CN115312147A - 一种喷射再生混凝土配合比的设计方法 - Google Patents

Abstract

本申请提出了一种喷射再生混凝土配合比的设计方法，探究水胶比、再生骨料取代率以对混凝土坍落度、抗压强度、弯曲强度的显著性影响；拟合水灰比与抗压强度的关系、单位用水量与塌落度的关系，提出水灰比、单位用水量的计算数学模型；研究不同的再生骨料取代率，分析不同配合比试验的坍落度值，得出所对应最优砂率。经举例验证和比较，本申请提出的喷射再生混凝土配合比设计方法相对于其他方法更加准确，简单，方便实用，促进新型绿色复合混凝土的应用。

Description

一种喷射再生混凝土配合比的设计方法

技术领域

本申请属于混凝土的配制技术领域，具体涉及一种喷射再生混凝土配合比的设计方法。

背景技术

随着国家新型城镇化建设的发展，人居环境改善、道路重建产生大批量的废旧混凝土。 2020年我国建筑固体废弃物产量高达30.39亿吨，但实际资源化利用的建筑垃圾只有3.5亿吨，利用率仅为10％左右，预计2025年我国建筑垃圾综合利用率将达到60％。国家鼓励建筑垃圾再生骨料及制品在建筑工程和道路工程中的应用，再生骨料(RA)具有孔隙率大、吸水性强、力学性能较天然骨料(NA)略低等特性。目前再生混凝土主要应用在建筑现浇施工中，再生骨料替代率低，因此研究喷射再生混凝土性能研究，进一步扩展再生骨料应用范围，提高利用率，促进建筑固废垃圾资源化的进展，对我国建筑领域绿色发展具有重大意义。

随着砂率的增长，超高性能混凝土的坍落度值先增大后减小，然而砂率对超高性能混凝土的抗折强度影响并不显著。不同再生骨料取代率对混凝土抗压强度的影响中，再生骨料部分取代或者完全取代，抗压强度值约降低20％。随着再生骨料取代率的增加，劈裂抗拉强度会减小。采用小粒径的骨料，喷射混凝土试样的脆性破坏更显著，粒径越小，破坏强度有增大的趋势。

综上所示，大多数试验所用的再生骨料粒径在20～30mm之间，对于喷射再生混凝土所采用粒径小于10mm的再生粗骨料研究几乎为空白。目前，由于没有确切的喷射钢纤维再生混凝土配合比设计方法，所得实验数据的缺乏参考，仅凭实施经验进行判定，很难保证混凝土的基本性能。

发明内容

本申请本申请将采用粒径不大于10mm的再生粗骨料替代天然粗骨料，并通过水胶比、再生骨料取代率对混凝土坍落度、抗压强度和弯曲强度的影响，确定出喷射再生混凝土的材料性能和再生骨料取代率为参数的配合比公式。本方法不仅满足塌落度、和易性的要求，而且准确方便快捷的确定出各种喷射再生混凝土的配合比。

为实现上述目的，本申请采取如下技术方案:

一种喷射再生混凝土配合比的设计方法，其适应于不同的水胶比和再生骨料取代率的喷射再生混凝土，得到喷射再生混凝土塌落度、抗压强度和弯曲强度都满足设计要求的配合比，包括以下步骤：

确定混凝土配合比的公式：

(1)混凝土强度与灰水比的关系式为：

f_cu,0＝α_af_ce(C/W-α_b) (1)

f_cu,0为混凝土的设计抗压强度,单位为MPa；f_ce为水泥28天强度，单位为MPa；C/W为灰水比；α_a水泥强度转化系数，α_b为虚拟水胶比，由水泥、骨料类型和品质决定的系数；

(2)由于再生骨料的品质较天然骨料有所降低，再生骨料混凝土的水泥强度转化系数α_a值降低，虚拟水灰比系数α_b则降低，α_a和α_b与r_g之间分别具有线性关系，即：

α_a＝0.65(1-α_cr_g) (2)

α_b＝1.3(1-α_dr_g) (3)

