CN104318069A - 再生骨料混凝土配合比确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种再生骨料混凝土配合比确定方法，属于混凝土配制技术领域。本发明将再生骨料的材料性能指标和再生骨料取代率δ_g引入再生骨料混凝土配合比设计中，建立了考虑再生骨料取代率影响的各类再生骨料混凝土水胶比确定公式、考虑再生骨料吸水率ω_g和δ_g影响的单方用水量确定公式以及考虑再生骨料空隙率P_RA、δ_g和表观密度ρ_RA影响的砂率确定公式，能够确定再生混凝土配合比设计中的水胶比、单方用水量、砂率这三个关键因素。使用本发明配置的再生混凝土的塌落度和强度均满足设计要求。本发明是一种简单、实用、有效的再生混凝土配合比确定方法，对促进再生混凝土广泛应用具有重要的理论意义和实用价值。

Description

再生骨料混凝土配合比确定方法

技术领域

本发明涉及再生骨料混凝土配比确定方法。

背景技术

随着我国现代化建设的发展、城市化进程的加快，大规模的新城市建设和旧城改造导致建筑废弃物的日益增多，由此产生的建筑垃圾也给环境造成了巨大的压力。建筑垃圾除了部分用作施工场地平整、低洼地区填埋外，大部分暴露于郊区的垃圾填埋场，占据了宝贵的土地资源，加剧了我国土地资源的紧缺。同时，清运和堆放过程中的遗撒、粉尘灰沙飞扬等问题造成了严重的环境污染。另外，我国资源短缺问题日益严重，优质的天然骨料(如河砂、卵石、碎石等)在有些地区已趋枯竭，许多地区合格的混凝土砂石料供应十分紧张，致使建筑工程的成本增加、质量下降。

再生混凝土是指以破碎加工后的废弃混凝土为骨料的混凝土。再生混凝土不仅从根本上解决了废弃混凝土的处理问题，还能完全或部分取代天然骨料，减少了天然骨料的使用和开采，使得有限的资源得以再生利用，不仅能解决环保和资源问题，也是发展循环经济，开发环境友好型建筑材料、实现建筑资源可持续发展的重要举措之一。具有显著的经济、社会和环境效益。

与天然骨料相比，再生骨料压碎指标高、表观密度低、吸水率大、孔隙多，用普通混凝土配合比设计方法进行再生骨料混凝土配合比设计，配置的再生骨料混凝土的强度低于其设计强度，塌落度与流动性也较差。再生混凝土配合比设计方法多是在普通混凝土配合比的基础上进行修正。其中，对再生混凝土水胶比的计算，多是通过试验数据的简单回归来修正Bolomey公式中的系数α_a和α_b；对于再生混凝土单方用水量的计算，多是在普通混凝土用水量基础上，考虑由于再生骨料吸水率高而需要的附加用水量，计算方法较为繁琐。由于再生骨料吸水饱和需要一定的时间，按照这种方法会增加拌合物的实际用水量，间接影响再生骨料混凝土的水胶比和强度；至今对再生混凝土砂率计算的研究很少。所以，目前并没有完整的再生骨料混凝土配合比确定方法。

因此，发明更加完整的再生骨料混凝土配合比设计方法对于再生骨料混凝土的生产至关重要。

发明内容

本发明的目的是：为解决目前再生混凝土配合比设计中存在的问题，本发明将再生骨料的材料性能和再生骨料取代率作为参数引入再生混凝土水胶比、单方用水量和砂率的确定公式中，可简单、有效的进行各类再生混凝土配合比设计。此方法不仅与普通混凝土配合比设计方法保持一致性，同时设计出的混凝土强度和流动性能均达到设计要求。

为了实现上述任务，本发明采取如下技术解决方案：

根据再生骨料的材料性质，将对水胶比、单方用水量、砂率有影响的相关材料特性以及再生骨料取代率δ_g引入计算中，建立了考虑δ_g影响的各类再生骨料混凝土水胶比确定公式、考虑再生骨料吸水率ω_g和δ_g影响的再生骨料混凝土单方用水量确定公式以及考虑再生骨料空隙率P_RA、δ_g和再生骨料表观密度ρ_RA影响的再生骨料混凝土砂率确定公式；由于再生骨料表观密度较小，混凝土的单方质量受再生骨料取代率δ_g影响较大，需用绝对体积法确定再生骨料混凝土材料用量。

