道路面層再生混凝土最優(yōu)配合比實(shí)驗(yàn)研究

姜天公平，張自榮，張一蕾，宋文祝

(1.長(zhǎng)春工程學(xué)院研究生學(xué)院，長(zhǎng)春 130012； 2.吉林省公路管理局，長(zhǎng)春 130012)

0 引言

近年來，我國(guó)對(duì)基礎(chǔ)交通設(shè)施的持續(xù)投入使得我們的出行變得更加便利，但同時(shí)由于公路、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)需要大量的原材料，導(dǎo)致大量的資源開采對(duì)環(huán)境造成了很大的負(fù)擔(dān)。為了在工程建設(shè)的同時(shí)降低對(duì)環(huán)境的影響，我們應(yīng)該研究再生混凝土在道路工程中的應(yīng)用，通過利用廢棄混凝土來降低工程建設(shè)對(duì)自然資源的需求量，從而達(dá)到保護(hù)環(huán)境的目的。據(jù)估算，到2020年底，我國(guó)的年產(chǎn)生建筑垃圾已多達(dá)20億t，占城市垃圾總量的30%～40%，并以每年10%的速度增長(zhǎng)[1]，如此大量的建筑垃圾為再生混凝土在道路工程中的應(yīng)用提供了充足的原材料。

雷斌等[2]研究發(fā)現(xiàn)，再生混凝土摻量在25%時(shí)，再生混凝土的力學(xué)性能可以滿足道路面層材料的要求，而當(dāng)再生骨料摻量增加到50%后，再生混凝土的力學(xué)性能下降較大，不宜用于道路工程中。王立波等[3]的研究表明，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度與再生骨料取代率成反比，并給出了添加鋼纖維的再生混凝土的最優(yōu)配合比。肖建莊等[4-5]研究認(rèn)為再生混凝土的抗壓、抗折強(qiáng)度相比于天然混凝土均較低，且隨著再生骨料取代率的增加，其強(qiáng)度逐漸降低。Etxeberria[6]認(rèn)為在相同水灰比條件下，不同的再生骨料取代率中，全取代再生混凝土相比天然混凝土?xí)?0%的強(qiáng)度損失。

根據(jù)前述的研究成果，本文以再生碎石混凝土(RAC-S)和再生礫石混凝土(RAC-L)為研究對(duì)象，以再生骨料取代率(采用3種取代率數(shù)值)、水灰比(采用3種水灰比數(shù)值)和砂率(采用3種砂率數(shù)值)為影響因素，按照三因素三水平采用正交法進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值分析，確定本次試驗(yàn)中的最優(yōu)配合比，用于指導(dǎo)工程實(shí)踐。

1 試驗(yàn)概況

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用水泥為P.O42.5普通硅酸鹽水泥，細(xì)骨料為天然砂，細(xì)度模數(shù)為2.21，拌合水為實(shí)驗(yàn)室自來水。天然粗骨料為碎石和礫石兩種，均來自吉林省通榆縣某石料廠。再生粗骨料來自通榆縣某骨料處理廠破碎混凝土路面所產(chǎn)生的廢棄骨料，經(jīng)測(cè)定為Ⅲ類再生粗骨料。各粒徑骨料占比分別為細(xì)骨料占25%、中骨料占35%、粗骨料占40%。粗骨料詳細(xì)性能見表1。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

研究再生骨料取代率(因素A)、水灰比(因素B)和砂率(因素C)三因素在三水平下對(duì)兩種不同類型再生混凝土力學(xué)性能的影響，采用正交試驗(yàn)法，正交表選用L9(34)。本實(shí)驗(yàn)配合比根據(jù)JTG/TF 30—2014《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)細(xì)則》進(jìn)行設(shè)計(jì)，詳見表 2～4。

表1 粗骨料各項(xiàng)性能指標(biāo)

表2 正交試驗(yàn)因素與水平

表3 碎石組配合比 單位：kgm-3

表3 碎石組配合比 單位：kgm-3

編號(hào)因素組合水泥水再生粗骨料天然粗骨料砂附加水RAC-S1A1B1C1471.3160.2358.2870.4585.216.7RAC-S2A1B2C2432.6160.0347.1815.0654.816.0RAC-S3A1B3C3400.4160.2325.4790.7753.115.0RAC-S4A2B1C2477.4162.3557.4580.5653.025.6RAC-S5A2B2C3438.2162.1531.5553.4737.924.4RAC-S6A2B3C1390.1156.0630.9634.8597.429.0RAC-S7A3B1C3483.5164.4725.7323.9720.033.4RAC-S8A3B2C1427.0158.0856.3382.2599.539.4RAC-S9A3B3C2395.3158.1816364.2682.837.5

