再生砖混透水混凝土的配合比设计方法及其应用
技术领域
本发明涉及混凝土配合比设计技术领域，具体而言，涉及一种再生砖混透水混凝土的配合比设计方法及其应用。
背景技术
建筑废弃物中的混凝土结构和砖混结构本身含有大量的砂石骨料，在拆除后依然具有较为优良的力学性能。如果将它们进行破碎、水洗和筛分，作为再生骨料进行再生混凝土与再生透水混凝土的生产与制备中，既可实现建筑废料再次利用、降低建筑垃圾清理费用、节约天然砂石资源，还可改善周边环境，解决城市建筑垃圾堆放、污染问题，满足社会可持续发展的要求；同时，对废弃混凝土进行循环再利用，符合国家对于海绵城市的建设理念。因此，建筑废料的循环利用与再生透水混凝土、再生透水砖等再生产品的制备不仅是一种可行的建筑废料资源化手段，更是为建材行业发展带来了显著的经济、社会与环境效益，具有长远的意义。
针对再生骨料制备透水混凝土的课题，国内外诸多科研工作者进行了相关研究。随着对再生骨料用于透水混凝土方面研究的不断深入，从宏观的混凝土组分到探索再生骨料在混凝土中发挥作用的微观机理；配制出具备良好工作性能的透水混凝土已成现实；同时，近年来随着工程现场的骨料破碎工艺、搅拌工艺的成熟，众多研究成果被应用到了实际的工程项目。
然而，一方面来看，针对再生骨料的研究主要还是以废弃混凝土破碎处理产生的再生粗、细骨料为主，针对废弃砖混骨料的研究较少；另一方面来看，现有的配合比设计方法更多针对于普通再生混凝土与普通透水混凝土，并不完全适配于再生砖混透水混凝土，相关的研究仍较少，因此，亟需一种能够有效针对再生砖混透水混凝土的配合比设计方法。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种再生砖混透水混凝土的配合比设计方法及其应用，以改善上述问题。
本发明是这样实现的：
第一方面，本发明实施例提供了一种再生砖混透水混凝土的配合比设计方法，其包括以下步骤：
根据现有混凝土相关技术规程预设目标孔隙率、试验水灰比、水泥骨料比和砂率，并选取再生骨料取代率、粉煤灰置换率和减水剂理论掺量；
根据再生骨料取代率、再生骨料的紧密堆积密度、天然骨料的紧密堆积密度以及骨料用量修正系数计算每立方米再生砖混透水混凝土中的再生骨料用量和天然骨料用量；
根据目标孔隙率、再生骨料取代率、骨料用量修正系数、再生骨料和天然骨料的堆积孔隙率计算每立方米再生砖混透水混凝土中的胶凝材料浆体的体积；
根据试验水灰比、粉煤灰置换率、减水剂理论掺量、目标孔隙率、再生骨料取代率、骨料用量修正系数、再生骨料和天然骨料的堆积孔隙率以及每立方米透水混凝土中的胶凝材料浆体的体积计算每立方米再生砖混透水混凝土中的水泥、理论用水、粉煤灰和减水剂的用量；
根据再生骨料吸水率、再生骨料含水率以及每立方米再生砖混透水混凝土中的再生骨料用量和理论用水的用量计算每立方米再生砖混透水混凝土的实际用水量；
根据再生骨料取代率、骨料用量修正系数、再生骨料的紧密堆积密度、天然骨料的紧密堆积密度和砂率计算每立方米再生砖混透水混凝土中砂的用量；
其中，再生骨料为废弃砖混骨料。
第二方面本发明实施例提供了上述配合比设计方法在利用再生砖混骨料部分或完全取代天然骨料的混凝土配合比设计中的应用。
本发明的上述实施例具有以下有益效果：通过在设计混凝土的配合比时，考虑到再生砖混骨料替代天然骨料对配比造成的影响，充分考虑了再生砖混骨料的额外吸水需求与透水混凝土的目标孔隙率指标限制，使得能够得到适合再生砖混骨料的配合比设计方案，简单实用且质量易控，使得能够保障混凝土透水性能的同时亦降低了水泥的用量，有助于进一步降低混凝土的工程材料成本。此外，该设计方法使得再生砖混骨料替代天然骨料进行透水混凝土的制备具有较大的适用性，不但扩大了透水混凝土的适用范围、推动了再生砖混骨料的应用，且充分进行建筑垃圾的资源化再利用，降低建筑垃圾对于生态环境的破坏影响，有益于节约环保。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明提供的一种再生砖混透水混凝土的配合比设计方法及其应用进行具体说明。
