CN1951859A - 一种路用再生水泥混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及道路工程领域中的路面建设材料，具体涉及一种新型的路用再生水泥混凝土及其制备方法，本发明所提供此制备方法，以克服现有技术存在的长期使用后其抗弯折强度、抗裂韧性和抗冲击能力均有大幅下降的问题。为克服现有技术存在的问题，本发明的技术方案是：一种路用再生水泥混凝土，由下述质量配比的原材料制备而成，再生粗集料15％～37％、天然粗集料15％～37％、水泥16％～18％、砂22％～24％、水(包括拌合水和附加水)8％～10％，钢纤维的加入量是上面所有组分体积总和的0.6％～1.2％，高效减水剂的加入量是水泥重量的0.1～0.5％。

Description

一种路用再生水泥混凝土及其制备方法
所属技术领域：
本发明涉及道路工程领域中的路面建设材料，具体涉及一种路用再生水泥混凝土及其制备方法。
背景技术：
再生粗集料(Recycled coarse aggregate，简称RCA)是将废弃混凝土经破碎、清洗和分级等综合处理后所形成的粗集料，而用这些粗集料全部或部分代替天然粗集料(Natural coarse aggregate，简称NCA)配合而成的混凝土称为再生水泥混凝土。利用再生粗集料配制混凝土是发展绿色混凝土的主要措施之一，因此，国外许多大学和政府研究机构，都对其进行了研究。相对于国外而言，我国在这方面的研究起步较晚，所以加强我国废弃混凝土的开发和利用，不仅能有效地解决天然粗集料的紧缺问题，有利于保护集料产地的环境，而且又能减少城市废弃物的堆放、占地和环境污染，进而保证我国土木工程的可持续发展。
国内外对目前路用再生水泥混凝土的相关研究表明，其短期性能和普通混凝土差别不大，但其长期性能却有较大的差异。长期使用后其抗弯折强度、抗裂韧性和抗冲击能力均大幅下降，难以保持路用再生水泥混凝土路面的长期性和耐久性。
发明内容：
本发明要提供一种新型的路用再生水泥混凝土及其制备方法，以克服现有技术存在的长期使用后其抗弯折强度、抗裂韧性和抗冲击能力均有大幅下降的问题。
为克服现有技术存在的问题，本发明的技术方案是：一种路用再生水泥混凝土，由下述质量配比的原材料制备而成。
再生粗集料                15％～37％
天然粗集料                15％～37％
水泥                      16％～18％
砂                        22％～24％
水(包括拌合水和附加水)    8％～10％
钢纤维的加入量是上面所有组分体积总和的0.6％～1.2％
高效减水剂的加入量是水泥重量的0.1～0.5％
再生粗集料：要求基体混凝土的强度等级范围为C15～C40，最大粒径为20mm，天然含水量不得大于4％，饱和吸水率不得超过8％，含泥量小于3％，洛杉矶磨耗量小于30％，其他杂质的总含量必须控制在3％之内。
钢纤维：选用熔抽型钢纤维，其截面为月牙形，表面呈氧化皮膜回火色，两端较粗，长度为20～30mm，等效直径为0.3～0.6mm，长径比为50～70mm，抗拉强度不低于550Mpa。
水泥：其强度标号不能低于42.5，体积安定性合格。
附加水的说明：由于再生粗集料的吸水率通常都较高，所以应适当增加用水量对其进行一定的补偿。在进行再生混凝土的配合比设计时，首先按照普通钢纤维混凝土配合比设计方法设计配合比，天然粗集料和再生粗集料根据再生粗集料的取代率来确定，然后增加由于再生粗集料的吸水率高而对其进行补偿的水分。这部分水称为附加水，并假定其不参加水泥的水化反应，其用量根据再生粗集料有效吸水率(未烘干时的吸水率)确定，即首先测出再生粗集料有效吸水率，然后由再生粗集料的用量求得附加水的用量。
水灰比为0.44～0.47时，同一类型的路用再生水泥混凝土的抗折强度相对较高，而超出此范围时，抗折强度明显降低。
上述高效减水剂和钢纤维的掺量都随再生粗集料含量的增加而逐渐增大。
一种路用再生水泥混凝土的制备方法是先将再生粗集料和天然粗集料加入搅拌机干拌1～2min，然后加入水泥、砂和高效减水剂继续进行搅拌，并在搅拌过程中逐渐加入钢纤维，高效减水剂和钢纤维的掺量都随再生粗集料含量的增加而逐渐增大，等混合料搅拌均匀后，再加水(包括拌合水和附加水)搅拌约2～3min左右即可。
与现有技术相比，本发明的优点是：
(1)抗弯折强度、抗裂韧性和抗冲击能力等性能均有明显的提高：本发明得出了不同配合比的路用再生水泥混凝土的抗折强度和回归方程，为路用再生水泥混凝土在道路工程中的应用提供理论依据和参考。与普通再生混凝土路面相比，掺入钢纤维后的再生混凝土路面，经长期使用后其抗弯折强度、抗裂韧性和抗冲击能力等性能均有明显的提高。
