高性能再生集料混凝土的研究及在世博项目的应用.pdf

文 章编 号 ：1 0 0 7 0 4 6 X( 2 0 1 0 ) 0 3 0 0 2 0 0 4 戚牌泰 l 高性能再生集料混凝土的研究及在世博项 目的应用 S t u d y o f H i g h - P e r f o r m a n c e C o n c r e t e w i t h R e c y c l e d A g g r e g a t e a n d I t s A p p l i c a t i o n i n 2 0 1 0 S h a n g h a i E x p o P r o j e c t 李 阳 中 图分类 号 ：TU 5 2 8 0 9 ( 上海 市建筑 科学研究 院 ( 集团)有 限公司 ，上海 2 0 0 0 3 2 ) 文 献 标识 码 ：A 0前 言 本文提出一种科学化 、定量化的混凝土配制技术体系， 并开展示范工程应用，提高了混凝土的 “ 绿色度”，既节 约资源、利用固废、降低生产成本；又实现了混凝土的高 性能化，即提高混凝土的和易性 、体积稳定性、力学性能 和耐久性。 1 技术模型 1 1集料体系 1 1 1技术目 标 在输入若干种集料 ( 一般为 2 4种) 原材料基本性能 的前提下 ，可通过系统运算 ，定量地输出混合集料的最佳 合成级配和各种集料的体积百分比。 1 1 2设计思路 建立理想的集料目 标级配模型，通过计算机程序运算， 使混合集料的合成级配最接近目 标级配，并适当提高混合 集料的细度模数，从而减少起填充集料空隙、包裹集料表 面的作用的胶凝材料用量。 1 1 3设计路线 ( 1 ) 采用 D i n g e r F u n k 方程，建立集料 目标级配模型 不同粒径的粗细集料互相掺混，只有一种状态是最紧密堆 积的。A n d r e a s e n 提出了一种基于连续尺寸分布颗粒的堆 积理论。满足该理论的级配曲线接近抛物线，集料颗粒处 于最紧密堆积状态，空隙率最小。 2 0 世纪 7 0 年代 ，D i n g e r 和 F u n k引入最小颗粒粒径 的概念，对 A n d r e a s e n方程进行修正，提出了著名的 D i n g e r F u n k 方程 C P T F 一 l O O 一 其中：C P 一 小于粒度 D的含量百分率 ( )， 一 分布模数 ， 取 0 3 0 0 6 0 ， 一 最大颗粒粒径 ， D 一 最小颗粒粒径。 本文采用 D i n g e r F u n k方程，建立基于不同分布模数 的集料 目 标级配模型。 ( 2 ) 根据我国混凝土技术规范” ，设定边界条件。 鉴于预拌混凝土公司的生产设备条件，每次取 2 - 4 种集料投入运算。泵送混凝土砂率在3 5 4 5 之间； 细集料中通过0 3 1 5 m m筛孔的颗粒含量不应 1 5 ， 且 3 0 ；通过 0 1 6 m i l l 筛孔的颗粒含量不应 1 7 5 。 ( 3) 利用计算机应用程序，获得最佳合成级配与每 种集料的体积百分比。 在边界条件限定范围内，对投入运算的集料进行 体积百分比随机取值，将混合集料的合成级配与目 标级配 进行比对，以偏差系数K来描述两者之间的差异。偏差系 数越小，合成级配与目标级配越接近。偏差系数一般为 5 O l 5 0 以偏差系数 K最小化作为目标，通过计算机程序 的重复循环运算，找出该批投入运算的集料的最佳合成级 配，以匹配众多基于不同分布模数的目 标级配，并确定每 种集料的体积百分比。 根据每种集料的细度模数和体积百分比，计算出 混合集料的细度模数 M。细度模数越大，混合集料总表面 积越小 ，细度模数一般为 5 5 6 1 。 根据偏差系数 K和细度模数 M，确定最佳的集料 配比。 1 2 胶凝材料体 系 上海市科委 科研院所重点发展方向研究开发计划项 目 “ 高性能再生骨剌混凝土研究与应用” ( 0 8 1 2 6 ) 上海市科委 “ 上海工业固体废弃物资源化利用工程研究中心” ( 0 9 D C 2 2 5 1 8 0 0 ) 2 Q coAL AsH 3 201 0 1 2 1技术目标 建立胶凝材料净浆流动度与混凝土坍落度、水胶比与 混凝土强度、集料合成级配与浆集料比的相关性模型，根 据混凝土工作性、 强度和耐久性的配制要求，输出胶凝材 料配比、水胶 比、胶凝材料用量和9 t, m N掺量。 