再生混凝土配合比设计与抗压强度试验研究.pdf

2 0 1 0 年 第 8 期 (总 第 2 5 0 期 ) Nu mb e r 8 i n 2 0 1 0 ( T o t a l No 2 5 0) 混 凝 土 Co n c r e t e 实用技术 PRACTI CAL TE CHNOLOGY d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 0 0 8 0 4 8 再生混凝土配合比设计与抗压强度试验研究 马乐为，罗峥，阎文，詹海雷。王海，丁铁锋。郝源 ( 西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 7 1 0 0 5 5 ) 摘要： 针对使用传统配合比经验设计再生混凝土时产生的不足， 设计正交试验对再生混凝土配合比进行了改善， 分别讨论了再生骨料 取代率、 不同浓度硅酸钠溶液对骨料的强化以及粉煤灰掺量 3 个因素对再生骨料与骨料一 水泥石界面的改善作用， 采用极差分析归纳了其 各因素对再生混凝土抗压强度的影响， 并给出了合理配合比建议。 关键词： 再生混凝土；取代率；粉煤灰；抗压强度 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 l 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0 ) 0 8 0 1 4 2 0 3 Con t r a s t s t u dy on mi x pr o por t i on de si gn a nd c ompr e s s i ve s t r en I g t h of r e cy c l e d a ggr e ga t e c on c r e t e f A Le wc i ， LUO Zh e n g， YAN W e n， ZHAN Ha i l e i ， WANG Ha i ， DI NG T i e f e n g， HA O Yu a n ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， Xi a n Un i v e r s i t y o f A r c h i t e c t u r e a n d Te c h n o l o g y ， Xi a n 7 1 0 0 5 5 ， C h i n a ) Ab s t r ac t ： Ac c o r d i n g t o t h e r e s e a r c h o f t h e u s e o f t r a d i t i o n a l mi x p r o p o r t i o n d e s i g n e x p e rie n c e f o r r e c y c l e d a g g r e g a t e c o n c r e t e， the mi x p r o p o r - t i o n b a d b e e n i mp r o v e d b y u s i n g o r t h o g o n a l t e s t me t h o d d e s ign e d t o t e s t Th e f a c t o r s t o i mp r o v e t h e i n t e r f a c e of r e c y c l e d a g g r e g a t e a n d t h e a g g r e g a t et o c e me n tp a s t e s u c h a sthe r e pl a c e me n t o f r e c y c l e d a g gr e g a t e ， theu s e o fd i ffe r e n t c o n c e n t r a t i o n so fs o d i u m s i l i c a t e a n dfly a s hmi x e dv o l u me h a d a l s o b e e n di s c u s s e d Va r i a n c e a n a l y s i s wa s u s e d t o c o n c l u d e v a r i o u s f a c tors wh i c h pr o d u c e a n e