本发明的一些实施方式提供了一种再生砖混透水混凝土的配合比设计方法，其包括以下步骤：
S1、根据现有混凝土相关技术规程预设目标孔隙率、试验水灰比、水泥骨料比和砂率，并选取再生骨料取代率、粉煤灰置换率和减水剂理论掺量。
针对现有的配合比设计方法进行对比研究与总结梳理，具体地，结合现有混凝土相关技术规程，提炼出目标孔隙率、试验水灰比、水泥骨料比与砂率等配合比控制参数的取值范围，并基于此确定出目标孔隙率、试验水灰比、砂率、再生骨料取代率、粉煤灰置换率与减水剂理论掺量(实际掺量视透水混凝土浆体工作性能而定)。具体地技术规程包括《透水水泥混凝土路面技术规程》CJJ/T%20135-2009与《普通混凝土配合比设计规程》JGJ%2055-2011。
现有技术中由于再生骨料特别是再生砖骨料部分取代天然骨料的情况，由于再生砖混骨料自身低表观与堆积密度、低强度、高吸水率的特点，造成配比的不确定性，采用现有的配比设计方法会导致混凝土性能不佳或者水泥成本较高的情况，而通过简单试错试验的方法去确定适合的配合比的方式，由于不同配比的组合可能性成千上万，不易找到较佳的配合比，并且研究成本较高，而本申请发明人经过大量研究和实践，提出了通过现有的技术规程预设出能够具有较佳性能的混凝土通用指标，进一步通过科学的方法充分考虑到再生砖混骨料本身性能对于混凝土的孔隙结构以及用水方面的限制，进而合理的给出了简单的配合比设计方法，且设计得到的再生砖混透水混凝土的配合比，能够制备得到性能较佳的再生砖混透水混凝土。
基于以上发明构思，一些实施方式中，目标孔隙率为10～17％，试验水灰比为0.2～0.35，水泥骨料比为0.15～0.2，砂率为10～20％。并且选择再生骨料取代率为20～100％，粉煤灰置换率为0～30％，减水剂理论掺量为水泥掺量的0.5～2％。
需要说明的是，减水剂实际掺量视透水混凝土浆体工作性能而定。
S2、根据再生骨料取代率、再生骨料的紧密堆积密度、天然骨料的紧密堆积密度以及骨料用量修正系数计算每立方米再生砖混透水混凝土中的再生骨料用量和天然骨料用量。
具体地，根据规范规定，利用体积法计算1m3粗骨料的用量时，通常可通过骨料的堆积密度与修正系数的积求得。
mg＝α×ρs
式中：mg为每立方米骨料的用量，单位为kg/m3，α为骨料用量修正系数，ρs为骨料的紧密堆积密度。由于骨料颗粒之间的接触点存在胶凝材料浆体，故引入骨料用量修正系数α来调整1m3透水混凝土中骨料的用量，一般情况下，骨料用量修正系数α一般取值为0.98。
因此，当存在再生砖混骨料部分取代或全部取代天然骨料现象时，一些实施方式中，计算每立方米再生砖混透水混凝土中的再生骨料用量和天然骨料用量采用以下公式进行计算：
式中：mg1为基于特定取代率下每立方米再生骨料的用量，单位为kg/m3，mg2为基于特定取代率下每立方米天然骨料的用量，单位为kg/m3，λ为再生骨料取代率，单位为％，ρs1、ρs2分别为再生骨料和天然骨料的紧密堆积密度。
需要说明的是，本发明实施方式中的再生骨料和天然骨料都为粗骨料。
其中，再生骨料为废弃砖混骨料。再生骨料由建筑砖混废料经过破碎、筛分、水洗、晒干操作制成，具有低表观与堆积密度、低强度、高吸水率的特点。
一些实施方式中，再生骨料和天然骨料的粒径一致，均为4.75～9.5mm。
S3、根据目标孔隙率、再生骨料取代率、骨料用量修正系数、再生骨料和天然骨料的堆积孔隙率计算每立方米再生砖混透水混凝土中的胶凝材料浆体的体积。
