姜天公平，张自荣，张一蕾，宋文祝

(1.长春工程学院研究生学院，长春 130012； 2.吉林省公路管理局，长春 130012)

0 引言

近年来，我国对基础交通设施的持续投入使得我们的出行变得更加便利，但同时由于公路、桥梁等基础设施的建设需要大量的原材料，导致大量的资源开采对环境造成了很大的负担。为了在工程建设的同时降低对环境的影响，我们应该研究再生混凝土在道路工程中的应用，通过利用废弃混凝土来降低工程建设对自然资源的需求量，从而达到保护环境的目的。据估算，到2020年底，我国的年产生建筑垃圾已多达20亿t，占城市垃圾总量的30%～40%，并以每年10%的速度增长[1]，如此大量的建筑垃圾为再生混凝土在道路工程中的应用提供了充足的原材料。

雷斌等[2]研究发现，再生混凝土掺量在25%时，再生混凝土的力学性能可以满足道路面层材料的要求，而当再生骨料掺量增加到50%后，再生混凝土的力学性能下降较大，不宜用于道路工程中。王立波等[3]的研究表明，再生混凝土的抗压强度与再生骨料取代率成反比，并给出了添加钢纤维的再生混凝土的最优配合比。肖建庄等[4-5]研究认为再生混凝土的抗压、抗折强度相比于天然混凝土均较低，且随着再生骨料取代率的增加，其强度逐渐降低。Etxeberria[6]认为在相同水灰比条件下，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会有20%的强度损失。

根据前述的研究成果，本文以再生碎石混凝土(RAC-S)和再生砾石混凝土(RAC-L)为研究对象，以再生骨料取代率(采用3种取代率数值)、水灰比(采用3种水灰比数值)和砂率(采用3种砂率数值)为影响因素，按照三因素三水平采用正交法进行试验，并对试验数据进行数值分析，确定本次试验中的最优配合比，用于指导工程实践。

1 试验概况

1.1试验材料

试验用水泥为P.O42.5普通硅酸盐水泥，细骨料为天然砂，细度模数为2.21，拌合水为实验室自来水。天然粗骨料为碎石和砾石两种，均来自吉林省通榆县某石料厂。再生粗骨料来自通榆县某骨料处理厂破碎混凝土路面所产生的废弃骨料，经测定为Ⅲ类再生粗骨料。各粒径骨料占比分别为细骨料占25%、中骨料占35%、粗骨料占40%。粗骨料详细性能见表1。

1.2 配合比设计

研究再生骨料取代率(因素A)、水灰比(因素B)和砂率(因素C)三因素在三水平下对两种不同类型再生混凝土力学性能的影响，采用正交试验法，正交表选用L9(34)。本实验配合比根据JTG/TF 30—2014《公路水泥混凝土路面施工技术细则》进行设计，详见表 2～4。

表1 粗骨料各项性能指标

表2 正交试验因素与水平

表3 碎石组配合比 单位：kgm-3

表3 碎石组配合比 单位：kgm-3

编号因素组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为再生碎石混凝土，1～9为组别。

表4 砾石组配合比 单位：kgm-3

表4 砾石组配合比 单位：kgm-3

编号因素组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为再生砾石混凝土，1～9为组别。

1.3 试件成型与养护

本试验的立方体试件采用两种尺寸，分别为150 mm×150 mm×150 mm和100 mm×100 mm×100 mm，棱柱体为150 mm×150 mm×550 mm。搅拌时，将骨料等倒入搅拌机，同时加入90%的水和减水剂，搅拌2 min，然后静置30 min，再加入剩余10%的水和减水剂，搅拌2 min。随后装模并振捣抹平，10 h后覆盖保鲜膜，24 h后送入养护室养护，28 d后进行力学性能试验。

1.4 试验方法

抗压、抗折和劈裂抗拉强度试验方法均根据JJG 3420—2020《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》[7]的规定进行测试。

抗压强度试验公式为

(1)

式中：F为极限荷载，N；A为受压面积mm2；fcu为抗压强度，MPa。

抗压试验的加载速度控制在0.5～0.8 MPa/s以内。

抗折强度试验公式为

(2)

