砂率和水灰比對再生混凝土抗壓性能的影響研究

姜 峰

(葫蘆島市綏中縣大風(fēng)口水庫管理處，遼寧 綏中 125200)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國城市垃圾的30%-40%來源于建筑垃圾，建筑垃圾的每年生產(chǎn)量達(dá)到16-24億t。通過破碎、分級、清洗等一系列處理建筑垃圾被制成再生骨料(RA)，采用這種材料100%或部分替代天然骨料制成再生混凝土(RAC)。因存在密度小、強(qiáng)度低、孔隙率高、吸水性好等特征，采用再生骨料制成的RAC抗壓強(qiáng)度低于天然骨料混凝土(NAC)，這也是導(dǎo)致建筑垃圾再利用率較低的主要原因?；炷恋牧W(xué)性能主要體現(xiàn)在抗壓強(qiáng)度上，通過合理設(shè)計(jì)9組配合比方案以及不同齡期(3d、7d、28d)抗壓強(qiáng)度檢測，應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)法揭示了再生混凝土28d抗壓強(qiáng)度受不同水泥含量、砂率、水灰比的影響[1-3]。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

原材料包括：①水泥：葫蘆島渤海牌P.O42.5級水泥；粗骨料：綏中建材廠提供的再生粗骨料，骨料的物理性能指標(biāo)符合《再生骨料應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》，骨料性能指標(biāo)，見表1；②細(xì)骨料：綏中縣中游范家鄉(xiāng)趙家店甸村區(qū)的狗河天然砂，細(xì)讀模數(shù)2.61，屬級配連續(xù)中砂；③水：葫蘆島自來水。

表1 骨料性能指標(biāo)

1.2 配合比設(shè)計(jì)

借鑒《普通混凝土設(shè)計(jì)規(guī)程》合理設(shè)計(jì)再生混凝土配合比，加入附加水以降低再生骨料15min吸水率對實(shí)際水灰比的影響，水泥含量占16.5%-17.6%，天然骨料被再生骨料100%替代，配合比設(shè)計(jì)未考慮外加劑以減少影響因素。再生混凝土配合比設(shè)計(jì)，見表2。

1.3 試驗(yàn)方法

1)試件制備與養(yǎng)護(hù)。依據(jù)相關(guān)規(guī)程制備再生混凝土試件，人工拌制試驗(yàn)前需對再生粗骨料噴灑附加水預(yù)濕，水泥水化過程中充分利用骨料吸收的儲存水，若拌制時遇較為干燥的環(huán)境，還能將內(nèi)部水分釋放以確?；炷翝穸龋瑥亩l(fā)揮“內(nèi)養(yǎng)護(hù)”的功能。結(jié)合規(guī)范要求制成150mm×150mm×150mm的立方體石塊，成型后放標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期[4-5]。

2)強(qiáng)度檢測。根據(jù)規(guī)范規(guī)定的測試方法，檢測再生骨料混凝土立方體試件的3d、7d、28d齡期抗壓強(qiáng)度。

2 結(jié)果與分析

為揭示RAS不同齡期抗壓強(qiáng)度受砂率、水灰比的影響規(guī)律，按照前文所述方法制備、養(yǎng)護(hù)、檢測其抗壓強(qiáng)度。不同齡期抗壓強(qiáng)度，見表3。

表2 再生混凝土配合比設(shè)計(jì)

表3 不同齡期抗壓強(qiáng)度

2.1 砂率影響

砂率對28d抗壓強(qiáng)度影響，見圖1。從圖1可以看出，水灰比為0.50情況下，隨著砂率的增大RAC28d抗壓強(qiáng)度呈增加趨勢，抗壓強(qiáng)度最大值為砂率38%時的25.41MPa；水灰比為0.55情況下，隨著砂率的增大RAC28d抗壓強(qiáng)度呈減少趨勢，抗壓強(qiáng)度最大值為砂率32%時的27.30MPa；水灰比為0.60情況下，隨著砂率的增大RAC28d抗壓強(qiáng)度未表現(xiàn)出明顯的規(guī)律。3d齡期條件下，隨著砂率的增大水灰比0.50的RAC抗壓強(qiáng)度未呈現(xiàn)出增大趨勢，而水灰比0.55的抗壓強(qiáng)度反而呈減少趨勢，水灰比0.60抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出增大趨勢；7d齡期條件下，除砂率36%、水灰比0.60的RAC抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值19.14MPa外，其它配合比均未呈現(xiàn)出明顯的增減規(guī)律[6]。

