07.17 基於水膠比和再生粗骨料取代率對混凝土性能的影響分析

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基於水膠比和再生粗骨料取代率對混凝土性能的影響分析

孫家國 ，谷豔玲

（武夷學院 土木工程與建築學院，福建 武夷山 354300）

摘要：通過水膠比和再生粗骨料取代率的變化，以C30為設計強度，利用均勻設計法制定了15組試驗方案，研究其對混凝土流動性和抗壓強度的影響規律。試驗結果表明:再生混凝土抗壓強度隨水膠比增大而降低，當取代率在50%以下時具有較好的穩定性；再生粗骨料取代率對混凝土強度影響較大，其強度普遍低於普通混凝土，尤其取代率為30%和50%時表現較為明顯。當水膠比0.40、再生粗骨料取代率100%時，混凝土28d抗壓強度可以達到45.2mpa.

關鍵詞：再生混凝土；水膠比；抗壓強度；試驗

0 前言

目前，隨著我國工業化和城市化進程的不斷加快，產生的建築垃圾堆積如山，據統計我國城市建築垃圾的年產量可達24億t左右，其中絕大部分是廢棄混凝土[1]，而且每年都以8%左右的速度遞增，預計2020年廢棄混凝土的產量將達到6.38億t，帶來了相當大的環境壓力和資源浪費[2]，直接影響了生態文明建設，因此，對廢棄混凝土進行再生循環利用迫在眉睫。當前，廢棄混凝土最有效、最直接的利用途徑是加工成再生粗骨料用於生產再生混凝土，這不僅可以減少資源的浪費，更有利於推動建築行業綠色發展，具有顯著的社會效益、生態效益和經濟效益，是我國城市能否可持續發展的關鍵因素[3]。

然而相比較於普通混凝土而言，影響再生混凝土強度的因素較為複雜，必須通過試驗確定影響因素[4]。近年來，我國許多專家學者已經開展廢棄混凝土再利用的研究，並取得一定的成果，但相關研究仍缺乏系統性和針對性。本研究主要基於不同水膠比和再生粗骨料取代率，以C30為設計強度，利用均勻設計法制定了15組試驗方案，探究其對混凝土流動性和抗壓強度的影響規律，找出再生混凝土的最佳配合比。

1 試驗材料

1.1 水泥

試驗所使用的水泥是江西省生產的萬年青牌P.O 42.5，其細度為1.22。

1.2 砂

採用武夷山當地的河砂，中砂，級配良好，其物理性能見表1。

表1砂子的物理性能

1.5 水

武夷山當地的自來水。

1.6減水劑

選用福州君安建材有限公司生產的YS-A型混凝土高效能減水劑，減水率15%。

2 試驗研究

2.1再生混凝土配合比

試驗按照強度等級為C30，坍落度80 mm，砂率取38%進行配合比設計，採用水膠比為0.4、0.5和0.6三種，廢混凝土等質量取代天然粗骨料，取代率分別為0、30%、50%、75%和100%。採用均勻設計法制定了15組試驗方案，具體方案見表3。

表3 再生混凝土試驗方案（kg/m3）

2.2 混凝土試件的製作

根據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》( GB /T50081—2002)（以下簡稱《標準》）的規定，試塊採用150 mm×150 mm×150 mm標準試模，按照試驗方案製作成15組試塊，每組測試7 d、28 d和56 d的抗壓強度和工作性能，每次確定的強度值取三個數據的平均值，故每組按照7 d、28 d和56d三個養護齡期分別製作9個試塊，總計135個試塊。

2.3 流動性測試

根據《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》( GB /T50080—2002) 進行坍落度試驗，測定不同試驗組別混凝土拌合物的流動性，試驗結果見表4。

表4 再生混凝土拌合物坍落度值(1)

3 試驗結果分析

3.1 流動性影響分析

以水膠比和廢混凝土取代率為變量，通過測試不同試驗方案再生混凝土的坍落度值，得出其對再生混凝土流動性的影響規律，其試驗結果見圖1。

由圖1可以看出：隨著廢混凝土取代率的增加，三種水膠比的再生混凝土坍落度值均呈現明顯的下降趨勢，而且下降率基本相同，當再生骨料取代率達到75%時，再生混凝土坍落度最低為89 mm，已接近預設的混凝土坍落度值(80mm)；當再生骨料取代率達到100%時，再生混凝土坍落度最低是68mm，已低於預設的混凝土坍落度值(80mm)。

研究結果表明:由於廢混凝土的孔隙率大且吸水性好，其吸水率要大於天然粗骨料，即再生粗骨料需要更多的水才能使其達到飽和水且表面乾燥的狀態[5]，因此，在用水量相同的條件下，減少了實際用於拌合混凝土的水量，導致混凝土的流動性變差；同時，再生粗骨料表面附著舊水泥砂漿，表面比較粗糙，造成再生混凝土的和易性降低[6]。

3.2再生粗骨料取代率對抗壓強度的影響分析

本試驗以廢混凝土取代率為變量，通過測試不同試驗方案混凝土的抗壓強度，得出其對7 d 、28 d 和56d齡期混凝土抗壓強度的影響規律，其試驗結果見圖2-圖4。

從圖2-圖4中可以看出，廢混凝土取代率對不同齡期再生混凝土抗壓強度的影響規律基本相同，但是混凝土的強度並不是隨著再生粗骨料取代率的多少而有規律的變化，而是大致圍繞基準配合比混凝土抗壓強度上下波動。當再生粗骨料取代率為30%時，28d和56d的抗壓強度最低，其水膠比為0.6時28d 的抗壓強度僅為28.4mPa；當再生粗骨料取代率為50%時，7d的抗壓強度最低，其水膠比為0.6時7d 的抗壓強度僅為20.2mPa；當再生粗骨料取代率超過50%時，混凝土的抗壓強度則有所增加，但是低於基準配合比混凝土的抗壓強度。