1 2 2 设计思路 根据胶凝材料的安定性 、流变性 、强度 、体积稳定性 等技术性能指标，以及拟配制混凝土的强度和耐久性要求， 确定胶凝材料的配比、水胶比和外加剂掺量，充分发挥掺 合料对混凝土工作性、耐久性和后期强度的贡献；根据集 料的合成级配状况，确定浆集料比，以减少胶凝材料用量。 1 2 3设计路线 ( 1 ) 安定性 在普通水泥中掺人粉煤灰、矿渣或其它掺合料，组成 复合胶凝材料，其雷氏夹膨胀值应为 2 5 m m，既保证体 积安定性 ，又利用掺合料中的膨胀成分，补偿混凝土的塑 性收缩和干缩。 ( 2 )流变性 在集料级配理想的条件下，胶凝材料的净浆流动度与 混凝土的坍落度具有相关性。在不同水胶比下 ( 0 2 5 0 6 0 )， 掺人各类外加剂，其掺量不大于生产厂家推荐掺量值，使 胶凝材料的净浆流动度达到 2 5 0 3 0 0 m m，可满足泵送混 凝土坍落度的要求 ( 1 5 0 2 0 0 m m)。以胶凝材料的流变 性来进行混凝土外加剂选型 ( 表 1 )，可充分体现掺合料 的连续微级配效应与矿物减水作用。 表 1 混凝土外加剂选型表 水胶比 外加剂品种 外加剂掺量 对应的混凝土强度等级 ( 3 ) 胶砂强度 4 2 5 普通水泥或硅酸盐水泥的 2 8 d实测胶砂强度应 大于 5 0 M P a 。以 5 0 7 0 的粉煤灰、矿渣或复合掺合 料等量取代水泥，构成复合胶凝材料，复合胶凝材料的 2 8 d强度应大于 3 7 5 M P a 。 ( 4 ) 水胶比 由于高性能再生集料混凝土使用大量掺合料取代水泥， 故尽管混凝土强度与水胶 比的倒数 ( 胶水比，g w) 仍符 合 B o l o m e y 线性关系 ，但是回归系数并不能完全按 普通 混凝土配合比设计规程 ( J G J 5 5) 取值。应通过试验， 建立相应的 B o | o m e y 线性 回归公式。 ( 5 ) 体积稳定性 高钙灰和钢渣粉的 f - C a O膨胀成分 、脱硫石膏的 A F t 膨胀成分 ，其膨胀集中在 0 3 d ，在气干下起到补偿收缩 作用，可减少混凝土的早期塑性收缩，有利于提 高混凝土 的体积稳定性。以复合胶凝材料的限制膨胀率 ( 空气中) 作为技术指标，规定如下：3 d限制膨胀率 l X 1 0 一， 2 1 d限制膨胀率 一 2 1 0 。 ( 6 ) 浆集 比 根据美国 P K M e h t a和 P C A i t c i n教授的观点，要使 高性能混凝土同时达到最佳的施工和易性和强度性能，其 水泥浆与集料的体积比 ( 浆集料比) 应为 3 5 ： 6 5 。然而， 根据本文提出的集料级配技术，可降低浆集料比，根据偏 差系数 K和细度模数 M、以及混凝土配制强度 ，浆集 比 一 般取值为：2 8 ： 7 2 3 2 ： 6 8 。 2 高性能再生集料混凝土的示范应用 2 1高性能再生集料混凝土的工程要求 工程名称：上海世博会城市最佳实践区上海案例 ( 沪 上 生态家 )、上海世博会浦东临时场馆 c片区 1 标 强度等级和耐久性要求：C 3 0 P 6 、C 4 0 P 6 绿色度要求：使用矿渣粉、粉煤灰等掺合料取代 5 0 6 0 水泥，使用再生集料、尾矿砂、细砂等资源节约型 集料取代 6 0 砂石。 2 2 集料设计 2 2 1集料性能 预拌混凝土公司现有五种集料，集料的原材料性能见 表 2 。 表 2 各种集料原材料性能 注：1 细集料的细度模数按 建筑用砂 ( GB T 1 4 6 8 4 2 0 0 1 )计算； 2 粗集料的细度模数为各筛孔 ( O 1 5 mm 以上)累计筛 余之和；3 混合集料的细度模数是基于各种集料体积百分比的加权平均数 。 3 2 0 1 0 粉煤灰 2 l 其中再生集料是以废弃混凝土块 ( 道路混凝土、灌注 桩桩头、混凝土构件等 ) 破碎而成的，物理性见表 3 。 