式中：F为极限荷载，N；L为支座间距离，mm；ff为试件的弯拉强度，MPa；b为试件宽度，mm；h为试件高度，mm。

抗折强度试验的加载速度控制在0.05～0.08 MPa/s以内。

劈裂抗拉强度试验公式为

(3)

式中：fts为混凝土立方体劈裂抗拉强度，MPa；F为极限荷载，N；A为试件横截面积，mm2。

劈裂抗拉试验的加载速度控制在0.05～0.08 MPa/s。

对每组的3个试验数据要进行误差分析，即以3个试件测量的算数平均值为实验结果，3个实验结果的最大值或最小值中有1个与中间值之差超过中间值的15%，则取中间值为测定值。如果最大值和最小值与中间值的差值均超过15%，则该组实验结果无效。

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

根据正交试验设计，对28 d抗压强度、抗折强度进行测试，相关结果见表5。

表5 抗压、抗折强度试验结果 单位：MPa

2.2 数据处理分析

极差分析是指在考虑某一因素A对试验结果的影响时，将其他的因素对试验的影响程度看成是均衡的，通过比较A因素的不同对试验结果的差异，从而确定A因素对试验结果的影响。例如本试验中将再生骨料取代率作为一个因素，把取代率分别为30%、50%和70%时的试件抗压强度相加后除以3，作为取代率分别为30%、50%和70%的抗压强度的平均值，通过比较3种取代率下抗压强度均值的大小，可以确定出均值最大的组的取代率即为本次试件中最优配合比所需的再生骨料取代率。

2.2.1 抗压强度分析

两组再生混凝土极差分析结果见表6，各因素对抗压强度的影响如图1。

表6 碎石组、砾石组抗压强度极差分析表

根据图1可以看出，碎石组的抗压强度随水灰比的增加而先增加后降低，随取代率和砂率的增加而逐渐增强。砾石组的抗压强度随水灰比的增加而逐渐降低，随取代率的增加而先减小后增加，随砂率的增加而先增加后降低。碎石组的抗压强度在30%取代率的条件下低于砾石组外，其余均高于砾石组。在再生骨料取代率为50%时，碎石组抗压强度比砾石组高6.65 MPa，再生骨料取代率为70%时则高7.03 MPa。

图1 抗压强度极差图

这可能是由于砾石表面光滑，不利于砂浆附着，而碎石由于表面粗糙，不仅有利于砂浆附着，而且不规则的表面可以提供机械咬合力，由于砂浆作为黏结剂可以将骨料连接成整体，而紧密的骨料砂浆结合面有利于增加抗压强度。但是在再进骨料取代率为30%时，天然骨料占整个试件材料的绝大部分，因此天然骨料的力学性能成为影响再生混凝土抗压强度的主要因素，由于砾石的压碎值比碎石低，造成在再生骨料取代率同样为30%时砾石组抗压强度略微高于碎石组[8]。

结合图1和表6可以发现，碎石组的抗压强度随着再生骨料取代率的增加而增大，但极差只有2.72 MPa，即随着取代率的增加，碎石组的抗压强度增加幅度不大。结合文献[9]，再生混凝土抗压强度在取代率为70%左右已达到最大值。从图1看出砾石组抗压强度在取代率为30%达到最大值，取代率为50%时最低，取代率为70%时抗压强度又增加。

造成两组的抗压强度随再生骨料取代率变化而呈现出不同变化趋势的原因主要有两个：一是由于再生骨料的表面附着有旧水泥砂浆，二是在机械破碎时会使再生骨料产生微裂缝，这两个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开始吸收水分，使得混凝土的水灰比降低，从而增加了抗压强度。机械破碎时使再生骨料产生的微裂缝会成为试件内部的薄弱区，在受到压力时容易首先被破坏，从而降低抗压强度。附着的砂浆会影响新砂浆与骨料之间的黏结，从而影响再生混凝土的抗压强度。因此，在碎石组中，再生骨料吸水导致实际水灰比降低从而增强抗压强度的作用比再生骨料的缺陷导致抗压强度降低的作用更明显，使得碎石组的抗压强度随着再生骨料取代率的增加而增强。而在砾石组中取代率为50%时再生骨料的缺陷导致抗压强度降低的作用比再生骨料吸水使实际水灰比降低从而增强抗压强度的作用更明显，使得抗压强度降低。当取代率达到70%时抗压强度增强，这同样是因为再生骨料吸水导致实际水灰比降低从而增强抗压强度的作用比再生骨料的缺陷导致抗压强度降低的作用更明显。综合起来，两方面的影响共同作用从而造成了两组的实验结果的不完全相同[10]。

