磚渣粗骨料特性及其對混凝土性能的影響

姚源，張凱峰，羅作球，王佳敏，楊寶帥，齊昭棟，歐陽平

（1.中建西部建設(shè)北方有限公司，陜西 西安701116；2.西安建筑科技大學，陜西 西安710055）

0 前言

隨著城市化進程不斷加劇，不可避免的產(chǎn)生了大量的建筑垃圾，一方面，這些建筑垃圾侵占了大量土地，另一方面，建筑垃圾其實也是一種潛在的資源，填埋和堆放等不合適的處理方式，阻礙了建筑垃圾作為可以被回收利用的資源的應用進程[1]。而在這些建筑垃圾中，廢棄磚渣的處理尤其困難[2]。以西安市為例，城市每年產(chǎn)生的1000萬t建筑垃圾中，磚渣占比在60%左右，而這些廢磚渣大多數(shù)用于城市道路墊層，附加值較低，消納的數(shù)量也十分有限。本文結(jié)合當前國內(nèi)建筑垃圾的應用進程，對磚渣作為混凝土粗骨料的基本性能進行研究，探究水膠比、摻合料種類和摻量對混凝土強度、干表觀密度、導熱系數(shù)、軟化系數(shù)及抗氯離子滲透性能的影響規(guī)律，為磚渣粗骨料混凝土的應用提供技術(shù)依據(jù)[3]。

1 磚渣粗骨料的基本性能

按照GB/T 17431.2—2010《輕集料及其試驗方法》測試磚渣輕粗骨料的堆積密度、表觀密度、吸水率、筒壓強度等性能。按照GB/T 14685—2011《建設(shè)用卵石、碎石》測試普通粗骨料的堆積密度、表觀密度、吸水率、壓碎指標等相關(guān)性能。

1.1 堆積密度和表觀密度（見表1）

表1 粗骨料的堆積密度和表觀密度

由表1可見，磚渣粗骨料與普通粗骨料的表觀密度比值為0.67，磚渣的密度明顯小于碎石。與碎石相比，磚渣粗骨料的堆積密度和表觀密度分別降低了33.8%和33.2%。

1.2 吸水率（見表2）

表2 5～20 mm粗骨料吸水率 %

通過骨料吸水性的試驗發(fā)現(xiàn)，磚渣粗骨料的吸水率明顯高于普通碎石，主要原因是磚渣粗骨料的孔隙大，微裂縫多，在短時間內(nèi)就會吸水飽和，從表2可以看出，磚渣輕骨料在前0.5 h內(nèi)吸水較快，此時的吸水率已達到飽和吸水率的85%左右，1 d的吸水率達到飽和吸水率的95%以上。吸水率對于混凝土拌合物性能、力學性能以及耐久性能都有較大的影響。因此，在用磚渣試配混凝土時，應精準測試，調(diào)整附加水用量，保證混凝土的性能。

1.3 筒壓強度及壓碎指標

磚渣粗骨料按照GB/T 17431.2—2010測試，筒壓強度為4.0 MPa，接GB/T 14685—2011測試壓碎指標為20.5%，普通碎石壓碎指標為8%。說明磚渣骨料的自身強度較低，孔隙率大，結(jié)構(gòu)較為疏松，在材料應用中應該嚴格控制使用的部位。

1.4 微觀性能

通過掃描電鏡試驗和壓汞試驗，表征了普通碎石骨料和磚渣骨料的微觀性能，與普通碎石相比，磚渣骨料具有輕質(zhì)、多孔、吸水率高的特點[4]。從表面上看，磚渣的邊緣比碎石更加粗糙，而骨料表面的粗糙程度對混凝土拌合物的性能影響極大。磚渣粗骨料和普通碎石的微觀形貌如圖1所示。

圖1 磚渣粗骨料和普通碎石粗骨料的微觀形貌

從圖1可以明顯看出，磚渣粗骨料和普通碎石在顆粒形貌上有所不同。磚渣骨料的表面粗糙、多孔，帶有很多絮凝狀物質(zhì)，絮凝狀物質(zhì)導致磚渣骨料和普通碎石骨料性能有很大不同，并且磚渣骨料的硬度相對較低，密度小，表面有大小不一、分布不均勻的孔洞和空隙，吸水率較高。因此，磚渣可以看作是一種多孔輕質(zhì)材料，可作為混凝土內(nèi)養(yǎng)護劑。

通過壓汞試驗測試了磚渣粗骨料和普通碎石的孔隙率、中值孔徑等，結(jié)果如表3所示。

表3 粗骨料的孔結(jié)構(gòu)

