再生骨料级配对再生保温混凝土抗压强度的影响

姜　鲁，刘元珍，王文婧，胡凤丽

(太原理工大学建筑与土木工程学院, 山西太原030024)



再生骨料级配对再生保温混凝土抗压强度的影响

姜鲁，刘元珍，王文婧，胡凤丽

(太原理工大学建筑与土木工程学院, 山西太原030024)

为研究再生骨料级配对再生保温混凝土抗压强度及其离散性的影响规律，对四种不同再生骨料级配配制的混凝土进行抗压强度试验，并计算抗压强度标准差。以骨料级配为变量，分析了再生保温混凝土抗压强度的变化趋势。研究表明：通过人工调配可提高骨料的物理性质以及优化骨料级配。级配调整后不仅可以提高混凝土抗压强度，也可有效降低抗压强度的离散性，标准差在1～3MPa范围内。当分别增加大粒径(9.5～19mm)、小粒径(4.75～9.5mm)再生粗骨料时，虽依照现行普通混凝土规范[《混凝土泵送施工技术规程》(JGJ/T10-2011)]表现为级配不良，但出现了强度分别提高27.3%和14.1%的现象。同一级配下再生保温混凝土抗压强度呈正态分布，级配调整后，再生保温混凝土抗压强度正态分布曲线均值增加。再生骨料级配调整，可为再生保温混凝土的推广应用提供一定的技术手段。

骨料级配;再生保温混凝土;抗压强度;离散性;正态分布

0　引　言

再生粗骨料混凝土(以下简称再生混凝土)是指一种将废弃混凝土经破碎、筛分后作为粗骨料应用于新拌混凝土中的绿色环保型混凝土。随着再生混凝土研究的深入，将再生骨料作为粗骨料应用于实际建筑工程中是我国建筑业实现可持续发展的重要途径。现阶段，国内外有关再生混凝土的研究涉及到材料、构件、结构等方面。肖建庄等[1]指出当再生骨料自然级配不良时，经调整后可改善骨料的压碎指标，提高骨料的堆积密度。池漪等[2]运用分形理论探讨了不同分形维数的再生骨料级配对再生混凝土基本力学性能的影响，研究表明：再生混凝土基本力学性能和工作性能，与同一级配分形维数下骨料的最大粒径有关。González-FonteboaBelén等[3]研究了不同再生骨料掺量对再生混凝土本构关系的影响，指出随着再生骨料掺量的增加，纵向应变增大，弹性模量减小，峰值应变和极限应变均增大。这说明再生骨料的掺入可提高混凝土的延性。陈宗平等[4]指出再生混凝土强度随取代率的增加而提高，综合考虑强度指标和经济指标，再生骨料最佳替代率为30%～40%。石建光等[5-6]发现采用再生骨料自然级配配制的再生混凝土抗压强度低，工作性能差，当增加大粒径再生骨料时，其工作性能以及抗压强度均大幅提高，并且运用颗粒—弹簧模型，从细观上分析计算了不同骨料级配对再生混凝土性能的影响。邱树恒等[7]指出再生混凝土表观密度与骨料取代率呈线性关系，且水灰比降到一定程度时，再生混凝土强度会超过基准混凝土。严捍东等[8]发现不同连续级配再生骨料对硬化混凝土的抗压强度和新拌混凝土的工作性能影响显著。

保温混凝土是指在混凝土拌合时掺入一定量的玻化微珠保温材料，使其成为兼具保温承重的一种新型绿色混凝土。刘元珍、王文婧等[9-10]研究了保温混凝土力学性能，确定了其强度等级C20～C60玻化微珠保温混凝土的配合比，其中导热系数在0.2～0.6W/(m·K)之间。赵林等[11-12]对保温混凝土微观结构和保温性能方面进行了研究，指出玻化微珠内部呈蜂窝状结构，可有效降低混凝土的导热系数。2012年本课题组在保温混凝土的基础上，将“建筑材料的再生利用”与“结构自保温”相结合提出了再生保温混凝土，并进行了相关配合比[13]、力学性能和抗震性能[14]的探索研究，但是关于再生骨料级配对再生保温混凝土基本力学性能的研究尚属空白。为此，本文在上述研究的基础上，针对实际工程中再生骨料级配存在的问题，拟对再生骨料级配进行人工调整，对比分析级配调整前后再生保温混凝土抗压强度的变化规律。

1　试验概况

1.1材料

再生粗骨料(取自邯郸某再生骨料生产厂)：5～20mm连续级配再生粗骨料，表观密度为2 448kg/m3，其24h饱和吸水率为6.1%，压碎指标为14.7%。图1为粗骨料与保温骨料外观形貌，再生粗骨料表面如图1(b)所示。

