CN107188496A - 一种用全再生细骨料配制混凝土的配合比设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用全再生细骨料配制混凝土的配合比设计方法，包括步骤：(1)通过全再生细骨料和石子的紧密堆积试验得到大小石比例以及砂率；(2)计算砂石空隙率；(3)选择胶凝材料组成和水胶比；(4)计算得到胶凝材料和水的用量；(5)计算全再生细骨料的附加水量；(6)选择外加剂掺量；(7)计算得到初步的混凝土计算配合比；(8)计算不同浆体富余系数n值时的混凝土计算配合比，确定n值；(9)确定胶凝材料系数nb值；(10)确定砂率；(11)确定最终配合比。本发明能够使用全再生细骨料全取代河砂制备混凝土，并且有效的利用全再生细骨料中的微粉填充骨料的空隙，从而降低胶凝材料用量，达到保护环境和节约成本的效果。

Description

一种用全再生细骨料配制混凝土的配合比设计方法
技术领域
本发明属于建筑垃圾资源化、混凝土配合比设计领域，具体涉及一种用全再生细骨料配制混凝土的配合比设计方法。
背景技术
目前国内建筑行业正处于快速发展时期，大面积的旧建筑改造和新建筑的开发，也因此带来了建筑垃圾围城和建筑材料资源不足的难题。据统计，我国每年城市产出的建筑垃圾为24亿吨左右，已占到城市垃圾总量的40％左右。而建筑垃圾中废弃混凝土所占总量是最大的，达30％-40％。
另外我国大部分地区河砂短缺，不仅在用砂高峰时砂的价格偏高，甚至没有天然砂提供，在用砂缺口巨大的情况下，影响了城镇化建设的进程，甚至有些沿海地区使用海砂严重的影响了建筑的质量安全。
而利用废弃的混凝土，回收生产出再生骨料，即符合绿色生产经营方式，还减轻了对天然砂的开采，同时也能很好地处理建筑垃圾。
传统上废弃混凝土制备再生骨料采用同时生产再生粗骨料和再生细骨料的方式，这样再生细骨料主要是混凝土中的砂浆破碎得到，其吸水率高，强度低，性能很差，难以在混凝土中全取代河砂使用。当再生细骨料的微粉含量超过7％时，JGJ/T 240-2011《再生骨料应用技术规程》规定，不宜用于结构混凝土。这就使得再生细骨料的附加值很低，通常只能作为填方使用。
为有效提高再生细骨料的性能，达到全取代河砂配制混凝土的目的。中国发明专利CN 10109974B中公开了一种建筑废弃物的处理及再生利用方法。将废弃混凝土全部制备为再生细骨料(称为全再生细骨料)，从而极大改善了再生细骨料的物理性能，是一种能够高效利用废弃混凝土的再生骨料制备方法。在使用全再生细骨料时，能全取代河砂配制混凝土。
但以往全再生细骨料混凝土采用普通混凝土配合比设计方法进行配合比设计，以全再生细骨料等质量或等体积取代河砂。这种方法可以得到性能满足要求的混凝土，但未能有效利用全再生细骨料中的微粉，混凝土的造价也较高。
考虑到全再生细骨料中含有大量微粉，且其部分是石粉，能够作为微细集料应用，填充骨料的空隙，从而降低胶凝材料用量和成本。在实验研究的基础上，提出本专利的配合比设计方法。
发明内容
本发明主要在现有的技术标准上，采用密实设计原则，通过调整浆体富余系数，以及全再生细骨料取代胶凝材料，降低砂率等一系列步骤设计出一个合理的配合比。
本发明通过以下方案实现：
一种用全再生细骨料配制混凝土的配合比设计方法，包括如下步骤：
(1)通过不同粒径的多种石子紧密堆积试验，得到最小空隙率的石子搭配；
(2)往步骤(1)搭配所得的石子中掺加全再生细骨料，通过紧密堆积试验，得到随砂率增加，空隙率不明显降低时最小砂率；