注：RAC-S為再生碎石混凝土，1～9為組別。

表4 礫石組配合比 單位：kgm-3

表4 礫石組配合比 單位：kgm-3

編號(hào)因素組合水泥水再生粗骨料天然粗骨料砂附加水RAC-L1A1B1C1471.3160.3362.3850.5571.816.7RAC-L2A1B2C2432.6160.0342.8832.9669.216.0RAC-L3A1B3C3400.0160.2330.0774.8737.915.2RAC-L4A2B1C2477.4162.3564.5567.9638.426.0RAC-L5A2B2C3438.0162.1539.0542.3723.024.8RAC-L6A2B3C1390.1156.0623.9650.0611.428.7RAC-L7A3B1C3483.5164.4736.0317.3705.233.9RAC-L8A3B2C1427.0158.0866.0373.4585.840.0RAC-L9A3B3C2395.3158.1826.4356.3668.038.0

注：RAC-L為再生礫石混凝土，1～9為組別。

1.3 試件成型與養(yǎng)護(hù)

本試驗(yàn)的立方體試件采用兩種尺寸，分別為150 mm×150 mm×150 mm和100 mm×100 mm×100 mm，棱柱體為150 mm×150 mm×550 mm。攪拌時(shí)，將骨料等倒入攪拌機(jī)，同時(shí)加入90%的水和減水劑，攪拌2 min，然后靜置30 min，再加入剩余10%的水和減水劑，攪拌2 min。隨后裝模并振搗抹平，10 h后覆蓋保鮮膜，24 h后送入養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，28 d后進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。

1.4 試驗(yàn)方法

抗壓、抗折和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法均根據(jù)JJG 3420—2020《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[7]的規(guī)定進(jìn)行測(cè)試。

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)公式為

(1)

式中：F為極限荷載，N；A為受壓面積mm2；fcu為抗壓強(qiáng)度，MPa。

抗壓試驗(yàn)的加載速度控制在0.5～0.8 MPa/s以內(nèi)。

抗折強(qiáng)度試驗(yàn)公式為

(2)

式中：F為極限荷載，N；L為支座間距離，mm；ff為試件的彎拉強(qiáng)度，MPa；b為試件寬度，mm；h為試件高度，mm。

抗折強(qiáng)度試驗(yàn)的加載速度控制在0.05～0.08 MPa/s以內(nèi)。

劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)公式為

(3)

式中：fts為混凝土立方體劈裂抗拉強(qiáng)度，MPa；F為極限荷載，N；A為試件橫截面積，mm2。

劈裂抗拉試驗(yàn)的加載速度控制在0.05～0.08 MPa/s。

對(duì)每組的3個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)要進(jìn)行誤差分析，即以3個(gè)試件測(cè)量的算數(shù)平均值為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，3個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的最大值或最小值中有1個(gè)與中間值之差超過中間值的15%，則取中間值為測(cè)定值。如果最大值和最小值與中間值的差值均超過15%，則該組實(shí)驗(yàn)結(jié)果無效。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)28 d抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，相關(guān)結(jié)果見表5。

表5 抗壓、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果 單位：MPa

2.2 數(shù)據(jù)處理分析

極差分析是指在考慮某一因素A對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響時(shí)，將其他的因素對(duì)試驗(yàn)的影響程度看成是均衡的，通過比較A因素的不同對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的差異，從而確定A因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。例如本試驗(yàn)中將再生骨料取代率作為一個(gè)因素，把取代率分別為30%、50%和70%時(shí)的試件抗壓強(qiáng)度相加后除以3，作為取代率分別為30%、50%和70%的抗壓強(qiáng)度的平均值，通過比較3種取代率下抗壓強(qiáng)度均值的大小，可以確定出均值最大的組的取代率即為本次試件中最優(yōu)配合比所需的再生骨料取代率。

2.2.1 抗壓強(qiáng)度分析

兩組再生混凝土極差分析結(jié)果見表6，各因素對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響如圖1。

