不同掺量再生骨料对混凝土强度的影响研究

梁谦 ，贾生海 ，程建萍 ，张永胜 ，马成晓 ，赵广兴

（1.河西学院土木工程学院，甘肃张掖734000；2.河西走廊水资源保护利用研究所，甘肃张掖734000；3.甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃兰州730000）

近几十年以来，随着经济建设的迅猛发展以及建筑材料及施工技术革新的突飞猛进，不可避免地在建筑物（构筑物）的建设、翻新及维修过程中产生了大量的副产物——建筑垃圾，例如废金属、废弃烧土制品、废弃混凝土等。其中，废弃混凝土在建筑垃圾总量中占有较大的比例[1]，如何将废弃混凝土回收并废料资源化，已成为人们研究和密切关注的焦点。

从众多学者在大量再生骨料混凝土的研究中发现，再生骨料对提高废料的重复利用，减少环境污染和缓解生态持续破坏方面都有突破性的进展。再生骨料的掺量从10%增加到100%[2]等不同掺量进行了混凝土强度的研究。研究发现，当混凝土再生骨料掺量超过50%时[2-3]，28 d立方体试件的抗压强度达到同等配合比下普通混凝土的强度水平[4]，这对我国混凝土再生骨料的应用提供了可靠的试验依据。但在实际操作中出现了再生骨料拌合不均匀、强度不稳定的情况，为此，笔者针对此类问题，提出将再生骨料进行单粒级筛分后组合为连续级配，用以取代部分由基准配合比设计确定的粗骨料，来研究不同掺量连续级配再生骨料对混凝土和易性和强度的影响。

1 试验设计

1.1 试验材料

1.1.1 粗骨料

在试验的混凝土配合比设计中，粗骨料包括连续级配再生骨料（后文简称为再生骨料）和天然骨料。再生骨料采用某拆除框架式住宅楼中废弃的混凝土（有效运行17年，原粗骨料为天然卵石，经混凝土回弹仪测得其混凝土抗压强度平均值为28.5 MPa），经人工破碎、清洗、烘干、分级筛分成单粒粒级的粗骨料，按照规定组合成连续级配[5，6]。级配中，骨料最大粒径为31.5 mm，最小粒径为2.36 mm，其组合连续级配见表1。再生骨料的表观密度为2 562 kg/m3，松散堆积空隙率为49.60%，质量吸水率为9.271%，压碎指标为13.7%。天然骨料采用卵石，其材料标准符合规范用粗骨料的技术要求[5]，骨料最大粒径为31.5 mm，普通骨料的表观密度为2 853 kg/m3，松散堆积空隙率为44.47%，质量吸水率为2.733%，压碎指标为12.1%。

表1 混凝土再生骨料颗粒连续级配

1.1.2 细骨料

细骨料为符合标准的河沙[5]，细度模数为2.6，含泥量为1.70%（标准法检测）。

1.1.3 胶凝材料及掺合料

胶凝材料采用祁连水泥集团生产的普通硅酸盐水泥（P·O-42·5R）。经检验，其化学指标和物理指标均符合通用硅酸盐水泥规范规定[7]，为合格品。掺合料为粉煤灰，采用张掖电厂的Ⅰ级粉煤灰，其中SiO2含量为 39.84%，Al2O3含量为 17.77%，Fe2O3含量为15.47%，CaO含量为20.87%，MgO含量为1.75%，SO3含量为1.49%，其他2.65%。烧失量为4.5%。

1.1.4 混凝土用水和减水剂

混凝土拌合及养护用水采用符合饮用标准的自来水；减水剂采用青岛虹厦高分子材料有限公司生产的聚羧酸系高性能缓凝型减水剂（简写为PS），按照普通混凝土配合比设计规程规定的减水剂最大掺量不超过2%[8]要求，确定其掺量为2%。

1.2 试验设计

考虑到连续级配再生骨料空隙率较大，为减小空隙率对混凝土强度的影响，在采用普通硅酸盐水泥、水胶比大于0.4的条件下，粉煤灰的最大掺量不超过30%的规定[8]，本试验中采用再生骨料混凝土配合比正交设计，根据再生骨料的掺量，相应增加粉煤灰的掺量，以再生骨料掺量为基准，按5%外加法采用同掺法，将粉煤灰掺入混凝土拌合物中。

