道路面层用建筑垃圾再生混凝土配合比设计分析

雷 斌，徐原威，熊进刚

(南昌大学建筑工程学院，南昌 330031)



道路面层用建筑垃圾再生混凝土配合比设计分析

雷 斌，徐原威，熊进刚

(南昌大学建筑工程学院，南昌 330031)

通过废混凝土骨料和废砖骨料按比例混合模拟建筑垃圾的组成，制成建筑垃圾再生混凝土，在分析废砖骨料掺量、附加水用量和颗粒级配等对再生混凝土性能影响的基础上，研究道路面层建筑垃圾再生混凝土配合比设计方法。结果表明：建筑垃圾再生混凝土抗折强度随水灰比的增大而降低，随附加水用量的增大而降低；当再生粗骨料中掺25%砖骨料时，建筑垃圾再生混凝土基本力学性能满足新建水泥路面面层材料的要求，而当掺量达50%时，对再生混凝土抗折强度影响较大；颗粒级配的影响较小；用本文的计算公式得到的再生混凝土抗折强度计算值与实测值很接近。

建筑垃圾； 再生混凝土； 配合比设计； 附加用水量； 抗折强度

1 引 言

再生混凝土是指将建筑废弃物经过破碎、清洗与分级后，按一定的比例与级配混合形成再生骨料，部分或全部代替砂石等天然骨料配制而成新的混凝土。欧美地区及日本等发达国家对废混凝土粗骨料制成的再生混凝土技术研究较早[1-2]，近年来国内也开始了再生混凝土相关方面的研究[3-4]。国内外对废混凝土骨料制备的再生混凝土在路用性能方面的试验研究结果表明[5-7]，废混凝土再生粗骨料在水泥混凝土路面上的应用是安全可行的，可以作为新建水泥路面的建筑材料。文献[8-9]对废砖再生粗骨料混凝土进行了配合比及基本的力学性能试验研究。但这些是针对建筑垃圾中的废混凝土或者是废砖单一成分进行的相关研究。王武祥[10]研究了建筑垃圾的组成与用量对再生混凝土性能的影响，结果表明废砖骨料用量对再生混凝土强度的影响显著，而废混凝土骨料用量则对再生混凝土强度影响较小。张亚梅等[11]通过试验研究探索了再生混凝土配合比设计的方法，提出了在普通混凝土配合比设计的基础上进行废混凝土骨料的预吸水法；史巍等[12]提出了基于自由水灰比之上的配合比设计方法。对于建筑垃圾再生粗骨料全部取代天然粗骨料时路面面层用再生混凝土的配合比设计方法未见文献报道。因此有必要开展这方面的研究，进一步验证建筑垃圾再生混凝土在路面面层中应用的可行性。

2 试 验

2.1 试验材料

本试验胶凝材料采用“海螺”牌普通硅酸盐水泥(P·O 42.5R)；细骨料采用天然河砂，细度模数为2.7；天然粗骨料为碎石，再生粗骨料为废混凝土粗骨料和废砖粗骨料，来源分别为某检测中心的废弃C30混凝土试块和学生宿舍改造产生的废弃砖块，经破碎筛分后所得；减水剂采用聚羧酸高效减水剂，减水率20%～40%，目的是改善混凝土的工作性能；水为自来水。本文采用的粗骨料性能见表1。

表1 再生粗骨料的性能

2.2 混凝土配合比

试验考虑水灰比和废砖粗骨料在再生混凝土中粗骨料的取代率影响，据文献[13]统计资料显示，建筑垃圾组成成分中废混凝土、碎砖(砌块)和废砂浆约占建筑垃圾总量的80%，而碎砖在这其中所占的比例大约在20%～50%范围内，其它如木材、玻璃等约占20%。取废砖粗骨料取代率为0%、25%和50%。根据文献[14]可知再生粗骨料1 h吸水率为24 h吸水率的75%左右，所以本文附加水按废砖粗骨料吸水率的75%计算。本文拟采用再生混凝土配合比设计方法为预吸水法，而为了考虑方便施工，拌和时两部分用水实际上是同时加入的。同时为了验证附加水对再生混凝土性能的影响，选用0.38水灰比设计了两组配合比，附加水分别按废砖粗骨料吸水率的50%和100%计算；再生混凝土配合比见表2(试件编号中NC代表天然混凝土；RC代表再生混凝土，不掺废砖粗骨料；Q和H表示废砖粗骨料在再生混凝土粗骨料中的取代率分别为25%和50%；下标50和00表示附加水分别按废砖粗骨料吸水率的50%和100%计算，其他无下标表示附加水按废砖粗骨料吸水率的75%计算)。另外为了验证粗骨料颗粒级配对再生混凝土的影响，设计了试验将粗骨料粒径分为4.75～16 mm(A)和16～26.5 mm(B)两个区间，根据粗骨料筛分试验结果确定两个区间粗骨料所占的百分比(A-55%，B-45%)，将天然粗骨料同样分为两个区间按比例加入到配合比中，配合比见表2。