所述的再生骨料为建筑垃圾中废弃的混凝土经破碎、筛分而成。其中，对建筑垃圾的来源无限制，可由各种建筑垃圾回收破碎得到，但再生骨料的各项性能指标须符合GB/T25177-2010《混凝土用再生粗骨料》规范要求。

本发明提供的适用于不同再生骨料取代率的各类再生骨料混凝土配合比确定方法，使配置的再生骨料混凝土的强度和塌落度均能满足设计要求。该方法包括如下步骤：

(1)根据再生骨料的材料性质，将再生骨料取代率δ_g引入与骨料类型、品质相关的系数α_a、α_b的确定公式(1)中，然后根据公式f_cu,0＝α_af_ce(C/W-α_b)确定再生骨料混凝土水胶比；

α_a＝0.53(1-Aδ_g)

                                            (1)

α_b＝0.21(1+Bδ_g)

式中，A、B为与再生骨料品质有关的系数，可根据再生骨料类型由试验回归得到；对于Ⅱ类再生骨料，在水胶比大于0.35的情况下，取A＝0.1,B＝0.2。

(2)根据再生骨料的材料性质，将对单方用水量有影响的相关材料特性以及再生骨料取代率δ_g引入确定式中，考虑再生骨料吸水率ω_g和δ_g的影响，根据实验结果确定再生骨料混凝土单方用水量：

W_g＝3.33(0.1T+K_g)          (2)

式中，W_g为再生混凝土单方用水量；T为设定的塌落度；K_g为与包括再生骨料的类型、粒径等有关的系数，可由公式(5)确定；

(3)根据再生骨料的材料性质，将对砂率有影响的相关材料特性以及再生骨料取代率δ_g引入确定式中，考虑再生骨料空隙率P_RA、δ_g和再生骨料表观密度ρ_RA的影响，根据实验结果确定再生骨料混凝土的砂率：

${\mathrm{\β}}_s=\frac{\mathrm{\γ}[(1-{\mathrm{\δ}}_g){\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{RA}}{P}_{\mathrm{NA}}+{\mathrm{\δ}}_g{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{NA}}{P}_{\mathrm{RA}}]{\mathrm{\ρ}}_s}{\mathrm{\γ}[(1-{\mathrm{\δ}}_g){\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{RA}}{P}_{\mathrm{NA}}+{\mathrm{\δ}}_g{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{NA}}{P}_{\mathrm{RA}}]{\mathrm{\ρ}}_s+{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{NA}}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{RA}}}---\left(3\right)$

式中，ρ_s、ρ_NA、ρ_RA分别为砂子、天然骨料、再生骨料的表观密度；P_NA、P_RA分别为天然骨料和再生骨料的空隙率，其数值由试验直接测得，按照GB/T 14685中规定的空隙率试验方法执行；γ为砂浆富裕系数，此试验中，砂浆富裕系数γ取值在1.1-1.4之间，为了保证混凝土拌合物的和易性，对于各类再生骨料混凝土，γ易取值为1.4。

将实验测得的ρ_s、ρ_NA、ρ_RA、P_NA、P_RA值和选定的γ、δ_g，代入上述公式(3)即可得到相应的β_s数值。表1显示了不同γ、δ_g条件下的砂率计算结果。

(4)再生骨料表观密度较小，混凝土的单方质量受再生骨料取代率δ_g影响较大，采用绝对体积法根据实验结果确定再生骨料混凝土单方材料用量：

V_s+V_NA+V_RA+V_W+V_C+0.01α＝1          (4)

式中，V_s,V_NA,V_RA,V_W,V_C分别为每立方米混凝土中的砂、天然骨料、再生骨料、水、水泥的体积(m³)；α为混凝土的含气量百分数，在不使用引气型外加剂时，其取值为1。

由单方用水量及水胶比，可确定V_W、V_C；根据选定的δ_g，可以得到V_NA与V_RA之间的比例关系；由公式(3)确定的β_s值，可以确定V_s与V_NA之间的关系。将上述计算得到的数据及比例关系代入公式(4)，即可确定单方再生混凝土中各材料的体积。