2.2.2 劈裂抗拉强度分析

结合前面抗压强度的分析结果和文献[9]，重新设计劈裂抗拉强度试验中的配合比，水灰比为0.34，砾石组设置3组实验，分别为再生骨料取代率为0、30%和50%。碎石组再生骨料取代率为0%、30%、50%，并在取代率为30%和50%下将砂率设定为0.36、0.38和0.4，试验结果见表7，各因素对劈裂抗拉强度的影响如图2～3所示。

表7 劈裂抗拉实验结果

图2 0.34水灰比、0.36砂率时劈裂抗拉强度随再生骨料取代率的变化

图3 碎石组劈裂抗拉强度随砂率的变化

从图2中可以看出再生骨料取代率对碎石组和砾石组的劈裂抗拉强度影响相似，但取代率对碎石组的劈裂抗拉强度影响更大，而对砾石组的影响很小。在取代率从0增长到50%的过程中，碎石组和砾石组的劈裂抗拉强度先减后增，且碎石组的劈裂抗拉强度仅在取代率为30%时略低于砾石组，这一现象与抗压强度实验中碎石组和砾石组的实验现象一致。

产生这一现象的原因同样是由于再生骨料的高吸水率导致实际水灰比降低，从而提高强度以及再生骨料本身缺陷对强度负面影响的共同作用，在不同取代率下两者对劈裂抗拉强度的影响程度不同，使得劈裂抗拉强度呈现出先减后增的趋势。

从图3可知，碎石组中，随着砂率的增加，取代率为30%和50%时的劈裂抗拉强度变化趋势相反。取代率为30%时，砂率为40%的劈裂抗拉强度低于砂率为36%时的劈裂抗拉强度，这与抗压试验中抗压强度随砂率的变化趋势一致。

砂率的增加对劈裂抗拉强度有两方面的影响。一方面由于砂率的增加，粗骨料被包裹得更好，使混凝土内部更加紧密，骨料分布更加均匀，从而提高力学性能。而另一方面过高的砂率会增加需水量，由于没有相应的调整减水剂的用量，所以使得混凝土的流动性变差[11]。同时，砂率过高时需要更多的浆体包裹骨料，使得再生混凝土的力学性能降低[12]。两方面的因素同时作用，导致了在相同的取代率下，劈裂抗拉强度变化趋势不同。以取代率为50%时为例，砂率在36%～38%时，劈裂抗拉强度增加，这是由于砂率的增加对劈裂抗拉强度的正向增强作用比由于砂率增加对劈裂抗拉强度的负面减弱作用更加明显，从而使得劈裂抗拉强度整体上增强。而当砂率在38%～40%时，此时砂率的增加对劈裂抗拉强度的负面减弱程度要强于正向增强的程度，使得劈裂抗拉强度随砂率的增加而降低。

2.2.3 抗折强度分析

两组再生混凝土抗折强度极差分析结果见表8，各因素对抗折强度的影响程度及极差如图4所示。

表8 RAC-S、RAC-L抗折强度极差分析表

图4 抗折强度极差图

从图4看出，在碎石组中抗折强度随再生骨料取代率的增加而降低，随着水灰比和砂率的增加，抗折强度的变化均为先增加后降低，且相较于砂率，水灰比对抗折强度的影响更大。在砾石组中，抗折强度随取代率的增加呈现先增后减的趋势，这与抗压强度实验中，砾石组的变化相似，水灰比的增加使得抗折强度先增强后减弱，砂率对砾石组抗折强度的影响与水灰比相反，为先减弱后增强，且二者对抗折强度的影响程度接近。