其中α_a、α_b是主要由水泥、骨料类型和品质决定的系数，所以会随着再生骨料的材料性质和取代率的变化而变化；由喷射再生骨料混凝土抗压强度和水泥强度的比值与灰水比的关系得到；其中系数α_c＝0.3，α_d＝0.06。

(3)单方用水量与塌落度、再生骨料的关系；

m_w＝q(0.1T+K_g) (4)

m_w为再生骨料混凝土单方需水量；T再生混凝土的计算的塌落度，单位为mm)；K_g为与再生骨料的类型、粒径等有关的系数；q为单方用水量与再生骨料混凝土拌合物坍落度的拟合系数

K_g＝K[1+(ω_ra-ω_na×r_g] (5)

ω_ra——再生粗骨料吸水率(％)；ω_na——天然粗骨料吸水率(％)；其中根据普通混凝土的相关要求取值，ω_ra为4.3％ω_na为0.8％。

(4)水泥单方用量的设计：根据步骤(3)所得的单方用水量，确定所用水的体积：V_w＝m_w/ρ_w，其中ρ_w为所用水的密度；然后根据步骤(1)中所得的水胶比，计算得出水泥的质量：m_c＝m_w/(W/C)，则水泥体积V_c＝m_c/ρ_c，其中ρ_c为水泥的密度；

(5)砂子用量体积的设计：根据设定的再生骨料取代率r_g、再生骨料的用量体积V_r、天然骨料的用量体积V_n可以确定砂子的用量体积与再生骨料、天然骨料之间的关系，计算方法如下：

V_s＝γ×(V_n×P_n+V_r×P_r) (6)

式中：V_s、V_n、V_r分别为每立方混凝土中砂、天然骨料、再生骨料体积；γ为砂浆富裕系数，是砂浆体积与拌合物空隙体积的比值；P_n、P_r分别为天然骨料、再生骨料的空隙率。

各组成成分的单方用量的确定：根据(5)中砂率、再生骨料、天然骨料关系，采用绝对体积法确定喷射再生混凝土中各组份得用量体积，再根据砂子、天然骨料、再生骨料的表观密度即可确定各组份的质量。

在本申请的一些实施例中，步骤(1)中所述的系数α_a、α_b，对于不同的再生骨料取代率r_g的情况下，α_a、α_b的值随之变化，即：r_g＝0时，α_a＝0.67，α_b＝1.33；r_g＝50％时，α_a＝0.59，α_b＝1.28；r_g＝100％时，α_a＝0.58，α_b＝1.37。

在本申请的一些实施例中，步骤(3)中所述的参数q，在不同的再生骨料取代率r_g的情况下，其值也不同，即：r_g＝0时，

r_g＝50％时，

r_g＝100％时，

在本申请的一些实施例中，步骤(3)所述的系数K由实验得出，对于Ⅱ类再生骨料、最大粒径不超过10mm时，根据《实用建筑材料试验手册》表4-63查得

在本申请的一些实施例中，步骤(6)中各组份单方材料用量确定所采用的绝对体积法，其公式为

在本申请的一些实施例中，式6通过混凝土砂率计算公式推导得出；

对于砂率，进一步研究0％，50％，100％的再生骨料取代率，分析24组配合比试验的坍落度值以及抗压强度；砂率取0.45、0.47、0.49、0.51、0.53、0.55、0.57、0.59，共设计24组试验；结果表明，砂率对混凝土拌合物坍落度有明显的影响，但对抗压强度影响不大，再生骨料取代率在0％，50％，100％时，喷射钢纤维再生混凝土所对应最优砂率为49％，51％，53％。

与现有混凝土配合比技术相比，本方法具有以下积极有效方面：

1.提高再生骨料利用率保护环境,国内对于能源、环境的重视度越来越高，已成为社会的共识。本申请采用再生骨料，即解决了废旧骨料再利用问题，又保护环境。

2.扩大再生骨料应用范围，将再生骨料应用在喷射工艺中。本申请是将喷射工艺和再生混凝土相结合，通过试验研究，扩大喷射再生混凝土应用面,例如在基坑围护，隧道衬层喷射施工等领域具有重大意义。