隨著砂率的增加3d、7d齡期水灰比0.55的RAC抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)出明顯的下降規(guī)律，而其它配合比并未呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，進(jìn)一步分析導(dǎo)致此現(xiàn)象的原因?yàn)槲瘦^高的再生西骨料，在一定程度上減少了實(shí)際水灰比，并使得短時間內(nèi)未能充分發(fā)揮“內(nèi)養(yǎng)護(hù)”效應(yīng)。

圖1 砂率對28d抗壓強(qiáng)度影響

2.2 水灰比影響

不同齡期抗壓強(qiáng)度fcu與不同配合比關(guān)系線，水灰比-砂率與抗壓強(qiáng)度fcu關(guān)系曲線，見圖2。再生混凝土3d、7d抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到28d抗壓強(qiáng)度的42.6-60.1%和71.6-90.0%?；炷量箟簭?qiáng)度主要受水灰比的影響，水灰比與普通混凝土抗壓強(qiáng)度存在明顯的反比關(guān)系，而與再生混凝土并不存在明顯的變化規(guī)律。32%、35%砂率條件下，隨著水灰比的增大RAC抗壓強(qiáng)度不斷增加，水灰比增大至0.55后抗壓強(qiáng)度隨水灰比的增大反而減少，該研究結(jié)論與鄧旭華相關(guān)研究保持一致；38%的砂率條件下，隨水灰比的增大抗壓強(qiáng)度不斷減少，為進(jìn)一步探究引起該變化的原因，還需探究RAC抗壓強(qiáng)度受不同砂率的影響。

圖2 水灰比-砂率與抗壓強(qiáng)度fcu關(guān)系曲線

2.3 骨料類型影響

通過設(shè)計(jì)3組對比試驗(yàn)增強(qiáng)試驗(yàn)結(jié)果的可信度與說服力，天然砂和天然骨料均試驗(yàn)規(guī)程要求，不同配合比設(shè)計(jì)及其抗壓強(qiáng)度檢測。天然骨料混凝土試驗(yàn)，見表4。

表4 天然骨料混凝土試驗(yàn)

從表4可知，隨著水灰比的增大天然混凝土28d抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出減少趨勢，與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抗壓強(qiáng)度降低了32.30%、3.26%、1.96%。天然骨料混凝土3d、7d抗壓強(qiáng)度達(dá)到28d的34.4%-46.0%和47.5%-57.3%，再生骨料混凝土早期抗壓強(qiáng)度增長率較天然骨料混凝土增加20.1%-22.8%，其原因?yàn)樾滤嗌皾{與附著于再生骨料表面的舊水泥差將存在較小的彈性模量差異，從而使得兩者更易結(jié)合；此外，因破碎作用使得再生骨料表面較為粗糙，其孔隙較多，骨料與水化產(chǎn)物能夠更好的緊密結(jié)合，所以早期再生混凝土具有更快的強(qiáng)度增長速度，早期抗壓強(qiáng)度增長率受到骨料類型的影響。

水灰比適宜情況下，再生骨料混凝土低于普通混凝土28d抗壓強(qiáng)度，這主要取決于骨料與砂漿膠結(jié)面，RAC石塊因復(fù)雜的界面結(jié)構(gòu)而更容易發(fā)生破壞；較高水灰比條件下，RAC與NAC的28d抗壓強(qiáng)度較為接近，該研究結(jié)論與崔正龍等相關(guān)研究相符。

