摘要：骨料級(jí)配是影響混凝土強(qiáng)度的主要因素之一。在水灰比0.55和水泥、細(xì)骨料、粗骨料的配合比為1：2：2.75情況下，對(duì)不同粗骨料級(jí)配情況下的再生混凝土工作性能和受壓強(qiáng)度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)再生混凝土破壞形態(tài)和普通混凝土破壞形態(tài)相似，當(dāng)混凝土工作性能有保證時(shí)，再生混凝土的強(qiáng)度會(huì)增大。但當(dāng)混凝土工作性能沒有保證或變差時(shí)，強(qiáng)度會(huì)降低。在不同粒徑粒數(shù)分布滿足分形規(guī)律和滿足骨料級(jí)配的情況下，計(jì)算了包裹骨料需要的水泥漿與總水泥漿的比值γ ，γ 值可以反映不同骨料級(jí)配變化引起的骨料表面積的變化。γ 值越大，骨料的表面積越大。γ 較大時(shí)混凝土工作性能和受壓強(qiáng)度降低。比值γ 較小時(shí)混凝土工作性能和受壓強(qiáng)度提高。中部粒徑范圍骨料級(jí)配的變化對(duì)再生混凝土工作性能和受壓強(qiáng)度有明顯影響。再生骨料替代率分別為50%、60%、100%時(shí)，粒徑范圍9.5-19mm和19~26.5mm的骨料級(jí)配接近，再生混凝土強(qiáng)度可以高于天然骨料的混凝土強(qiáng)度。再生骨料替代大粒徑范圍骨料的強(qiáng)度小于替代小粒徑范圍骨料的強(qiáng)度。
關(guān)鍵詞：再生骨料 級(jí)配 工作性能 強(qiáng)度 骨料表面積
1. 引言
由于國(guó)內(nèi)大量的基本建設(shè)和各類工程建設(shè)需求，使得我國(guó)水泥產(chǎn)量在2003 年達(dá)到8 億噸，占當(dāng)年世界產(chǎn)量42%，排名第一[1]。同時(shí)大量基礎(chǔ)工程改造和城市大規(guī)模拆遷每年產(chǎn)生大約2.4 億噸的廢棄混凝土[2]。將廢棄混凝土再生利用，既可有效減少建筑垃圾的數(shù)量，同時(shí)可節(jié)省天然石料、保護(hù)自然資源，是有效解決發(fā)展、環(huán)境、資源相互協(xié)調(diào)的有力措施。
廢棄混凝土經(jīng)過破碎、清洗、分級(jí)后,按一定的比例混合形成再生骨料,部分或全部代替天然骨料配制而成的新混凝土稱為再生混凝土。大量的再生混凝土研究表明再生粗細(xì)骨料對(duì)混凝土各項(xiàng)性能都產(chǎn)生影響[3,4]。經(jīng)過對(duì)再生骨料的替代率和水灰比的控制，可以制備滿足性能要求的各類混凝土，但從中也發(fā)現(xiàn)相同水灰比下的再生混凝土性能差異比較大，隨替代率提高，差異有增大的趨勢(shì)，反映出再生骨料的特性對(duì)混凝土性能的影響很大[5]。研究人員對(duì)再生骨料的吸水率、壓碎值指標(biāo)等特性
已經(jīng)做了大量研究[6]，但對(duì)再生骨料級(jí)配對(duì)混凝土性能的影響研究比較少，而骨料級(jí)配既是影響混凝土性能的關(guān)鍵因素之一，也是混凝土配合比設(shè)計(jì)的一個(gè)主要參數(shù)[7]，為此本文就再生混凝土骨料級(jí)配對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響進(jìn)行研究。
2. 試驗(yàn)內(nèi)容
2.1 實(shí)驗(yàn)原材料