3.在本申请中，设计的配合比计算公式适用范围较广，可计算不同再生骨料的取代率的喷射再生混凝土的配合比，当r_g＝0时，该公式和普通喷射钢纤维混凝土配合比的设计方法相差无几；当r_g＝50％、r_g＝100％时，该计算公式又可以分别对喷射再生混凝土进行较好的配合比设计；

4在本申请中，建立了喷射钢纤维再生混凝土中的砂子最优砂率，能够根据再生骨料的基本性能指标、取代率准确的确定配合比中所需要的砂子体积用量，改变了凭经验的传统砂率设计方法，可以有效的提高拌合物的工作性能；与普通再生混凝土配合比确定方法相适应。

5本申请填补了喷射再生混凝土配合比研究的空缺，与普通再生混凝土配合比确定方法相比，本申请对于喷射再生混凝土配合比确定针对性更强。

6在本申请中，提出了依据弯曲强度设计喷射再生混凝土再生骨料用量的方法，该方法适用性强、操作简单，可以有效的计算再生骨料的用量，避免因再生骨料用量过多或过少造成浪费或混凝土性能的降低。

具体实施方式

下面通过具体的实施案例对本申请中提及的设计方法进行更为详细的说明，但实施应用不限于此实例。正交试验设计本试验在水胶比、再生骨料取代率2种影响因素下选取3个水平，采用正交试验表格进行设计，探究对塌落度、抗压强度和弯曲强度的变化规律。且不考虑各因素之间的交互作用，如表1所示。采用极差、方差分析，得到2种影响因素对混凝土工作性能和力学性能的影响程度排序。

表1 喷射再生混凝土正交试验因素与水平表

(1)灰水比设计：根据我国现行《普通混凝土设计规程》(JGJ55-2011)，混凝土强度与灰水比的关系式为：

式中：f_cu,0——混凝土的设计抗压强度(MPa)；f_cu,0——为水泥28天强度(MPa)；C/W为灰水比；α_a——水泥强度转化系数；α_b——虚拟水胶比，主要由水泥、骨料类型和品质决定的系数。

其中骨料的整体性能随着再生骨料品质的降低而降低，同时也会随着再生骨料取代率的增加而降低。所以对钢纤维再生混凝土进行水胶比设计时，式(1)中与粗骨料有关的两个系数α_a和α_b会随着再生骨料的材料性质和取代率的变化而变化，不再是一个定值。按照式(1) 对不同再生骨料取代率下的再生骨料混凝土抗压强度与水灰比的试验结果进行回归分析，得到不同r_g下的α_a和α_b，：r_g＝0，α_a＝0.65，α_b＝1.3；r_g＝50％，α_a＝0.55，α_b＝1.26；r_g＝100％，α_a＝0.46，α_b＝1.2。

(2)单方用水量的设计：根据混凝土工作性能的要求设计其坍落度、再生骨料取代率以及骨料的吸水率，单方用水量的计算方法如下：

m_w＝q×(0.1T+K_g) .(2)

K_g＝K[1+(ω_ra-ω_na)×r_g] .(3)

式中：m_w为钢纤维再生骨料混凝土单方需水量；q为单方用水量与再生骨料混凝土拌合物坍落度的拟合系数；T钢纤维再生混凝土的计算的塌落度(mm)；K_g为与再生骨料的类型、粒径等有关的系数；ω_r为再生粗骨料吸水率(％)，为4.3％；ω_n为天然粗骨料吸水率(％)，为0.8％，其中根据普通混凝土的相关要求取值。其中，对于Ⅱ类再生骨料、最大粒径不超过 10mm时，根据《实用建筑材料试验手册》表4-63查得

(3)水泥单方用量的设计：根据步骤(2)所得的单方用水量，可以确定所用水的体积：V_w＝m_w/ρ_w，其中ρ_w为所用水的密度；然后根据步骤(1)中所得的水胶比，计算得出水泥的质量：m_c＝m_w(W/C)，则水泥体积V_c＝m_c/ρ_c，其中ρ_c为水泥的密度。

(4)砂子用量体积的设计：根据再生骨料取代率r_g、再生骨料的用量体积V_r、天然骨料的用量体积V_n可以确定砂子的用量体积与再生骨料、天然骨料之间的关系，计算方法如下：