表2 再生混凝土配合比

续表

2.3 试块制作

试块的制作采用表2配合比，用机械搅拌，振动台上振实成型，抗折试件尺寸：100 mm×100 mm×400 mm。第二天拆模后放入混凝土标准养护室中养护，养护龄期为28 d。抗折强度试验按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》规定执行。

3 结果与讨论

3.1 废砖粗骨料掺量对再生混凝土抗折强度影响

图1 再生混凝土抗折强度随水灰比的变化Fig.1 Flexural strength of recycled concrete changed with the change of W/C

各水灰比下再生混凝土试块抗折强度分别见图1。由图1可知，随着水灰比的增大，再生混凝土抗折强度均降低。在相同水灰比下，掺25%废砖粗骨料再生混凝土强度最高，最低的为掺50%废砖粗骨料再生混凝土。建筑垃圾再生混凝土中掺25%废砖粗骨料后强度高于不掺废砖粗骨料，这是由于掺25%废砖粗骨料后，加入的附加水并不能使废砖粗骨料完全吸水饱和，废砖粗骨料会继续吸水，导致其有效水灰比降低。当废砖粗骨料的掺量达到再生粗骨料的50%时，虽然其同样会使再生混凝土的有效水灰比降低，但由于废砖粗骨料掺量较高而其本身强度很低，最终使得再生混凝土强度降低，说明当废砖粗骨料掺量较高时对再生混凝土的力学性能影响比较大。

3.2 附加水用量对再生混凝土抗折强度影响

不同附加水用量再生混凝土抗抗折强度见图2。由图2可知，抗折强度随附加水量的增加而降低，这个跟水灰比的影响变化规律是一致的。加入的附加水为废砖粗骨料吸水率的50%时，其与加入的附加水为废砖粗骨料吸水率的75%时的抗折强度相差不大，相差约为4.0%。而当附加水用量为废砖粗骨料吸水率的100%时，再生混凝土抗折强度较附加水为废砖粗骨料吸水率的50%时降低14.5%，降幅较大。结果表明不同附加水用量的加入改变了再生混凝土有效水灰比从而影响再生混凝土的强度，当附加水量达到废砖粗骨料的100%吸水率时，对再生混凝土的强度影响较大。

3.3 颗粒级配对再生混凝土抗折强度影响

考虑颗粒级配影响的再生混凝土抗折强度对比图见图3。由图3可知，考虑用粒径范围为A、B区间天然粗骨料的按比例分别代替试件RC48H配合比中的再生粗骨料，试件的强度变化不大。RC48HA试件的抗折强度为4.38 MPa，而RC48HB试件的抗折强度为4.31 MPa，相差0.07 MPa，结果表明颗粒级配对再生混凝土的力学性能影响不大；但由于天然粗骨料的加入，所以其抗折强度均比RC48H要大。

图2 再生混凝土抗折强度随附加水用量的变化Fig.2 Flexural strength of recycled concrete changed with the change of supplementary water

图3 考虑颗粒级配的再生混凝土抗折强度Fig.3 Flexural strengt of recycled concrete considered the grain composition