(3)按步骤(1)、(2)所得的比例搭配全再生细骨料和石子，测定紧密堆积密度，以其为一立方米混凝土中的骨料用量，计算各骨料质量和骨料空隙率；
(4)骨料空隙扣除混凝土中的空气体积，得到浆体需要填充的体积；
(5)按设计要求的混凝土性能要求，参照河砂混凝土选择胶凝材料组成和水胶比；
(6)取一个大于1的浆体富余系数n，计算得到浆体的总体积，进而计算得到胶凝材料和水的用量；
(7)计算全再生细骨料的附加水量，所述附加水量等于全再生细骨料质量乘以饱和面干吸水率乘以全再生细骨料饱和系数，附加水量不计入水胶比，不计入体积；
(8)选择外加剂掺量，外加剂中的水需计入水胶比中；
(9)通过上述步骤，计算得到初步的混凝土计算配合比；
(10)改变浆体富余系数n值，计算不同n值时的混凝土计算配合比；
(11)进行混凝土试配，根据混凝土工作性能，确定外加剂掺量和最低浆体富余系数n值；
(12)在步骤(11)确定的混凝土配比的基础上，进行降低胶凝材料用量的混凝土实验，得出最优胶凝材料系数nb；
(13)通过改变砂率得到不同砂率时混凝土配合比；
(14)选择工作性能满足要求的最低砂率配合比，作为优选配合比；
(15)测定混凝土容重，校核配合比，得到混凝土的最终配合比。
进一步地，所述的全再生细骨料是将废弃混凝土全部破碎或碾磨到小于4.75mm所形成的再生细骨料，全再生细骨料饱和面干吸水率低于7％，微粉含量在7.0％～20.0％之间。
进一步地，如果实验所用的石子符合石子连续级配的规定，则不需要按步骤(1)进行两种或多种石子搭配使用。
进一步地，步骤(4)中所述空气体积，对于引气混凝土可取设计值的中值，非引气混凝土取1.0～1.5％。
进一步地，步骤(6)中所述浆体富余系数n较优取值范围是1.05～1.15。
进一步地，步骤(7)中全再生细骨料饱和系数指全再生细骨料含水率与饱和面干吸水率的比值，其取值范围是0％～80％。
进一步地，所述全再生细骨料饱和系数的取值范围是10％～60％。
进一步地，步骤(12)中，所述进行降低胶凝材料用量的混凝土实验，选择最优胶凝材料系数nb的步骤具体包括：取小于1的胶凝材料系数nb，降低胶凝材料用量，用全再生细骨料等体积取代胶凝材料和水的体积；进行不同胶凝材料系数nb值的混凝土实验，通过测定混凝土的工作性能，选择最优胶凝材料系数nb。
进一步地，所述步骤(13)具体包括：保持胶凝材料、水用量不变进行改变砂率的混凝土试验，其中水的用量不含全再生细骨料的附加水，改变砂率时，保持骨料总体积不变，最大砂率为步骤(12)所得的砂率，每次降低1～2％，测定混凝土的工作性能,得出不同砂率时混凝土配合比。
进一步地，步骤(13)中的骨料计算过程包括：
初始的骨料用量由步骤(12)计算所得，后面降砂率的过程中，设计整体的砂石体积不变，通过按规律降低全再生细骨料的体积，其他骨料的体积相应增加，得到不同的体积砂率时各种骨料的体积，再通过各种骨料的体积乘以各种骨料的表观密度，即可得到各种骨料的质量。
相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：
(1)本发明的配合比设计方法针对全再生细骨料微粉含量高的特点，基于砂石骨料紧密堆积原理，将全再生细骨料中微粉作为微细集料加以利用，填充骨料空隙，从而有效降低胶凝材料用量。
(2)在砂石骨料紧密堆积的基础上，考虑到加入浆体后会进一步拨开骨料，从而使得骨料之间的空隙较紧密堆积时增加，有可能用细骨料取代胶凝材料、用石子取代细骨料，因此进一步引入降低胶凝材料系数和砂率的配合比设计步骤，进一步提高混凝土中粗骨料用量，减少全再生细骨料用量，从而改善混凝土性能，降低减水剂用量，进一步降低混凝土成本。