從表3可以看出，和普通碎石相比，磚渣粗骨料的平均孔徑和孔隙率增大較多，中值孔徑為155.44 nm，屬于粗毛細管孔（＞100 nm），材料本身的密實程度較低，孔隙率較大，達到59.64%，與碎石骨料相比，水分更容易進入到材料中，從而影響材料的力學性能和耐久性能。

1.5 化學成分（見表4）

表4 磚渣粗骨料熒光分析結(jié)果 %

從表4可以看出，磚渣粗骨料和碎石骨料的化學組成中含量最高的均為SiO2。

2 磚渣粗骨料混凝土基本性能試驗

2.1 原材料

水泥：P·O42.5富平生態(tài)水泥，初凝時間180 min，終凝時間285 min，標準稠度用水量29%，安定性合格。

粉煤灰：銅川華能，Ⅱ級，細度15.6%，需水量比96%，燒失量4.2%，含水率0.2%。

礦粉：韓城大唐盛龍，S95級，28 d活性指數(shù)為96%。

砂：渭河水砂，細度模數(shù)2.3，Ⅱ區(qū)中砂，含泥量1.3%，泥塊含量0.4%。

硅灰：榆林某廠，需水量比105%，7 d活性指數(shù)123%。

外加劑：自有外加劑廠生產(chǎn)，減水率27%，固含量12%，含氣量2.8%。

磚渣粗骨料：西安市龍鳳石業(yè)的廢棄紅磚磚渣，粒徑5～20 mm，連續(xù)級配。

天然粗骨料：銀川石料廠，5～25 mm連續(xù)級配的碎石。

2.2 配合比設(shè)計

為探討不同因素對混凝土性能的影響，本試驗設(shè)計用磚渣粗骨料替代碎石骨料。磚渣粗骨料吸水率大，本試驗采用提前預濕24 h的方式對骨料進行處理。按照JGJ 51—2002《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》設(shè)計配合比，如表5所示，按照GB 50081—2019《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行成型與力學性能測試。

表5 磚渣組骨料混凝土配合比 kg/m3

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 磚渣粗骨料混凝土的力學性能（見表6）

表6 磚渣粗骨料混凝土的力學性能

由表6可知，對比ZZ、SF－1、SF－2、SF－3可知，硅灰摻量從0增加至10%時，混凝土早期和長齡期抗壓強度大致呈現(xiàn)出先提高后降低的趨勢，硅灰摻量為4%時，7 d、28 d和60 d的抗壓強度均達到了最高，較不摻加硅灰的磚渣混凝土分別提高了4.7%、14.1%和9.3%；隨著粉煤灰摻量的增加，磚渣混凝土的抗壓強度呈現(xiàn)降低的趨勢，當粉煤灰摻量分別為35%和50%時，其60 d抗壓強度較ZZ組分別降低了5.6%和18.5%。當粉煤灰摻量過大，達到50%以后，磚渣混凝土強度降低較大，隨著水膠比的增大，抗壓強度逐漸減小，特別是當水膠比大于0.45之后，磚渣混凝土的強度降低幅度較大。分析其原因，磚渣粗骨料自身強度較低，且不會隨著齡期延長而增大。因此，磚渣粗骨料混凝土受到硬化水泥漿強度的影響較大，水灰比增大時，漿體強度降低，相對應的抗壓強度也逐漸降低[5]。磚渣粗骨料混凝土的60 d抗折強度為3.8～5.3 MPa，磚渣粗骨料混凝土的60 d抗折強度與60 d抗壓強度存在明顯的正相關(guān)關(guān)系。

3.2 磚渣粗骨料混凝土的干表觀密度和導熱系數(shù)（見表7）

表7 磚渣粗骨料混凝土干表觀密度和導熱系數(shù)

由表7可知，磚渣粗骨料混凝土的干表觀密度為1920～2100 kg/m3，根據(jù)JGJ 51—2002可知，磚渣粗骨料混凝土部分屬于輕骨料混凝土，部分屬于次輕骨料混凝土。當粉煤灰摻量由0增加至50%時，干表觀密度隨著粉煤灰摻量的增加而下降，F(xiàn)A－3組干表觀密度較ZZ組下降了4.4%，這是由于粉煤灰有微集料填充效應，合適摻量下，粉煤灰的摻入可以提高混凝土的密實程度。但是當粉煤灰摻量過大，前期火山灰活性效應發(fā)揮較慢，且粉煤灰的表觀密度低于水泥，干表觀密度顯著低于未摻粉煤灰的對照組?；炷恋乃z比對磚渣粗骨料混凝土的干表觀密度影響最大，當水膠比從0.35增大到0.50時，干表觀密度從2100 kg/m3減小到1920 kg/m3。因為隨著水膠比的增大，漿體中的自由水含量也增加，在混凝土硬化過程中，水分將會不斷蒸發(fā)，形成孔洞，造成磚渣混凝土的干表觀密度降低。硅灰的摻量從4%提高到10%，磚渣混凝土的干表觀密度變化不大。磚渣混凝土的導熱系數(shù)集中在0.53～0.69 W/（m·K），磚渣混凝土的導熱系數(shù)與其本身的孔隙結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，孔隙的大小、形狀和連通特性都會顯著影響材料的導熱系數(shù)。并且磚渣混凝土的導熱系數(shù)與干表觀密度具有明顯的正相關(guān)關(guān)系，干表觀密度較大的混凝土，一般結(jié)構(gòu)也相對比較密實，相應的導熱系數(shù)也較高。