为研究不同掺量再生骨料对普通混凝土性能的影响，本试验进行了如下设计。混凝土基准配合比设计强度为C30，以确定的普通混凝土基准配合比设计为对照试验（代号为CK，再生骨料掺量为0），在此基础上掺入不同量连续级配再生骨料混凝土配合比为处理的5组平行试验（代号为TK，连续级配再生骨料掺量变化范围为10%～30%），通过试验数据比较，研究不同掺量连续级配再生骨料混凝土的性能；同时，考虑到连续级配再生骨料饱和吸水率对拌合物用水量及混凝土拌合物和易性的影响，拌合物用水量以基准配合比为基数，随连续级配再生骨料掺量的饱和吸水量[9]W增=m再*6.5%（其依据为连续级配再生骨料较普通骨料吸水率大9.271%-2.73%=6.538%，故取近似值6.5%）为变量而增加。遵循以上试验要求，确定的混凝土基准配合比及混凝土拌合物的和易性测定如表2。

表2 不同掺量连续级配再生骨料混凝土配合比设计及和易性测定结果

2 试验数据分析

2.1 和易性分析

按照不同掺量连续级配再生骨料配合比进行了混凝土的配制及和易性的观测，其中，对混凝土拌合物的坍落度值进行了定量观测，得到图1的结果。

从试验数据可以看出，随着再生骨料掺量的增加，混凝土拌合物用水量随之增加，当再生骨料最大掺量m再=377 kg时，拌合物用水量较基准配合比增加24.5 kg，其拌合物水灰比亦随之变化，其值变化范围为0.445～0.498，变幅为0.05，符合水工混凝土施工规范中规定（≤0.05）[10]的施工误差要求。

从试验结果可以看出，对照组CK试验拌合物坍落度为83 mm，在设计坍落度范围75～90 mm内，且其值较大，而处理组中除TK1掺量为10%时，对应的坍落度值大于对照试验CK外，其余处理均小于对照，且趋势为随着再生骨料掺量的增加而减小，且处理组中坍落度最小值为61 mm。通过以往施工经验及理论计算得知，随着水灰比的增加，混凝土拌合物坍落度值会随之增加，但在本试验中却得到的结果与之相反，分析原因如下。

图1 不同掺量连续级配再生骨料对混凝土坍落度影响曲线

首先，再生骨料在粉碎后，骨料表面带有较多棱角，而棱角主要是水泥砂浆构成，相比普通粗骨料，其表面粗糙，空隙较多，因此吸水量多于普通粗骨料。随着再生骨料掺量的增加，拌合物达到设计配合比要求的坍落度值时，所需的拌合水量就相应地增加，且其增加量并不以线性变化，试验结果就很好证明了这一点。其次，从试验结果还看到，当再生骨料掺量为10%时，其坍落度值比对照试验高5 mm，但随着再生骨料掺量增加，坍落度值并没有相应的增加，这就说明，在再生骨料混凝土中掺入一定量的粉煤灰，会提高再生骨料混凝土拌合物的坍落度；当再生骨料掺入量较大时，对拌合物坍落度值不会起到明显的改善作用。第三，拌合物坍落度值还受到粗骨料颗粒形状的影响。对照组CK中，粗骨料均为卵石，骨料表面较为圆滑，而再生骨料表面因黏结有较多的水泥砂浆而变得粗糙，在混凝土拌合物流动的过程中增加了骨料间的摩擦力[11-12]。因此，再生骨料掺量也是影响拌合物坍落度的重要因素。