分析表明：廢混凝土不僅稜角多，而且表面粗糙，具有粘結面較好、界面粘結強度較高的特性［7］；另外，由於廢混凝土的吸水性強，遇水後能快速溼潤，促使其表面的許多微裂縫立刻吸入水泥顆粒，加快了水化反映速度，形成緻密的界面結構，在一定程度上補償了廢混凝土強度較低的缺陷。

3.3 水膠比對抗壓強度的影響分析

本試驗以水膠比為變量，通過測試不同試驗方案混凝土7d 、28d 和56d的抗壓強度值，得出水膠比對不同齡期混凝土抗壓強度的影響規律，其試驗結果見圖5-圖7。

由圖5-圖7可以發現， 再生混凝土抗壓強度隨著水膠比的增大而逐漸降低，與普通混凝土基本相似，在水膠比為0.40時，再生混凝土取代率為0%時（基準配合比），28d抗壓強度最高達到46.6 mPa。在水膠比為0.60，取代率為75%時，28d抗壓強度是31.9mPa，是本試驗在同等條件下唯一再生混凝土強度大於基準配合比混凝土（31.7mPa）。但通過對不同粗骨料取代率下運用線性擬合分析水膠比的影響時，發現水膠比的影響規律不盡相同。在水膠比從0.40增至0.50，取代率為0%、30%和50%時，再生混凝土抗壓強度呈現出規律性的降低，線性斜率呈逐漸增大變化，但在取代率75%時強度降低較大，在取代率100%時，甚至出現一定的增加，表現出不穩定的變化；在水膠比由0.50增至0.60時，抗壓強度值總體上呈現出比較平穩的波動，但在取代率100%時，還是出現較大的增加幅度，在一定程度上存在不穩定的變化。可見水膠比對於再生粗骨料取代率為75%、100%兩種再生混凝土抗壓強度的硬影響還是比較明顯的，但規律性不強。然而對於取代率低於50%的再生混凝土抗壓強度呈現出規律性的變化。

研究表明，由於再生粗骨料表面的粗糙程度比天然骨料大，且再生粗骨料表面包裹著舊水泥砂漿，導致界面結合得到一定強化；此外，由於廢混凝土的吸水率較高，降低了混凝土的有效水膠比，提高了再生混凝土的抗壓強度 [8]。

4 結語

（1） 水膠比對再生混凝土抗壓強度的影響規律同普通混凝土基本相似，當取代率50%以下時具有較好的穩定性。但對於粗骨料取代率為75%、100%，其水膠比大於0.50時，再生混凝土的抗壓強度表現出相當不穩定的狀況，變化規律性不強。

（2） 再生粗骨料取代率對混凝土強度有較大影響，這是由於再生粗骨料中天然骨料與老砂漿之間，以及再生粗骨料與新砂漿之間的界面過渡區比較薄弱，導致其強度低於普通混凝土，尤其是再生粗骨料取代率為30%和50%時表現較為明顯。

（3） 從再生混凝土的抗壓強度試驗中可看出，其破壞斷面主要集中在粗骨料的界面，試驗中只有少量粗骨料被劈開的情況，從整個破壞形式來看，再生混凝土立方體試塊的破壞基本上是骨料和砂漿結合面的滑動導致的破壞，同普通混凝土破壞形式基本一致。

（4） 在本試驗中，廢棄混凝土來源武夷山當地舊建築物，強度等級以C30為主，但在實際工程中，再生粗骨料的來源比較複雜，其性能也差別較大，這也就給再生混凝土的研究帶來了很多不確定因素，因此，對於再生粗骨料的不同來源應該作進一步的研究。

參考文獻：

[1] 孫家國，谷豔玲. 基於礦渣再生混凝土抗壓強度試驗分析[J]．重慶科技學院學報（自然科學版），2014（3）：109-111.

[2] 鄧旭華.水灰比對再生混凝土強度影響的試驗研究[J].混凝土,2005（2）：46-48.

[3] 袁繼峰，王衛，陸永濤. 水膠比和再生粗骨料取代率對再生混凝土強度影響的試驗研究[J]. 重慶建築，2014（10）：83-85.

[4] 薛建陽，羅崢，元成方，等.再生混凝土力學性能及耐久性能試驗研究[J].工業建築，2013（10）：86-88

[5] 吳中偉.高性能混凝土—綠色混凝土[J]．混凝土與水泥製品，2000（1）：3-6.

[6] 賈淑明，趙永花，姚旭.再生混凝土技術的發展及應用[J].中國建材科技，2013（1）：22-26.

[7] IKONOMOU N D. Recycled concrete aggregates[J]. ment and Concrete Composites ，2005，27(2): 315-318.

[8] 鄧壽昌，羅冠祥.混凝土配合比設計與再生混凝土配合比設計方法的比較與分析[J].惠州學院學報，2011，31（3）:9-18.

基金項目：福建省自然科學基金項目“基於礦渣和再生骨料耦合配製混凝土力學性能和耐久性研究”（2015J01648）；南平市指導性科技計劃項目“武夷山再生骨料生態護坡混凝土的配置及應用研究”（N2014D02）