水灰比和砂率对再生骨料混凝土抗压强度的影响

何启东，陈守开,2，邱子轩

(1. 华北水利水电大学水利学院，郑州 450046；2. 河南省水环境治理与生态修复院士工作站，郑州 450002)

目前，我国建筑垃圾数量已占到城市垃圾总量的30%～40%[1]，《中国建筑垃圾资源化产业发展报告(2014年度)》表明，我国每年产生的建筑垃圾约为16～24 亿t。建筑垃圾经破碎、清洗、分级之后，成为再生骨料(Recycled aggregate, RA)，用于部分或100%替代天然骨料制备再生骨料混凝土(RAC)[2]。RAC由于RA具有孔隙率高、密度小、吸水率高、强度较低等特点[3]，使得利用RA制备的RAC与天然骨料混凝土(NAC)相比，RAC的抗压强度低于NAC的抗压强度，因而建筑垃圾再利用化效率低。

抗压强度是混凝土的一项重要性能指标，为探究水灰比和砂率对RAC不同龄期抗压强度的影响，初步设计9组配合比，测其3、7、28 d抗压强度。同时选定灰色关联分析法研究水灰比、砂率、水泥含量对再生骨料混凝土28 d抗压强度的影响。

1 试验设计

1.1 原材料

水泥：天瑞集团水泥有限公司生产的P.O 42.5水泥；粗骨料：许昌金科资源再生股份有限公司制造的再生粗骨料，采用二级配混合骨料(粗：中粗=3:2)，基本物理性能指标见表1，满足《再生骨料应用技术规程》(JGJT 240-2011)；细骨料：天然砂，连续级配，细度模数Mx=2.56，属于中砂；水：许昌市自来水。

表1 再生骨料基本性能指标Tab.1 Basic performance index of RA

1.2 试验配合比

依据《普通混凝土设计规程》(JGJ55-2011)，设计配合比，考虑再生粗骨料15 min吸水率的影响，加入附加水[2]，以确保实际水灰比变动不大，以100 %再生粗骨料替代天然骨料，设计9组配合比，水泥含量(16.6～17.5)%。为减少影响因素，试验中不添加任何外加剂，表2为再生混凝土试验配合比。

表2 再生骨料混凝土配合比Tab.2 Mix proportion of RAC

1.3 试验方法

1.3.1 制备与养护

试件制备参见《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2002)，试验采用人工拌制，拌制前喷洒附加水以预湿再生粗骨料，骨料吸收储存水分为水泥水热化反应提供保障，当在环境比较干燥的时候拌制，又能释放内部水分，保证混凝土湿度，类似“内养护”现象[4]。试件尺寸150 mm×150 mm×150 mm，每组9个试块。试件成型后，拆模放至标准养护室内养护。

1.3.2 强度试验

混凝土立方体试件抗压强度试验参照《普通混凝土力学性能测试方法标准》(GB/T 50081-2002)，分别测其3、7、28 d龄期的抗压强度。

2 试验结果与分析

探究水灰比与砂率对不同龄期抗压强度的影响，本次试验结果见表3。

表3 再生骨料混凝土试验结果Tab.3 Test results of RAC

2.1 水灰比影响

图1为不同配合比与不同龄期抗压强度fcu曲线。再生骨料混凝土3 d抗压强度能达到28 d抗压强度的43.1%～60.3%，7 d抗压强度能达到28 d抗压强度的71.8%～89.2%。水灰比是影响混凝土抗压强度的主要因素之一，对于普通混凝土而言，抗压强度与水灰比成反比关系，但在再生骨料混凝土中则规律不明显。在砂率为33%、35%时，RAC抗压强度先是随着水灰比的增加而增加，抗压强度均在水灰比为0.55时达到最大值，随着水灰比增加抗压强度反而下降，与邓旭华[5]的研究结果一致；而在砂率为37%的情况下，抗压强度随水灰比的增大而降低，为探究出现这种情形的原因，下面讨论砂率对再生骨料混凝土抗压强度的影响。

图1 再生骨料混凝土抗压强度fcu与水灰比-砂率关系曲线Fig.1 Relationship curves between compressive strength fcu and w/c ratio-sand ratio of RAC

2.2 砂率影响

据图1、图2可知，对于RAC0.50，其28 d抗压强度随着砂率的增大而增大，在砂率为37%达到最大值25.33 MPa；对于RAC0.55，其28 d抗压强度随着砂率的增大而减小，在砂率为33%达到最大值27.20 MPa；对于RAC0.60，砂率变化对其28 d抗压强度的影响规律不明显。对于3 d龄期抗压强度，RAC0.50抗压强度没有随着砂率的增加而增加，RAC0.55抗压强度则随着砂率的增加而降低，RAC0.60抗压强度随着砂率的增加而增加；对于7 d龄期抗压强度，除了RAC0.60达到最大值(19.12 MPa，砂率35%)，其他配合比的强度增减规律不明显。