所述的适用于不同再生骨料取代率的再生骨料混凝土配合比确定方法，根据再生骨料的ω_g与δ_g，由以下公式确定K_g的值：

K_g＝K(1+ω_gδ_g)          (5)

式中，ω_g为再生骨料吸水率；K为系数，其值可由试验得到，也可取普通混凝土单方用水量计算中相应的值。

将由此公式得出的K_g值代入单方用水量公式(2)中，即可确定不同取代率δ_g所对应的单方用水量。

与现有的再生混凝土配合比设计方法相比，本发明具有以下特点：

1.本发明采用再生粗骨料为原料，不仅提高了资源循环利用率，减少了堆放填埋废旧混凝土对自然环境的破坏，节省废旧混凝土占用土地量，也减少了对天然砂石的开采，节省天然资源。具有显著的社会、经济和环境效益。

2.本发明所述再生骨料主要来源于建筑垃圾中的废弃混凝土，对废弃混凝土的来源、强度等无特殊要求，只要再生骨料的各项性能指标符合现行规范要求既可，便于回收利用多种不同类型的建筑垃圾，原料来源范围广。

3.本发明首次将再生骨料的材料性能指标以及再生骨料取代率引入再生混凝土配合比设计的水胶比、单方用水量和砂率的确定方法中，方法简单合理，各参量物理意义明确，这些参量均可由规范规定的标准试验方法测定，不需要考虑其它附加因素，操作简单，普适性强。

4.本发明可确定不同再生骨料取代率下的再生混凝土配合比，能够与目前使用的普通混凝土配合比设计方法衔接，即当δ_g＝0时，就回归到天然混凝土配合比设计方法，适用范围广。

5.本发明首次建立了再生混凝土砂率确定公式，能够根据再生骨料的性能指标、取代率快速确定配合比中所需细骨料，明显提高了拌合物的塌落度和工作性能。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。

实施例一：

1.材料的选取及其性能检测

试验采用P.O42.5水泥，表观密度为3100kg/m³，实测28天抗压强度f_ce＝45MPa。粗骨料分为天然粗骨料和再生粗骨料，天然骨料为石灰石碎石，粒径5-20mm，连续级配，压碎指标为8.8％，ρ_NA＝2814kg/m³，P_NA＝44.3％；再生骨料为某检测站废弃的强度为C20-C40的商品混凝土，用鄂式破碎机破碎后筛分而成，粒径5-20mm，连续级配，压碎指标为17.7％，ρ_RA＝2640kg/m³，P_RA＝50.3％，ω_g＝4.85％。细骨料为细度模数为2.67的天然河砂，其表观密度ρ_s＝2556.2kg/m³。

2.根据再生骨料混凝土砂率公式确定不同γ、δ_g条件下砂率的值

表1定不同γ、δ_g条件下砂率的值

由结果可知，当γ不变时，砂率随着δ_g的增大再生混凝土的砂率不断增大；当δ_g取值确定后，砂率又会随着γ的增加不断增大。由于再生骨料空隙较大，棱角过多，需要较大的砂率来保证混凝土拌合物的和易性，对于再生骨料混凝土，γ宜取1.4。

实施例二：

1.材料的选取及其性能检测

试验采用P.O42.5水泥，表观密度为3100kg/m³，实测28天抗压强度f_ce＝45MPa。粗骨料分为天然粗骨料和再生粗骨料，天然骨料为石灰石碎石，粒径5-20mm，连续级配，压碎指标为8.8％，ρ_NA＝2814kg/m³，P_NA＝44.3％；再生骨料为某检测站废弃的强度为C20-C40的商品混凝土，用鄂式破碎机破碎后筛分而成，粒径5-20mm，连续级配，压碎指标为17.7％，ρ_RA＝2640kg/m³，P_RA＝50.3％，ω_g＝4.85％。细骨料为细度模数为2.67的天然河砂，其表观密度ρ_s＝2556.2kg/m³。