水泥采用福建水泥有限公司建福水泥廠生產(chǎn)的建福牌32.5普通硅酸鹽水泥，砂料為普通天然砂，拌和水為自來水。天然骨料采用天然石材加工而成的碎石，粒經(jīng)范圍為4.75－31.5mm，連續(xù)級(jí)配。廢棄混凝土塊從廈門某住宅小區(qū)拆遷現(xiàn)場(chǎng)采集，采集現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示，采集的廢棄混凝土運(yùn)到碎石場(chǎng)破碎，碎石現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。廢棄混凝土經(jīng)破碎加工而成，選取粒經(jīng)范圍4.75－31.5mm的骨料作為連續(xù)級(jí)配再生骨料。典型的骨料顆粒如圖3所示，可以看出再生骨料顆粒有：部分或全部水泥漿包裹的碎石骨料、水泥漿粘合幾塊碎石形成的骨料、水泥漿塊和碎石粘合形成的骨料、單獨(dú)的水泥漿塊骨料和單獨(dú)的碎石骨料等五種情況。天然骨料與再生骨料的級(jí)配見表1，再生骨料的級(jí)配與天然骨料略有不同，再生骨料中大直徑顆粒相對(duì)較多。測(cè)試的骨料基本性能如表2所示，與大多數(shù)再生骨料特點(diǎn)相同，其堆積密度和表觀密度小于天然骨料，吸水率、壓碎值指標(biāo)都大于天然骨料，再生骨料的針片狀含量低于天然骨料。
2.2 實(shí)驗(yàn)分組
按骨料的不同級(jí)配，實(shí)驗(yàn)分為11組，水灰比均為0.55，單位體積細(xì)骨料相同，都為800kg。各組的骨料級(jí)配設(shè)計(jì)如表3所示，各組混凝土的骨料級(jí)配和配合比見表4。按表4不同骨料粒徑范圍做出各組骨料的級(jí)配比例如圖4所示。
2.3 試塊的制作與試驗(yàn)方法
所有試驗(yàn)混凝土拌和物均采用機(jī)器攪拌和振搗，按照《普通混凝土拌和物性能試驗(yàn)方法》（GB/ T 50080 —2002）操作[9]。24h后拆模，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)至一定齡期測(cè)試其抗壓強(qiáng)度，試塊尺寸均為100×100×100mm，抗壓強(qiáng)度測(cè)試按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/ T 50081 —2002)操作[10]，壓力機(jī)型號(hào)為YE-2000。
3. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析
3.1. 再生混凝土的破壞形態(tài)
隨著荷載的增大，試塊表面開始出現(xiàn)細(xì)小的裂縫；荷載繼續(xù)增大，裂縫沿著受力方向發(fā)展，裂縫主要集中于試塊四角部分，少量裂縫在試塊中部出現(xiàn)；荷載進(jìn)一步增大，裂縫開始向試塊中部發(fā)展，且試塊表面開始鼓起、剝落，試塊四角處出現(xiàn)很寬的裂縫；再增加荷載，混凝土塊大量剝落，試塊四角完全剝落，最終形成倒四角椎，破壞過程見圖5。
從試塊的外在破壞形態(tài)來看，再生混凝土破壞形態(tài)和普通混凝土破壞形態(tài)相似。
3.2. 各組混凝土的工作性能和強(qiáng)度
測(cè)試的各組混凝土的坍落度、保水性、和易性以及抗壓強(qiáng)度如表5。從中可以看出不同骨料級(jí)配的混凝土不僅其工作性能相差很大，不同齡期的混凝土強(qiáng)度也相差很大。
3.3. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
由于各組混凝土試塊的水灰比和配合比相同，骨料級(jí)配的不同將形成不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。由于再生骨料吸水率大于天然骨料，所以隨再生骨料的增加，骨料吸取了水泥漿體中更多的水分，使得水泥漿體的實(shí)際水灰比降低，當(dāng)混凝土工作性能有保證時(shí)，混凝土的強(qiáng)度會(huì)增大，如A6、A8~A11各組的測(cè)試結(jié)果。但當(dāng)混凝土工作性能沒有保證或變差時(shí)，強(qiáng)度會(huì)降低，如A2~A5、A7各組的測(cè)試結(jié)果。特別是增加小直徑骨料含量，使得工作性能降低，強(qiáng)度也很低。如A7的測(cè)試結(jié)果。