图2 砂率对再生骨料混凝土28 d抗压强度的影响Fig.2 Effect of sand ratio on 28 d compressive strength of RAC

除了RAC0.55的3、7 d龄期抗压强度随着砂率的增加而降低，规律一致，其余配合比的强度规律均不明显，出现这种现象可能是由于再生细骨料的高吸水率，降低了实际水灰比，以及“内养护”现象短时间内没有充分发挥效应。

2.3 骨料类型影响

为增加试验结果的说服力，设计3组天然骨料的对比试验，天然粗骨料、天然砂均满足规范《水工混凝土砂石骨料试验规程》(DL/T 5151-2014)要求，配合比见表4，其不同龄期的抗压强度见表5。

表4 天然骨料混凝土配合比Tab.4 Mix proportion of NAC

表5 天然骨料混凝土试验结果Tab.5 Test result of NAC

从表5试验结果可以看出，天然混凝土28 d抗压强度随着水灰比的增加而降低。对于砂率33%的再生混凝土，28 d抗压强度相比天然混凝土28 d抗压强度，RAC0.50-1降低32.17%，RAC0.55-1降低3.65%，RAC0.60-1降低1.78%。天然骨料混凝土3 d抗压强度能达到28 d抗压强度的34.4%～46.6%，7 d抗压强度能达到28 d抗压强度的72.9%～79.1%。天然骨料混凝土早期抗压强度增长率比同配比再生骨料混凝土强度增长率低20.2%～22.7%，这是因为再生骨料表面附着一层砂浆，新旧水泥砂浆两者之间的弹性模量差异较小而更易结合[6]；另外再生骨料由于破碎的原因导致骨料表面存在诸多孔隙，表面粗糙，水化产物与骨料结合更紧密，因此再生骨料混凝土早期抗压强度增长更快，骨料类型影响混凝土早期抗压强度增长率。

在适宜的水灰比条件下，与天然骨料混凝土28 d抗压强度相比，再生骨料混凝土28 d抗压强度低，这是由于再生骨料混凝土复杂的过渡界面决定的[7,8]，复杂的界面结构使得RAC试块更易受到破坏；在水灰比较高的情况下，NAC 28 d抗压强度与RAC 28 d抗压强度相差不大，这与崔正龙等人[9]的发现相同。

对比RAC与NAC 两者的28 d抗压强度，RAC0.55-1为RAC组最大，值27.20 MPa；NAC0.50(33%)为NAC组最大，值33.51 MPa，两者相差23.2%；RAC0.55-1与NAC0.55(33%)相比，两者28 d抗压强度相差1.03 MPa，因此，以100%再生粗骨料替代天然粗骨料，制备混凝土，抗压强度会降低。

2.4 灰色关联分析法

灰色关联分析(GRA)，其基本思想是比较参考数列与比较数列的几何形状相似程度来判断其是否关联，反映了曲线间的关联程度[10]。运用GRA能够分析各因素对于结果的影响程度，依照相关性大小得出结论[11]。关联度愈大，则其影响程度愈高。

T=

对T进行初值化得矩阵S，目的是便于分析，保证指标的同序性与等效性[12]。计算矩阵S里参考数列与比较数列的绝对差值，构成差异矩阵Δb，利用式(1)对Δb求得关联系数矩阵ξ，最终结果见表6。

(1)

式中：ρ∈[0,1]为分辨系数，其作用是削弱因绝对差值过大而失真的影响[12]，一般取ρ=0.5。

Δb=

ξ=

表6 各因素与28 d抗压强度的灰色关联度Tab.6 Grey correlation degree between various factors and 28 d compressive strength

因素水灰比砂率水泥含量灰色关联度0．57110．75450．7255

结果表明，砂率对再生骨料混凝土28 d抗压强度的影响最大，其次是水泥含量，最后是水灰比。

3 结 语

本文研究了再生骨料混凝土不同龄期的抗压强度，重点分析了水灰比、砂率对再生骨料混凝土的作用，并与天然骨料混凝土进行对比。基于以上数据，得出结论如下。

(1)在砂率为33%、35%时，随着水灰比的增大，RAC抗压强度不断增加，在水灰比0.55到达最大值，水灰比继续增加，RAC抗压强度下降；在砂率为37%的情况下，抗压强度随水灰比的增大而降低。

(2)骨料类型影响了混凝土早期抗压强度增长率，以再生粗骨料100%替代天然粗骨料，制备混凝土会降低抗压强度。

(3)经灰色关联分析法分析比较得出，对RAC 28 d抗压强度影响最大的是砂率，其次是水泥含量，最后是水灰比。

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参考文献：

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