表6 碎石組、礫石組抗壓強(qiáng)度極差分析表

根據(jù)圖1可以看出，碎石組的抗壓強(qiáng)度隨水灰比的增加而先增加后降低，隨取代率和砂率的增加而逐漸增強(qiáng)。礫石組的抗壓強(qiáng)度隨水灰比的增加而逐漸降低，隨取代率的增加而先減小后增加，隨砂率的增加而先增加后降低。碎石組的抗壓強(qiáng)度在30%取代率的條件下低于礫石組外，其余均高于礫石組。在再生骨料取代率為50%時(shí)，碎石組抗壓強(qiáng)度比礫石組高6.65 MPa，再生骨料取代率為70%時(shí)則高7.03 MPa。

圖1 抗壓強(qiáng)度極差圖

這可能是由于礫石表面光滑，不利于砂漿附著，而碎石由于表面粗糙，不僅有利于砂漿附著，而且不規(guī)則的表面可以提供機(jī)械咬合力，由于砂漿作為黏結(jié)劑可以將骨料連接成整體，而緊密的骨料砂漿結(jié)合面有利于增加抗壓強(qiáng)度。但是在再進(jìn)骨料取代率為30%時(shí)，天然骨料占整個(gè)試件材料的絕大部分，因此天然骨料的力學(xué)性能成為影響再生混凝土抗壓強(qiáng)度的主要因素，由于礫石的壓碎值比碎石低，造成在再生骨料取代率同樣為30%時(shí)礫石組抗壓強(qiáng)度略微高于碎石組[8]。

結(jié)合圖1和表6可以發(fā)現(xiàn)，碎石組的抗壓強(qiáng)度隨著再生骨料取代率的增加而增大，但極差只有2.72 MPa，即隨著取代率的增加，碎石組的抗壓強(qiáng)度增加幅度不大。結(jié)合文獻(xiàn)[9]，再生混凝土抗壓強(qiáng)度在取代率為70%左右已達(dá)到最大值。從圖1看出礫石組抗壓強(qiáng)度在取代率為30%達(dá)到最大值，取代率為50%時(shí)最低，取代率為70%時(shí)抗壓強(qiáng)度又增加。

造成兩組的抗壓強(qiáng)度隨再生骨料取代率變化而呈現(xiàn)出不同變化趨勢(shì)的原因主要有兩個(gè)：一是由于再生骨料的表面附著有舊水泥砂漿，二是在機(jī)械破碎時(shí)會(huì)使再生骨料產(chǎn)生微裂縫，這兩個(gè)原因使再生骨料的吸水率增加，且由于在混凝土硬化之前再生骨料就開始吸收水分，使得混凝土的水灰比降低，從而增加了抗壓強(qiáng)度。機(jī)械破碎時(shí)使再生骨料產(chǎn)生的微裂縫會(huì)成為試件內(nèi)部的薄弱區(qū)，在受到壓力時(shí)容易首先被破壞，從而降低抗壓強(qiáng)度。附著的砂漿會(huì)影響新砂漿與骨料之間的黏結(jié)，從而影響再生混凝土的抗壓強(qiáng)度。因此，在碎石組中，再生骨料吸水導(dǎo)致實(shí)際水灰比降低從而增強(qiáng)抗壓強(qiáng)度的作用比再生骨料的缺陷導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低的作用更明顯，使得碎石組的抗壓強(qiáng)度隨著再生骨料取代率的增加而增強(qiáng)。而在礫石組中取代率為50%時(shí)再生骨料的缺陷導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低的作用比再生骨料吸水使實(shí)際水灰比降低從而增強(qiáng)抗壓強(qiáng)度的作用更明顯，使得抗壓強(qiáng)度降低。當(dāng)取代率達(dá)到70%時(shí)抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)，這同樣是因?yàn)樵偕橇衔畬?dǎo)致實(shí)際水灰比降低從而增強(qiáng)抗壓強(qiáng)度的作用比再生骨料的缺陷導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低的作用更明顯。綜合起來，兩方面的影響共同作用從而造成了兩組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不完全相同[10]。

2.2.2 劈裂抗拉強(qiáng)度分析

結(jié)合前面抗壓強(qiáng)度的分析結(jié)果和文獻(xiàn)[9]，重新設(shè)計(jì)劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)中的配合比，水灰比為0.34，礫石組設(shè)置3組實(shí)驗(yàn)，分別為再生骨料取代率為0、30%和50%。碎石組再生骨料取代率為0%、30%、50%，并在取代率為30%和50%下將砂率設(shè)定為0.36、0.38和0.4，試驗(yàn)結(jié)果見表7，各因素對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的影響如圖2～3所示。

