨料體積百分比的繼續(xù)增加反而降低[2]。

混凝土抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)差和吸水率，見表7。依據(jù)表7計算結(jié)果繪制抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)差與再生骨料體積百分比關(guān)系曲線如圖7所示，抗壓強度變異系數(shù)與再生骨料體積百分比關(guān)系曲線，如圖8所示。對于用天然骨料RA0配制的混凝土，抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)差是3.42 MPa，對于用再生骨料RA25，RA50和RA75配制的混凝土，抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)差依次是5.7，5.94，5.67 MPa，可以看出，天然骨料和再生骨料對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差明顯不在一個水平上。為了更客觀的分析抗壓強度的離散性，對其變異系數(shù)進行計算，隨著總骨料中再生骨料體積百分比從0%增加到75%，其變異系數(shù)依次是0.072，0114，0.128，0.137，總的趨勢是變異系數(shù)依次增大，但更為明顯的是，和標(biāo)準(zhǔn)差表現(xiàn)出的規(guī)律一樣，即用天然骨料配制的混凝土和用再生骨料配制的混凝土，兩者的變異系數(shù)明顯不在一個水平上（用天然骨料配制的混凝土，變異系數(shù)是0.072，對于用再生骨料配制的混凝土，變異系數(shù)平均值是0126）?？箟簭姸鹊臉?biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)表明采用再生骨料配制的混凝土相比采用天然骨料配制的混凝土，其抗壓強度離散性較大。本次試驗的其他條件并沒有發(fā)生變化，水灰比、加料順序、攪拌時間、養(yǎng)護條件都是一致的，只是骨料不同，因此，可以得出混凝土抗壓強度的離散性增大是骨料的離散性導(dǎo)致的。

2.4 抗折強度抗折強度與再生骨料含量關(guān)系如圖8所示（虛線為趨勢線），可以明顯看出，隨著總骨料中再生骨料體積百分比增大，混凝土抗折強度出現(xiàn)少許增加后逐漸降低。當(dāng)再生骨料體積百分比為0%和25%時，抗折強度分別為5.5 MPa和5.8 MPa，增加的幅度大約為5%，當(dāng)再生骨料體積百分比為75%時，抗折強度為4.9 MPa，下降的幅度大約為16%。原因是，用再生骨料配制的混凝土，其內(nèi)部通常情況下存在一些缺陷，導(dǎo)致其抗折強度較低、韌性較低。4組骨料RA0，RA25，RA50和RA75，再生骨料體積百分比依次增大，部分再生骨料表面附著了一層硬化水泥砂漿，導(dǎo)致骨料與新舊砂漿界面之間膠結(jié)較為薄弱[2]，與此同時，再生骨料在制備過程中一般采用機械破碎，破碎過程會導(dǎo)致骨料產(chǎn)生損傷和裂縫，這些影響因素使再生骨料的性能下降，性能差異變大。因此，隨著總骨料中再生骨料體積百分比的增大，其抗折強度降低。試驗數(shù)據(jù)表明，單從抗壓強度和抗折強度的角度講，對于用再生骨料配制的混凝土，總骨料中再生骨料體積百分比存在一個分界點，大約是25%，此時對應(yīng)的強度最大。

圖9和圖10為依據(jù)表7中混凝土抗折強度標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)繪制的抗折強度標(biāo)準(zhǔn)差與再生骨料體積百分比關(guān)系曲線和抗折強度變異系數(shù)與再生骨料體積百分比關(guān)系曲線。對于用天然骨料配制的混凝土，抗折強度標(biāo)準(zhǔn)差是0.58 MPa，對于用再生骨料配制的混凝土，抗折強度標(biāo)準(zhǔn)差依次是0.85，0.68和0.65 MPa，用再生骨料配制的混凝土其標(biāo)準(zhǔn)差顯然大于用天然骨料配制的混凝土。采用變異系數(shù)進一步進行分析[27-28]，當(dāng)總骨料中再生骨料體積百分比為0%時，其變異系數(shù)是0.106，當(dāng)體積百分比為25%，50%，75%時，其變異系數(shù)依次為0.148，0.128，0.141（平均值為0.139），同樣，用再生骨料配制的混凝土其變異系數(shù)顯然大于用天然骨料配制的混凝土，和標(biāo)準(zhǔn)差表現(xiàn)出的規(guī)律一致。抗折強度標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)分析表明采用天然骨料配制的混凝土相比采用再生骨料配制的混凝土，其抗折強度離散性較小。如上節(jié)所述，本次試驗的其他條件并沒有發(fā)生變化，因此混凝土抗折強度離散性增大的原因只能是骨料性能離散性增大所導(dǎo)致的。

3 結(jié) 論

1）通過對骨料的壓碎指標(biāo)和吸水率進行測試分析可以得到，與天然骨料RA0相比，再生骨料RA25，RA50和RA75的性能差異很大，性能指標(biāo)的測試數(shù)據(jù)更為離散，但其離散性與再生骨料摻量對應(yīng)關(guān)系不明顯。2）在天然骨料中摻加適量再生骨料配制混凝土是可行的，摻加部分再生骨料后，混凝土抗壓強度和抗折強度隨再生骨料體積百分比增加表現(xiàn)出先增大后降低，變化大約幅度在+5%～-16%之間，體積百分比為25%時對應(yīng)的強度最大。3）通過對混凝土抗壓強度、抗折強度的標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)分析，表明采用再生骨料RA25，RA50和RA75配制的混凝土相比采用天然骨料RA0配制的混凝土，其抗壓強度、抗折強度離散性較大。4）在混凝土強度檢測評定中應(yīng)充分認(rèn)識再生混凝土強度離散型較大的特點，具體的工作有待進一步研究。

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