2.水胶比的确定

根据GB/T25177-2010《混凝土用再生粗骨料》，本文选取Ⅱ类再生骨料进行试验。由JGJ/T240-2011可知，Ⅱ类再生骨料宜配置C40及以下强度等级的混凝土，本文取f_cu,0＝40+1.645×6＝49.87MPa(C40以下强度等级的混凝土试配强度f_cu,0的计算参照《混凝土配合比设计规范》)。选取δ_g＝0，由公式(1)确定系数α_a、α_b，然后由公式f_cu,0＝α_af_ce(C/W-α_b)确定出再生骨料混凝土水胶比。当δ_g＝0时，α_a＝0.53,α_b＝0.2，W/C＝0.43。

3.单方用水量的确定

选取塌落度T＝50mm，根据《实用建筑材料试验手册》，查表可知K＝53，根据再生骨料δ_g、ω_g，代入公式(5)中，计算出K_g，将K_g代入公式(2)即可确定出再生混凝土的单方用水量，当δ_g＝0时，K_g＝53，W_g＝193kg。

4.砂率的确定

选取γ＝1.4，将已知的ρ_s、ρ_NA、ρ_RA、P_NA、P_RA、δ_g代入公式(3)中，可得δ_g＝0时，β_s＝36％。

5.各材料单方用量的确定

由前面确定的水胶比、单方用水量、砂率，代入公式(4)中，使用绝对体积法确定各材料单方用量：由单方用水量以及水胶比，可确定V_W、V_C；根据选定的δ_g，可以得到V_NA与V_RA之间的比例关系；由公式(3)确定的β_s值，可以确定V_s与V_NA之间的关系。将上述计算得到的数据及比例关系代入公式(4)，即可确定单方再生混凝土中各材料的体积。然后配置再生混凝土，测定拌合物塌落度；制作边长150mm的立方体试块，标准养护28天，实测立方体抗压强度。

实施例三：

与实施例二相同部分不再重述。

有不同的是：选取取代率δ_g＝25％，系数α_a＝0.52,α_b＝0.21，水胶比W/C＝0.42；系数K_g＝53.6，单方用水量W_g＝195kg；选取γ＝1.4，砂率β_s＝37.2％。

由以上数据确定单方再生混凝土中各材料的体积，配置再生混凝土，测定拌合物塌落度；制作边长150mm的立方体试块，标准养护28天，实测立方体抗压强度。

实施例四：

与实施例二相同部分不再重述。

有不同的是：选取取代率δ_g＝50％，系数α_a＝0.5,α_b＝0.22，水胶比W/C＝0.41；系数K_g＝54.3，单方用水量W_g＝197kg；选取γ＝1.4，砂率β_s＝38.4％。

由以上数据确定单方再生混凝土中各材料的体积，配置再生混凝土，测定拌合物塌落度；制作边长150mm的立方体试块，标准养护28天，实测立方体抗压强度。

实施例五：

与实施例二相同部分不再重述。

有不同的是：选取取代率δ_g＝75％，系数α_a＝0.49,α_b＝0.23，水胶比W/C＝0.4；系数K_g＝54.9，单方用水量W_g＝199kg；选取γ＝1.4，砂率β_s＝39.5％。

由以上数据确定单方再生混凝土中各材料的体积，配置再生混凝土，测定拌合物塌落度；制作边长150mm的立方体试块，标准养护28天，实测立方体抗压强度。

实施例六：

与实施例二相同部分不再重述。，

有不同的是，选取取代率δ_g＝100％，系数α_a＝0.48,α_b＝0.24，水胶比W/C＝0.39；系数K_g＝55.6，单方用水量W_g＝202kg；选取γ＝1.4，砂率β_s＝40.5％。

由以上数据确定单方再生混凝土中各材料的体积，配置再生混凝土，测定拌合物塌落度；制作边长150mm的立方体试块，标准养护28天，实测立方体抗压强度。

单方材料用量以及塌落度、立方体抗压强度试验结果见表2。

表2再生骨料混凝土单方材料用量以及塌落度、立方体抗压强度试验结果

以上结果表明：

1.配置相同等级的混凝土，再生混凝土的水胶比会随着δ_g的增大而减小；

2.为了达到同样的塌落度，随着δ_g的增大再生混凝土的单方用水量需不断增大。

3.随着δ_g的增大再生混凝土的砂率不断增大。

通过实验验证，由本发明的配合比确定方法设计配置的再生混凝土的塌落度和抗压强度均能达到设计要求，尤其是在δ_g＝100％，全部使用再生骨料时，混凝土强度能达到50MPa以上，说明再生骨料完全可以代替天然骨料混凝土用于混凝土结构中。

