再生混凝土配合比設(shè)計(jì)方法現(xiàn)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(shè)計(jì)方法，分析了水膠比、單方用水量和砂率三個(gè)配合比設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵參數(shù)對(duì)再生混凝土強(qiáng)度和工作性能的影響，介紹了這三個(gè)參數(shù)的確定方法和研究進(jìn)展，同時(shí)闡述了再生混凝土配合比設(shè)計(jì)的新方法。其間對(duì)目前的再生混凝土配合比設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了總結(jié)，評(píng)述了這些方法的優(yōu)缺點(diǎn)，為再生混凝土配合比設(shè)計(jì)提供了研究方法和思路。

關(guān)鍵詞：再生混凝土;配合比設(shè)計(jì);水膠比;單方用水量;砂率

中圖分類號(hào)：TU528文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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(dāng)比例配合拌制的混合物，再經(jīng)澆筑成型硬化后得到的人造石材，都統(tǒng)稱為混凝土。以水泥為膠凝材料的水泥混凝土是現(xiàn)代土木建筑工程中應(yīng)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(yīng)用廣泛，導(dǎo)致砂石用量激增。聯(lián)合國(guó)環(huán)境署預(yù)測(cè)，到2030年，全球每年對(duì)砂石的需求將接近500億t。天然砂石集料的生產(chǎn)需要挖掘大量的山體與河道，對(duì)環(huán)境的損害不容忽視，尤其是我國(guó)目前砂石的自然資源接近枯竭。

隨著我國(guó)城市化建設(shè)的逐步推進(jìn)，城市化改造期間產(chǎn)生大量建筑垃圾，其中廢舊混凝土最為龐大，占整個(gè)建筑垃圾的40%～50%[1]。近年來(lái)，建筑垃圾的無(wú)序堆放已成為社會(huì)問(wèn)題，建筑垃圾滑坡、堵塞河道等事件時(shí)有發(fā)生，已經(jīng)對(duì)城市的環(huán)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(huì)問(wèn)題。再生骨料混凝土（Recycled Aggregate Concrete，RAC）是指將廢棄的混凝土經(jīng)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(shè)過(guò)程中產(chǎn)生的建筑廢棄物，減少對(duì)天然砂石等自然資源的需求和依賴，降低建筑垃圾對(duì)環(huán)境產(chǎn)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(guò)多、針狀物占比過(guò)大、內(nèi)部細(xì)微裂紋過(guò)多的問(wèn)題，同時(shí)，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(huì)導(dǎo)致其與天然骨料相比，壓碎指標(biāo)大，孔隙率大，吸水率高?；炷僚浜媳仍O(shè)計(jì)是指調(diào)整和優(yōu)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(guān)系，合理的配合比設(shè)計(jì)使配制的混凝土能夠滿足強(qiáng)度、工作性能和耐久性等要求，同時(shí)遵循經(jīng)濟(jì)性原則。配合比設(shè)計(jì)直接決定混凝土性能，是再生混凝土材料和結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)。目前，再生混凝土配合比設(shè)計(jì)沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，因此在研究過(guò)程中，很多學(xué)者都按照普通混凝土的配合比設(shè)計(jì)方法對(duì)再生混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，導(dǎo)致配制的再生混凝土強(qiáng)度和工作性能都會(huì)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(qiáng)度比天然骨料混凝土強(qiáng)度要降低5%～24%。當(dāng)粗細(xì)骨料都使用再生骨料時(shí)，其混凝土強(qiáng)度比天然骨料混凝土強(qiáng)度要降低15%～40%。同時(shí)，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(lái)，有學(xué)者不斷研究適合再生混凝土的配合比設(shè)計(jì)方法，在水膠比、單方用水量、砂率等計(jì)算方法等方面進(jìn)行了很多研究。筆者對(duì)其最新研究進(jìn)展進(jìn)行整理和分析，提出自己的看法和見(jiàn)解，供再生混凝土配合比設(shè)計(jì)使用。

1 水膠比

水膠比是決定混凝土強(qiáng)度的重要參數(shù)，《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ 55—2011）[5]規(guī)定，根據(jù)混凝土的配制強(qiáng)度以及所用水泥的強(qiáng)度，通過(guò)式（1）可以計(jì)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(qiáng)度;[fb]為水泥28 d膠砂強(qiáng)度;[αa]、[αb]為回歸系數(shù)，[αa]、[αb]可根據(jù)工程所使用的原材料，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸得到，或者使用其推薦值，當(dāng)所用石子為碎石時(shí)，[αa=0.53]，[αb=0.2]，當(dāng)所用石子為卵石時(shí)，[αa=0.49]，[αb=0.13]?！秾?shí)用建筑材料試驗(yàn)手冊(cè)》[6]定義[αa]為水泥強(qiáng)度轉(zhuǎn)化系數(shù)，表示水泥的膠砂強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為混凝土強(qiáng)度的轉(zhuǎn)化率;[αb]為虛擬水膠比，即混凝土強(qiáng)度等于0時(shí)的水膠比，這個(gè)水膠比是虛擬的，它與水泥的水化強(qiáng)度及骨料在混凝土中的骨架作用大小有關(guān)。