ffe c t O 1 1 c o mp r e s s i v e s tre ng t h o f r e c y c l e d a g g r e g a t e c o n c r e t e， an d a r e a s o n a b l e mi x p r o p o i o n wa s s u g g e s t e d Ke ywor d s： r e c y c l e d a g g r e g a t e c o n c r e t e ； r e p l a c e r a t e； fl ya s h； c o mp r e s s i v e s tre n g t h 0 引言 汶川 I 地震后， 损毁和拆除的建筑物带来了大量的建筑垃圾， 这再次引起社会对建筑垃圾再利用的关注。建筑垃圾经破碎加 工成再生骨料， 重新配制后 ， 便成为可再次利用的再生混凝土。 但再生骨料存在吸水率高、 压碎指标值大等缺陷， 按现行规范 和设计经验对再生混凝土进行配合比设计难以达到相应的强 度指标。本研究从改善再生混凝土配合比的角度出发， 通过试验 分析了再生骨料取代率 、 再生骨料强化 、 粉煤灰掺量 3个因素 对再生混凝土强度的影响，为再生混凝土配合比设计提供了依 据， 为再生混凝土的推广使用奠定了基础。 1试 验 设 计 1 1 概述 近年来， 我国已在再生混凝土领域开展了大量基础性研究， 经对再生混凝土试件的主要破坏特点分析， 普遍认为再生骨料 取代率和粉煤灰掺量是影响其强度的重要因素 1 。 本文在考虑 以上两因素的基础上 ， 考虑了使用硅酸钠溶液对再生骨料本身 进行强化的作用【3 。 综合考虑这 3个因素的影响， 对再生混凝土 配合比进行正交设计优化 ， 分析了各不同因素对其抗压强度的 影响， 并提出合理配合比建议。 1 2正 交试验设 计 混凝土配合比参数多、 影响因素广， 凭借经验已不能科学 收稿 日期 ：2 0 1 0 9 3 1 9 基金项 目：国家大学生创新性试验计划( 0 8 l 0 7 0 3 0 5 ) l 4 2 地安排试验并选取最佳组合 ， 因此采用正交试验方法， 选择正 交表 k( 3 ) 设计该试验方案 ， 设计以下 3种因素： ( 1 ) 再生混凝土取代率对于其强度的影响显著【 J ， 定义再生 粗骨料取代率 r 为混凝土中再生粗骨料与全部粗骨料质量比。 本试验共考虑了3种再生粗骨料取代率r = 2 5 、 5 0 、 7 5 f4 1 。 ( 2 ) 硅酸钠溶液浸泡有强化骨料的作用， 硅酸钠溶液会析出 硅酸凝胶， 堵塞毛细孔， 或将再生骨料本身细微裂纹黏合； 并且会 与氢氧化钙反应， 生成水硬性硅酸钙胶体填充再生骨料孔隙， 改善 再生骨料与水泥石界面的黏结性能， 提高混凝土整体性能 ； 同时 在 浸泡 的过 程可以去除再 生骨料表面附着的大量粉尘 ， 避免这 些低活性的粉尘在拌合时与新水泥石之间产生薄弱界面， 继而增 强再生混凝土强度 ； 设置 3 、 5 、 7 三个浓度水平进行试验。 ( 3 ) 粉煤灰在混凝土中可以改善混凝土拌合物的和易性、 保水性 、 可泵性等性能， 且提高混凝土的抗化学侵蚀、 抗渗透等 耐久性能， 并减少用水量， 对混凝土后期强度有很大程度的增 强作用。本试验采用内掺法， 取水平为 1 O 、 3 O 、 5 0 。 同时设计一组取代率为 0 ， 骨料未经过浸泡， 粉煤灰掺量为 0的基准组。 1 3试验 材料 试验用水泥为秦岭牌 P O 4 2 5 级水泥； 砂为天然黄砂， 产 源灞河 ， 细度模数 2 6 ； 掺合料为I I 级粉煤灰； 拌和水为自来水； 天然骨料为自然级配卵石， 最大粒径 3 1 5 mm； 再生粗骨料为西 安鑫生源公司提供的 5 1 5 1T l l n和 1 5 3 2 t r i a l 两种粒径范围的 再生粗骨料， 其中粒径级配为( 5 - 1 5 m m) 再生粗骨料： ( 1 5 - 3 2 m m) 再生粗骨料 = 2 ： 3 。 参照 普通混凝土用砂 、 石质量及检验方 法标准 【 5 对骨料的基本性能进行试验， 结果见表 1 。 表 1 粗骨料的基本 性能 试验结果 表明 ， 再生骨料 的堆积密度和表观密度 比天然骨 料分别低约 2 4 和 1 8 ， 主要 由于再生骨料在破碎后表面还黏 结有少量密度较小的水泥砂浆， 但再生骨料表观密度大于 轻 骨料混凝土结构设计规程 嘲 中轻骨料的特征密度， 故设计配合 比时参照规范IV 进行。