具体地，基于体积法配合比设计公式，计算每立方米再生砖混透水混凝土中的胶凝材料浆体的体积采用以下公式进行计算：
式中：Vp为每立方米再生砖混透水混凝土中胶凝材料浆体的体积，单位为m3/m3，P为预设的目标孔隙率，单位为％，λ为再生骨料取代率，单位为％，α为骨料用量修正系数，ρs1、ρs2分别为再生骨料和天然骨料的紧密堆积密度，单位为kg/m3，ρg1、ρg2分别为再生骨料和天然骨料的表观密度，单位为kg/m3，vc1、vc2分别为再生骨料和天然骨料的堆积孔隙率，单位为％。
其中，再生骨料与天然骨料的堆积孔隙率vc1、vc2通过以下公式计算得到：
S4、根据试验水灰比、粉煤灰置换率、减水剂理论掺量、目标孔隙率、再生骨料取代率、骨料用量修正系数、再生骨料和天然骨料的堆积孔隙率以及每立方米透水混凝土中的胶凝材料浆体的体积计算每立方米再生砖混透水混凝土中的水泥、理论用水、粉煤灰和减水剂的用量。
现已明确水灰比、粉煤灰置换率以及减水剂理论掺量(实际掺量视透水混凝土浆体工作性能而定)，即：
式中：mc、mw0、mf、ma分别为每立方米再生砖混透水混凝土中水泥、理论用水、粉煤灰以及外加减水剂的用量，单位为kg/m3。
再根据上述每立方米再生砖混透水混凝土中的胶凝材料浆体的体积Vp还满足公式：Vp＝Vc+Vw+Vf+Va；
式中：Vc为每立方米再生砖混透水混凝土中水泥的体积，单位为m3/m3，Vw为每立方米再生砖混透水混凝土中理论用水的体积，单位为m3/m3，Vf为每立方米再生砖混透水混凝土中粉煤灰的体积，单位为m3/m3，Va为每立方米再生砖混透水混凝土中外加减水剂的体积，单位为m3/m3。
进而得到：
进而由此推出，计算每立方米再生砖混透水混凝土中的水泥、理论用水、粉煤灰和减水剂的用量采用以下公式计算：
mw0＝Wc0×mc
ma＝k×mc
式中：mc、mw0、mf、ma分别为每立方米再生砖混透水混凝土中水泥、理论用水、粉煤灰以及外加减水剂的用量，单位为kg/m3；Wc0为试验水灰比；m为粉煤灰置换率，单位为％，以及k为减水剂理论掺量，单位为％。
需要说明的是，该过程计算出的减水剂用量为理论用量，实际的减水剂用量应根据混凝土拌合物的状态进行调整。
S5、根据再生骨料吸水率、再生骨料含水率以及每立方米再生砖混透水混凝土中的再生骨料用量和理论用水的用量计算每立方米再生砖混透水混凝土的实际用水量。
具体地，计算实际用水量采用以下公式进行计算：
mwa＝mg1×(ωa-ωc)
mw＝mw0+mwa
式中：mwa为每立方米再生砖混透水混凝土中的附加用水量，单位为kg/m3，ωa为再生骨料吸水率，ωc为再生骨料含水率，mw为每立方米再生砖混透水混凝土中的实际用水量，单位为kg/m3。
需要说明的是，计算出的附加用水在混凝土搅拌过程中应与理论用水看作一个整体一起加入，不单独加入。
S6、根据再生骨料取代率、骨料用量修正系数、再生骨料的紧密堆积密度、天然骨料的紧密堆积密度和砂率计算每立方米再生砖混透水混凝土中砂的用量。
具体地，一些实施方式中，计算每立方米再生砖混透水混凝土中砂的用量采用以下公式计算：
式中，ms为每立方米再生砖混透水混凝土中砂的用量，单位为kg/m3，λ为再生骨料取代率，单位为％，α为骨料用量修正系数，ρs1、ρs2分别为再生骨料和天然骨料的紧密堆积密度，单位为kg/m3，Sp为砂率。
S7、确定最终配合比。
需要说明的是上述步骤没有严格的顺序限定，例如，S6步骤可以放在S4之前进行、S2可以放在S5之后等。
本发明的一些实施方式还提供了上述配合比设计方法在利用再生砖混骨料部分或完全取代天然骨料的混凝土配合比设计中的应用。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供的再生砖混透水混凝土的配合比设计方法具体操作如下：