具体实施方式
本发明提供了强度等级C30再生混凝土配合比设计方法，下面通过具体实施方式对本发明做进一步说明。
准备原材料：
水泥：采用P·Ⅱ42.5R硅酸盐水泥，密度为3160kg/m3；
矿渣粉：使用S95级矿粉，密度为2840kg/m3；
粉煤灰：使用Ⅲ级粉煤灰，密度为2220kg/m3；
全再生细骨料：表观密度为2470kg/m3，饱和面干吸水率为6.4％，微粉含量10.5％；
石子：使用大、小石搭配，大石粒径5-20mm，表观密度为2660kg/m3，小石为粒径5-10mm的瓜米石，表观密度为2650kg/m3。
减水剂：自制聚羧酸减水剂，固含量为20％。
配合比设计
一种用全再生细骨料配制混凝土的配合比设计方法，包括如下步骤：
S1、确定大小石混合比例，即通过不同粒径的多种石子紧密堆积试验，得到最小空隙率的石子搭配：
利用四分法将不同质量比例的大、小石混合，参照《建设用卵石、碎石》(GB/T14685-2011)中石子的紧密密度试验。测得紧密堆积密度最大时大小石的搭配比例为最佳比例。由表2-1可见小石、大石最佳混合比例为2：8。
表2-1大、小石混合紧密堆积密度
小石：大石 0:10 1:9 1.5：8.5 2:8 2.5:7.5 3:7
Uw(kg/m3) 1490 1508 1525 1538 1535 1532
S2、测定不同砂率下骨料的密堆积密度，即往步骤1搭配所得的石子中掺加全再生细骨料，通过紧密堆积试验，得到较小空隙率对应的砂率，具体包括：
利用四分法取样，以全再生细骨料填充粗骨料的方式，测得不同砂率混合料相应的堆积密度U’w。具体操作方法参照《建设用卵石、碎石》(GB/T 14685-2011)中石子的紧密密度试验。所得数据见表2-2，得到随砂率增加，空隙率不明显降低时最小砂率为40％。
表2-2全再生细骨料填石子紧密堆积密度
砂率 36％ 38％ 40％ 42％ 44％ 46％ 48％
γm(kg/m3) 1799 1816 1835 1842 1847 1845 1840
S3、计算各骨料质量和骨料空隙率，即按步骤S1、S2所得的比例搭配全再生细骨料和石子，测定紧密堆积密度为1835kg/m3，以其为一立方米混凝土中的骨料用量，计算各骨料质量和骨料空隙率。得各骨料的质量及骨料空隙率如下表2-3所示。
表2-3各骨料的质量及骨料空隙率
骨料类型 大石 小石 全再生细骨料 骨料空隙率
m(kg/m3) 881 220 734 28.86％
S4、计算浆体体积，即骨料空隙扣除混凝土中的空气体积，得到浆体需要填充的体积。
本实施例设定浆体中的气体含量设定为1.5％，骨料空隙扣除混凝土中的空气体积，因此可得浆体的体积比为27.36％。
S5、按设计要求的混凝土性能要求，参照河砂混凝土选择胶凝材料组成和水胶比。
本实例配制C30混凝土，要求混凝土坍落度大于180mm,1h坍落度损失小于30mm，强度满足C30混凝土要求。
按设计要求的混凝土性能要求，参照河砂混凝土，选择胶凝材料组成为70％水泥、20％矿粉和10％粉煤灰，水胶比为0.50。
S6、计算胶凝材料和水的用量，具体为：
取浆体富余系数n为1.10，计算得到浆体的总体积比30.10％，即浆体量为301升，计算得到胶凝材料和水的用量如下表2-4所示。
表2-4胶凝材料和水的用量
材料类型 胶材用量 水泥 矿粉 粉煤灰 水