V_s＝γ×(V_n×P_n+V_r×P_r) .(4)

式中：V_s、V_n、V_r分别为每立方混凝土中砂、天然骨料、再生骨料；γ为砂浆富裕系数是砂浆体积与拌合物空隙体积的比值，实验取值范围一般在1.1～1.4，为保证喷射再生混凝土拌合物的和易性，γ取1.4，；P_n、P_r分别为天然骨料、再生骨料的空隙率。式5由砂率公式变换而得。

为得出喷射再生混凝土的最优砂率，本申请研究了0％，50％，100％的再生骨料取代率，分析24组配合比试验的坍落度值以及抗压强度，研究发现砂率的变化对喷射再生混凝土的和易性有明显影响。当砂率改变时，喷射再生混凝土的流动性性能呈现先升高后降低的变化。不同的再生骨料取代率，对应不同砂率最优值。当再生骨量取代率为0％、50％、100％时，对应的最优砂率分别为49％、51％、53％。再生骨料取代率一定时，抗压强度受砂率的影响较小，不能通过抗压强度来确定喷射再生混凝土的最优砂率取值表2为砂率试验的单方材料用料

表2 喷射再生混凝土单方材料用量(kg/m3)及试验结果

(5)各组成成分的单方用量的确定：根据步骤(4)得到得砂子用量体积与骨料体积之间得关系，采用绝对体积法确定喷射再生混凝土中各组份得用量体积，再根据砂子、天然骨料、再生骨料的表观密度即可确定各组份的质量。其中绝对体积法公式为

实施例一：

1.材料选取与性能检测

水泥：沂州集团生产的P·O42.5普通硅酸盐水泥。细度模数为3.31的Ⅰ区天然河砂，

骨料：天然粗骨料以及再生粗骨料粒径级配，粒径均不大于10mm，天然粗骨料由石灰石破碎而成，而再生粗骨料是破碎废旧混凝土而成。天然粗骨料、再生粗骨料和细骨料性能指标进行检测，性能参数见表3。

减水剂采用HL-700综合型聚羧酸高效减水剂，其减水率在30％以上；速凝剂采用J86 型无碱速凝剂，掺量为胶凝材料质量的2％～8％。

表3 骨料的力学性能

2.通过再生骨料取代率确定砂率

为得出喷射钢纤维再生混凝土的最优砂率，研究0％，50％，100％的再生骨料取代率，分析24组配合比试验的坍落度值以及抗压强度，如图2。砂率的变化对喷射再生混凝土的和易性有明显影响。当砂率改变时，喷射再生混凝土的流动性性能呈现先升高后降低的变化。不同的再生骨料取代率，对应不同砂率最优值。当再生骨量取代率为0％、50％、100％时，对应的最优砂率分别为49％、51％、53％。

当再生骨料取代率一定时，砂率改变对抗压强度的影响较小，不能通过抗压强度来确定喷射再生混凝土的最优砂率取值。

实施例二：

1.材料选取及其性能测试

水泥：沂州集团生产的P·O42.5普通硅酸盐水泥。性能指标见表4。

表4 试验水泥性能参数

细骨料：细度模数为3.31的Ⅰ区天然河砂，采用GB/T 14684-2011《建筑用砂》中的试验方法进行检测。石灰石作为天然粗骨料，临沂蓝泰环保科技有限公司提供再生粗骨料。

粗骨料：天然粗骨料以及再生粗骨料粒径级配图粒径均不大于10mm，天然粗骨料由石灰石破碎而成，而再生粗骨料是破碎废旧混凝土而成，采用GB/T 14685-2011《建设用卵石、碎石》和GB/T 25177-2010《混凝土用再生骨料》中的试验方法对粗骨料进行检测，见表3。

减水剂采用HL-700综合型聚羧酸高效减水剂，其减水率在30％以上；速凝剂采用J86 型无碱速凝剂，掺量为胶凝材料质量的2％～8％。

水:生活饮用水

2.水胶比确定

根据我国现行《普通混凝土设计规程》(JGJ55-2011)，选取

C40以下强度等级的混凝土试配强度f_cu,0的计算参照《配合比设计规范》。选取r_g＝0，根据不同再生骨料取代率下的再生骨料混凝土抗压强度与水灰比的试验结果的回归分析，得到α_a＝0.65，α_b＝1.3；由公式(1)确定出再生骨料混凝土水胶比为0.4。