再生骨料的压碎指标值虽满足试验强度 设计值要求习 ， 但比天然骨料高出 3 2 0 ， 主要原因： 再生骨料 在生产过程中因机械破碎内部会产生裂纹使其强度降低 ； 再 生骨料表层附着的砂浆强度较低 ， 易压碎形成小颗粒， 故依据 规范 测出其压碎指标值显著增加。 1 4配合 比设计 由于再生粗骨料的吸水率高， 试验中采用硅酸钠溶液浸泡 再生骨料 1 h ， 使其预吸水， 拌合前已基本吸水饱和阎， 以此改善 再生骨料吸水率大对配合比的显著影响。配合比设计强度等级 为 C 3 0 ， 水胶比0 4 3 ， 砂率 3 1 ， 粉煤灰为内掺法等量取代， 标 准用水量 1 7 0 k g ， 标准差 5 MP a 19 1 ， 各组配合比见表 2 。 表 2 3 4 ) 试 验配合 比与正 交试验设计表 2试验 方 法 试块的制作、 养护与试验在西安建筑科技大学结构工程与 抗震实验室进行。试验参照规范进行 ， 试块尺寸为 1 0 0 mmx 1 0 0 mmx l 0 0 mm， 将再生骨料分量浸泡在试验要求浓度 的硅酸钠 溶液中， 1 h 后取出。混凝土为人工拌制， 坍落度 5 0 1T l r n ， 经振实台 振实， 2 4 h后拆模。 试块中掺人粉煤灰， 水化作用滞后， 故在标准条 件( 温度( 2 O 3 ) ， 相对湿度 9 0 以上) 下养护到 6 0 d 龄期时测其 抗压强度。 抗压强度试验采用电液式压力试验机( 无锡新路达仪器 设备有限公司制T Y A- 2 0 0 0 ) ， 试验方法参照规范 。 3 试验结果与分析 3 1 直观 分析 从表 2与图 1中可以看出， 除普通混凝土( 即基准组强度 3 8 6 MP a ) 外， 第 7 组 6 0 d 强度最高( 3 7 3M P a ) ， 与基准组最为接 近， 相应的水平组合( A 3 = 7 5 ， B 2 = 5 ， C = 1 0 ) 为当前最好的配 合比。第 2组强度次之( 3 6 5 MP a ) ， 相应的水平组合( A_ 2 5 ， B = 3 ， C。= 1 0 ) 。抗压强度较高的两组配合比， 粉煤灰掺量相 同均为 1 0 ， 但取代率和硅酸钠溶液浸泡均不同； 第 4 组与第 8 组为 1 0组中强度最低的两组， 粉煤灰掺量均为 5 0 ， 但取代率 山 皇 、 魁 憩 00 00 00 0 0 0 0 0 0 0 0 00 O 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 组 别 图 1 1 0组 配合 比抗压强度对比 和硅酸钠溶液浸泡均不同； 可见， 粉煤灰掺量对再生混凝土强 度影 响显著 。 将每个因素的3个水平的强度平均值分别为M1 、 M2、 M3 点在图2上列出， 再与图 1 对比进行对比可得出以下结论： 40 00 38 00 i 3 0 0 0 2 8 0 0 40 0 0 38 0 0 3 6 0 0 ： 30 00 2 8 O O 4 0 O 0 3 8 0 0 3 6 0 0 ： 3 0 0 0 28 O O 再生骨 科取 代率 ， ( a ) 再生骨科取代率对强度的影响 硅 酸钠溶液 浓度 ( b ) 硅酸 钠溶液 浓度对强 度 的影响 粉煤灰掺量， ( c ) 粉煤灰掺量对强度的影响 图 2再生混凝土强度与各因素水平关 系 l 43 ( 1 ) 与基准组相 比， 再 生混凝 土在破 坏时薄弱界面较多 ， 强 度有下降的趋势。 在低取代率情况下， 再生骨料与胶凝材料的黏 结性能表现出主导作用， 故取代率在 2 5 5 0 之间再生混凝土 随取代率上升强度有少量回升。在高取代率情况下， 再生骨料的 内在缺陷对混凝土强度起到主导作用， 导致取代率在 5 0 7 5 之间， 强度随取代率上升递减。综合考虑强度变化趋势 ， 应将 5 0 界定为优选取代率。取代率在 2 5 - 7 5 之间， 强度都高于 强度设计值， 均可满足强度要求。 ( 2 ) 硅酸钠溶液浸泡浓度为5 时， 强度最高。浓度在 3 5 之间稍比在 5 7 之间变化幅度稍大， 但总体变化不明显且均比 基准组强度低。分析其原因， 应为采用预吸水方式对骨料处理后， 造成界面过渡区水灰比升高， 使界面水泥石强度降低， 对混凝土整 体强度产生影响， 导致与其对再生骨料的强化作用几乎抵消。 ( 3 ) 抗压强度随粉煤灰掺量增大而下降 ， 这是由于粉煤灰 水化速度缓慢， 大掺量粉煤灰再生混凝土在 6 0 d龄期时仍存在 未完全水化的粉煤灰 ， 使其抗压强度降低 ， 该结论与一些学者 试验结果相同 。 