天然细骨料：24h饱和吸水率为6.0%，细度模数为2.37，属于Ⅱ区中砂。

水泥：42.5级普通硅酸盐水泥。

保温骨料：采用玻化微珠为保温骨料，取自河南信阳某玻化微珠加工厂，主要物理指标见表1，其形状如图1(c)所示。

减水剂：聚羧酸系高性能减水剂。

(a) 天然骨料

(b) 再生骨料

(c) 玻化微珠

(d) 玻化微珠内部结构

图1粗骨料与保温骨料

Fig.1Coarseaggregateandthermalaggregate

表1玻化微珠(GHB)物理指标

Tab.1Physicalpropertiesofglazedhollowbead(GHB)

粒径/mm堆积密度/(kg·m-3)筒压强度/kPa导热系数/[W·(m·K)-1]24h吸水率/%表面玻化闭孔率/%体积漂浮率/%0.5～1.51322070.033528990

1.2材料级配曲线

粒径为5～20mm再生骨料的自然级配、人工级配、最佳级配[按《混凝土泵送施工技术规程》(JGJ/T10-2011)得到的粗骨料最佳级配曲线]以及砂子级配曲线如图2所示。与自然级配相比，再生骨料经人工调整后的三种级配的物理性质如表2所示。

(a) 再生粗骨料级配

从表2中可以看出，经人工调整后，当增加小粒径再生粗骨料时，可达到最佳调整效果：再生粗骨料松散堆积密度、紧密堆积密度分别提高了2.16%、2.02%，压碎指标降低了6.52%。

1.3再生保温混凝土配合比

本文为探究再生粗骨料级配对再生保温混凝土基本力学性能离散性的影响以及可能产生的变异现象，通过采用人工调整后级配配制的再生保温混凝土与其自然级配相对比。有关学者[16]基于神经网络的方法预测了再生混凝土抗压强度的影响因素，研究表明：砂率、水灰比、再生粗骨料替代率以及骨料本身的吸水率等均会影响混凝土的抗压强度。基于此，本研究为尽量消除其他因素影响，保证实验数据的可靠性，采用同一批废弃混凝土生产的再生粗骨料，并且再生粗骨料替代率为100%。外加剂替代水泥的4.8%，其1m3配合比如表3所示。

表3　再生保温混凝土(RATIC)配合比Tab.3　The mixture proportion of recycled aggregate thermal insulation concrete (RATIC)

2　试验结果及分析

2.1再生保温混凝土抗压强度

按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)中规定的对各组中每个试件均做了强度检验，由于数据较多，本文中仅列出最佳级配时的试验数据如表4所示。图3为不同再生骨料级配下抗压强度的变化趋势。

表4　再生保温混凝土(RATIC)最佳级配时抗压强度代表值Tab.4　Representative values of compressive strength of RATIC with the optimum gradation

图3　再生保温混凝土抗压强度Fig.3　The compressive strength of RATIC

从图3中可以看出：①自然级配再生保温混凝土强度偏低；②人工调配后，分别增加大粒径(9.5～19mm)骨料含量，使得抗压强度较自然级配时提高了27.3%，这可能是由于再生粗骨料用于新拌混凝土时，骨料在重力作用下向下运动，拌合水则相对于骨料向上运动，水对骨料的运动起到阻碍作用，使水在骨料下部聚集成水囊。与此同时，水泥水化反应产生的钙离子被带到并富集于骨料下部，形成界面过渡区。与小粒径骨料相比较，大粒径骨料下沉时，拌合水对骨料的阻力较小，使得骨料运动较快，骨料下部的水囊数量减少，骨料—新水泥砂浆界面过渡区孔隙率减小，使得界面过渡区强度提高，从宏观上表现为再生保温混凝土抗压强度提高；另外在破碎原生混凝土时，与得到小粒径骨料相比，大粒径再生粗骨料损伤程度较小，并且大粒径骨料表面较粗糙，骨料与新水泥砂浆的粘结较好，因此增加一部分大粒径骨料也会使得混凝土强度提高；③增加小粒径(4.75～9.5mm)再生骨料含量，使得抗压强度比自然级配提高了14.1%，这可能是由于小粒径再生粗骨料表面附着大量旧水泥砂浆，或者其本身就是砂浆颗粒，使得小粒径再生粗骨料吸水率较高[18]，导致混凝土有效水灰比减小，再生保温混凝土抗压强度提高；④当按JGJ/T10-2011《混凝土泵送施工技术规程》中粗骨料最佳级配曲线配制的再生保温混凝土，其抗压强度较自然级配时提高17.5%，原因是此时再生骨料级配较优。

