改性碎磚骨料大流態(tài)混凝土力學(xué)性能研究

鄔良竹， 孟宏睿

(1.西安工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 陜西 西安 710016;2.陜西理工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院， 陜西 漢中 723000;3.漢中市南鄭區(qū)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)管理局， 陜西 南鄭 723100)

近年來(lái)，隨著建筑業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)建筑材料的需求量空前巨大且與日俱增，導(dǎo)致了建筑垃圾的產(chǎn)量也越來(lái)越大[1-3]，建筑垃圾的循環(huán)利用成為亟待研究的課題[4-5]。粘土磚作為傳統(tǒng)的建造材料，在全國(guó)各地均大量生產(chǎn)，造成在房屋建造和拆除過(guò)程中產(chǎn)生大量碎磚廢料，為經(jīng)濟(jì)和環(huán)保造成了巨大壓力[6]。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者通過(guò)強(qiáng)化廢棄粘土磚顆粒的性能，使其具備成為混凝土骨料的條件。有學(xué)者對(duì)碎磚骨料進(jìn)行了物理研磨強(qiáng)化處理和不同化學(xué)試劑浸泡處理，研究發(fā)現(xiàn)物理研磨可明顯降低碎磚骨料的吸水率，有機(jī)硅防水抗油劑對(duì)碎磚骨料強(qiáng)化作用最明顯[7]，也有學(xué)者采用化學(xué)漿液浸泡強(qiáng)化法處理再生粗骨料，結(jié)果發(fā)現(xiàn)水泥外摻硅粉漿液和聚乙烯醇溶液浸泡強(qiáng)化法最為有效[8]。俄羅斯學(xué)者采用酸液與超塑化劑對(duì)再生骨料進(jìn)行表面處理，研究證明用鹽酸處理再生骨料，不僅能夠提高混凝土強(qiáng)度，還可以改善拌合物的和易性[9]。

本文針對(duì)碎磚孔隙率大、破碎后微細(xì)裂縫多及強(qiáng)度低等特點(diǎn)[10-13]，采用預(yù)濕、浸泡[14-16]并裹漿的方式對(duì)碎磚進(jìn)行改性處理，測(cè)試表觀密度和壓碎指標(biāo)并配制大流態(tài)(泛指坍落度大于180 mm的大流動(dòng)性)混凝土，研究不同改性處理方式對(duì)碎磚骨料基本特性的改變和對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。

1 試驗(yàn)方案及原材料

1.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用直接裹漿法、預(yù)濕裹漿法和水玻璃浸泡裹漿法對(duì)碎磚骨料進(jìn)行改性處理，測(cè)定改性處理前后碎磚骨料的表觀密度、吸水率和壓碎指標(biāo)，并進(jìn)行對(duì)比分析；利用改性處理前后的碎磚骨料分別配制大流態(tài)混凝土，測(cè)定坍落度和立方體抗壓強(qiáng)度，并通過(guò)對(duì)比分析優(yōu)選出本試驗(yàn)范圍內(nèi)的最佳改性處理方法。

1.2 試驗(yàn)材料

碎磚骨料：漢中市棚戶(hù)區(qū)改造項(xiàng)目居民自建房拆除的建筑廢棄粘土磚，強(qiáng)度等級(jí)評(píng)定結(jié)果為MU10，經(jīng)機(jī)械破碎并篩分后選取粒徑為4.75～19.0 mm的顆粒。天然骨料：漢山山體開(kāi)采的碎石。細(xì)骨料：漢江河天然河砂。水泥：中材漢江水泥股份有限公司生產(chǎn)的中材牌42.5普通硅酸鹽水泥。水：自來(lái)水。水玻璃：西安藍(lán)翔化工有限公司生產(chǎn)的桶裝液態(tài)水玻璃。減水劑：漢中增輝新型材料有限公司生產(chǎn)的減水劑，減水率為23%。

2 碎磚骨料改性處理試驗(yàn)

2.1 改性處理及試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)采取了3種方式對(duì)碎磚骨料進(jìn)行改性處理：直接裹漿法、預(yù)濕裹漿法和水玻璃浸泡裹漿法，3種方法的共同點(diǎn)是采用水泥漿液外部裹漿。由于碎磚骨料孔隙多且吸水性大，故水泥漿液的水灰比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果具有至關(guān)重要的影響：若水灰比過(guò)大，水泥漿液過(guò)稀，裹漿層過(guò)薄，則改性效果不明顯；若水灰比過(guò)小，漿液粘稠度增大，碎磚無(wú)法完全吸收漿液，導(dǎo)致孔隙和裂縫不能被水泥漿液填充，達(dá)不到改性目的。通過(guò)調(diào)配和觀察，試驗(yàn)選取了3種水灰比，分別是1∶1.2、1∶1.6和1∶2。