m(kg/m3) 359 251.3 71.8 35.9 179.5
S7、计算全再生细骨料的附加水量，具体包括：
取全再生细骨料饱和系数为25％，全再生细骨料的附加水量等于全再生细骨料质量乘以饱和面干吸水率乘以全再生细骨料饱和系数，因此算得附加水用量为11.7kg/m3。
S8、选择外加剂掺量，初步选择外加剂的掺量为1.3％，外加剂中的水需计入水胶比中。
S9、计算得到初步的混凝土计算配合比，如下表2-5所示。
表2-5混凝土的初步计算配合比
S10、计算不同n值时的混凝土计算配合比，即通过改变浆体富余系数n值，计算不同n值时的混凝土计算配合比如下表2-6所示。
表2-6不同n值时的混凝土计算配合比
S11、进行混凝土试配，根据混凝土工作性能，确定外加剂掺量和最低浆体富余系数n值。不同浆体富余系数下混凝土工作性能见下表2-7，通过数据可以确定外加剂掺量为1.3％和最低浆体富余系数n值为1.10。
表2-7不同n值时的混凝土工作性能
S12、确定胶凝材料系数nb值，即在步骤S11确定的混凝土配比的基础上，进行降低胶凝材料用量的混凝土实验,取的胶凝材料系数nb为1.00、0.95、0.90。其配合比和工作性能见下表2-8所示，通过混凝土的工作性能，得出最优胶凝材料系数nb为0.95。
表2-8不同nb值时的混凝土配合比和工作性能
S13、通过改变砂率得到不同砂率时混凝土配合比，具体包括：保持胶凝材料、水(不含全再生细骨料的附加水)用量不变，进行改变砂率的混凝土试验；每次降低2％，得出不同砂率时混凝土配合比如下表2-9所示。
表2-9不同砂率时混凝土计算配合比
S14、确定最低砂率，即选择工作性能满足要求的最低砂率配合比，作为优选配合比，通过下表2-10不同砂率下混凝土的工作性能所示，得出39.2％为最低砂率。
表2-10不同砂率时的混凝土工作性能
S15、测定混凝土容重，校核配合比，得到混凝土的最佳配合比。
通过步骤S14测定砂率39.2％时混凝土容重，校核配合比，得到混凝土的最终配合比和工作性能如下表2-11。
表2-11全再生细骨料混凝土配合比
另外做了河砂与全再生细骨料C30混凝土的对比，见表2-12。
表2-12河砂与全再生细骨料混凝土对比数据
注:水泥440元/t，矿渣320元/t，粉煤灰180元/t，碎石40元/t，河砂60元/t，全再生细骨料30元/t，河砂所用减水剂2400元/t，全再生细骨料所用减水剂4000元/t。
通过表格的对比分析可以得出：本方法设计出的全再生细骨料混凝土在工作性能和强度基本上能够满足规范要求，差不多与河砂相当；但比常规河砂混凝土节省了11.4％的胶凝材料和11.5％的混凝土单方造价。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种用全再生细骨料配制混凝土的配合比设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)通过不同粒径的多种石子紧密堆积试验，得到最小空隙率的石子搭配；
(2)往步骤(1)搭配所得的石子中掺加全再生细骨料，通过紧密堆积试验，得到随砂率增加，空隙率不明显降低时的最小砂率；
(3)按步骤(1)、(2)所得的比例搭配全再生细骨料和石子，测定紧密堆积密度，以其为一立方米混凝土中的骨料用量，计算各骨料质量和骨料空隙率；
(4)骨料空隙扣除混凝土中的空气体积，得到浆体需要填充的体积；
(5)按设计要求的混凝土性能要求，参照河砂混凝土选择胶凝材料组成和水胶比；
