建筑垃圾再生集料制備混凝土的應(yīng)用研究

史美潔

SHI Meijie

(鹽城生物工程高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 鹽城224051)

隨著建筑業(yè)的快速發(fā)展，建筑垃圾也空前增加，以致嚴(yán)重污染了環(huán)境。我國每年要排放15 億t 以上的建筑垃圾，約占城市垃圾的40%;其中未經(jīng)處理直接填埋的占總量的98%，資源化利用率卻不足1%［1］。

這樣，一方面浪費(fèi)了大量可回收再利用的廢舊混凝土;另一方面，生產(chǎn)新混凝土所需大量天然骨料，大量地開山取石，又造成環(huán)境的再度污染［2］。而且，骨料的使用量之大，總有一天地球上的骨料會消失殆盡。為了解決這些問題，各國都開始了再生混凝土的研究開發(fā)與應(yīng)用。

利用廢棄的混凝土作為再生骨料替代天然骨料，不僅能降低成本、緩解骨料供求矛盾，還能減輕建筑垃圾對城市環(huán)境的污染，具有明顯的經(jīng)濟(jì)、社會效益。目前國內(nèi)外的研究主要集中在建筑垃圾作為再生粗骨料方面［3-6］，很少有人研究建筑垃圾作為再生細(xì)骨料來配制再生混凝土，使建筑垃圾再利用效率大大降低。

本文將建筑垃圾中的廢棄混凝土和廢棄碎磚塊分別破碎后篩分，根據(jù)其粒徑大小分別作為再生粗骨料和再生細(xì)骨料來配制再生混凝土，以研究在混凝土中加入不同比例的建筑垃圾對混凝土性能的影響，找尋出建筑垃圾的最佳取代率，使加入建筑垃圾后的再生混凝土的抗壓性能能夠滿足C30 混凝土的要求，探求建筑垃圾100%再生利用的可能性。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

試驗(yàn)所用的水泥為安徽海螺水泥有限公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級為42.5。

天然骨料:石子為連續(xù)級配，最大粒徑為31.5 mm，公稱粒徑為4.75～31.5 mm，篩分結(jié)果見表1。砂為普通黃砂，級配良好，細(xì)度模數(shù)為2.51，屬中砂，Ⅱ區(qū)，篩分結(jié)果見表2。

拌合用水為普通自來水。

試驗(yàn)用建筑垃圾為本校的舊樓拆除物，選取其中的廢混凝土和廢磚塊。

將收集來的廢混凝土和廢磚塊先行破碎，然后用4.75 mm 篩進(jìn)行分級，粒徑≥4.75 mm 的廢混凝土、廢磚以下分別稱為粗廢混凝土、粗廢磚;粒徑＜4.75 mm 的廢混凝土、廢磚以下分別稱為細(xì)廢混凝土、細(xì)廢磚。

粗廢混凝土及粗廢磚最大粒徑為31.5 mm，連續(xù)級配，公稱粒徑為4.75～31.5 mm，其篩分結(jié)果與普通石子作比較見表1;細(xì)廢混凝土的細(xì)度模數(shù)為2.95，細(xì)廢磚的細(xì)度模數(shù)為2.99，其篩分結(jié)果與普通中砂作比較見表2。

表1 石子、粗廢混凝土、粗廢磚的篩分結(jié)果

表2 砂、細(xì)廢混凝土、細(xì)廢磚的篩分結(jié)果

1.2 試驗(yàn)方法

普通混凝土與粗骨料替代再生混凝土的設(shè)計表觀密度為2435 kg/m3，細(xì)骨料替代再生混凝土的設(shè)計表觀密度為2400 kg/m3，按照國家標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50081—2002)》規(guī)定，人工拌合，配合比為:C∶S∶G∶W =1∶1.67∶3.20∶0.54。將混凝土拌合物制成100 mm×100 mm×100 mm 的立方體試件。編號為Q0 的試件為天然骨料制備的基準(zhǔn)試件，編號為H20、H40、H60、H80 和H100 試件表示粗廢混凝土以不同比例取代石子后制成的再生骨料混凝土試件，Z20、Z40、Z60、Z80 和Z100 試件表示粗廢磚以不同比例取代石子后制成的再生骨料混凝土試件，20、40、60、80、100 為取代率;P5、P10、P15、P20 和P25 試件表示細(xì)廢磚以不同比例取代砂后制成的再生骨料混凝土試件，Q5、Q10、Q15、Q20和Q25 試件表示細(xì)廢混凝土以不同比例取代砂后制成的再生骨料混凝土試件，5、10、15、20、25 為取代率。各組混凝土的配合比見表3。每組編號所做試件數(shù)量為3 個，自然養(yǎng)護(hù)28 d。所有試件采用《混凝土強(qiáng)度檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50107—2010)》進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 對混凝土表觀密度的影響

