砂率和水灰比对再生混凝土抗压性能的影响研究

姜 峰

(葫芦岛市绥中县大风口水库管理处，辽宁 绥中 125200)

据统计，中国城市垃圾的30%-40%来源于建筑垃圾，建筑垃圾的每年生产量达到16-24亿t。通过破碎、分级、清洗等一系列处理建筑垃圾被制成再生骨料(RA)，采用这种材料100%或部分替代天然骨料制成再生混凝土(RAC)。因存在密度小、强度低、孔隙率高、吸水性好等特征，采用再生骨料制成的RAC抗压强度低于天然骨料混凝土(NAC)，这也是导致建筑垃圾再利用率较低的主要原因。混凝土的力学性能主要体现在抗压强度上，通过合理设计9组配合比方案以及不同龄期(3d、7d、28d)抗压强度检测，应用灰色关联法揭示了再生混凝土28d抗压强度受不同水泥含量、砂率、水灰比的影响[1-3]。

1 试验设计

1.1 原材料

原材料包括：①水泥：葫芦岛渤海牌P.O42.5级水泥；粗骨料：绥中建材厂提供的再生粗骨料，骨料的物理性能指标符合《再生骨料应用技术规程》，骨料性能指标，见表1；②细骨料：绥中县中游范家乡赵家店甸村区的狗河天然砂，细读模数2.61，属级配连续中砂；③水：葫芦岛自来水。

表1 骨料性能指标

1.2 配合比设计

借鉴《普通混凝土设计规程》合理设计再生混凝土配合比，加入附加水以降低再生骨料15min吸水率对实际水灰比的影响，水泥含量占16.5%-17.6%，天然骨料被再生骨料100%替代，配合比设计未考虑外加剂以减少影响因素。再生混凝土配合比设计，见表2。

1.3 试验方法

1)试件制备与养护。依据相关规程制备再生混凝土试件，人工拌制试验前需对再生粗骨料喷洒附加水预湿，水泥水化过程中充分利用骨料吸收的储存水，若拌制时遇较为干燥的环境，还能将内部水分释放以确保混凝土湿度，从而发挥“内养护”的功能。结合规范要求制成150mm×150mm×150mm的立方体石块，成型后放标养室养护至规定龄期[4-5]。

2)强度检测。根据规范规定的测试方法，检测再生骨料混凝土立方体试件的3d、7d、28d龄期抗压强度。

2 结果与分析

为揭示RAS不同龄期抗压强度受砂率、水灰比的影响规律，按照前文所述方法制备、养护、检测其抗压强度。不同龄期抗压强度，见表3。

表2 再生混凝土配合比设计

表3 不同龄期抗压强度

2.1 砂率影响

砂率对28d抗压强度影响，见图1。从图1可以看出，水灰比为0.50情况下，随着砂率的增大RAC28d抗压强度呈增加趋势，抗压强度最大值为砂率38%时的25.41MPa；水灰比为0.55情况下，随着砂率的增大RAC28d抗压强度呈减少趋势，抗压强度最大值为砂率32%时的27.30MPa；水灰比为0.60情况下，随着砂率的增大RAC28d抗压强度未表现出明显的规律。3d龄期条件下，随着砂率的增大水灰比0.50的RAC抗压强度未呈现出增大趋势，而水灰比0.55的抗压强度反而呈减少趋势，水灰比0.60抗压强度呈现出增大趋势；7d龄期条件下，除砂率36%、水灰比0.60的RAC抗压强度达到最大值19.14MPa外，其它配合比均未呈现出明显的增减规律[6]。

随着砂率的增加3d、7d龄期水灰比0.55的RAC抗压强度表现出明显的下降规律，而其它配合比并未呈现出明显的规律性，进一步分析导致此现象的原因为吸水率较高的再生西骨料，在一定程度上减少了实际水灰比，并使得短时间内未能充分发挥“内养护”效应。

图1 砂率对28d抗压强度影响

2.2 水灰比影响

不同龄期抗压强度fcu与不同配合比关系线，水灰比-砂率与抗压强度fcu关系曲线，见图2。再生混凝土3d、7d抗压强度可以达到28d抗压强度的42.6-60.1%和71.6-90.0%。混凝土抗压强度主要受水灰比的影响，水灰比与普通混凝土抗压强度存在明显的反比关系，而与再生混凝土并不存在明显的变化规律。32%、35%砂率条件下，随着水灰比的增大RAC抗压强度不断增加，水灰比增大至0.55后抗压强度随水灰比的增大反而减少，该研究结论与邓旭华相关研究保持一致；38%的砂率条件下，随水灰比的增大抗压强度不断减少，为进一步探究引起该变化的原因，还需探究RAC抗压强度受不同砂率的影响。