表 3 再生集料的物理性能 2 2 2集料体系计算 C 3 0 混凝土采用 “ 再生集料+ 中砂” 二级配 、C 4 0混 凝土 “ 劣级配碎石+ 再生集料+ 尾矿砂+ 细砂” 四级配。利 用编制的计算机应用程序，运算出多组合成级配 ( 略)， 以匹配不同的目标级配 ( n = 0 3 0 0 6 0)，各组合成级配 对应的集料体积百分比如下： 表 4 匹配不同目标级配的集料体积百分比 体积百分比 砂率 O 3 ram O 1 6 ra m 劣级配再生集中砂 尾矿砂 细砂 通过率 通过率 K 值 M值 “ 值 碎石 料 由表4可知， ( 1 ) 二级配中，n = 0 4 0 时，偏差系数 K最小 ( 5 0 4 )， 细度模数 M较高 ( 5 7 0 )，为 “ 再生集料+ 中砂”集料体 系的最佳合成级配。 ( 2 ) 四级配中，当n = O 5 0 时， 偏差系数 K最小 ( 1 1 6 )， 细度模数 M较高 ( 6 0 1 )，为 “ 劣级配碎石+ 再生集料+ 尾 矿砂+ 细砂”集料体系的最佳合成级配。、 ( 3 ) 与二级配相比，四级配的偏差系数显著减少，细 度模数提高，可减小集料空隙和总表面积，有利于降低胶 凝材料用量。 ( 4 )由于二级配距目标级配偏差较大，故浆集比略高， 取 3 0 ： 7 0 。而四级配较接近目标级配，浆集比可取 2 9 ： 7 1 。 根据各种集料的体积百分比和表观密度，可计算出每方混 凝土中集料的用量 ( k g m )： C 3 0 ：再生集料 1 0 3 6 ，中砂 8 0 6 ； C 4 0 ：劣级配碎石 5 6 9 ，再生集料 5 1 5 ， 尾矿砂 6 5 4 ， 细砂 1 5 7 。 2 3胶凝材料设计 2 3 1原材料 2 2 CoAL AsH 3 2 01 0 水泥： 4 2 5普通水泥，2 8 d 实测强度5 4 7 MP a ； 矿渣粉：$ 9 5 ，2 8 d 活性指数 9 8 ； 粉煤灰 ：C类灰 ( 级 )， f - C a O含量 2 3 6 ； 以4 0 5 0 的普通水泥和 6 0 5 0 的掺合料组成 复合胶凝材料。 2 3 2复合胶凝材料的性能 表 5 复合胶凝材料的性能 品种 ， 3 跳 d 扰 2 8 d 中 1 2 3 3胶凝材料用量和用水量计算 表 6 胶凝材料用和用水量计算 强度 配制强 复合胶凝材 水胶 浆体体积 水泥 掺合料 用水量 外加荆 等 级度，M P a ； M P a 比 升 m ( k g 1I f ) g I T f ) ( k g In )7 ( k g | ) C 4 0 4 7 4 4 1 9 0 3 6 2 9 0 2 0 5 2 0 6 1 4 8 聚羧酸2 4 7 由于C 4 0 混凝土的集料级配较好，可适当降低浆集比。 试验室试拌结果，两组混凝土和易性好，完全能满足工作 性和力学性能要求。 3高性能再生集料混凝土的示范应用 在 2 0 0 8 年 1 1 月至 2 0 0 9 年 1 月期间，分别开展城市 最佳实践区和浦东临展区两个世博项目的示范应用，高性 能再生集料混凝土总计约为7 0 0 0方，其中沪上 生态家 项目全部采用高性能再生集料混凝土作为结构材料， 现已 结构封顶。 高性能再生集料混凝土的坍落度为 1 5 0 1 8 0 m m，和 易性好，不易分层离析。从施工现场取样，进行混凝土力 学性能和耐久性检测试验， 结果见表 7 、8 。 表 7 高性能再生集料混凝土的力学性能( 2 8 d ) MP a 两种强度等级的混凝土均能满足设计要求。 表 8 高性能再生集料混凝土的耐久性( 2 8 d ) 抗 渗收 缩 值毒 害 羹 鬟 淼电 通 量。 C3 0 P 6 3 3 5 1 0 。 8 4 0 1 9 0 9 41 C4 0 P 6 3 3 0 x 1 0 2 9 0 6 9 1 0 两种强度等级的混凝土均具有较好的耐久性。 ( 下转 2 5页) 压强度比与灰水比亦呈良好的线性关系。