通過表3 可以看出，再生混凝土拌合物表觀密度均低于天然骨料拌合物表觀密度，主要原因是天然骨料結(jié)構(gòu)堅(jiān)硬致密，孔隙率低，而再生骨料的粒形是碎石狀的，一般針片狀顆粒較多，所以孔隙率較大，隨著再生骨料取代率的增大，混凝土中含氣量增大。還有一個主要原因是由于廢磚和廢混凝土的表觀密度都低于石子，相同體積的情況下，再生混凝土的質(zhì)量都將低于基準(zhǔn)混凝土，因而隨著再生骨料的取代率不斷增加，混凝土的表觀密度逐漸降低。再生混凝土自重降低，對于結(jié)構(gòu)抗震能力有益。

2.2 對混凝土和易性的影響

混凝土的和易性是指混凝土拌合物便于施工操作，并能施工出均勻密實(shí)混凝土的性能，包括拌合物的流動性、粘聚性和保水性。流動性用坍落度值來評定，粘聚性和保水性則主要憑經(jīng)驗(yàn)觀測來評價。粗廢混凝土與粗廢磚取代石子再生混凝土的坍落度與取代率的變化關(guān)系曲線圖見圖1，細(xì)廢混凝土與細(xì)廢磚取代砂再生混凝土的坍落度與取代率的變化關(guān)系曲線圖見圖2。

由圖1 和圖2 可見，粗廢磚、細(xì)廢磚取代天然骨料后的拌合物坍落度較基準(zhǔn)試件的坍落度都明顯降低。隨著粗廢磚摻量的增加，坍落度大幅降低，石子取代率達(dá)到60%時，混凝土拌合物特別干，幾乎不能成型，后在保持水灰比不變的情況下適當(dāng)加入水和水泥才能使之成型，坍落度降低了92%;細(xì)廢磚取代砂后的拌合物，當(dāng)砂的取代率為25%時，坍落度降低了50%。

表3 混凝土配合比及再生混凝土的性能 單位:kg/m3

圖1 粗廢混凝土、粗廢磚取代石子再生混凝土的坍落度變化曲線圖

圖2 細(xì)廢混凝土、細(xì)廢磚取代砂再生混凝土的坍落度變化曲線圖

粗廢混凝土、細(xì)廢混凝土取代天然骨料后的拌合物坍落度較基準(zhǔn)試件的坍落度先是略有降低，后又大幅提高。粗廢混凝土100%取代石子時坍落度提高了90 mm，細(xì)廢混凝土取代率為25%時，坍落度提高了17%。

廢磚取代天然骨料時，由于磚的孔隙多，吸水性和吸水速率大，達(dá)到相同流動性時需要的水泥漿量多，從而降低拌合物的坍落度，流動性比天然骨料小。

廢混凝土較天然骨料表面粗糙，棱角較多，外表面積大，取代率小時，與天然骨料相比需要的水泥漿量多，從而降低了拌合物的坍落度，但廢混凝土的結(jié)構(gòu)密實(shí)，吸水率小，隨著摻量的增大，達(dá)到相同流動性時需要的水泥漿量減少，從而使混凝土的坍落度又隨之提高，流動性增大。

在試驗(yàn)中觀察到再生骨料混凝土拌合物的粘聚性和保水性較天然骨料好。原因是由于再生骨料表面粗糙，增大了拌合物在拌合和澆筑時的摩阻力［7］。

2.3 對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

天然骨料混凝土與粗骨料取代再生混凝土的28 d 抗壓強(qiáng)度曲線圖見圖3，天然骨料混凝土與細(xì)骨料取代再生混凝土的28 d 抗壓強(qiáng)度曲線圖見圖4。