3.3 磚渣粗骨料混凝土的軟化系數(shù)（見表8）

表8 磚渣粗骨料混凝土的軟化系數(shù)

GB/T 17431.1—2010中要求，輕粗集料混凝土的軟化系數(shù)不應小于0.80，從表8可知，不同配合比的磚渣混凝土的軟化系數(shù)在0.85～0.93之間，均滿足輕粗集料混凝土對軟化系數(shù)的要求。且磚渣粗骨料混凝土的軟化系數(shù)與抗壓強度具有正相關(guān)關(guān)系，即結(jié)構(gòu)越密實，混凝土的抗壓強度越高，抵抗水浸入的能力越強，軟化系數(shù)越大[6]。

3.4 磚渣粗骨料混凝土的抗?jié)B性（見表9）

表9 磚渣粗骨料混凝土的抗氯離子滲透性能

從表9可以看出，混凝土的電通量在1105～1840 C之間，波動較大，且受到水膠比和粉煤灰摻量的影響較大。硅灰和礦粉摻量對混凝土抗氯離子滲透性能影響較小。

隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的電通量也逐漸增加，當粉煤灰摻量為15%時，混凝土的電通量低于對照組。這是由于混凝土屬于多相結(jié)構(gòu)，磚渣粗骨料疏松多孔，漿體的抗?jié)B透性能在一定程度上決定了混凝土整體的抗?jié)B透性能，而粉煤灰具有微集料效應，在合適摻量下，混凝土硬化后期會形成更多的C－S－H凝膠，可以提高混凝土整體的密實度。但當粉煤灰摻量過大時，大量的粉煤灰未完全水化，造成混凝土整體強度明顯降低，相應的密實度也降低過多，混凝土的抗氯離子滲透性能降低。

隨著水膠比的增加，磚渣粗骨料混凝土的電通量也逐漸增大。因為水膠比越高，硬化混凝土中的孔隙越多，氯離子越容易在混凝土中遷移，造成混凝土抗氯離子滲透性能下降。

4 結(jié)論

（1）加入硅灰對磚渣粗骨料混凝土的抗壓強度有提高作用，硅灰摻量為4%時，強度達到最高；隨著粉煤灰摻量的增加，磚渣混凝土強度呈現(xiàn)降低趨勢，當粉煤灰過摻，達到50%以后，磚渣混凝土強度降低較大；隨著水膠比的增大，抗壓強度逐漸降低，特別是當水膠比大于0.45之后，磚渣混凝土的強度降低幅度較大。磚渣粗骨料混凝土的60 d抗壓強度與60 d抗折強度存在明顯的正相關(guān)關(guān)系。

（2）各配比磚渣粗骨料混凝土的干表觀密度為1920～2100 kg/m3，磚渣粗骨料混凝土部分屬于輕骨料混凝土，部分屬于次輕骨料混凝土。當粉煤灰摻量由0增加至50%時，干表觀密度隨著粉煤灰摻量的增加而下降。水膠比對磚渣粗骨料混凝土的干表觀密度影響最大，當水膠比從0.35提高到0.50時，干表觀密度從2100 kg/m3降低到1920 kg/m3。硅灰摻量從4%提高到10%，磚渣混凝土的干表觀密度變化不大。磚渣混凝土的導熱系數(shù)為0.53～0.69 W/（m·K），磚渣混凝土的導熱系數(shù)與干表觀密度具有明顯的正相關(guān)關(guān)系。

（3）不同配合比磚渣混凝土的軟化系數(shù)為0.85～0.93，且磚渣混凝土的軟化系數(shù)與抗壓強度具有正相關(guān)關(guān)系。

（4）磚渣粗骨料混凝土的電通量為1105～1840 C，波動較大，且受水膠比和粉煤灰摻量的影響較大，受硅灰和礦粉摻量影響較小。