4. 骨料級(jí)配對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響的理論分析
骨料與水泥漿的交接面強(qiáng)度是影響混凝土強(qiáng)度的一個(gè)主要因素[11]。當(dāng)交接面強(qiáng)度比較低時(shí)，混凝土強(qiáng)度也比較低，而交接面強(qiáng)度高時(shí)，混凝土強(qiáng)度也高。當(dāng)再生骨料吸取水泥漿體中的水分降低了水泥漿實(shí)際的水灰比，使得交接面強(qiáng)度提高時(shí)，再生混凝土的強(qiáng)度就會(huì)提高。但當(dāng)再生骨料吸取水分后的水泥漿水灰比很小，使得交接面強(qiáng)度降低時(shí)，再生混凝土的強(qiáng)度也會(huì)降低。
交接面的強(qiáng)度主要由水泥漿包裹骨料的質(zhì)量即水泥漿和骨料之間的結(jié)合層控制[12]。混凝土中骨料總表面積Ω就是結(jié)合層的面積，當(dāng)結(jié)合層厚度取相同值h ，就可以得到包裹骨料需要的水泥漿體積Δ = Ω*h，用包裹骨料需要的水泥漿體積Δ 除以混凝土中水泥漿總體積V可得比值r = Δ/V ，r反映了水泥漿和骨料之間形成結(jié)合層的相互關(guān)系。r越接近1，說明水泥漿體包裹骨料越難，結(jié)合層質(zhì)量越難以保證。計(jì)算不同級(jí)配再生骨料的rc ，rc可反映不同再生骨料級(jí)配吸取水分的程度。r越大，說明骨料的吸水越多。
4.1 骨料總表面積Ω 的計(jì)算
骨料總表面積Ω 的計(jì)算過程如圖6所示，骨料尺寸的范圍為骨料篩分測(cè)試的上下限，如本次實(shí)驗(yàn) 中的骨料為4.75-31.5mm。為將連續(xù)分布的骨料尺寸離散化，將骨料的尺寸按一定的尺寸差異進(jìn)行分割，如尺寸差異按1mm分割，則本次實(shí)驗(yàn)的骨料尺寸可用[5,6,7....31]的離散骨料尺寸表示。如本次骨料篩分為[4.75-9.5，9.5-19， 19-26.5，26.5-31.5]四段，則每段內(nèi)的骨料尺寸d分別為[5,6,...9]、[10,11,...19]、[20,21,...26]和[ 27,28,..31]。
如果骨料的形狀假定為以其尺寸d 為直徑的球體，則不同的骨料表面積為4πd2。骨料級(jí)配可采用理論曲線或?qū)嶋H混凝土配合時(shí)各部分骨料的重量，如本次實(shí)驗(yàn)A1組四部分骨料的重量分別為[35，584，343，140]，其級(jí)配為[0.0318，0.5299，0.3113，0.1270]。
假定不同粒徑粒數(shù)分布滿足分形的規(guī)律[13]，按照分形概念，粒數(shù)分布曲線的分形度量公式可以寫成：
計(jì)算表3各組骨料的相對(duì)比值r，與實(shí)測(cè)的混凝土受壓強(qiáng)度關(guān)系如圖7所示。比較圖4和圖7可以看出，相對(duì)比值r可以反映不同骨料級(jí)配變化引起的骨料表面的變化。如A3組小尺寸骨料增多，骨料表面積增大，比值r增大。而A2組由于大尺寸骨料增多，骨料表面積減小，比值r減小。比值r與骨料表面積有很好的相關(guān)性。
4.3 計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
從圖7可以看出，當(dāng)比值γ 大于0.085時(shí)，不論混凝土工作性能好差，如A3、A5、A7組，受壓強(qiáng)度為108~134MPa。當(dāng)比值r小于0.085時(shí)，混凝土工作性能較好，受壓強(qiáng)度可以達(dá)到293~430MPa。但其中增加粒徑范圍為9.5-19mm的骨料 ，同時(shí)減少粒徑范圍為19-26.5mm的骨料，如A4；或減少粒徑范圍為9.5-19mm的骨料 ，同時(shí)增加粒徑范圍為19-26.5mm的骨料，如A2；混凝土工作性能較差，受壓強(qiáng)度降低為130~184MPa。所以，當(dāng)比值γ 比較小，如本例中小于0.085時(shí)，中部粒徑范圍9.5-26.5mm骨料級(jí)配差異較小時(shí)，混凝土工作性能較好，受壓強(qiáng)度高；而當(dāng)中部粒徑范圍9.5-26.5mm骨料級(jí)配差異較大時(shí)，混凝土工作性能差，受壓強(qiáng)度低。當(dāng)此值γ 比較大，如本例中大于0.085時(shí)，混凝土工作性能差，受壓強(qiáng)度低。