图2 水灰比-砂率与抗压强度fcu关系曲线

2.3 骨料类型影响

通过设计3组对比试验增强试验结果的可信度与说服力，天然砂和天然骨料均试验规程要求，不同配合比设计及其抗压强度检测。天然骨料混凝土试验，见表4。

表4 天然骨料混凝土试验

从表4可知，随着水灰比的增大天然混凝土28d抗压强度呈现出减少趋势，与天然混凝土相比砂率32%的再生混凝土，其NAC-1、NAC-2、NAC-3的28d抗压强度降低了32.30%、3.26%、1.96%。天然骨料混凝土3d、7d抗压强度达到28d的34.4%-46.0%和47.5%-57.3%，再生骨料混凝土早期抗压强度增长率较天然骨料混凝土增加20.1%-22.8%，其原因为新水泥砂浆与附着于再生骨料表面的旧水泥差将存在较小的弹性模量差异，从而使得两者更易结合；此外，因破碎作用使得再生骨料表面较为粗糙，其孔隙较多，骨料与水化产物能够更好的紧密结合，所以早期再生混凝土具有更快的强度增长速度，早期抗压强度增长率受到骨料类型的影响。

水灰比适宜情况下，再生骨料混凝土低于普通混凝土28d抗压强度，这主要取决于骨料与砂浆胶结面，RAC石块因复杂的界面结构而更容易发生破坏；较高水灰比条件下，RAC与NAC的28d抗压强度较为接近，该研究结论与崔正龙等相关研究相符。

通过对比分析NAC和RAC检测结果发现，水灰比0.55的RAC-4组28d抗压强度最大27.30MPa；砂率32%的NAC-1组28d抗压强度最大33.50MPa，两者28d抗压强度相差23.5%；砂率32%的NAC-2组和水灰比0.55的RAC-4组的28d抗压强度相差0.91MPa，表明天然骨料被再生骨料100%替代时，这在一定程度上降低了混凝土抗压强度[7]。

2.4 灰色关联分析

20世纪80年代发展起来的一种适用于解决随机性、不确定性性决策问题的灰色关联法，现已广泛应用于工业、农业、能源、石油、地质、经济、社会等领域，有效解决了生产生活和科学研究等方面的问题。一般地，该方法用于不同要素行为与关联程度的评估分析，通过比较不同系统行为间或不同因素间的指标列、数据列发展行为及态势，按照一定的原则利用数学方法给出相异或相似程度的对比。实际上，能够以关联度反映不同要素或系统之间的关联性大小，并考虑不同要素的主要关系准确识别出重要因素，以此揭示事物的关键特征，并引导与推动系统的快速发展。此外，通过关联度计算还可实现数据关联分析、优劣方案排序、最优方案的选择等[8]。

(1)

为保证不同因素之间的等效性和共序性，即解决不同量纲带来的不可通透性问题，需要对初始矩阵T进行归一处理以获取标准矩阵S。通过对矩阵S中比较数列与参考数列绝对差值的计算构造差异矩阵Δb，其关联系数矩阵ξ利用公式(1)求解，即：

(2)

(3)

(4)

根据以上运算结果，最终求出再生混凝土28d抗压强度与水泥含量、砂率、水灰比的灰色关联度为0.7216、0.7640、0.5815，研究表明再生混凝土28d抗压强度受砂率的影响最大，水灰比的影响最低，水泥含量居中。

3 结 论

文章探究了不同龄期再生混凝土抗压强度受砂率、水灰比的影响，在此基础上对比分析了天然骨料混凝土，主要结论有：

1)32%、35%砂率条件下，RAC抗压强度随水灰比的增大呈现出增加趋势，水灰比超过0.55以后RAC抗压强度随水灰比继续增加反而成下降趋势；38%砂率条件下，随水灰比增加抗压强度呈现出减少趋势。

2)再生骨料混凝土早期抗压强度增长率较天然骨料混凝土有所增加，其原因为新水泥砂浆与附着于再生骨料表面的旧水泥差将存在较小的弹性模量差异，这使得两者更易结合；此外，因破碎作用导致再生骨料表面较为粗糙，其孔隙较多，骨料与水化产物能够更好的紧密结合，因此早期再生混凝土具有更快的强度增长速度，早期抗压强度增长率受到骨料类型的影响。天然骨料被再生骨料100%替代时，这在一定程度上降低了混凝土抗压强度。

3)再生混凝土28d抗压强度与水泥含量、砂率、水灰比的灰色关联度为0.7216、0.7640、0.5815，研究表明再生混凝土28d抗压强度受砂率的影响最大，水灰比的影响最低，水泥含量居中。