通過對比分析NAC和RAC檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水灰比0.55的RAC-4組28d抗壓強(qiáng)度最大27.30MPa；砂率32%的NAC-1組28d抗壓強(qiáng)度最大33.50MPa，兩者28d抗壓強(qiáng)度相差23.5%；砂率32%的NAC-2組和水灰比0.55的RAC-4組的28d抗壓強(qiáng)度相差0.91MPa，表明天然骨料被再生骨料100%替代時，這在一定程度上降低了混凝土抗壓強(qiáng)度[7]。

2.4 灰色關(guān)聯(lián)分析

20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種適用于解決隨機(jī)性、不確定性性決策問題的灰色關(guān)聯(lián)法，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、能源、石油、地質(zhì)、經(jīng)濟(jì)、社會等領(lǐng)域，有效解決了生產(chǎn)生活和科學(xué)研究等方面的問題。一般地，該方法用于不同要素行為與關(guān)聯(lián)程度的評估分析，通過比較不同系統(tǒng)行為間或不同因素間的指標(biāo)列、數(shù)據(jù)列發(fā)展行為及態(tài)勢，按照一定的原則利用數(shù)學(xué)方法給出相異或相似程度的對比。實(shí)際上，能夠以關(guān)聯(lián)度反映不同要素或系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)性大小，并考慮不同要素的主要關(guān)系準(zhǔn)確識別出重要因素，以此揭示事物的關(guān)鍵特征，并引導(dǎo)與推動系統(tǒng)的快速發(fā)展。此外，通過關(guān)聯(lián)度計(jì)算還可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析、優(yōu)劣方案排序、最優(yōu)方案的選擇等[8]。

(1)

為保證不同因素之間的等效性和共序性，即解決不同量綱帶來的不可通透性問題，需要對初始矩陣T進(jìn)行歸一處理以獲取標(biāo)準(zhǔn)矩陣S。通過對矩陣S中比較數(shù)列與參考數(shù)列絕對差值的計(jì)算構(gòu)造差異矩陣Δb，其關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣ξ利用公式(1)求解，即：

(2)

(3)

(4)

根據(jù)以上運(yùn)算結(jié)果，最終求出再生混凝土28d抗壓強(qiáng)度與水泥含量、砂率、水灰比的灰色關(guān)聯(lián)度為0.7216、0.7640、0.5815，研究表明再生混凝土28d抗壓強(qiáng)度受砂率的影響最大，水灰比的影響最低，水泥含量居中。

3 結(jié) 論

文章探究了不同齡期再生混凝土抗壓強(qiáng)度受砂率、水灰比的影響，在此基礎(chǔ)上對比分析了天然骨料混凝土，主要結(jié)論有：

1)32%、35%砂率條件下，RAC抗壓強(qiáng)度隨水灰比的增大呈現(xiàn)出增加趨勢，水灰比超過0.55以后RAC抗壓強(qiáng)度隨水灰比繼續(xù)增加反而成下降趨勢；38%砂率條件下，隨水灰比增加抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出減少趨勢。

2)再生骨料混凝土早期抗壓強(qiáng)度增長率較天然骨料混凝土有所增加，其原因?yàn)樾滤嗌皾{與附著于再生骨料表面的舊水泥差將存在較小的彈性模量差異，這使得兩者更易結(jié)合；此外，因破碎作用導(dǎo)致再生骨料表面較為粗糙，其孔隙較多，骨料與水化產(chǎn)物能夠更好的緊密結(jié)合，因此早期再生混凝土具有更快的強(qiáng)度增長速度，早期抗壓強(qiáng)度增長率受到骨料類型的影響。天然骨料被再生骨料100%替代時，這在一定程度上降低了混凝土抗壓強(qiáng)度。

3)再生混凝土28d抗壓強(qiáng)度與水泥含量、砂率、水灰比的灰色關(guān)聯(lián)度為0.7216、0.7640、0.5815，研究表明再生混凝土28d抗壓強(qiáng)度受砂率的影響最大，水灰比的影響最低，水泥含量居中。