直接裹漿法即對(duì)篩分完成的碎磚骨料直接進(jìn)行裹漿；預(yù)濕裹漿法和水玻璃浸泡裹漿法即先將碎磚分別在水或水玻璃中浸泡24 h，吸足水分或水玻璃后撈出瀝干，攤開(kāi)晾曬1 h至飽和面干狀態(tài)，用水灰比分別為1∶1.2、1∶1.6和1∶2的水泥漿液裹漿，裹漿完畢的各組骨料需均勻攤在塑料薄膜上，再覆蓋一層薄膜保溫保濕，靜置24 h后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d，使外裹水泥漿形成水泥外殼。

按照《GB/T 14685—2011建筑用卵石、碎石》規(guī)定的試驗(yàn)步驟，分別測(cè)定天然碎石骨料、未處理碎磚骨料和改性處理后骨料的表觀密度、吸水率及壓碎指標(biāo)，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 天然骨料及改性處理前后碎磚骨料基本物理性能

注：G1-1、G1-2和G1-3均為直接裹漿組，裹漿水灰比分別為1∶1.2、1∶1.6和1∶2；其他組以此類(lèi)推

由表1可知，碎磚骨料改性處理后，表觀密度得到不同程度的提高，且各組表觀密度最大為G1-1組、G2-1組和G3-1組，表觀密度值分別增大16.8%、17.3%和15.7%；除G3組外，各組吸水率都有所增加，每組最大增(降)幅分別為5.0%、3.4%和1.9%；改性處理后，碎磚骨料壓碎指標(biāo)都有不同程度的降低，且各組壓碎指標(biāo)最小為G1-2組、G2-1組和G3-1組，壓碎指標(biāo)分別降低17.4%、22.5%和24.9%。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)改性處理的碎磚骨料表觀密度得到不同程度的提高，其中G2-1組(見(jiàn)表1)表觀密度最大，為2120 kg/m3，增長(zhǎng)率為17.3%，這是由于水灰比為1∶1.2的水泥漿液能夠更好地填充碎磚內(nèi)部的裂紋和微縫，裹漿厚度合適，且碎磚在裹漿前已是飽和面干狀態(tài)，水分已經(jīng)填充了碎磚中的縫隙，水泥漿體滲入更深入，致使表觀密度較高；碎磚骨料外裹水泥漿后吸水率增大，是由于碎磚本身孔隙率大且內(nèi)部多有微細(xì)裂縫，加之改性處理后碎磚外裹了大量水泥漿，7 d后測(cè)試吸水率時(shí)，部分未水化水泥繼續(xù)水化，導(dǎo)致稱(chēng)量質(zhì)量增加，表現(xiàn)為吸水率更大；經(jīng)改性處理的碎磚骨料壓碎指標(biāo)低于未處理碎磚，這是由于水泥漿或水玻璃溶液填充了碎磚本身的孔隙和再生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的大量裂紋，并且外裹水泥漿有一定的強(qiáng)度，從而提高了碎磚骨料的強(qiáng)度。水玻璃浸泡裹漿組(G3組)壓碎指標(biāo)最低，是因?yàn)樗Ａ且环N礦物粘合劑，水玻璃硬化后產(chǎn)生了具有較高粘結(jié)力的硅凝膠，比表面積較大，且水玻璃溶液浸漬材料后能滲入縫隙和空隙中，固化的硅凝膠能夠堵塞材料的毛細(xì)孔通道，提高材料了密度和強(qiáng)度，從而起到加固材料、優(yōu)化材料性能的效果。

由上述分析可得，碎磚骨料經(jīng)水和水玻璃浸泡后裹1∶1.2水泥漿液的改性效果最佳，故采用G2-1和G3-1組碎磚骨料配制混凝土。

3 改性碎磚骨料大流態(tài)混凝土配合比計(jì)算及抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

配制碎磚混凝土?xí)r選取G2-1和G3-1組碎磚骨料，為便于對(duì)比，需配制天然骨料組(NA組)和空白組(K組)，空白組即碎磚骨料不經(jīng)任何處理，直接配制碎磚混凝土。

混凝土的試配強(qiáng)度為C35，水灰比為47%，砂率取43%，減水劑用量為水泥質(zhì)量的1.8%，碎磚采用等體積替代法替代天然骨料進(jìn)行人工拌合，碎磚替代率為0、20%、40%和60%?；炷僚浜媳纫蕴涠却笥?80 mm為控制目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，按照配合比將原材料拌合均勻，測(cè)量拌合物的坍落度，并將混凝土拌合物標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后測(cè)試立方體抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 改性碎磚骨料大流態(tài)混凝土各組配合比、坍落度及立方體抗壓強(qiáng)度

