预拌再生混凝土全计算法配合比设计

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预拌再生混凝土全计算法配合比设计

1 配合比设计基本原则

再生混凝土配合比设计的任务就是要确定能获得预期性能而又经济的混凝土各组成材料的用量。它与普通混凝土配合比设计的目的是相同的，即在保证结构安全使用的前提下，力求达到便于施工和经济节约的要求。国内外大量试验已表明：再生粗集料的基本性能与天然粗集料有很大差异，如孔隙率大、吸水率大、表观密度低、压碎指标高等。考虑再生粗集料本身的特点，进行再生混凝土的配合比设计时应满足以下几个要求：

(1) 满足结构设计要求的再生混凝土强度等级

再生混凝土抗压强度一般稍低于或低于相同配合比的普通混凝土，为了达到相同强度等级，其水胶比应较普通混凝土有所降低。

(2) 满足施工和易性、节约水泥和降低成本的要求

由于再生粗集料的孔隙率和含泥量较高以及表面的粗糙性，要满足与普通混凝土同等和易性的要求，则单位混凝土的水泥用量往往要比普通混凝土多。因此，在再生混凝土配合比设计中必须尽可能节约水泥，这对降低成本至关重要。

(3) 保证混凝土的变形和耐久性符合使用要求

再生粗集料的吸水率较高、弹性模量较低及再生粗集料中存在天然集料与老砂浆之间的界面等，给再生混凝土的某些变形性能和耐久性能带来不利影响。所以，在配合比设计时，必须注意充分考虑适用和耐久性的要求。

2 预拌再生混凝土配合比设计方法

2.1 传统附加水方法

我国普通混凝土配合比设计的基本思路是：混凝土的配合比设计取决于水灰比、用水量和砂率三个参数。根据混凝土的配制强度和水泥的实际强度，由鲍罗米(Bolomy)公式计算得到水灰比；根据坍落度和粗集料的最大粒径确定单方混凝土的用水量，然后根据粗集料的最大粒径和水灰比选择适宜的砂率，最后即可根据容重法或体积法确定砂和石子的用量，经过试配和调整完成混凝土的配合比。

再生混凝土由于所用集料的孔隙率和吸水率高、不同来源的集料性能差异大以及由此带来的颗粒强度和弹性模量较低等特点，它还不可能像普通混凝土那样，用一个较公认的强度公式作为混凝土配合比设计的基础。虽然，国内外都有不少研究者，也曾提出各种各样的强

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度公式，企图通过公式计算来设计再生混凝土配合比，但都有局限性，不能满足再生集料性能差异很大的要求，离实际应用还有差距。所以，现阶段主要还是基于普通混凝土强度公式的基础上，修正部分参数并最终经过试验的方法来确定各组分材料的用量。下文介绍一下将再生混凝土的用水量分为净用水量和附加用水量两部分的配合比设计方法。

再生混凝土配合比设计的基本步骤分述如下： (1) 试配强度（fcu,o）的确定

再生混凝土的强度受很多因素的影响。每种组成材料的性能及搅拌、运输、成型和养护工艺等施工条件中的不确定性，都可能引起其强度的波动。因此，从统计学观点来说，混凝土强度是一个随机变量，即使是同一批材料，按同一种配合比，采用同一种工艺施工的混凝土也会因各种可变因素的影响使其强度产生一定的波动。所以，在设计再生混凝土的配合比时，必须考虑其可能产生的偏差（一般用标准差表示），保证实验室配制出的混凝土强度（称为试配强度）在一定范围内高出设计强度，即要求试配强度具有保证率。

借鉴《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ/55—2000），再生混凝土的试配强度可以按以下公式确定：

fcu,o?fcu,k?1.645? (1)