(6)取一个大于1的浆体富余系数n，计算得到浆体的总体积，进而计算得到胶凝材料和水的用量；
(7)计算全再生细骨料的附加水量，所述附加水量等于全再生细骨料质量乘以饱和面干吸水率乘以全再生细骨料饱和系数，附加水量不计入水胶比，不计入体积；
(8)选择外加剂掺量，外加剂中的水需计入水胶比中；
(9)通过上述步骤，计算得到初步的混凝土计算配合比；
(10)改变浆体富余系数n值，计算不同n值时的混凝土计算配合比；
(11)进行混凝土试配，根据混凝土工作性能，确定外加剂掺量和最低浆体富余系数n值；
(12)在步骤(11)确定的混凝土配比的基础上，进行降低胶凝材料用量的混凝土实验，得出最优胶凝材料系数nb；
(13)通过改变砂率得到不同砂率时混凝土配合比；
(14)选择工作性能满足要求的最低砂率配合比，作为优选配合比；
(15)测定混凝土容重，校核配合比，得到混凝土的最终配合比。
2.根据权利要求1所述的一种用全再生细骨料配制混凝土的配合比设计方法，其特征在于：所述的全再生细骨料是将废弃混凝土全部破碎或碾磨到小于4.75mm所形成的再生细骨料，全再生细骨料饱和面干吸水率低于7％，微粉含量在7.0％～20.0％之间。
3.根据权利要求1所述的一种用全再生细骨料配制混凝土的配合比设计方法，其特征在于：如果实验所用的石子符合石子连续级配的规定，则不需要按步骤(1)进行两种或多种石子搭配使用。
4.根据权利要求1所述的一种用全再生细骨料配制混凝土的配合比设计方法，其特征在于：步骤(4)中所述空气体积，对于引气混凝土可取设计值的中值，非引气混凝土取1.0～1.5％。
5.根据权利要求1所述的一种用全再生细骨料配制混凝土的配合比设计方法，其特征在于：步骤(6)中所述浆体富余系数n较优取值范围是1.05～1.15。
6.跟据权利要求1所述的一种用全再生细骨料配制混凝土的配合比设计方法，其特征在于：步骤(7)中全再生细骨料饱和系数指全再生细骨料含水率与饱和面干吸水率的比值，其取值范围是0％～80％。
7.跟据权利要求6所述的一种用全再生细骨料配制混凝土的配合比设计方法，其特征在于：所述全再生细骨料饱和系数的取值范围是10％～60％。
8.根据权利要求1所述的一种用全再生细骨料配制混凝土的配合比设计方法，其特征在于，步骤(12)中，所述进行降低胶凝材料用量的混凝土实验，选择最优胶凝材料系数nb的步骤具体包括：取小于1的胶凝材料系数nb，降低胶凝材料用量，用全再生细骨料等体积取代胶凝材料和水的体积；进行不同胶凝材料系数nb值的混凝土实验，通过测定混凝土的工作性能，选择最优胶凝材料系数nb。
9.根据权利要求1所述的一种用全再生细骨料配制混凝土的配合比设计方法，其特征在于：所述步骤(13)具体包括：保持胶凝材料、水用量不变进行改变砂率的混凝土试验，其中水的用量不含全再生细骨料的附加水，改变砂率时，保持骨料总体积不变，最大砂率为步骤(12)所得的砂率，每次降低1～2％，测定混凝土的工作性能,得出不同砂率时混凝土配合比。
10.根据权利要求9所述的一种用全再生细骨料配制混凝土的配合比设计方法，其特征在于，步骤(13)中的骨料计算过程包括：
初始的骨料用量由步骤(12)计算所得，后面降砂率的过程中，设计整体的砂石体积不变，通过按规律降低全再生细骨料的体积，其他骨料的体积相应增加，得到不同的体积砂率时各种骨料的体积，再通过各种骨料的体积乘以各种骨料的表观密度，即可得到各种骨料的质量。
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