3.单方用水量确定

根据材料选择可确定ω_ra＝4.3％，ω_na为0.8％。其中k值根据高丹盈新型建筑手册进行查找，得出对于最大粒径为10mm的碎石，

由此代入公式(3)可得系数Kg＝57.3。根据试验确定的单方用水量与再生骨料混凝土拌合物塌落度的关系，可知r_g＝0时，喷射再生混凝土塔落度T为110mm,将T、Kg代入公式(2)，可得

4.砂率的确定

由喷射再生混凝土最优砂率的试验研究，可直接确定当r_g＝0时，砂率为49％。

5.各材料单方用量的确定

依照相容性试验结果确定减水剂含量为0.7％，速凝剂含量为6％。单方用

水量由公式(2)(3)计算可得，水胶比由公式(1)计算可得，则单方水泥用量

已知砂率、再生骨料取代率运用质量法计算得到单方沙子用量、单方再生骨料用量、单方天然骨料用量。然后配置再生混凝土，测定拌合物塌落度；制作边长100mm的立方体试件，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：选取再生骨料取代率r_g＝50％，系数α_a＝0.55，α_b＝1.26，水胶比取0.40；系数K＝58.3，喷射再生混凝土塔落度T为110mm,将T、Kg代入公式(2)，可得m_w＝200kg则单方水泥用量

再生骨料取代率为50％，选取砂率为51％。

由以上数据确定喷射再生混凝土的各材料用量，制作边长100mm的立方体试件，同时测定拌合物的塌落度，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：选取再生骨料取代率r_g＝100％，系数α_a＝0.46，α_b＝1.2，水胶比取0.40；系数K＝58.3，喷射再生混凝土塔落度T为110mm,将T、Kg代入公式(2)，可得m_w＝200kg；则单方水泥用量

再生骨料取代率为100％，选取砂率为53％。

由以上数据确定喷射再生混凝土的各材料用量，制作边长100mm的立方体试件，同时测定拌合物的塌落度，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：选取再生骨料取代率r_g＝50％，系数α_a＝0.55，α_b＝1.26，水胶比取0.45；系数K＝58.3，喷射再生混凝土塔落度T为110mm,将T、Kg代入公式(2)，可得

则单方水泥用量

再生骨料取代率为50％，选取砂率为51％。

由以上数据确定喷射再生混凝土的各材料用量，制作边长100mm的立方体试件，同时测定拌合物的塌落度，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：选取再生骨料取代率r_g＝50％，系数α_a＝0.55，α_b＝1.26，水胶比取0.50；系数K＝58.3，喷射再生混凝土塔落度T为110mm,将T、Kg代入公式(4)，可得m_w＝200kg；则单方水泥用量

再生骨料取代率为50％，选取砂率为51％。

由以上数据确定喷射再生混凝土的各材料用量，制作边长100mm的立方体试件，同时测定拌合物的塌落度，标准养护28天，实测立方体抗压强度。各单方用量及试验测定塌落度、抗压强度、抗弯强度如下表

表5 喷射再生混凝土单方用量及试验测定数据

以上结表明：

1.根据表中试验测量数据可知，影响新拌混凝土坍落度的各因素主次排列顺序：再生骨料取代率>水胶比；影响抗压强度的各因素主次排列顺序：水胶比>再生骨料取代率；影响弯曲强度的各因素主次排列顺序：水胶比>再生骨料取代率。

2.再生骨料取代率对新拌混凝土坍落度值有一定的影响，所以在喷射再生混凝土配合比中提高单方用水量或者增加适当的减水剂来满足和易性；而再生骨料取代率对抗压强度影响不明显，在考虑提高固废利用率，促进可持续发展的前提下，建议推广100％再生骨料喷射钢纤维再生混凝土的应用。