表7 劈裂抗拉實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2 0.34水灰比、0.36砂率時(shí)劈裂抗拉強(qiáng)度隨再生骨料取代率的變化

圖3 碎石組劈裂抗拉強(qiáng)度隨砂率的變化

從圖2中可以看出再生骨料取代率對(duì)碎石組和礫石組的劈裂抗拉強(qiáng)度影響相似，但取代率對(duì)碎石組的劈裂抗拉強(qiáng)度影響更大，而對(duì)礫石組的影響很小。在取代率從0增長(zhǎng)到50%的過程中，碎石組和礫石組的劈裂抗拉強(qiáng)度先減后增，且碎石組的劈裂抗拉強(qiáng)度僅在取代率為30%時(shí)略低于礫石組，這一現(xiàn)象與抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)中碎石組和礫石組的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象一致。

產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因同樣是由于再生骨料的高吸水率導(dǎo)致實(shí)際水灰比降低，從而提高強(qiáng)度以及再生骨料本身缺陷對(duì)強(qiáng)度負(fù)面影響的共同作用，在不同取代率下兩者對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的影響程度不同，使得劈裂抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)出先減后增的趨勢(shì)。

從圖3可知，碎石組中，隨著砂率的增加，取代率為30%和50%時(shí)的劈裂抗拉強(qiáng)度變化趨勢(shì)相反。取代率為30%時(shí)，砂率為40%的劈裂抗拉強(qiáng)度低于砂率為36%時(shí)的劈裂抗拉強(qiáng)度，這與抗壓試驗(yàn)中抗壓強(qiáng)度隨砂率的變化趨勢(shì)一致。

砂率的增加對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度有兩方面的影響。一方面由于砂率的增加，粗骨料被包裹得更好，使混凝土內(nèi)部更加緊密，骨料分布更加均勻，從而提高力學(xué)性能。而另一方面過高的砂率會(huì)增加需水量，由于沒有相應(yīng)的調(diào)整減水劑的用量，所以使得混凝土的流動(dòng)性變差[11]。同時(shí)，砂率過高時(shí)需要更多的漿體包裹骨料，使得再生混凝土的力學(xué)性能降低[12]。兩方面的因素同時(shí)作用，導(dǎo)致了在相同的取代率下，劈裂抗拉強(qiáng)度變化趨勢(shì)不同。以取代率為50%時(shí)為例，砂率在36%～38%時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度增加，這是由于砂率的增加對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的正向增強(qiáng)作用比由于砂率增加對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的負(fù)面減弱作用更加明顯，從而使得劈裂抗拉強(qiáng)度整體上增強(qiáng)。而當(dāng)砂率在38%～40%時(shí)，此時(shí)砂率的增加對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的負(fù)面減弱程度要強(qiáng)于正向增強(qiáng)的程度，使得劈裂抗拉強(qiáng)度隨砂率的增加而降低。

2.2.3 抗折強(qiáng)度分析

兩組再生混凝土抗折強(qiáng)度極差分析結(jié)果見表8，各因素對(duì)抗折強(qiáng)度的影響程度及極差如圖4所示。

表8 RAC-S、RAC-L抗折強(qiáng)度極差分析表

圖4 抗折強(qiáng)度極差圖

從圖4看出，在碎石組中抗折強(qiáng)度隨再生骨料取代率的增加而降低，隨著水灰比和砂率的增加，抗折強(qiáng)度的變化均為先增加后降低，且相較于砂率，水灰比對(duì)抗折強(qiáng)度的影響更大。在礫石組中，抗折強(qiáng)度隨取代率的增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，這與抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)中，礫石組的變化相似，水灰比的增加使得抗折強(qiáng)度先增強(qiáng)后減弱，砂率對(duì)礫石組抗折強(qiáng)度的影響與水灰比相反，為先減弱后增強(qiáng)，且二者對(duì)抗折強(qiáng)度的影響程度接近。

產(chǎn)生前述現(xiàn)象的原因與抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)分析的結(jié)論相似，也是由于再生骨料取代率的增加會(huì)對(duì)抗折強(qiáng)度的變化帶來兩方面的影響：一是再生骨料增加后由于其自身存在微裂縫和舊砂漿，導(dǎo)致內(nèi)部連接不緊密，而且再生骨料強(qiáng)度較低，降低了抗折強(qiáng)度;二是由于再生骨料取代率的增加，再生骨料較高的吸水率，使得再生混凝土的實(shí)際水灰比降低，從而增加了抗折強(qiáng)度。除此以外，針片狀骨料含量對(duì)抗折強(qiáng)度也有影響，隨著再生骨料的增加，試件內(nèi)部的針片狀骨料含量也增加，因?yàn)樯皾{對(duì)針片狀骨料的包裹性較差，使得試件的抗折強(qiáng)度降低。