2.2再生保温混凝土抗压强度离散性

GB/T50107-2010《混凝土强度检验评定标准》中规定：检验混凝土立方体抗压强度标准差按式(1)计算：

(1)

其中，fcu,i表示第i组强度实测值；mfcu表示强度平均值；n表示样本容量。

肖建庄等[1]给出了如式(2)所示的再生混凝土抗压强度概率密度函数，式(2)同样也适用于再生保温混凝土，并通过本文给出的强度标准差和平均值得到概率密度曲线。

(2)

式中，μ表示强度平均值，x为概率密度函数f(x)的随机变量。

不同再生骨料级配配制再生保温混凝土强度标准差及正态分布曲线如图4所示。

(a) 抗压强度标准差

图4再生保温混凝土抗压强度标准差和正态分布曲线

Fig.4ThestandarddeviationandgausscurvesofcompressivestrengthforRATIC

由图4(a)可知：当增加大粒径骨料时，抗压强度标准差最小，表明此级配时再生保温混凝土抗压强度离散程度小，其后分别为最佳级配、增加小粒径和自然级配。从图4(b)中可以看出级配调整后，再生保温混凝土抗压强度正态分布曲线均值增加，强度代表值提高。这也和不同级配再生骨料对混凝土抗压强度值的影响规律相同，故人工调整后的再生骨料级配不仅可以提高混凝土抗压强度，也可有效降低抗压强度的离散性。

3　结　论

①通过再生骨料级配优化可提高再生保温混凝土抗压强度。

②级配调整后的再生粗骨料配制的再生保温混凝土抗压强度增大，当分别增加大粒径(9.5～19mm)、小粒径(4.75～9.5mm)再生粗骨料时，虽依照现行普通混凝土规范[《混凝土泵送施工技术规程》(JGJ/T10-2011)]表现为级配不良，但出现了强度分别提高27.3%、14.1%的现象。

③人工调整后的再生骨料级配可有效降低抗压强度的离散性。

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(责任编辑唐汉民梁健)

Effects of gradation on compression strength of recycled aggregate thermal insulation concrete

JIANG Lu, LIU Yuan-zhen, WANG Wen-jing, HU Feng-li

(CollegeofArchitecture&CivilEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

Togetabetterunderstandingonthecompressivestrengthanddiscretenessofrecycledaggregatethermalinsulationconcrete(RATIC)affectedbyrecycledcoarseaggregate(RCA)gradation,anexperimenthasbeencarriedoutonconcreteoffourdifferentrecycledaggregategradations.Therelationshipbetweencompressivestrengthandrecycledaggregategradationisanalyzed,andthestandarddeviationofcompressivestrengthiscalculated.Theresearchshowsthatthegradationofrecycledcoarseaggregateproducedbyindustryispoor,andthephysicalpropertiesandgradationoftheaggregatecanbeimprovedbyartificialmixing.ThegradationadjustmentcannotonlyenhancethecompressivestrengthoftheRATIC,butalsodecreasetheseparationofthecompressivestrength,andthestandarddeviationfallsinarangeof1～3MPa.Afterincreasingtheratioofmediumsize(9.5～19mm)andsmallsize(4.75～9.5mm)ofRCA,thecompressivestrengthoftheRATICwereincreasedby27.3%and14%1%,respectively,althoughtheparticlegradationwaspooraccordingtotheTechnicalSpecificationforConstructionofConcretePumping(JGJ/T10-2011).ThecompressivestrengthsofRATICarenormaldistributionunderthesamegradation,andthemeancompressivestrengthofRATICincreasesafterthegradationadjustment.RecycledaggregategradationadjustmentprovidesawayforthepromotionandapplicationofRATIC.

aggregategradation;recycledaggregatethermalinsulationconcrete(RATIC);compressivestrength;separation;normaldistribution

2016-03-14；

2016-06-15

国家自然科学基金资助项目(51508370，51308371)；山西省自然科学基金项目(2014011033-1)

刘元珍(1974—)，女，山西霍州人，太原理工大学副教授，博士；E-mail：liuyuanzhen820@126.com。

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1200

TU528.79

A

1001-7445(2016)04-1200-06

引文格式：姜鲁，刘元珍，王文婧,等.再生骨料级配对再生保温混凝土抗压强度的影响[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(4)：1200-1205.