准备原材料：
水泥采用浙江杭州产的海螺牌52.5级的普通硅酸盐水泥，水泥质量符合国家标准《通用硅酸盐水泥》(GB 175-2007)中的要求，相关技术指标见表1。
天然细骨料为河砂，是目数为40～70目的中砂。
天然粗骨料为4.75～9.5mm粒径的玄武岩石子。
再生粗骨料为经过工厂初步破碎筛分后的建筑拆迁砖混骨料进行人工再筛分处理，保留4.75～9.5mm粒径的骨料并进行冲洗晒干处理，最终得到的再生砖混骨料。
粉煤灰采用20.16um平均粒径的高钙粉煤灰，相关技术指标见表2。
拌合用水与养护用水均为浙江大学普通自来水。
再生粗骨料与天然粗骨料的相关技术指标见表3。
配合比相关计算参数见表4，预设目标孔隙率为17％，试验水灰比为0.28，砂率为15％，再生骨料取代率为60％，粉煤灰置换率为20％，减水剂理论掺量为2％。
表1水泥的相关技术指标
表2粉煤灰的相关技术指标
表3粗骨料的相关技术指标
注：NCA为天然粗骨料，RCA为再生砖混粗骨料。
表4配合比算例计算参数
具体计算步骤包括：
(1)计算粗骨料的堆积空隙率。
再生粗骨料的堆积空隙率为：
天然粗骨料的堆积空隙率为：
(2)计算每立方米再生砖混透水混凝土中再生、天然粗骨料的用量。
再生粗骨料的用量为：mg1＝0.6×0.98×1345.1＝790.9kg/m3；
天然粗骨料的用量为：mg2＝(1-0.6)×0.98×1560.2＝611.6kg/m3。
(3)计算每立方米再生砖混透水混凝土中胶凝材料浆体的体积。
胶凝材料浆体的体积为：
Vp＝1-0.6×0.98×(1-0.47)-0.4×0.98×(1-0.459)-0.17
＝0.306m3/m3
(4)计算每立方米再生砖混透水混凝土中水泥、理论用水、粉煤灰、减水剂的用量。
水泥用量为：
理论用水量为：mw0＝0.28×416.4＝116.6kg/m3。
粉煤灰用量为：
减水剂理论用量为：ma＝0.02×416.4＝8.3kg/m3(本数值仅作参考用，实际掺量需视拌合物的工作性能而定)。
(5)计算每立方米再生砖混透水混凝土中实际用水量。
附加用水量为：mwa＝790.9×(0.193-0.032)＝127.3kg/m3。
实际用水量为：mw＝116.6+127.3＝243.9kg/m3。
(6)计算每立方米再生砖混透水混凝土中砂的用量。
砂的用量为：
根据前面的计算过程，得到了本次再生砖混透水混凝土配合比算例的各种材料用量，其最终配合比如表5所示，按照该实施例配比并在常规混凝土制备方法制备得到的混凝土性能指标参数如表6所示。
表5本实施例配合比(单位：kg/m3)
表6本实施例配合比制备混凝土的性能指标参数
综上所述，首先，本发明上述实施方式的配合比设计方法使用再生砖混骨料替代天然骨料进行透水混凝土的制备，不但扩大了透水混凝土的适用范围、推动了再生砖混骨料的应用，且充分进行建筑垃圾的资源化再利用，降低建筑垃圾对于生态环境的破坏影响，有益于节约环保。
其次，本发明上述实施方式的配合比设计方法基于体积法传统配合比设计之上进行优化设计，并引入附加用水量计算公式，充分考虑了再生砖混骨料的额外吸水需求与透水混凝土的目标孔隙率指标限制，更匹配于不同条件下的各类透水混凝土配合比试验情况，具有较为广阔的应用范围。
再次，本发明上述实施方式的配合比设计方法在考虑砂石骨料紧密堆积的基础上，通过设置目标孔隙率指标，在保障混凝土透水性能的同时亦降低了水泥的用量，有助于进一步降低混凝土的工程材料成本。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