(2)耐久性好：本发明通过试验证明，在不降低混凝土抗弯折强度等性能的前提条件下，首先每m3混凝土可以回收和利用再生粗集料15％～37％，同时也节约了相应质量的天然粗集料；其次，当天然粗集料(碎石)的粒径在20mm以内时，普通混凝土的含砂率通常在29％～37％之间，而路用再生水泥混凝土的含砂率则在22％～24％之间，与之相比降低了5％～15％，而与普通钢纤维混凝土的平均含砂率45％～50％相比，则降低幅度更大；最后，普通混凝土的密度通常在2400kg/m3，而本发明实施例中，所有的配比密度均小于2400kg/m3，这表明路用再生水泥混凝土中的气体含量较高，这对于提高路面的耐久性将会有很大的好处。
(3)组方、配比更合理：①再生粗集料的含量和水灰比是影响路用再生水泥混凝土抗弯折性能的两个主要因素，而抗弯折性能又是控制路面设计和衡量路面等级的第一要素，本发明研究得出当水灰比为0.44和0.47时，随着再生粗集料含量的增加，与基准钢纤维混凝土(见表1)相比，其抗折强度的损失相对较小。②再生粗集料表面的孔隙率相对较高，从而导致路用再生水泥混凝土的离散性较大，均匀性较差，且很容易在路用再生水泥混凝土内部的某些区域出现应力集中的现象，或新旧集料与胶凝材料之间的结合力会随着再生粗集料含量的增加而降低等，本发明研究表明当再生粗集料的含量不超过50％时，路用再生水泥混凝土28d抗折强度均能达到6.0MPa(I级钢纤维混凝土路面)的设计要求，同时结合各种因素的相互影响，本发明将再生粗集料的范围设定为不超过37％。③本发明针对再生混凝土的长期性能较差这一特点，在再生混凝土的配合过程中，加入了一定量的钢纤维，形成钢纤维再生混凝土，目的是提高再生混凝土的抗弯折强度，增强再生混凝土的抗裂韧性和抗冲击能力，从而进一步提高再生混凝土路面的长期性和耐久性。
(4)制备工艺简单：本发明制备方法简单，施工操作难度降低，不需要专用设备，普通设备即可完成制备。
附图说明：
图1 再生粗集料取代天然粗集料的量与28d抗折强度之间的关系；
图2 实施例中W/C与其28d抗折强度之间的关系。
具体实施方式：
下面将通过实施例对本发明做进一步的说明。
一种路用再生水泥混凝土，由下述质量配比的原材料制备而成。其中的水灰比为有效水灰比(即拌合水与相应水泥用量的质量比)。实施例1、2、3中再生粗集料取代天然粗集料的量为30％，实施例4、5、6中再生粗集料取代天然粗集料的量为50％，实施例7、8、9中再生粗集料取代天然粗集料的量为70％。
  实施例 水灰比   水泥/(kg·m-3)    砂/(kg·m-3)     粗集料/(kg·m-3)      水/(kg·m-3) 高效减水剂(％) 钢纤维的体积率(％) 抗折强度/MPa
  天然粗集料 再生粗集料   拌合水 附加水 7d 28d 90d
  实施例1实施例2实施例3   0.440.450.47   409400382   539544552   863872888   370374381   180180180     151515     0.10.10.1 0.6   5.15.25.5   6.66.66.8   6.97.07.2
  实施例4实施例5实施例6   0.440.450.47   409400382   528532540   603609622   603609622   180180180     242425     0.20.20.3 0.9   5.25.45.3   6.36.36.5   6.76.87.2
  实施例7实施例8实施例9   0.440.450.47   409400382   515518526   352357363   821832847   180180180     333334     0.40.40.5 1.2   5.05.35.2   6.26.26.3   6.36.36.5
再生粗集料：要求基体混凝土的强度等级范围为C15～C40，最大粒径为20mm，天然含水量不得大于4％，饱和吸水率不得超过8％，含泥量小于3％，洛杉矶磨耗量小于30％，其他杂质的总含量必须控制在3％之内。
钢纤维：选用熔抽型钢纤维，其截面为月牙形，表面呈氧化皮膜回火色，两端较粗，长度为20～30mm，等效直径为0.3～0.6mm，长径比为50～70mm，抗拉强度不低于550Mpa。
水泥：其强度标号不能低于42.5，体积安定性合格。
附加水：由于再生粗集料的吸水率通常都较高，所以应适当增加用水量对其进行一定的补偿。在进行再生混凝土的配合比设计时，首先按照普通钢纤维混凝土配合比设计方法设计配合比，天然粗集料和再生粗集料根据再生粗集料的取代率来确定，然后增加由于再生粗集料的吸水率高而对其进行补偿的水分。这部分水称为附加水，并假定其不参加水泥的水化反应，其用量根据再生粗集料有效吸水率(未烘干时的吸水率)确定，即首先测出再生粗集料有效吸水率，然后由再生粗集料的用量求得附加水的用量。