Claims (4)

1.一种适用于不同再生骨料取代率的各类再生骨料混凝土配合比确定方法，使配置的再生骨料混凝土的强度和塌落度均能满足设计要求，其特征在于：包括以下步骤：

(1)根据再生骨料的材料性质，将再生骨料取代率δ_g引入与骨料类型与品质相关的系数α_a、α_b的确定式(1)中，然后根据公式f_cu,0＝α_af_ce(C/W-α_b)确定再生骨料混凝土水胶比；

α_a＝0.53(1-Aδ_g)

                                                (1)

α_b＝0.2(1+Bδ_g)

式中，A、B为与再生骨料品质有关的系数。

(2)根据再生骨料的材料性质，将对单方用水量有影响的相关材料特性以及再生骨料取代率δ_g引入确定式中，考虑再生骨料吸水率ω_g和δ_g的影响，根据实验结果确定再生骨料混凝土单方用水量：

W_g＝3.33(0.1T+K_g)                         (2)

式中，W_g为再生混凝土单方用水量；T为设定的塌落度；K_g为与包括再生骨料的类型、粒径有关的系数；

(3)根据再生骨料的材料性质，将对砂率有影响的相关材料特性以及再生骨料取代率δ_g引入确定式中，考虑再生骨料空隙率P_RA、δ_g和再生骨料表观密度ρ_RA的影响，根据实验结果确定再生骨料混凝土的砂率：

${\mathrm{\β}}_s=\frac{\mathrm{\γ}[(1-{\mathrm{\δ}}_g){\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{RA}}{P}_{\mathrm{NA}}+{\mathrm{\δ}}_g{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{NA}}{P}_{\mathrm{RA}}]{\mathrm{\ρ}}_s}{\mathrm{\γ}[(1-{\mathrm{\δ}}_g){\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{RA}}{P}_{\mathrm{NA}}+{\mathrm{\δ}}_g{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{NA}}{P}_{\mathrm{RA}}]{\mathrm{\ρ}}_s+{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{NA}}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{RA}}}---\left(3\right)$

式中，ρ_s、ρ_NA、ρ_RA分别为砂子、天然骨料、再生骨料的表观密度；P_NA、P_RA分别为天然骨料和再生骨料的空隙率；γ为砂浆富裕系数；

(4)再生骨料表观密度较小，混凝土的单方质量受再生骨料取代率δ_g影响较大，采用绝对体积法根据实验结果确定再生骨料混凝土单方材料用量：

V_s+V_NA+V_RA+V_W+V_C+0.01α＝1                 (4)

式中，V_s,V_NA,V_RA,V_W,V_C分别为每立方米混凝土中的砂、天然骨料、再生骨料、水、水泥的体积；α为混凝土的含气量百分数。

2.根据权利要求1所述的适用于不同再生骨料取代率的再生骨料混凝土配合比确定方法，其特征在于：系数A、B的值根据不同再生骨料类型由试验回归得到；对于Ⅱ类再生骨料，在水胶比大于0.35的情况下，取A＝0.1,B＝0.2。

3.根据权利要求1所述的适用于不同再生骨料取代率的再生骨料混凝土配合比确定方法，其特征在于：再生骨料混凝土单方用水量的确定公式(2)中，系数K_g的值由以下公式确定：

K_g＝K(1+ω_gδ_g)          (5)

式中，ω_g为再生骨料吸水率；K为系数，其数值由试验得到或者取普通混凝土单方用水量确定相应的值。

4.根据权利要求1所述的适用于不同再生骨料取代率的再生骨料混凝土配合比确定方法，其特征在于：根据选定的δ_g，可由式(3)计算出相应的砂率β_s，为了保证混凝土拌合物的和易性，对于再生骨料混凝土，砂浆富裕系数γ易取值为1.4。