图4 试件破坏界面(a)RC48HA;(b)RC48HBFig.4 Damage interface of specimen

试验后观察到再生混凝土试件断裂界面见图4。由图4可知，用颗粒粒径在A区间(粒径4.75～16 mm)的天然粗骨料代替再生粗骨料(见图4a)发现，废砖粗骨料在整个界面的分布比较均匀；而用颗粒粒径在B区间(粒径16～26.5 mm)的天然粗骨料代替再生粗骨料(见图4b)发现，废砖粗骨料在界面的分布集中在混凝土的中上部。这由于废砖粗骨料本身较轻，在振动台上振动时较轻的骨料会往上部方向运动，但是当废砖粗骨料的颗粒粒径较大时，其向上运动的阻力较大，所以分布较均匀；而当废砖粗骨料的颗粒粒径较小时，其向上运动的阻力较小，更容易向上运动，所以会集中在试件的上部。

4 配合比中水灰比设计方法分析

《公路水泥混凝土路面施工技术细则》(JTG/T F30-2014)给出了碎石混凝土的水灰比计算的经验公式，见式(1)。

(1)

式中：W/C-水灰比；fs-水泥实测28 d抗折强度；fc-混凝土配置28 d抗折强度。

若用式(1)推算建筑垃圾再生混凝土28 d抗折强度，发现计算值与实测的抗折强度相差较大，见图5。由图5可知，式(1)不适合于道路用建筑垃圾再生混凝土的配合比设计。

为了得出适用于再生混凝土水灰比计算的经验公式，对不掺废砖粗骨料再生混凝土和掺25%废砖粗骨料再生混凝土实际抗折强度(见表3)进行拟合；而掺50%废砖粗骨料对再生混凝土抗折强度影响较大，并未给予考虑。拟合试验结果得式(2)。

(2)

将计算得出的再生混凝土抗折强度与实际抗折强度进行对比，见图6。由图6可知，用本文拟合得出的计算公式计算得出的再生混凝土抗折强度与实际抗折强度相差不大。

图5 抗折强度推算值与实测值对比Fig.5 Compared between calculated with actual flexural strength

图6 抗折强度拟合值与实测值对比Fig.6 Compared between fitted with actual flexural strength

5 结 论

(1)建筑垃圾再生混凝土在掺25%废砖粗骨料时，其基本的力学性能满足路用时对混凝土材料的要求，可以在公路面层中使用；通过合理的配合比设计及改性可用于等级较高公路面层中。而当废砖粗骨料掺量为50%时，由于建筑垃圾再生混凝土的力学性能下降较大，所以建议要控制废砖粗骨料的掺量;

(2)建筑垃圾再生混凝土抗折强度随水灰比的增大而降低，随附加水用量的增大而降低。建议附加水用量按废砖粗骨料吸水率的75%进行计算;

(3)颗粒级配对再生混凝土抗折强度影响不大。由于废砖粗骨料较轻，振动时更容易上浮，建议在实际工程中尽量选用粒径较大的废砖粗骨料;

(4)用本文计算公式得出的再生混凝土抗折强度计算值与实测值很接近。

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Analysis on Mix Proportion Design of Construction Waste Recycled Concrete Used in Road Surface

LEIBin，XUYuan-wei，XIONGJin-gang

(School of Civil Engineering and Architecture,Nanchang University,Nanchang 330031,China)

Construction waste recycled concrete is made by mixing recycled brick aggregate and recycled concrete aggregate in proportion. Based on the analysis of the impact the mixing amount of waste brick aggregate, the amount of supplementary water and grain composition on the performance of recycled concrete, the method of mix proportion design on construction waste recycled concrete used in road surface is studied. It shows that the flexural strength of construction waste recycled concrete decreases with the increase of water-cement ratio and supplementary water. While the content of brick aggregate in recycled coarse aggregate is 25%, the basic mechanical performance of construction waste recycled concrete can satisfy the requirements of material to new cement pavement surface. While the content is 50%, the flexural strength of recycled concrete is greatly influenced by the brick aggregate. The influence of grain composition is very limited. The prediction of flexural strength of recycled concrete obtained by the calculating formula derived from this paper is very close to the actual flexural strength.

construction waste;recycled concrete;mix proportion design;additional water;flexural strength

国家自然科学基金(51562024)；江西省自然科学基金(20151BAB206057)；江西省重点研发计划(20161BBG70056)；江西省研究生创新资金资助(YC2015-S063)

雷 斌(1980-)，男，博士，副教授.主要从事再生混凝土材料与结构研究.

熊进刚，博士，教授.

TU525

A

1001-1625(2016)12-3931-05