一种路用再生水泥混凝土的制备方法：鉴于本发明是一种新型的工程材料，所以试验中混合料的拌和均采用强制式搅拌机拌和。投料顺序为：先将再生粗集料和天然粗集料加入搅拌机干拌1～2min，然后加入水泥和砂继续进行搅拌，并在搅拌过程中逐渐加入钢纤维，等混合料搅拌均匀后，再加水(包括拌合水和附加水)搅拌约2～3min左右，最后对拌合物的外观、塌落度和粘聚性等进行观察和记录，并将拌合物注入试模，抗折试件的成型尺寸选用了100mm×100mm×400mm，人工插捣密实后用刮刀插实周边、抹平表面，24h后拆模，最后将试块放入养护室，在标准条件下养护至相应的试验龄期时测定其抗折强度。
相关试验数据列表如下：
表1  基准钢纤维混凝土28d的抗折强度/MPa
    水灰比     0.44     0.45     0.47
    28d抗折强度     7.0     7.1     6.9
说明：表1中的基准钢纤维混凝土是普通钢纤维混凝土，其配合中不含再生粗集料、减水剂及附加水，其目的只是为了和路用再生水泥混凝土的性能在同等条件下作对比。
表2  28d抗折强度降低幅度/％
    水灰比     0.44     0.45     0.47
  实施例1、2、3实施例4、5、6实施例7、8、9     5.710.011.4     7.011.312.7     1.55.88.7
表3  水灰比(x)-28d抗折强度(y)之间的关系方程
再生粗集料的含量/％     回归方程     相关系数(R2)
实施例1、2、3实施例4、5、6实施例7、8、9     y＝-0.1071x2+0.7329x+5.46y＝-0.0929x2+0.6271x+5.34y＝-0.0929x2+0.6071x+5.24      0.900.850.85
参见图1和图2可以看出，随着混凝土中水灰比的逐渐增大，不同组分的路用再生水泥混凝土28d抗折强度曲线的变化趋势非常相似，曲线由低到高后出现回落。当路用再生水泥混凝土中的水灰比在0.44～0.47之间时，同一类型的路用再生水泥混凝土的抗折强度相对较高，而超出此范围时，抗折强度明显降低。因此根据以上分析可以认为，路用再生水泥混凝土的最佳水灰比范围为0.44～0.47，在满足耐久性的前提下，此范围恰好介于普通混凝土I级路面的最大水灰比和钢纤维混凝土I级路面的最大水灰比之间，若路用再生水泥混凝土中水灰比过大或过小，都会使得路用再生水泥混凝土的抗折强度不易达到设计要求。

Claims (3)

1、一种路用再生水泥混凝土，由下述质量配比的原材料制备而成：
再生粗集料                15％～37％
天然粗集料                15％～37％
水泥                      16％～18％
砂                        22％～24％
水(包括拌合水和附加水)    8％～10％
钢纤维        是上面所有组分体积总和的0.6％～1.2％
高效减水剂    是水泥重量的0.1～0.5％
再生粗集料：要求基体混凝土的强度等级范围为C15～C40，最大粒径为20mm，天然含水量不得大于4％，饱和吸水率不得超过8％，含泥量小于3％，洛杉矶磨耗量小于30％，其他杂质的总含量必须控制在3％之内；
钢纤维：选用熔抽型钢纤维，其截面为月牙形，表面呈氧化皮膜回火色，两端较粗，长度为20～30mm，等效直径为0.3～0.6mm，长径比为50～70mm，抗拉强度不低于550Mpa；
水泥：其强度标号不能低于42.5，体积安定性合格；
附加水：由于再生粗集料的吸水率通常都较高，所以应适当增加用水量对其进行一定的补偿。在进行再生混凝土的配合比设计时，首先按照普通钢纤维混凝土配合比设计方法设计配合比，天然粗集料和再生粗集料根据再生粗集料的取代率来确定，然后增加由于再生粗集料的吸水率高而对其进行补偿的水分。这部分水称为附加水，并假定其不参加水泥的水化反应，其用量根据再生粗集料有效吸水率(未烘干时的吸水率)确定，即首先测出再生粗集料有效吸水率，然后由再生粗集料的用量求得附加水的用量；
水灰比为0.44～0.47。
2、根据权利要求1所述的一种路用再生水泥混凝土，其特征在于：高效减水剂和钢纤维的掺量都随再生粗集料含量的增加而逐渐增大。
3、根据权利要求1所述一种路用再生水泥混凝土的制备方法，其特征在于：先将再生粗集料和天然粗集料加入搅拌机干拌1～2min，然后加入水泥、砂和高效减水剂继续进行搅拌，并在搅拌过程中逐渐加入钢纤维，高效减水剂和钢纤维的掺量都随再生粗集料含量的增加而逐渐增大，等混合料搅拌均匀后，再加水(包括拌合水和附加水)搅拌约2～3min即可。
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