國(guó)內(nèi)外研究一致表明，當(dāng)水膠比保持不變時(shí)，隨著再生骨料取代率的增加，再生混凝土的強(qiáng)度不斷降低[7-9]。一些學(xué)者通過(guò)研究再生混凝土的強(qiáng)度與水膠比之間關(guān)系得到[10-14]，再生混凝土抗壓強(qiáng)度與灰水比基本符合Bolomey式關(guān)系，但是由于再生骨料性質(zhì)與天然骨料不同，人們需要通過(guò)試驗(yàn)確定Bolomey式中的系數(shù)。在此基礎(chǔ)上，有研究通過(guò)試驗(yàn)回歸得到[αa]、[αb]，發(fā)現(xiàn)[αa]、[αb]與再生骨料取代率存在一定的關(guān)系，得到了[αa]、[αb]與再生骨料取代率之間的關(guān)系式[10]，但是其只適用于《再生骨料應(yīng)用技術(shù)規(guī)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(qiáng)度以下的混凝土。

目前，再生骨料配合比設(shè)計(jì)中的水膠比確定方法取得了一定進(jìn)展，但是依然存在很多問(wèn)題。首先，再生骨料品質(zhì)的離散性較大，[αa]、[αb]兩個(gè)試驗(yàn)回歸系數(shù)確定較為困難，雖然目前已經(jīng)有一些學(xué)者建立了[αa]、[αb]與再生骨料取代率之間的關(guān)系，但是其普適性還需要進(jìn)一步地進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。其次，由于水膠比計(jì)算公式只考慮了再生粗骨料對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，再生細(xì)骨料的加入會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致再生混凝土強(qiáng)度的降低，再生細(xì)骨料對(duì)強(qiáng)度的影響機(jī)理還不明確，再生骨料混凝土水膠比計(jì)算中是否需要引入再生細(xì)骨料的影響系數(shù)，需要進(jìn)一步考慮?？傊?，目前還沒(méi)有建立真正適合再生混凝土水膠比的計(jì)算方法，能夠使配制的再生混凝土達(dá)到目標(biāo)強(qiáng)度。關(guān)于再生混凝土的水膠比確定方法需要進(jìn)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(shí)增加或減少1 L膠凝材料漿體量，用水量還會(huì)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(shè)計(jì)中，根據(jù)石子類型、石子最大粒徑以及混凝土目標(biāo)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(yuǎn)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?xí)r，再生骨料會(huì)吸取大量的水分，導(dǎo)致拌合物的有效水分明顯減少，其塌落度會(huì)明顯低于天然混凝土拌合物的塌落度[15]。根據(jù)文獻(xiàn)[16-17]中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到不同取代率下混凝土單方用水量與塌落度之間的關(guān)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(dāng)坍落度一定時(shí)，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(gè)問(wèn)題，在對(duì)再生骨料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)，通常會(huì)考慮其高吸水率的特性。為了不降低塌落度，進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)，除了采用普通混凝土配合比設(shè)計(jì)得到的用水量外，還可額外增加再生骨料達(dá)到吸水飽和狀態(tài)時(shí)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(guān)系圖，可見(jiàn)附加用水量隨著砂率的減小而不斷增大，當(dāng)砂率一定時(shí)，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(jù)再生骨料的吸水率進(jìn)行計(jì)算。對(duì)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(jì)算與之相對(duì)應(yīng)的總水灰比和凈水灰比。這種用水量計(jì)算方法較為煩瑣，在實(shí)際混凝土澆筑中，再生骨料吸水飽和需要一定的時(shí)間，這種方法無(wú)法精確控制拌合物的實(shí)際用水量，會(huì)間接影響再生骨料混凝土的水膠比和強(qiáng)度。

還有學(xué)者選擇在澆筑混凝土前，先將再生骨料濕水，使其達(dá)到吸水飽和狀態(tài)，這樣再生骨料就不會(huì)消耗拌合物中的有效水分。研究表明，預(yù)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(duì)再生骨料混凝土性能的影響，因此預(yù)吸水或?qū)τ盟窟M(jìn)行調(diào)整的處理方法能使混凝土配合比設(shè)計(jì)更為合理。但實(shí)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(tài)，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(jì)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(shù)，可通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析得到;[T]為再生混凝土的目標(biāo)塌落度;[Kg]為與再生骨料的類型、粒徑取代率和吸水率有關(guān)的系數(shù)。