产生前述现象的原因与抗压强度试验分析的结论相似，也是由于再生骨料取代率的增加会对抗折强度的变化带来两方面的影响：一是再生骨料增加后由于其自身存在微裂缝和旧砂浆，导致内部连接不紧密，而且再生骨料强度较低，降低了抗折强度;二是由于再生骨料取代率的增加，再生骨料较高的吸水率，使得再生混凝土的实际水灰比降低，从而增加了抗折强度。除此以外，针片状骨料含量对抗折强度也有影响，随着再生骨料的增加，试件内部的针片状骨料含量也增加，因为砂浆对针片状骨料的包裹性较差，使得试件的抗折强度降低。

以砾石组为例对实验结果进行验证，根据GBJ/T 97—94《水泥混凝土路面施工及验收规范》[13]和JTG/T F30—2014《公路水泥混凝土路面施工技术细则》[14]相关规定，水泥混凝土公路面层应以抗折强度为强度指混凝土配合比设计。从表8和图4可知最优配合比组合为A1B2C1，即再生骨料取代率为30%，水灰比为0.37，砂率为32%。将优化后的实验组命名为RAC-LYH，配合比及28 d抗压、抗折强度见表9。

表9 RAC-LYH配合比及28 d抗压、抗折强度

从表9可以看出，RAC-LYH组的抗折强度均高于其他9组砾石再生混凝土，且抗压强度也仅次于RAC-L1。

根据JTG/TF 30—2014《公路水泥混凝土路面施工技术细则》[14]中的非统计法混凝土弯拉强度评定方法，有式(4)。

fcs≥1.15fr

fmin≥0.85fr，

(4)

式中fcs为合格判定平均弯拉强度，MPa。

试验中RAC-LYH组28 d抗折强度最小值为4.9 MPa，经计算，RAC-LYH的结果满足规范规定。

依据GB/T 50107—2010《混凝土强度检验评定标准》[15]的规定，采用非统计法确定RAC-LYH组立方体的抗压强度等级，公式见(5)。

mfcu≥1.15fcu，k

fcu，min≥0.95fcu，k，

(5)

式中：mfcu为立方体抗压强度平均值，MPa；fcu，k为混凝土立方体抗压强度标准值，MPa；fcu，min为检验批混凝土立方体抗压强度的最小值，MPa。

试验中RAC-LYH组28 d抗压强度最小值为25.4 MPa，经计算，强度等级达到C20。RAC-LYH组的抗折、抗压性能达到三、四级公路对混凝土性能的要求。由此可确定本试验A1B2C1为最优的配合比，即再生骨料取代率为30%，水灰比为0.37、砂率为32%。

3 结论

1)由于不同种类的再生混凝土填加骨料的性质不同，会造成同一因素对其抗压强度影响程度的不同，这也说明影响再生混凝土力学性能的因素是多方面的。在本试验中，砂率和水灰比对两种再生混凝土的抗压强度的影响有相似的趋势，骨料表面的粗糙程度、吸水率和压碎值等是造成再生骨料取代率对两组再生混凝土抗压强度影响程度不同的原因。

2)对抗折强度的影响按程度由大到小依次是再生骨料取代率、水灰比和砂率。抗折强度的影响因素与抗压强度不完全相同，骨料的针片状含量是影响抗折强度的一个重要因素。水灰比对两组再生混凝土的抗折强度影响相同，水灰比和砂率对砾石组的抗折强度影响趋势相反。

3)砂率对劈裂抗拉强度的影响无明显规律，同一组再生混凝土在不同砂率下，其劈裂抗拉强度变化趋势完全相反，但再生骨料取代率对劈裂抗拉强度的影响均为先减后增。相较于天然混凝土，再生混凝土的劈裂抗拉强度可能更高。

4)以抗折强度为标准进行配合比设计标准时，可按RAC-LYH的配合比进行再生混凝土的配制，即再生骨料取代率为30%，水灰比为0.37、砂率为32%。