轻骨料混凝土的研究与应用*

张毓庆，郝凯航，黄开运，李志鑫，王宗萍，黄 瑶

（桂林理工大学博文管理学院，广西 桂林 541004）

此次研究通过数据收集和实验法，对再生粗轻骨料替代率与大坍落度的强度之间的关系、再生粗轻骨料的替代率对再生混凝土抗压强度的影响以及制备小坍落度再生粗轻骨料混凝土时的相关实践进行了研究，最后对此次实验发现的问题进行了总结，并对研究的未来实践进行了展望。

1 实验参数的设计

通过对国内外关于轻骨料混凝土的试验研究结果进行收集与整理后得知，存在着众多会对再生粗轻骨料混凝土力学性能产生影响的因素，其中粗轻骨料的替代率是一项重要指标。因此，选取粗轻骨料的替代率作为变量，研究其对再生混凝土强度的影响。参照《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2006）、《公路工程集料试验规程》（JTG E42—2005）等国家标准和规范可以得到：再生轻骨料的最大粒径为31.5mm，水泥用量不得少于170kg/m3，选取坍落度的实验范围分别为110～160mm和30～50mm。

2 再生轻骨料的处理

该实验在进行轻骨料混凝土的研究过程中，由于旧房改造、拆迁的废弃混凝土块是再生轻骨料的来源，因此在实验前处理再生轻骨料的外观，具体处理步骤如下。

（1）称重：挑选适合破碎机的混凝土废料，然后利用电子称称出重量，目的是测量混凝土废料的可利用率。

（2）破碎：使用浙江德东电机股份有限公司生产的Y100L1-4型号的小型颚式破碎机对混凝土废料进行破碎。

（3）挑选：破碎机破碎后的混凝土碎块中针状、粉状、片状颗粒过多，在此背景下必然会对混凝土的强度、和易性产生一定的不利影响。因此，需要合理地对粗轻骨料的片状、针状颗粒含量进行控制，挑选出形状和棱角合适的再生混凝土碎石作为实验用的再生粗轻骨料。

（4）清洗：使用钢丝刷对得到的再生粗轻骨料经行清洗，这样得到的再生轻骨料会更好地与水泥、砂相黏结，更有效地提高其力学性能。

（5）晾晒：经过清洗后得到的再生粗轻骨料的含水率会偏大，所以需要晾晒，以降低含水率，得到更加可靠的实验结果。

（6）装袋称重：经过暴晒后，把得到的再生粗轻骨料装袋打包，再称重，得到经过加工后合格的再生粗轻骨料。

通过以上步骤，得到可以用于再生混凝土实验研究的再生粗轻骨料，查验后，得到的再生粗轻骨料和使用新粗轻骨料表面的棱角和形状没有太大的区别，最大的不同是再生粗轻骨料的表面有大量小孔，其利用率在70%左右。

3 实验过程

3.1 110～160mm坍落度实验

通过查找资料发现，有研究认为调整再生轻骨料、新轻骨料及减水剂的用量，可以提高混凝土的强度。减水剂是混凝土外加剂的一种，它的作用是在保证混凝土和易性及水泥用量不变的条件下，能够减少拌合用水量，提高混凝土强度；或在和易性、强度不变的情况下，减少水泥的混凝土外加剂用量，尤其是对于再生轻骨料来说，其孔隙率大于新轻骨料，若要达到较大的坍落度，增大减水剂用量是有效的方法。所以，当拌合用水量不能继续增加的情况下，加大减水剂用量是可行的。初步配合比主要是依据设计的基本条件，参照理论和大量实验提供的参数进行计算，得到基本满足强度和耐久性要求的配合比。因此需要对调整后的混凝土的配合比进行计算，验证调整后的配合比是否满足坍落度、抗压强度的要求。110～160mm坍落度实验中调整后的配合比均符合要求（见表1）。

表1 调整后110～160mm的配合比表

3.2 30～50mm坍落度实验

（1）初步配合比。按照《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55—2011）对30～50mm坍落度的配合比进行设计，其根本原因是期望尽可能扩大再生混凝土的用途。配合比设计过程如下。

①确定混凝土强度。按照《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55—2011）、《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）的相关规定，得到：

式中：fcu,o为混凝土的配制强度，MPa；fcu,k为设计的混凝土立方体抗压强度的标准值，MPa；δ为混凝土强度标准差，MPa。

式中：A、B为经验系数。碎石：A=0.46，B=0.52；卵石：A=0.48，B=0.61。

计算得出：

fcu,o=fcu,k+1.645δ=30+1.645×5=38.225MPa

fce=γc×fce,k=42.3×1.08=42.90MPa

再生粗轻骨料混凝土实验属于一类环境中的素混凝土，查单位体积混凝土的胶凝材料用量表，取最小的水灰比为：。

③确定用水量和水泥用量。根据水灰比和单位用水量可以计算出水泥用量。

式中：mc为水泥用量，kg/m3；mw为用水量，kg/m3；根据坍落度和碎石粒径大小查表得到mw=185kg/m3，计算得到mc=343.7kg/m3。

通过以上步骤计算及查表就可以计算出小坍落度的每立方米混凝土配合比。初始混凝土配合比为水泥∶水∶细轻骨料∶粗轻骨料=349∶185∶641∶1192。

（2）试件的养护。采用上海雷韵试验仪器制造有限公司的SHBY-60B型数控水泥砼标准养护箱养护试件。当养护时，需要防止水分蒸发，因而需要用湿布覆盖试件表面，此外，需要在-2～20℃的温度范围静置一昼夜到两昼夜，最后编号拆模。拆模后的试件立即放在温度范围在-2～20℃、相对湿度为95%以上的养护室中。在试件的过程中，彼此间隔10～20mm为宜，并需用水直接冲淋试件进行养护。