2.2 抗压强度分析

对不同掺量再生骨料混凝土分别进行了7 d，28 d，60 d，90 d的立方体抗压强度试验，得到结果如图2～图5所示。

2.2.1 7d及28 d抗压强度分析

从图2及图3可以看出，7d、28d不同掺量连续级配再生骨料混凝土立方体抗压强度,混凝土抗压强度随龄期相对增长率均达到了《水工混凝土结构设计规范》（DL/T5057—2009）规定的（0.55～0.65及1.0）的要求[9]。同时，从图2可以看出，随着再生骨料掺量的不同，抗压强度值亦随着变化，整体上呈下降趋势，其趋势线的R2=0.6800，线性相关性较差，究其原因如下：第一，拌合物搅拌时间对其强度有一定影响。混凝土拌合物的搅拌时间影响到混凝土粗骨料表面胶凝材料的分布情况，拌合时间越长，水泥砂浆分布于粗骨料表面将越均匀，凝结硬化后凝胶体的分布也相对均匀，其抗压强度也随之表现得较高。因此，考虑其粗骨料表面较为粗糙的原因，再生骨料混凝土拌合物的搅拌时间应相应地延长。第二，粉煤灰的影响。从图1及图2可以看出，当连续级配再生骨料掺量为10%时，7 d及28 d混凝土立方体抗压强度均大于对照组CK，而其他处理均小于对照组。分析其原因为：再生骨料掺量最小，掺入的粉煤灰足以分布在连续级配再生骨料空隙空间及周围，起到微骨料的效应，减小了混凝土内部孔隙率，达到增加混凝土密实度、起到提高混凝土强度的作用。由此得出，粉煤灰的掺量应按照再生骨料掺量的增加而作非线性掺入。

图2 7 d不同掺量连续级配再生骨料对混凝土抗压强度影响曲线

图3 28 d不同掺量连续级配再生骨料对混凝土抗压强度影响曲线

2.2.2 60d及90d抗压强度分析

从图4、图5可以看出，随着再生骨料掺量的增加，处理组立方体抗压强度均呈线性下降，且线性相关性R2值从混凝土立方体试件龄期7 d的R2=0.68增大至龄期为90 d的R2=0.974 4，得到R2＞0.95的结果，线性相关性非常明显，由此证明了再生骨料掺量对混凝土抗压强度值的影响是呈线性变化的，即从再生骨料掺入量的角度，确定了随着再生骨料掺量的增加，混凝土抗压强度有随之下降的趋势。

从图4及图5可以看出，不同处理的混凝土试件，在不同龄期（60 d，90 d），其立方体抗压强度最小值分别为37.14 MPa及43.92 MPa，满足《水工混凝土结构设计规范》（DL/T5057—2009）要求的混凝土抗压强度随龄期相对增长率 1.1（33 MPa）及1.2（36 MPa）的要求。分析其试验结果，主要取决于以下两个方面的因素：其一，减水剂的掺入。本次试验中所采用的减水剂为第三代聚羧酸类高性能减水剂，与本项目前期再生骨料混凝土不掺减水剂的试验结果相比较，在不改变胶凝材料总量的情况下，减水剂不但可以减少拌合物水的用量，同时混凝土强度可提高25%～40%，因此，在再生骨料混凝土中掺入高效减水剂是必要的。其二，粉煤灰的掺入。尽管在连续级配再生骨料混凝土拌合物中的施工及凝结硬化初期，粉煤灰主要起“微骨料效应”[13-14]，但在凝结硬化后期，具有水化性能的粉煤灰随着水泥水化过程中产生Ca（OH）2量的增加，自身也开始发生水化，产生水化硅酸凝胶，提高了骨料间的黏结能力，从而表现出随着连续级配再生骨料混凝土龄期的增加，抗压强度随之提高的现象。

图4 60 d不同掺量连续级配再生骨料对混凝土抗压强度影响曲线

图5 90 d不同掺量连续级配再生骨料对混凝土抗压强度影响曲线

3 结论

通过对不同掺量连续级配再生骨料混凝土和易性及强度的试验，并进行相关数据分析，得到以下结论。

（1）通过再生骨料混凝土和易性试验得出，相比基准配合比用水量，拌合物用水量的增加量并不以再生骨料掺量按线性增加。因此，在实际的施工操作中，应根据连续级配再生骨料的吸水率，通过试验确定其拌合用水量。同时，再生骨料混凝土中应掺入一定量粉煤灰，可提高拌合物的流动性。

（2）通过7 d，28 d的试验数据总结得出，在实际施工中，再生骨料混凝土拌合物的搅拌时间应大于水工混凝土施工规范中规定的3 min[9]，应根据再生骨料掺量做相应的延长。

（3）通过60 d，90 d的试验数据得出，连续级配再生骨料掺量小于30%时，再生骨料的掺量对混凝土设计强度的影响呈线性下降变化；同时得出，对没有早期强度要求的混凝土，可使用掺量小于30%的再生骨料混凝土，以降低工程成本，减轻废弃混凝土对环境造成的压力[15]。