圖3 天然骨料混凝土與粗骨料取代再生混凝土抗壓強(qiáng)度曲線圖

圖4 天然骨料混凝土與細(xì)骨料取代再生混凝土抗壓強(qiáng)度曲線圖

從圖3 中結(jié)果可看出，粗廢磚和粗廢混凝土取代后的再生混凝土抗壓強(qiáng)度基本都低于天然骨料混凝土試件的抗壓強(qiáng)度。且粗廢磚取代再生混凝土的強(qiáng)度都低于粗廢混凝土取代再生混凝土的強(qiáng)度。當(dāng)廢磚取代率為100%時，比基準(zhǔn)試件的抗壓強(qiáng)度下降了23.7%。首先，由于再生骨料的壓碎指標(biāo)值都小于石子，而磚的壓碎指標(biāo)值又小于混凝土［8］;再者，因?yàn)樵偕橇项w粒在破碎過程中顆粒內(nèi)部會產(chǎn)生相對較多的裂紋或微裂紋，對再生骨料混凝土的力學(xué)性能具有不利的影響［9］。

但在粗骨料取代率為20%時，再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度卻均高于基準(zhǔn)試件的抗壓強(qiáng)度。粗廢混凝土取代時的再生混凝土28 d 抗壓強(qiáng)度為33.5MPa，較基準(zhǔn)試件提高了5.7%。這是由于再生集料混凝土中，再生集料表面包裹著水泥砂漿，使集料與新的水泥砂漿之間的彈性模量相差很小，界面結(jié)合得以加強(qiáng)。同時，再生集料的親水性強(qiáng)，能很快被水潤濕，集料表面的很多微裂縫會吸入新的水泥顆粒，使接觸區(qū)的水灰比降低，形成致密的界面結(jié)構(gòu)［10］。這樣，由于界面結(jié)合得到加強(qiáng)，因集料強(qiáng)度較低而導(dǎo)致的混凝土性能的降低會得到一定程度的補(bǔ)償。另外，由于經(jīng)過多次破碎﹑篩分過程，原有集料中的軟質(zhì)顆粒﹑粒形不良的顆粒會被淘汰。這些加大粗糙度﹑增加棱角效應(yīng)﹑粒形的改善和堅(jiān)固性的選優(yōu)排劣，使再生集料的性能得以優(yōu)化，對混凝土強(qiáng)度的提高起到了重要作用［11］。但隨著取代率的不斷提高，這種因?qū)嶋H水膠比降低而引起的強(qiáng)度增幅可能小于因再生骨料先天缺陷引起的強(qiáng)度降幅，最終再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度仍低于基準(zhǔn)混凝土。

粗骨料取代時，粗廢混凝土取代率為20%～60%，粗廢磚取代率為20%，再生混凝土的28d 抗壓強(qiáng)度均符合C30 混凝土要求。粗廢混凝土取代率為20%時，配制出的再生混凝土強(qiáng)度最高，高達(dá)33.5MPa，比基準(zhǔn)試件混凝土強(qiáng)度提高了5.7%。

從圖4 可看出，細(xì)骨料取代時，細(xì)廢混凝土取代率為15%，細(xì)廢磚取代率為10%時，再生混凝土的28 d 抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)試件還略有提高，且均符合C30 混凝土要求。

3 結(jié) 語

(1)摻入建筑垃圾后，再生骨料混凝土的表觀密度都有所降低。因而再生骨料混凝土自重降低，這對降低建筑物自重，提高構(gòu)件跨度以及結(jié)構(gòu)抗震能力都有利。

(2)相同配合比條件下，廢磚替代將降低新拌混凝土的流動性，廢混凝土替代將增加新拌混凝土的流動性，但再生骨料替代的新拌混凝土的粘聚性和保水性良好。再生骨料強(qiáng)度較天然骨料強(qiáng)度低，但因再生骨料粗糙，吸水率大，與水泥砂漿界面粘結(jié)狀況改善，可以部分補(bǔ)償因骨料自身強(qiáng)度低對硬化混凝土強(qiáng)度形成的不利影響。

(3)在利用建筑垃圾分別取代粗骨料和細(xì)骨料的情況下，選擇合適的配合比與取代率，完全可以配制出滿足工作性和強(qiáng)度均能符合要求的C30 混凝土。配制出的再生混凝土最高強(qiáng)度高達(dá)33.5MPa，比基準(zhǔn)試件混凝土強(qiáng)度提高了5.7%。粗骨料取代時，粗廢混凝土和粗廢磚的最佳取代率均為20%，其中粗廢混凝土取代時，粗骨料的取代率最大可達(dá)到60%。細(xì)骨料取代時，細(xì)廢磚的最佳取代率為10%，細(xì)廢混凝土的最佳取代率為15%。

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