何啟東，陳守開,2，邱子軒

(1. 華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，鄭州 450046；2. 河南省水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)院士工作站，鄭州 450002)

目前，我國建筑垃圾數(shù)量已占到城市垃圾總量的30%～40%[1]，《中國建筑垃圾資源化產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告(2014年度)》表明，我國每年產(chǎn)生的建筑垃圾約為16～24 億t。建筑垃圾經(jīng)破碎、清洗、分級之后，成為再生骨料(Recycled aggregate, RA)，用于部分或100%替代天然骨料制備再生骨料混凝土(RAC)[2]。RAC由于RA具有孔隙率高、密度小、吸水率高、強(qiáng)度較低等特點(diǎn)[3]，使得利用RA制備的RAC與天然骨料混凝土(NAC)相比，RAC的抗壓強(qiáng)度低于NAC的抗壓強(qiáng)度，因而建筑垃圾再利用化效率低。

抗壓強(qiáng)度是混凝土的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)，為探究水灰比和砂率對RAC不同齡期抗壓強(qiáng)度的影響，初步設(shè)計(jì)9組配合比，測其3、7、28 d抗壓強(qiáng)度。同時(shí)選定灰色關(guān)聯(lián)分析法研究水灰比、砂率、水泥含量對再生骨料混凝土28 d抗壓強(qiáng)度的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

水泥：天瑞集團(tuán)水泥有限公司生產(chǎn)的P.O 42.5水泥；粗骨料：許昌金科資源再生股份有限公司制造的再生粗骨料，采用二級配混合骨料(粗：中粗=3:2)，基本物理性能指標(biāo)見表1，滿足《再生骨料應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJT 240-2011)；細(xì)骨料：天然砂，連續(xù)級配，細(xì)度模數(shù)Mx=2.56，屬于中砂；水：許昌市自來水。

表1 再生骨料基本性能指標(biāo)Tab.1 Basic performance index of RA

1.2 試驗(yàn)配合比

依據(jù)《普通混凝土設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ55-2011)，設(shè)計(jì)配合比，考慮再生粗骨料15 min吸水率的影響，加入附加水[2]，以確保實(shí)際水灰比變動不大，以100 %再生粗骨料替代天然骨料，設(shè)計(jì)9組配合比，水泥含量(16.6～17.5)%。為減少影響因素，試驗(yàn)中不添加任何外加劑，表2為再生混凝土試驗(yàn)配合比。

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

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 制備與養(yǎng)護(hù)

試件制備參見《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2002)，試驗(yàn)采用人工拌制，拌制前噴灑附加水以預(yù)濕再生粗骨料，骨料吸收儲存水分為水泥水熱化反應(yīng)提供保障，當(dāng)在環(huán)境比較干燥的時(shí)候拌制，又能釋放內(nèi)部水分，保證混凝土濕度，類似“內(nèi)養(yǎng)護(hù)”現(xiàn)象[4]。試件尺寸150 mm×150 mm×150 mm，每組9個(gè)試塊。試件成型后，拆模放至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)。

1.3.2 強(qiáng)度試驗(yàn)

混凝土立方體試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)參照《普通混凝土力學(xué)性能測試方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2002)，分別測其3、7、28 d齡期的抗壓強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

探究水灰比與砂率對不同齡期抗壓強(qiáng)度的影響，本次試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 再生骨料混凝土試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results of RAC

2.1 水灰比影響

圖1為不同配合比與不同齡期抗壓強(qiáng)度fcu曲線。再生骨料混凝土3 d抗壓強(qiáng)度能達(dá)到28 d抗壓強(qiáng)度的43.1%～60.3%，7 d抗壓強(qiáng)度能達(dá)到28 d抗壓強(qiáng)度的71.8%～89.2%。水灰比是影響混凝土抗壓強(qiáng)度的主要因素之一，對于普通混凝土而言，抗壓強(qiáng)度與水灰比成反比關(guān)系，但在再生骨料混凝土中則規(guī)律不明顯。在砂率為33%、35%時(shí)，RAC抗壓強(qiáng)度先是隨著水灰比的增加而增加，抗壓強(qiáng)度均在水灰比為0.55時(shí)達(dá)到最大值，隨著水灰比增加抗壓強(qiáng)度反而下降，與鄧旭華[5]的研究結(jié)果一致；而在砂率為37%的情況下，抗壓強(qiáng)度隨水灰比的增大而降低，為探究出現(xiàn)這種情形的原因，下面討論砂率對再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。

圖1 再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度fcu與水灰比-砂率關(guān)系曲線Fig.1 Relationship curves between compressive strength fcu and w/c ratio-sand ratio of RAC

2.2 砂率影響

據(jù)圖1、圖2可知，對于RAC0.50，其28 d抗壓強(qiáng)度隨著砂率的增大而增大，在砂率為37%達(dá)到最大值25.33 MPa；對于RAC0.55，其28 d抗壓強(qiáng)度隨著砂率的增大而減小，在砂率為33%達(dá)到最大值27.20 MPa；對于RAC0.60，砂率變化對其28 d抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律不明顯。對于3 d齡期抗壓強(qiáng)度，RAC0.50抗壓強(qiáng)度沒有隨著砂率的增加而增加，RAC0.55抗壓強(qiáng)度則隨著砂率的增加而降低，RAC0.60抗壓強(qiáng)度隨著砂率的增加而增加；對于7 d齡期抗壓強(qiáng)度，除了RAC0.60達(dá)到最大值(19.12 MPa，砂率35%)，其他配合比的強(qiáng)度增減規(guī)律不明顯。