式中，fcu,o——再生混凝土试配强度（MPa）；

； fcu,k——再生混凝土立方体抗压强度标准值（MPa）。 ?——再生混凝土强度的总体标准差（MPa）

如果再生集料来源单一，且施工中混凝土的均质性较好时，总体标准差可按以下方式取值，反之，则其值可适当调高些。

A. 当施工单位具有近期的同一品种混凝土资料时，总体标准差可用样本标准差（Sfcu）代替，其计算公式如下：

Sfcu??i?1n22fcu,i?n?mfcun?1 (2)

式中 Sfcu——再生混凝土的样本标准差（MPa）； fcu,i——第i组试件的立方体强度值（MPa）； mfcu——n组试件立方体强度的平均值（MPa）；

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n——再生混凝土试件的组数，n≥25。 B. 当施工单位没有历史统计资料时，?可按表1。

表 1

混凝土强度等级 ＜C20 4.0 ?取值表 / MPa

C20~C30 5.0 ＞C30 6.0 ? (2) 初步确定水灰比及用水量

1) 再生混凝土用水量或水灰比的概念

由于再生集料的吸水率较大，且不同来源的再生集料的吸水率差别也较大。因而再生混凝土的用水量或水灰比的概念与集料的吸水率可以忽略不计的普通混凝土不同。

再生混凝土的用水量和水灰比，分净用水量和净水灰比及总用水量和总水灰比两种。所谓净用水量系指不包括再生集料吸水率在内的混凝土用水量，相应的水灰比则为净水灰比。而总用水量则是指包括再生集料吸水在内的混凝土用水量，其相应的水灰比则为总水灰比。

由于不同再生集料的吸水率差别很大，所以在再生混凝土配合比设计中水灰比一般都用净用水量或净水灰比表示。只有在使用了再生细集料时，因为再生细集料的吸水率很难准确测定，才允许用总用水量及总水灰比表示。

2) 用水量或水灰比的确定

根据已知的再生混凝土的试配强度fcu,o及所用水泥的实际强度或水泥强度等级，按混凝土强度公式计算出供参考用的净水灰比的值：

(WC)'?式中 (WC)'——参考用净水灰比； A，B——回归系数；

fce——水泥28天抗压强度实测值（MPa）。

其中回归系数A，B可根据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55-2000），取值为0.46、0.07。当无水泥28天抗压强度实测值时，公式（3.3）中的fce可以按下式确定：

Afce (3)

fcu,o?ABfcefce??c?fce,g (4)

式中，?c－水泥强度等级值的富余系数，可按实际统计资料确定； 。 fce,g－水泥强度等级值（MPa）

考虑到再生混凝土的力学及耐久性能较普通混凝土低，进行配合比设计时适当调低由上式得出的参考净水灰比0.01~0.05（其中再生粗集料取代率较大时，水灰比的降低应取较大

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值），依此作为最终的净水灰比WC。

根据施工要求的坍落度和粗集料的最大粒径查阅《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ/55—2000）的相应表格，确定单方混凝土的参考用水量，并在此基础上增加5% 作为最终的净用水量（mwn）。每立方米再生混凝土的净用水量（mwn）可以根据表2确定：

表 2 再生混凝土的净用水量（kg/m3）

拌合物稠度 项目 指标 10～30 坍落度/ mm 35～50 55～70 75～90

注：1. 本表用水量系采用中砂时的平均值。采用细砂时，每立方米再生混凝土用水量增加5~10kg；

采用粗砂时，则可减少5~10 kg。

2. 掺用各种外加剂或掺合料时，用水量应相应调整。

3. 本表不适用于水灰比小于0.4或大于0.8的再生混凝土以及采用特殊成型工艺的再生混凝土。此时，应通过试验确定用水量。

10 210 220 230 240 再生粗集料最大粒径 / mm 20 195 205 215 225 31.5 185 195 205 215 40 175 185 195 205 根据实测的再生粗集料吸水率，求出每1m3再生混凝土的附加水量（mwa）。净用水量与附加水量之和为每1m3再生混凝土的总用水量（mwt），即：