以礫石組為例對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，根據(jù)GBJ/T 97—94《水泥混凝土路面施工及驗(yàn)收規(guī)范》[13]和JTG/T F30—2014《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)細(xì)則》[14]相關(guān)規(guī)定，水泥混凝土公路面層應(yīng)以抗折強(qiáng)度為強(qiáng)度指混凝土配合比設(shè)計(jì)。從表8和圖4可知最優(yōu)配合比組合為A1B2C1，即再生骨料取代率為30%，水灰比為0.37，砂率為32%。將優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)組命名為RAC-LYH，配合比及28 d抗壓、抗折強(qiáng)度見表9。

表9 RAC-LYH配合比及28 d抗壓、抗折強(qiáng)度

從表9可以看出，RAC-LYH組的抗折強(qiáng)度均高于其他9組礫石再生混凝土，且抗壓強(qiáng)度也僅次于RAC-L1。

根據(jù)JTG/TF 30—2014《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)細(xì)則》[14]中的非統(tǒng)計(jì)法混凝土彎拉強(qiáng)度評(píng)定方法，有式(4)。

fcs≥1.15fr

fmin≥0.85fr，

(4)

式中fcs為合格判定平均彎拉強(qiáng)度，MPa。

試驗(yàn)中RAC-LYH組28 d抗折強(qiáng)度最小值為4.9 MPa，經(jīng)計(jì)算，RAC-LYH的結(jié)果滿足規(guī)范規(guī)定。

依據(jù)GB/T 50107—2010《混凝土強(qiáng)度檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》[15]的規(guī)定，采用非統(tǒng)計(jì)法確定RAC-LYH組立方體的抗壓強(qiáng)度等級(jí)，公式見(5)。

mfcu≥1.15fcu，k

fcu，min≥0.95fcu，k，

(5)

式中：mfcu為立方體抗壓強(qiáng)度平均值，MPa；fcu，k為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，MPa；fcu，min為檢驗(yàn)批混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的最小值，MPa。

試驗(yàn)中RAC-LYH組28 d抗壓強(qiáng)度最小值為25.4 MPa，經(jīng)計(jì)算，強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到C20。RAC-LYH組的抗折、抗壓性能達(dá)到三、四級(jí)公路對(duì)混凝土性能的要求。由此可確定本試驗(yàn)A1B2C1為最優(yōu)的配合比，即再生骨料取代率為30%，水灰比為0.37、砂率為32%。

3 結(jié)論

1)由于不同種類的再生混凝土填加骨料的性質(zhì)不同，會(huì)造成同一因素對(duì)其抗壓強(qiáng)度影響程度的不同，這也說明影響再生混凝土力學(xué)性能的因素是多方面的。在本試驗(yàn)中，砂率和水灰比對(duì)兩種再生混凝土的抗壓強(qiáng)度的影響有相似的趨勢(shì)，骨料表面的粗糙程度、吸水率和壓碎值等是造成再生骨料取代率對(duì)兩組再生混凝土抗壓強(qiáng)度影響程度不同的原因。

2)對(duì)抗折強(qiáng)度的影響按程度由大到小依次是再生骨料取代率、水灰比和砂率?？拐蹚?qiáng)度的影響因素與抗壓強(qiáng)度不完全相同，骨料的針片狀含量是影響抗折強(qiáng)度的一個(gè)重要因素。水灰比對(duì)兩組再生混凝土的抗折強(qiáng)度影響相同，水灰比和砂率對(duì)礫石組的抗折強(qiáng)度影響趨勢(shì)相反。

3)砂率對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的影響無明顯規(guī)律，同一組再生混凝土在不同砂率下，其劈裂抗拉強(qiáng)度變化趨勢(shì)完全相反，但再生骨料取代率對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的影響均為先減后增。相較于天然混凝土，再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度可能更高。

4)以抗折強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可按RAC-LYH的配合比進(jìn)行再生混凝土的配制，即再生骨料取代率為30%，水灰比為0.37、砂率為32%。