按《混凝土泵送施工技術(shù)規(guī)程》要求的骨料級(jí)配制備再生混凝土，如A3、A4、A5組，混凝土工作性能差，受壓強(qiáng)度為129~134MPa，強(qiáng)度比較低。而增加粒徑范圍26.5-31.5mm和19-26.5mm的骨料含量，如A6、A8組，混凝土工作性好，受壓強(qiáng)度達(dá)到388~430MPa，強(qiáng)度比較高。當(dāng)增加粒徑范圍4.75-9.5mm的骨料含量，如A7組，混凝土工作性能差，受壓強(qiáng)度僅為108MPa，強(qiáng)度很低。
采用再生骨料的自然級(jí)配制備混凝土，如A2，盡管比值r比較小，但混凝土工作性能差，受壓強(qiáng)度為184MPa，強(qiáng)度低。再生骨料替代率分別為50%、60%、100%時(shí)，通過調(diào)整粒徑范圍9.5-26.5mm的骨料，使其級(jí)配接近，再生混凝土強(qiáng)度可以高于天然骨料的混凝土強(qiáng)度，如A10、A11、A9、A6、A8組的強(qiáng)度為388~430MPa高于A1組強(qiáng)度293MPa。
再生骨料替代粒徑范圍4.75-19mm的骨料與替代粒徑范圍19-31.5mm的骨料分別制備再生混凝土，如A10、A11組，替代大粒徑范圍骨料的強(qiáng)度小于替代小粒徑范圍骨料的強(qiáng)度。
5. 結(jié)論
通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試和計(jì)算分析，可以得出如下結(jié)論：
1、 相對(duì)指標(biāo)r可以反映不同骨料級(jí)配變化引起的骨料表面的變化。r值越大，骨料的表面積越大，包裹骨料需要的水泥漿越多。當(dāng)水灰比為0.55時(shí)，r大于0.085時(shí)，混凝土工作性能好差，受壓強(qiáng)度低。當(dāng)比值r小于0.085時(shí)，混凝土工作性能較好，受壓強(qiáng)度高。
2、 當(dāng)比值r比較小時(shí)，中部粒徑范圍9.5-26.5mm骨料級(jí)配差異較小時(shí)，混凝土工作性能較好，受壓強(qiáng)度高；而當(dāng)中部粒徑范圍9.5-26.5mm骨料級(jí)配差異較大時(shí)，混凝土工作性能差，受壓強(qiáng)度低。
3、 按《混凝土泵送施工技術(shù)規(guī)程》要求的骨料級(jí)配制備再生混凝土，混凝土工作性能差，受壓強(qiáng)度比較低。
4、 增加粒徑范圍19-26.5mm 和26.5-31.5mm的骨料含量，混凝土工作性好，受壓強(qiáng)度高。而增加粒徑范圍4.75-9.5mm的骨料含量，混凝土工作性能差，受壓強(qiáng)度低。
5、 采用再生骨料的自然級(jí)配制備混凝土，盡管比值r比較小，但混凝土工作性能差，受壓強(qiáng)度低。
6、 再生骨料替代率分別為50%、60%、100%時(shí)，調(diào)整粒徑范圍9.5-26.5mm的骨料，使其級(jí)配接近，再生混凝土強(qiáng)度可以高于天然骨料的混凝土強(qiáng)度。
7、 再生骨料替代大粒徑范圍骨料的強(qiáng)度小于替代小粒徑范圍骨料的強(qiáng)度。
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作者：上海大學(xué)土木工程系 石建光
廈門大學(xué)土木工程系 許岳周