圖2 砂率對再生骨料混凝土28 d抗壓強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of sand ratio on 28 d compressive strength of RAC

除了RAC0.55的3、7 d齡期抗壓強(qiáng)度隨著砂率的增加而降低，規(guī)律一致，其余配合比的強(qiáng)度規(guī)律均不明顯，出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能是由于再生細(xì)骨料的高吸水率，降低了實(shí)際水灰比，以及“內(nèi)養(yǎng)護(hù)”現(xiàn)象短時(shí)間內(nèi)沒有充分發(fā)揮效應(yīng)。

2.3 骨料類型影響

為增加試驗(yàn)結(jié)果的說服力，設(shè)計(jì)3組天然骨料的對比試驗(yàn)，天然粗骨料、天然砂均滿足規(guī)范《水工混凝土砂石骨料試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5151-2014)要求，配合比見表4，其不同齡期的抗壓強(qiáng)度見表5。

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

表5 天然骨料混凝土試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Test result of NAC

從表5試驗(yàn)結(jié)果可以看出，天然混凝土28 d抗壓強(qiáng)度隨著水灰比的增加而降低。對于砂率33%的再生混凝土，28 d抗壓強(qiáng)度相比天然混凝土28 d抗壓強(qiáng)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抗壓強(qiáng)度能達(dá)到28 d抗壓強(qiáng)度的34.4%～46.6%，7 d抗壓強(qiáng)度能達(dá)到28 d抗壓強(qiáng)度的72.9%～79.1%。天然骨料混凝土早期抗壓強(qiáng)度增長率比同配比再生骨料混凝土強(qiáng)度增長率低20.2%～22.7%，這是因?yàn)樵偕橇媳砻娓街粚由皾{，新舊水泥砂漿兩者之間的彈性模量差異較小而更易結(jié)合[6]；另外再生骨料由于破碎的原因?qū)е鹿橇媳砻娲嬖谥T多孔隙，表面粗糙，水化產(chǎn)物與骨料結(jié)合更緊密，因此再生骨料混凝土早期抗壓強(qiáng)度增長更快，骨料類型影響混凝土早期抗壓強(qiáng)度增長率。

在適宜的水灰比條件下，與天然骨料混凝土28 d抗壓強(qiáng)度相比，再生骨料混凝土28 d抗壓強(qiáng)度低，這是由于再生骨料混凝土復(fù)雜的過渡界面決定的[7,8]，復(fù)雜的界面結(jié)構(gòu)使得RAC試塊更易受到破壞；在水灰比較高的情況下，NAC 28 d抗壓強(qiáng)度與RAC 28 d抗壓強(qiáng)度相差不大，這與崔正龍等人[9]的發(fā)現(xiàn)相同。

對比RAC與NAC 兩者的28 d抗壓強(qiáng)度，RAC0.55-1為RAC組最大，值27.20 MPa；NAC0.50(33%)為NAC組最大，值33.51 MPa，兩者相差23.2%；RAC0.55-1與NAC0.55(33%)相比，兩者28 d抗壓強(qiáng)度相差1.03 MPa，因此，以100%再生粗骨料替代天然粗骨料，制備混凝土，抗壓強(qiáng)度會降低。

2.4 灰色關(guān)聯(lián)分析法

灰色關(guān)聯(lián)分析(GRA)，其基本思想是比較參考數(shù)列與比較數(shù)列的幾何形狀相似程度來判斷其是否關(guān)聯(lián)，反映了曲線間的關(guān)聯(lián)程度[10]。運(yùn)用GRA能夠分析各因素對于結(jié)果的影響程度，依照相關(guān)性大小得出結(jié)論[11]。關(guān)聯(lián)度愈大，則其影響程度愈高。

T=

對T進(jìn)行初值化得矩陣S，目的是便于分析，保證指標(biāo)的同序性與等效性[12]。計(jì)算矩陣S里參考數(shù)列與比較數(shù)列的絕對差值，構(gòu)成差異矩陣Δb，利用式(1)對Δb求得關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣ξ，最終結(jié)果見表6。

(1)

式中：ρ∈[0,1]為分辨系數(shù)，其作用是削弱因絕對差值過大而失真的影響[12]，一般取ρ=0.5。

Δb=

ξ=

表6 各因素與28 d抗壓強(qiáng)度的灰色關(guān)聯(lián)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關(guān)聯(lián)度0．57110．75450．7255

結(jié)果表明，砂率對再生骨料混凝土28 d抗壓強(qiáng)度的影響最大，其次是水泥含量，最后是水灰比。

3 結(jié) 語

本文研究了再生骨料混凝土不同齡期的抗壓強(qiáng)度，重點(diǎn)分析了水灰比、砂率對再生骨料混凝土的作用，并與天然骨料混凝土進(jìn)行對比。基于以上數(shù)據(jù)，得出結(jié)論如下。

(1)在砂率為33%、35%時(shí)，隨著水灰比的增大，RAC抗壓強(qiáng)度不斷增加，在水灰比0.55到達(dá)最大值，水灰比繼續(xù)增加，RAC抗壓強(qiáng)度下降；在砂率為37%的情況下，抗壓強(qiáng)度隨水灰比的增大而降低。

(2)骨料類型影響了混凝土早期抗壓強(qiáng)度增長率，以再生粗骨料100%替代天然粗骨料，制備混凝土?xí)档涂箟簭?qiáng)度。

(3)經(jīng)灰色關(guān)聯(lián)分析法分析比較得出，對RAC 28 d抗壓強(qiáng)度影響最大的是砂率，其次是水泥含量，最后是水灰比。

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