说明普通混凝土 的配合比设计公式仍然适用于再生混凝土，只是线性回归 方程公式中的回归系数有所不同，要相应改变。由图 l 得 到相应的线性 回归方程为： 天然集料混凝土： Y =0 4 6 1 l x 一0 1 8 8 8 R2=0 9 4 0 3 道路再生集料混凝土 ：Y =0 4 0 1 3 x 一0 1 3 5 7 R2=0 9 4 2 6 检测站再生集料混凝 ：v =0 4 3 6 6 x 一0 1 7 8 R2=0 9 5 0 6 将以上线性回归方程和公式 ( 3 ) 比较，可求得不同集料 的线性回归方程公式中的回归系数口 和 的值：天然集 料混凝土 = 0 4 6 1 1 B= 0 4 0 9；道路再生集料混凝土 =0 4 0 1 3 = 0 3 3 8 ；检测站再生休料混凝土 = O 4 3 6 6 = 0 4 0 8 相应的混凝土强度计算公式为： 天然集料混凝土： = 0 4 6 1 ( C W一 0 4 0 9 ) 道路再生集料混凝土： 。 = 0 4 0 1 3 ( C W一 0 3 3 8 ) 检测站再生集料混凝土： = 0 4 3 6 6 ( C W一 0 4 0 8 ) 实测数据和回归方程的相关密切程度可用相关系数 r 来判断， 该值越接近 1 ，就说明它们越密切，相关性越好。 而回归方程预测值的准确性，可用剩余标准差s或离差系 数 e 表示，该值越小，说明回归方程预测的值越精确。 r 、S 、 各值可分别由下式计算： 经计算可得： 天然集料混凝土： = O 9 9 2 4 ；S = 0 0 4 8 ； C = 5 8 0 道路再生集料混凝土： = 0 9 7 4 8 ；S = 0 0 6 6 ； C =7 9 8 检测站再生集料混凝土： ： 0 9 7 4 8 ；S = 0 0 8 1 ； C =1 5 8 以上结果都满足 r 0 8 5 ；C 1 0 的要求，能够 应用于实际工作中。由此也可见，天然集料与再生集料配 制混凝土强度计算公式不同，既使同是再生集料，来源不 同，性能不同，混凝土强度计算公式也有所不同，说明集 料性能对混凝土的强度有影响。在实际工作中应用混凝土 强度计算公式时要对所用集料性能进行检测 ，特别是要考 虑粗集料压碎指标对混凝土强度的影响。 4结 论 ( 1 ) 三种粗集料混凝土 2 8 d抗压强度比与混凝土灰水 比呈现很好的线性相关性，相关系数均在 0 9 4以上，但 各粗集料混凝土 B o l o m e y 公式中的回归系数 和 硌 不 相同。 ( 2 ) 天然集料与再生集料配制混凝土强度计算公式不 同，既使同是再生集料，来源不同，性能不同，混凝土强 度计算公式也有所不同。 ( 3 ) 用再生集料配制再生混凝土时要考再生集料性能 对混凝土强度的影响。 参考文献 1 】中国建筑科学研究院普通混凝土配合比设计规程 M】 北京：中国 建筑工业出版社，2 0 0 1 【 2 C E C S 4 0 ： 9 2 ；凝土及预制混凝土构件质量控制规程 S 作者简介：李雯霞 ( 1 9 7 0 )，女，副教授 ，同济大学访问学者，主要研 究方向为建筑垃圾资源。E - ma i l ： j u q u a n l i w e n x i a 5 2 6 6 1 2 6 c o m。 收稿日期： 2 0 0 9年 7月 2 1日 ( 上接 2 2 灸) 4 结 论 ( 1 ) 本文通过集料理想级配模型的建立和计算机的程 序运算，优化集料技术，降低浆集比，减少胶凝材料用量， 充分发挥掺合料对混凝土 作性、耐久性和后期强度的贡 献。按水灰比定则配制一定强度等级的混凝土，利用高性 能减水剂和矿物减水剂，在低水灰比的条件下，满足混凝 土的泵送要求。 f 2 )2示范工程应用结果表明，高性能再生集料混凝土 具有较好的工作性、力学性能和耐久性。 参考文献 1 】G B 5 0 1 1 9 - 2 0 0 3混凝土外加剂应用技术规范 2 】陈定祥等 复合胶凝材料配制混凝土技术 【 J 】 混凝土， 2 0 0 0 ， 1 0 ( 1 ) ： 2 5 收稿 日期： 2 0 1 0年 2月 1 0曰 3 2 0 1 0 粉 煤灰 2 5