注：K組試拌時(shí)加入碎磚骨料用量的1 h吸水量

圖1 改性碎磚骨料大流態(tài)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度

由表2可以看出，各組混凝土坍落度均到達(dá)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)180 mm，滿(mǎn)足大流態(tài)要求。通過(guò)觀察分析表2和圖1可知，改性碎磚骨料大流態(tài)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度均低于普通天然碎石骨料混凝土。

水玻璃浸泡裹漿組(B組)強(qiáng)度隨碎磚替代率的增大而降低，且降幅越來(lái)越大，立方體抗壓強(qiáng)度值較其他兩組偏高。立方體抗壓強(qiáng)度降低是因?yàn)楦男蕴幚砗蟮乃榇u骨料強(qiáng)度仍然較低，隨著碎磚替代率的增大，對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度的影響就越明顯，故降幅越來(lái)越大；立方體抗壓強(qiáng)度值高于其他兩組是因?yàn)樗ＡЫ莨鼭{后的碎磚骨料，內(nèi)部的孔隙和裂縫被水玻璃粘結(jié)和填滿(mǎn)，碎磚骨料密實(shí)度提高，碎磚骨料壓碎指標(biāo)較小，碎磚骨料強(qiáng)度較高，故配制出的混凝土強(qiáng)度值比其他兩組較大。

空白組(K組)和預(yù)濕裹漿組(Y組)的強(qiáng)度變化基本一致，都在碎磚替代率為40%時(shí)有所增大，之后又呈降低趨勢(shì)，這是碎磚骨料吸水率較大，改變了拌合物水灰比所致。K組的強(qiáng)度大于Y組，這是因?yàn)轭A(yù)濕碎磚的吸水率小于干燥碎磚，裹漿后仍是如此，故K組的吸水率大于Y組，能夠更大程度減小拌合物水灰比，從而達(dá)到提高立方體抗壓強(qiáng)度的效果。當(dāng)碎磚替代率為0～20%時(shí)，由于碎磚替代率小，吸水量少，對(duì)拌合物水灰比的影響不明顯，故這兩組混凝土強(qiáng)度降低；當(dāng)碎磚替代率為20%～40%時(shí)，碎磚量增多，吸水量增大，對(duì)拌合物水灰比的降低效果明顯，在一定程度上提高了碎磚骨料混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度，故其大于替代率為20%時(shí)的強(qiáng)度；當(dāng)替代率大于40%時(shí)，由水灰比引起的強(qiáng)度增大被較大的碎磚替代率部分抵消，這時(shí)碎磚替代率成為影響混凝土強(qiáng)度的主導(dǎo)因素，故強(qiáng)度降低、降幅增大。

綜合分析可知，水玻璃浸泡裹漿法處理過(guò)的碎磚骨料配制出的大流態(tài)碎磚骨料混凝土不僅坍落度較大、立方體抗壓強(qiáng)度較高，而且立方體抗壓強(qiáng)度變化趨勢(shì)較為平穩(wěn)，故水玻璃浸泡裹漿法屬于本次試驗(yàn)條件范圍內(nèi)最佳的改性處理方式。

4 結(jié) 論

對(duì)碎磚骨料進(jìn)行了不同方式的改性處理，挑選出改性效果較好的碎磚骨料配制了大流態(tài)混凝土，測(cè)試了大流態(tài)混凝土的坍落度和立方體抗壓強(qiáng)度值，對(duì)比分析后得出碎磚骨料的最佳改性方式。結(jié)論如下：

(1)對(duì)碎磚骨料采用改性處理的方法可以提高表觀密度、降低壓碎指標(biāo)，除水玻璃浸泡裹漿組外，其他改性處理后的各組碎磚骨料吸水率均有所增加。

(2)預(yù)濕裹漿法雖可以提高碎磚骨料強(qiáng)度，但預(yù)濕裹漿組(Y組)的立方體抗壓強(qiáng)度不及空白組(K組)，說(shuō)明骨料強(qiáng)度不是影響混凝土強(qiáng)度的唯一因素，拌合物水灰比也起著重要作用。

(3)水玻璃浸泡裹漿法的改性效果最好。經(jīng)水玻璃溶液外裹水泥漿改性的碎磚骨料壓碎指標(biāo)降低了24.9%，配制出的大流態(tài)混凝土抗壓強(qiáng)度均高于其他組。由此可見(jiàn)，提高碎磚骨料表面與水泥漿體間的粘結(jié)性，是提高碎磚骨料及碎磚骨料大流態(tài)混凝土強(qiáng)度的一種有效措施。

對(duì)比各組混凝土的坍落度和立方體28 d抗壓強(qiáng)度，可知水玻璃浸泡裹漿法是本次試驗(yàn)條件范圍內(nèi)，降低碎磚骨料壓碎指標(biāo)，提高碎磚骨料表觀密度和提高改性碎磚骨料大流態(tài)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度最行之有效的改性處理方法。