??mwt?mwn?mwa ? (5) m?r?m?W?gwg?wa式中， mwt——每立方米再生混凝土的总用水量（kg）； mwn——每立方米再生混凝土的净用水量（kg）； mwa——每立方米再生混凝土的附加用水量（kg）； mg——每立方米再生混凝土的粗集料用量（kg）； Wwg——再生粗集料的吸水率（%）； r——再生粗集料的取代率（%）。 (3) 计算每1m3再生混凝土的水泥用量

根据已确定的净水灰比（WC）和选用的单位净用水量（mwn），可计算出水泥用量（mc）。

mc?mwn (6) WC 4

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(4) 选取合理的砂率Sp

根据粗集料的最大粒径和净水灰比查阅《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ/T55—2000）的相应表格比，选择适宜的砂率。再生粗集料表面较天然碎石粗糙，砂率的取值应适当增大。

1） 坍落度为10～60mm的再生混凝土砂率，可以根据粗集料粒径及水灰比按表3选取。

表3 再生混凝土的砂率 / mm

水灰比 （W/C） 0.40 0.50 0.60 0.70 16 33～38 36～41 39～44 42～47 粗集料最大粒径 20 32~37 35～40 38～43 41～46 40 30～34 33～38 36～41 39～44

2）坍落度大于60mm的混凝土砂率，可经试验确定，也可在表3.3的基础上，按坍落度每增大20mm，砂率增大1%的幅度予以调整。

3） 坍落度小于10mm的再生混凝土，其砂率应经试验确定。 (5) 计算粗、细集料的用量（mg）和（ms）

根据已确定的净用水量、水泥用量、砂率，建议用体积法求得计算粗、细集料的用量。按下式计算：

?mcmgmsmwn?????1????c?g?s?w (7) ?ms?S??100%p?ms?mg?式中，mg——每立方米再生混凝土的粗集料用量；

ms——每立方米再生混凝土的细集料用量；

； ?c——水泥的密度（kg/m3）； ?s——细集料的密度（kg/m3）

，可取1000 kg/m3； ?w——水的密度（kg/m3）

?——再生混凝土的含气量百分数，在不使用引气型外加剂时，?取为1%。

?g——粗集料的密度（kg/m3）

粗集料和细集料的表观密度（?N,?R,?s）应按现行标准《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》（JGJ52-2006）和《再生混凝土应用技术规程》（DG/TJ08-2018-2007）。

粗集料的表观密度采用等效表观密度，根据天然粗集料和再生粗集料的重量比例计算，

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3.3 结果分析

对于普通混凝土来说，水灰比是影响抗压强度的最大因素，取其倒数即为灰水比。在一定强度范围内，灰水比与普通混凝土抗压强度之间的关系近似为线性，描述该线性关系的公式即为鲍罗米(Bolomey)公式：

fcu,0式中 A、B—回归系数；

?mc??Afce??B? (31)

?mw? fce—水泥28d抗压强度实测值(MPa)； fcu,0—混凝土配制强度(Mpa)

回归系数A、B与工程所使用的水泥、骨料有关。当不具备相关统计资料，且粗骨料为碎石时，可以取分别为0.46和0.07。

大量文献显示，再生混凝土的灰水比与抗压强度之间也呈线性关系，但线性回归系数A、B不同。将鲍罗米公式变形为：

fcu,0?Afcemc?ABfce (32) mw如图2给出了100%和50%取代率下再生混凝土的28d抗压强度和灰水比之间的线性关系：

50100%取代率45403530251.522.5灰水比图2 再生混凝土28d抗压强度和灰水比的线性关系

28d抗压强度(Mpa)50%取代率33.5

其中，100%取代率再生混凝土的28d抗压强度和灰水比之间的线性回归方程为：

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fcu,0?8.7089mc?15.569 (33) mw其中fce=45.1Mpa，联立解得A=0.193、B=－1.788。