4 抗压强度和弹性模量的测定

4.1 实验参数与结果

将养护好的试件置于上海三思纵横机械制造有限公司生产的WAW-2000微机控制电液伺服万能试验机上进行7d抗压强度试验，并推算28d抗压强度，同时根据试验应力与应变关系推算出再生轻骨料混凝土的弹性模量。

4.2 推算强度方法

按照设计配合比，每组3个试件，根据压力机抗压强度的试验值取平均抗压强度，可推算出28d抗压强度值。

式中：fn为nd龄期混凝土的抗压强度，MPa；f28为28d龄期混凝土的抗压强度，MPa；n为养护龄期（n＞3），d。

4.3 Mori-Tanaka法计算再生轻骨料混凝土弹性模量的基本方程

假设有限元的代表单元具有微观足够大、宏观尽量小、含有n种不同级配的轻骨料，其力学和几何统计信息的特征将与整个复合材料相同。借助于Eshelby的等效夹杂理论，得到基体的总应力为[1]：

夹杂的总平均应力为：

图1 含轻骨料与不含轻骨料混凝土材料

根据Mori-Tanaka法，在轻骨料不存在的情况下，平均应变与平均应力的关系式为[2]：

在轻骨料出现后，其关系式为：

由Eshelby等效本征应变理论，轻骨料内的摄动应变与本征应变满足如下关系[3]：

由于复合材料的总平均应力是由轻骨料平均应力与基体平均应力相加得到的，因此可得：

应变计算的通式可表示为：

5 实验成果和分析

在110～160mm坍落度时，抗压强度与再生粗轻骨料替代率的关系曲线（见图2）说明：按照正常的配合比试配后，和易性满足实验要求。换算成施工配合比后进行试验，试验结果表明：（1）在110～160mm坍落度再生粗轻骨料混凝土实验中，抗压强度随代替率的增大而减小；（2）100%代替率时，抗压强度为65MPa，该抗压强度完全满足低等级混凝土路面抗压强度要求；（3）在110～160mm坍落度前提下，替代率与混凝土抗压强度成线性关系，说明实验结果具有较强的连续性。

图2 110～160mm坍落度抗压强度与再生粗轻骨料替代率关系

当坍落度为30～50mm时，抗压强度与再生粗轻骨料替代率的关系曲线（见图3）说明：（1）在不同粗轻骨料替代率时，抗压强度均能达到相关设计规范要求，在60%替代率时，抗压强度为46.52MPa，该值与最大值的误差不超过9%，均能够满足规范及工程需要；（2）在30～50mm坍落度试验中，替代率对再生混凝土抗压强度无明显影响；（3）在再生轻骨料替代率持续增大的背景下，想要保持相同的强度，则需要根据具体状况相应地增加用水量，这是因为与粗轻骨料孔隙率相比，再生粗轻骨料的孔隙率更大，因此需要适当增加用水量，进而才能够实现强度、和易性满足需求。（4）运用Mori-Tanahod理论对再生轻骨料替代率和混凝土材料的弹性模量间关系进行计算，得出相关的计算结果（见图4）。在图4中，以E=25GPa为基准，得知在再生轻骨料弹性模量与水泥砂浆弹性模量相同的情况下，便会出现再生混凝土材料的弹性模量不会受到再生轻骨料的影响，意味着在添加相应的再生轻骨料后并不会增强其弹性模量。在基准线上方，当再生轻骨料弹性模量比水泥砂浆弹性模量低的情况下，相应的，再生混凝土的弹性模量会随着再生轻骨料替代率的增加而减少；在基准线下方，当再生轻骨料弹性模量比水泥砂浆弹性模量高时，再生混凝土弹性模量会随着再生轻骨料替代率的增加而增加。通过以上分析，得知水泥砂浆自身的弹性模量影响再生轻骨料替代率对弹性模量的影响。

图4 实验推算弹性模量与理论计算的关系曲线

6 实验发现的问题与展望

（1）通过该次实验发现，再生粗轻骨料替代率与大坍落度的强度成反比关系；小坍落度时，再生轻骨料替代率对再生混凝土强度无明显影响。

（2）在该次实验中，制备大坍落度再生轻骨料混凝土时，减水剂的掺入量、再生粗轻骨料的替代率对再生混凝土抗压强度的影响尚不明确，有待后续进行相关理论及实验研究。

（3）制备小坍落度再生粗轻骨料混凝土时，还有待寻求再生粗轻骨料的替代率与相应用水量之间的关系。