可初步认定 ， 当使用内掺法时为保证混凝土的 早期强度粉煤灰合适掺量不宜超过 3 0 。 3 2极 差 分 析 由极差分析可知 ， 再生混凝土 6 0 d 抗 压强度影 响因素的主 次顺序为： R R R b ( 见表 3 ) ， 说明粉煤灰掺量在 1 0 5 0 时， 对再生混凝土的抗压强度影 响最大 ， 为主导 因素 。取代 率次之 ， 硅酸钠溶液对骨料强化的作用微弱。对试块破坏界面( 见图 3 ) 分析后发现， 大部分试块破坏由于水泥砂浆和骨料的黏结面的 破坏， 少部分由于骨料的破损 ， 因此硅酸钠溶液对再生骨料内 部裂缝的强化作用【3 J并不能很好的体现。 表 3 极差分析 由极差分析结果( 见表 3 ) 可知 ， 取代率因素( A因素 ) 中 M2 MI M3 ； 硅酸钠溶液浸泡因素中( B因素) M2 M3 M1 ； 粉 煤灰掺量因素( c因素) 中MI M2 M3 。即当取代率为 7 5 ， 骨 料经过 3 浓度硅酸钠溶液溶液浸泡 1 h ， 粉煤灰掺量为 5 0 时， 所配制的再生混凝土试块抗压强度最低， 即 B C 为最差配合 比水平组合； 当取代率为 5 0 ， 骨料经过 5 浓度硅酸钠溶液溶 液浸泡 1 h ， 粉煤灰掺量为 l o u ， 所配制的再生混凝土试块抗 压强度最高， 即A B C 为最佳配合比。 1 44 图 3 再 生混凝土试块破坏形态 4结 语 ( 1 ) 试验中第 7 组抗压强度 与普通混凝土抗压强度相当。 试验得出最佳比为A2 B c ， 其强度很可能超越普通混凝土强度。 因此， 再生混凝土配合比经合理设计 ， 完全可以达到普通混凝 土的抗 压强度要求 。 ( 2 ) 再生骨料取代率不宜过大， 否则对强度不利， 但其影响 作用 只有 6 左有 ， 可适 当降低水胶 比进行弥补 ， 工程中宜选骨 料取代率为 5 0 左右， 以取得更： 大的环境效益和经济效益； 再生 混凝土配制中可适当加入粉煤灰但不宜超过 3 0 ， 否则会引起 混凝土 早期强度不足。 本试验结果反映出硅酸钠溶液对再生混凝土抗压强度的 影响甚微， 且对造价 、 环保等方面有负面影响。从提高再生混凝 土强度的角度考虑不提倡使用该法， 但本试验结果与国内部分 学者结论不相符， 因此该方面的最终结论仍需进一步研究。 ( 3 ) 针对再 生骨料 吸水 高 的特点 ， 采用 硅酸钠溶 液预吸水 处理的再生混凝土配合比设计方法， 能够配置出满足T程强度 需要 的混凝土。 预吸水处理可以免去配合 比设计时测定不同再生骨料的 吸水率， 且浸泡过程中可除去再生骨料表面粉尘， 有效提高界 面性能。因此进一步展开使用自来水进行再生骨料预吸水处理 的试验研究有很 大的实 际意义 。 参考文献 ： 1 】肖建庄 再生混凝土【 M J 北京： 中国建筑工业出版社， 2 0 0 8 2 】 余晓峰， 姚谦峰， 王国良， 等 再生混凝土密肋复合墙体受力性能试验 研究f J 1 西安建筑科技大学学报 ： 自然科学版， 2 0 0 9 ， 6 ( 4 1 ) ： 8 2 7 8 3 3 3 】程海丽， 王彩彦 水玻璃对混凝土再生骨料的强化试验研究 新型 建筑材料 ， 2 0 0 4 ( 1 2 )： l 2 1 4 4 】 孙跃东， 肖祥， 庞俭， 等 再生混凝土的配合比试验研究【 J J _ 山东科技 大学学报 ， 2 0 0 9 ， 2 ( 2 8 ) ： 2 5 2 9 5 1 J G J 5 2 -2 0 0 6 ， 普通混凝土用砂、 石质量及检验方法标准 北京： 中 国建筑工业出版社 ， 2 0 0 6 6 J6 J G J l 2 2 0 o 6 ， 轻骨料混凝土结构设计规程【 s 北京 ： 中国建筑工业 出版社， 2 0 0 6 7 G B J 1 4 6 9 0 ， 粉煤灰混凝土应用技术规范【 s 】 北京： 中国标准出版 社 ， 2 0 0 3 【 8 】尚建丽 ， 李占印 ， 杨晓东 再生粗集料特征性能试验研究【 J J 建筑技 术 ， 2 0 0 3 ， 1 ( 3 4 ) ： 5 2 5 3 【 9 】 李家彬， 肖建庄， 黄健 再生粗骨料取代率对混凝土抗压强度的影响阴 建筑材料学报， 2 0 0 6 ， 9 ( 3 ) ： 2 9 7 3 0 1 I O G B f I 5 0 0 8 0 - 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