本申请的喷射再生混凝土配合比设计方法配制的喷射钢纤维再生混凝土的坍落度、抗压强度以及抗弯强度均可达到设计要求。当再生骨料取代率

时，混凝土的强度也可以达到35MPa以上，与天然骨料混凝土相差不大，说明通过本专利中的设计方法进行混凝土的配制可以有效的降低天然骨料的用量，同时也可以处理大量的建筑废物，减少因天然骨料开采使用及废弃建筑垃圾处理对环境的污染。

Claims (6)

1.一种喷射再生混凝土配合比的设计方法，其特征在于，得到喷射再生混凝土塌落度、抗压强度和弯曲强度都满足设计要求的配合比，包括以下步骤：

(1)确定混凝土强度与灰水比的关系式为：

f_cu,0＝α_af_ce(C/W-α_b) (1)

f_cu,0为混凝土的设计抗压强度，单位为MPa；f_ce为水泥28天强度，单位为MPa；C/W为灰水比；α_a水泥强度转化系数，α_b为虚拟水胶比；

(2)确定再生骨料混凝土的水泥强度转化系数α_a，虚拟水灰比系数α_b与再生骨料取代率r_g之间的比例关系，即：

α_a＝0.65(1-α_cr_g) (2)

(3)单方用水量与塌落度、再生骨料的关系。

m_w＝q(0.1T+K_g) (4)

m_w为再生骨料混凝土单方需水量；T再生混凝土的计算的塌落度(mm)；K_g为与再生骨料的类型、粒径有关的系数；q为单方用水量与再生骨料混凝土拌合物坍落度的拟合系数

K_g＝K[1+(ω_ra-ω_na×r_g] (5)

ω_ra——再生粗骨料吸水率(％)；ω_na——天然粗骨料吸水率(％)；

(4)水泥单方用量的设计：根据步骤(3)所得的单方用水量，可以确定所用水的体积：V_w＝m_w/ρ_w，其中ρ_w为所用水的密度；然后根据步骤(1)中所得的水胶比，计算得出水泥的质量：m_c＝m_w/(W/C)，则水泥体积V_c＝m_c/ρ_c，其中ρ_c为水泥的密度。

(5)砂子用量体积的设计：根据设定的再生骨料取代率r_g、再生骨料的用量体积V_r、天然骨料的用量体积V_n可以确定砂子的用量体积与再生骨料、天然骨料之间的关系，计算方法如下：

V_s＝γ×(V_n×P_n+V_r×P_r)(6)

式中：V_s、V_n、V_r分别为每立方混凝土中砂、天然骨料、再生骨料体积；γ为砂浆富裕系数，是砂浆体积与拌合物空隙体积的比值；P_n、P_r分别为天然骨料、再生骨料的空隙率。

(6)各组成成分的单方用量的确定：根据(5)中砂率、再生骨料、天然骨料关系，采用绝对体积法确定喷射再生混凝土中各组份得用量体积，再根据砂子、天然骨料、再生骨料的表观密度确定各组份的质量。

2.根据权利要求1所述的一种喷射再生混凝土配合比的设计方法，其特征在于，步骤(3)中ω_ra为4.3％ω_na为0.8％。

3.根据权利要求1所述的一种喷射再生混凝土配合比的设计方法，其特征在于，步骤(1)中所述的系数α_a、α_b，对于不同的再生骨料取代率r_g的情况下，α_a、α_b的值随之变化，即：r_g＝0时，α_a＝0.67，α_b＝1.33；r_g＝50％时，α_a＝0.59，α_b＝1.28；r_g＝100％时，α_a＝0.58，α_b＝1.37。

4.根据权利要求1所述的一种喷射再生混凝土配合比的设计方法，其特征在于，步骤(3)中所述的参数q，在不同的再生骨料取代率r_g的情况下，其值也不同，即：r_g＝0时，q＝3.31；r_g＝50％时，q＝3.35；r_g＝100％时，q＝3.36。

5.根据权利要求1所述的一种喷射再生混凝土配合比的设计方法，其特征在于，步骤(3)所述的系数K由实验得出，对于Ⅱ类再生骨料、最大粒径不超过10mm时，K＝57.3。

6.根据权利要求1所述的一种喷射再生混凝土配合比的设计方法，其特征在于，步骤(6)中各组份单方材料用量确定所采用的绝对体积法，其公式为