用同样的方法求得其中50%取代率再生混凝土的灰水比和28d抗压强度的回归方程为：

fcu,0?16.814解得：A=0.373、B=0.115。

mc?1.9419 (34) mw由图2可以看出，100%和50%取代率的再生混凝土，其灰水比和28d抗压强度之间的线性关系都十分明显。所不同的是，100%取代率再生混凝土的回归系数A为0.193，要小于50%取代率的0.373，并且二者都小于普通混凝土配合比设计规程所建议的0.46。

限于试验组数偏少，试验实测强度集中在30MPa~45MPa范围内，故而本试验得出的抗压强度与灰水比的线性关系回归系数是有适用范围的。当混凝土设计强度等级在C25~C40范围内时可以使用该回归系数；设计强度超出范围的情况下，其回归系数有待于进一步试验研究。

4经济性分析

4.1材料用量比较

传统附加水法将用水量分为自由水和吸附水两个部分，其中自由水用量参照普通混凝土配合比设计规程中建议的用水量表，按照坍落度要求和粗骨料最大粒径来选择，砂率同样参照规程建议的砂率表，按照水灰比和粗骨料最大粒径选择。单位立方再生混凝土的水泥、砂和石子用量的计算方法与普通混凝土完全一致。吸附水另加计算，由再生粗骨料质量乘以吸水率得到。表6和7所示，分别是普通混凝土配合比设计规程中建议的用水量和砂率表。

表6 普通混凝土配合比设计规程建议用水量表

碎石最大粒径(mm) 项目 指标 16 10~30 35~50 坍落度(mm) 55~70 75~90 220 230 205 215 195 205 185 195 200 210 20 185 195 31.5 175 185 40 165 175

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表7 普通混凝土配合比设计规程建议砂率用表

碎石最大粒径(mm) 水灰比W/C 16 0.40 0.50 0.60 0.70 30~35 33~38 36~41 39~44 20 29~34 32~37 35~40 38~43 40 27~32 30~35 33~38 36~41 本次试验中通过全计算法得到的100%取代率再生混凝土配合比如表8所示：

表8 全计算法下再生混凝土配合比 (kg/m3)

水灰比

0.35 0.4 0.45 0.5

自由水

177 188 198 207

水泥

506 470 440 413

砂

729 758 784 807

再生粗骨料

967 938 912 890

砂率(%)

43.0 44.7 46.2 47.6

吸附水

39 38 36 35

统吸附水法中自由水用量是根据混凝土拌合物工作性能的要求而定的，在坍落度和粗骨料粒径相同时，其用水量不变。为解决混凝土的强度、工作性能和尺寸稳定性之间的矛盾，全计算法指出浆集比应为35：65，即单位体积混凝土中水泥浆的体积（主要包括自由水体积和水泥体积）固定为350L，水灰比较小时用水量较大，而水灰比较大时用水量较小。同时还可以得出，传统方法中砂率的取值都在45%以下，当水灰比在0.5以下时，取值在30%左右，而全计算法的砂率取值普遍高于传统方法。

表9给出了按传统吸附水法计算得出的再生混凝土配合比。

表9 传统吸附水法下再生混凝土配合比 (kg/m3)

水灰比

0.35 0.39 0.43 0.47 0.51 0.55

水泥

529 474 430 390 363 336

砂

469 482 492 501 508 515

再生粗骨料

1094 1124 1149 1167 1186 1201

自由水

185 185 185 185 185 185

吸附水

44 45 46 47 47 48

图3为全计算法和传统法得出的单位体积再生混凝土材料用量的比较：

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550水泥用量(kg/m3)传统法全计算法砂子用量((kg/m3))900800700600500400300传统法全计算法5004504003503000.30.350.40.45水灰比0.50.550.60.30.350.40.45水灰比0.50.550.6

（1）水泥用量的比较

1300传统法全计算法（2）砂子用量的比较

230210190170150传统法全计算法石子用量((kg/m3))1200110010009008000.30.350.40.45水灰比0.50.550.6用水量(kg/m3)0.30.350.40.45水灰比0.50.550.6