這種方法可以直接計(jì)算出再生混凝土的單方用水量，但其系數(shù)需要通過(guò)試驗(yàn)回歸分析才能確定，計(jì)算方法的實(shí)用性及適用范圍仍需要進(jìn)一步研究。

3 砂率

砂率為砂子的質(zhì)量占所有砂石骨料總質(zhì)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(dòng)性。砂率的改變會(huì)改變石子間的空隙率和粗細(xì)骨料的總表面積，顯著影響混凝土拌合物的和易性。砂率過(guò)大，隨著砂率增加，粗細(xì)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(rùn)滑作用下降，使混凝土流動(dòng)性降低;若砂率過(guò)小，則石子間的空隙率會(huì)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(huì)降低拌合物的流動(dòng)性，同時(shí)影響其黏聚性和保水性，易造成流漿和離析現(xiàn)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(dòng)性和良好的和易性，尤其是黏聚性和保水性。砂率對(duì)混凝土硬化后的密實(shí)度、力學(xué)性能和耐久性能也有重要影響。砂率是混凝土配合比設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。普通混凝土配合比設(shè)計(jì)中，砂率一般根據(jù)骨料的技術(shù)指標(biāo)、混凝土拌合物的性能和施工要求，參考?xì)v史資料進(jìn)行確定。若沒(méi)有歷史資料，則砂率根據(jù)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(shí)度，改善再生混凝土的力學(xué)性能，但無(wú)法改善再生骨料表面附著的水泥砂漿強(qiáng)度，當(dāng)混凝土受力時(shí)，薄弱區(qū)為新舊砂漿界面過(guò)渡區(qū)，造成再生混凝土力學(xué)強(qiáng)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(xì)骨料砂子來(lái)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(jì)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(qiáng)度等級(jí)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(qiáng)度變化幅度較小，逐漸趨于平穩(wěn)，對(duì)中低等強(qiáng)度等級(jí)的混凝土而言，砂率不同，對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(huì)導(dǎo)致再生混凝土實(shí)際砂率遠(yuǎn)高于普通混凝土，這也是再生混凝土變形遠(yuǎn)大于普通混凝土的重要原因，目前還沒(méi)有針對(duì)再生混凝土砂率的良好計(jì)算方法。

4 配合比設(shè)計(jì)新方法

目前，人們已經(jīng)研究出多種制備再生骨料混凝土的配合比設(shè)計(jì)程序，其中被認(rèn)為最適用于再生骨料混凝土配合比設(shè)計(jì)的是ACI（美國(guó)認(rèn)證協(xié)會(huì)）方法。針對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)的再生骨料混凝土，人們通過(guò)試驗(yàn)提出了一種改進(jìn)骨料水泥比的方法。由于骨料水泥比提高，為了達(dá)到設(shè)計(jì)的強(qiáng)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(qiáng)度等級(jí)越高。水泥用量的增加會(huì)提高成本，同時(shí)增大混凝土的變形。

在傳統(tǒng)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(gòu)成。由于配合比設(shè)計(jì)時(shí)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(tǒng)方法制備出的再生骨料混凝土總水泥砂漿量遠(yuǎn)大于普通天然骨料混凝土的砂漿量，這導(dǎo)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(wèn)題，人們提出一種再生混凝土配合比設(shè)計(jì)方法——等砂漿體積法，因?yàn)樵偕橇鲜翘烊皇雍退嗌皾{組成的復(fù)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(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)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(xué)性能，這種配合比設(shè)計(jì)方法已經(jīng)通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證。但是，這種配合比設(shè)計(jì)方法計(jì)算煩瑣，并且再生骨料的取代率一般都達(dá)不到100%。所以，目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有真正適合再生混凝土的配合比設(shè)計(jì)方法。

5 結(jié)論

本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外再生混凝土配合比設(shè)計(jì)方法的研究進(jìn)展，對(duì)配合比設(shè)計(jì)中水膠比、單方用水量和砂率三個(gè)重要設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算方法進(jìn)行梳理，主要得出以下結(jié)論。一是Bolomey式關(guān)系可用于再生混凝土水膠比計(jì)算，但是再生骨料品質(zhì)的離散性較大，[αa]、[αb]兩個(gè)系數(shù)需要通過(guò)試驗(yàn)回歸確定，雖然目前已經(jīng)有一些[αa]、[αb]與再生骨料取代率之間的計(jì)算模型，但是其普適性還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。二是目前再生混凝土單方用水量的確定方法仍不統(tǒng)一，雖然根據(jù)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(guò)大的問(wèn)題，但是計(jì)算和施工過(guò)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(qiáng)度。三是再生骨料表面包裹一層舊的水泥砂漿，一般會(huì)導(dǎo)致再生混凝土實(shí)際砂率遠(yuǎn)高于普通混凝土，砂率過(guò)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(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

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