（3）石子用量的比较 （4）用水量的比较

图3 全计算法和传统法单位体积再生混凝土材料用量的比较

由图3（1）可以看出，在水灰比较低时，全计算法得出的水泥用量小于传统方法，而在水灰比较大时，全计算法得出的水泥用量大于传统方法。由图3（2）可以看出，全计算法得出的砂子用量大于传统方法。由图3（3）可以看出，全计算法得出的石子用量小于传统方法。由图3（4）可以看出，在水灰比较低时，全计算法得出的用水量小于传统方法，而在水灰比较大时，全计算法得出的用水量大于传统方法。

传统吸附水方法由于用水量的不变，单位再生混凝土随着水灰比的提高，水泥用量减少，浆体总量减少，而再生粗骨料和砂的用量都有小幅增加。全计算法中单位体积混凝土中集料总体积固定为650L，由于再生粗骨料的表观密度小于天然骨料，在使得总的体积和表面积不变的条件下，须增大砂用量，减少再生粗骨料用量。因而，传统吸附水法中的粗骨料用量大于全计算法得出的粗骨料用量，而砂用量则相反。 4.2 生产成本比较

为分析全计算法再生混凝土的经济性，在同配制强度前提下，将全计算法再生混凝土和

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传统吸附水法再生混凝土以及普通混凝土进行价格比较。

取混凝土强度等级为C30级，配制强度为38.2MPa，使用42.5级普通硅酸盐水泥，可以计算出全计算法和传统吸附水法再生混凝土对应的水灰比分别为0.385和0.330，普通混凝土对应的水灰比为0.522，传统吸附水法再生混凝土和普通混凝土的用水量和砂率按表6和7均取为185kg/m3和30%，可以得出相应的配合比如下：

表9 全计算法和传统吸附水法下C30再生混凝土配合比 (kg/m3) 全计算法 100% 传统吸附水法 50% 全计算法 普通混凝土

185 192 185 560 459 354 466 745 558 1088 973 1302 44 20 52 自由水 185 水泥 480 砂 750 再生粗骨料 946 吸附水 38 水泥和砂石材料的价格随市场浮动很大，这里取42.5级普通硅酸盐水泥价格为340元/吨，中砂价格为60元/吨，再生粗骨料由于尚未进入商业化生产，其加工和运输费用尚未知，暂取和天然骨料相近的价格60元/吨。可计算得到全计算法和传统方法下C30再生混凝土每立方米造价为分别为265元和284元，C30普通混凝土每立方米造价为232元。可见在相同配制强度的要求下，全计算法再生混凝土较传统方法再生混凝土更为经济，但与普通混凝土相比，其价格仍然偏高。但是从长远角度看，随着再生骨料破碎工艺的日趋合理成熟，再生骨料价格会更加低廉，骨料强度也会有所提高。并且天然骨料的资源短缺会使得天然骨料价格增长，甚至限制开采。到那时，再生混凝土就会显示出其明显的经济性。

3.5 小结

本章对预拌再生混凝土的配合比设计方法进了试验研究和分析，得到了以下结论： （1）全计算法能够很好地适用于再生混凝土。在全计算法下，再生混凝土和普通混凝土类似，28d抗压强度随着灰水比的增加而有规律地降低，并且线性关系十分明显。

（2）对100%和50%取代率再生混凝土的灰水比和28d抗压强度进行线性回归，修正鲍罗米公式的回归系数如下：100%取代率时A=0.193、B=－1.788；50%取代率时A=0.373、B=0.115。

（3）再生混凝土的抗压强度变异性较大，但试验测得强度标准差和变异系数都在可接受范围内。计算再生混凝土配制强度时，标准差取值参照普通混凝土配合比设计规范。

（4）全计算法中自由水用量随水灰比降低而降低，传统方法中自由水用量取值主要考

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虑工作性能的要求，只和坍落度和粗骨料级配有关。全计算法所得出的砂率，普遍要高于传统方法中所取砂率。

（5）和传统方法相比，全计算法在再生混凝土强度等级为C30级时具有良好的经济性。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/jb5o.html