建筑垃圾再生集料制备混凝土的应用研究

史美洁

SHI Meijie

(盐城生物工程高等职业技术学校，江苏 盐城224051)

随着建筑业的快速发展，建筑垃圾也空前增加，以致严重污染了环境。我国每年要排放15 亿t 以上的建筑垃圾，约占城市垃圾的40%;其中未经处理直接填埋的占总量的98%，资源化利用率却不足1%［1］。

这样，一方面浪费了大量可回收再利用的废旧混凝土;另一方面，生产新混凝土所需大量天然骨料，大量地开山取石，又造成环境的再度污染［2］。而且，骨料的使用量之大，总有一天地球上的骨料会消失殆尽。为了解决这些问题，各国都开始了再生混凝土的研究开发与应用。

利用废弃的混凝土作为再生骨料替代天然骨料，不仅能降低成本、缓解骨料供求矛盾，还能减轻建筑垃圾对城市环境的污染，具有明显的经济、社会效益。目前国内外的研究主要集中在建筑垃圾作为再生粗骨料方面［3-6］，很少有人研究建筑垃圾作为再生细骨料来配制再生混凝土，使建筑垃圾再利用效率大大降低。

本文将建筑垃圾中的废弃混凝土和废弃碎砖块分别破碎后筛分，根据其粒径大小分别作为再生粗骨料和再生细骨料来配制再生混凝土，以研究在混凝土中加入不同比例的建筑垃圾对混凝土性能的影响，找寻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压性能能够满足C30 混凝土的要求，探求建筑垃圾100%再生利用的可能性。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

试验所用的水泥为安徽海螺水泥有限公司生产的普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5。

天然骨料:石子为连续级配，最大粒径为31.5 mm，公称粒径为4.75～31.5 mm，筛分结果见表1。砂为普通黄砂，级配良好，细度模数为2.51，属中砂，Ⅱ区，筛分结果见表2。

拌合用水为普通自来水。

试验用建筑垃圾为本校的旧楼拆除物，选取其中的废混凝土和废砖块。

将收集来的废混凝土和废砖块先行破碎，然后用4.75 mm 筛进行分级，粒径≥4.75 mm 的废混凝土、废砖以下分别称为粗废混凝土、粗废砖;粒径＜4.75 mm 的废混凝土、废砖以下分别称为细废混凝土、细废砖。

粗废混凝土及粗废砖最大粒径为31.5 mm，连续级配，公称粒径为4.75～31.5 mm，其筛分结果与普通石子作比较见表1;细废混凝土的细度模数为2.95，细废砖的细度模数为2.99，其筛分结果与普通中砂作比较见表2。

表1 石子、粗废混凝土、粗废砖的筛分结果

表2 砂、细废混凝土、细废砖的筛分结果

1.2 试验方法

普通混凝土与粗骨料替代再生混凝土的设计表观密度为2435 kg/m3，细骨料替代再生混凝土的设计表观密度为2400 kg/m3，按照国家标准《普通混凝土力学性能试验方法标准(GB/T 50081—2002)》规定，人工拌合，配合比为:C∶S∶G∶W =1∶1.67∶3.20∶0.54。将混凝土拌合物制成100 mm×100 mm×100 mm 的立方体试件。编号为Q0 的试件为天然骨料制备的基准试件，编号为H20、H40、H60、H80 和H100 试件表示粗废混凝土以不同比例取代石子后制成的再生骨料混凝土试件，Z20、Z40、Z60、Z80 和Z100 试件表示粗废砖以不同比例取代石子后制成的再生骨料混凝土试件，20、40、60、80、100 为取代率;P5、P10、P15、P20 和P25 试件表示细废砖以不同比例取代砂后制成的再生骨料混凝土试件，Q5、Q10、Q15、Q20和Q25 试件表示细废混凝土以不同比例取代砂后制成的再生骨料混凝土试件，5、10、15、20、25 为取代率。各组混凝土的配合比见表3。每组编号所做试件数量为3 个，自然养护28 d。所有试件采用《混凝土强度检验评定标准(GB/T 50107—2010)》进行测试。

2 结果与讨论

2.1 对混凝土表观密度的影响

通过表3 可以看出，再生混凝土拌合物表观密度均低于天然骨料拌合物表观密度，主要原因是天然骨料结构坚硬致密，孔隙率低，而再生骨料的粒形是碎石状的，一般针片状颗粒较多，所以孔隙率较大，随着再生骨料取代率的增大，混凝土中含气量增大。还有一个主要原因是由于废砖和废混凝土的表观密度都低于石子，相同体积的情况下，再生混凝土的质量都将低于基准混凝土，因而随着再生骨料的取代率不断增加，混凝土的表观密度逐渐降低。再生混凝土自重降低，对于结构抗震能力有益。

2.2 对混凝土和易性的影响

混凝土的和易性是指混凝土拌合物便于施工操作，并能施工出均匀密实混凝土的性能，包括拌合物的流动性、粘聚性和保水性。流动性用坍落度值来评定，粘聚性和保水性则主要凭经验观测来评价。粗废混凝土与粗废砖取代石子再生混凝土的坍落度与取代率的变化关系曲线图见图1，细废混凝土与细废砖取代砂再生混凝土的坍落度与取代率的变化关系曲线图见图2。

由图1 和图2 可见，粗废砖、细废砖取代天然骨料后的拌合物坍落度较基准试件的坍落度都明显降低。随着粗废砖掺量的增加，坍落度大幅降低，石子取代率达到60%时，混凝土拌合物特别干，几乎不能成型，后在保持水灰比不变的情况下适当加入水和水泥才能使之成型，坍落度降低了92%;细废砖取代砂后的拌合物，当砂的取代率为25%时，坍落度降低了50%。

表3 混凝土配合比及再生混凝土的性能 单位:kg/m3

图1 粗废混凝土、粗废砖取代石子再生混凝土的坍落度变化曲线图

图2 细废混凝土、细废砖取代砂再生混凝土的坍落度变化曲线图

粗废混凝土、细废混凝土取代天然骨料后的拌合物坍落度较基准试件的坍落度先是略有降低，后又大幅提高。粗废混凝土100%取代石子时坍落度提高了90 mm，细废混凝土取代率为25%时，坍落度提高了17%。

废砖取代天然骨料时，由于砖的孔隙多，吸水性和吸水速率大，达到相同流动性时需要的水泥浆量多，从而降低拌合物的坍落度，流动性比天然骨料小。

废混凝土较天然骨料表面粗糙，棱角较多，外表面积大，取代率小时，与天然骨料相比需要的水泥浆量多，从而降低了拌合物的坍落度，但废混凝土的结构密实，吸水率小，随着掺量的增大，达到相同流动性时需要的水泥浆量减少，从而使混凝土的坍落度又随之提高，流动性增大。

在试验中观察到再生骨料混凝土拌合物的粘聚性和保水性较天然骨料好。原因是由于再生骨料表面粗糙，增大了拌合物在拌合和浇筑时的摩阻力［7］。

2.3 对混凝土抗压强度的影响

天然骨料混凝土与粗骨料取代再生混凝土的28 d 抗压强度曲线图见图3，天然骨料混凝土与细骨料取代再生混凝土的28 d 抗压强度曲线图见图4。

图3 天然骨料混凝土与粗骨料取代再生混凝土抗压强度曲线图

图4 天然骨料混凝土与细骨料取代再生混凝土抗压强度曲线图

从图3 中结果可看出，粗废砖和粗废混凝土取代后的再生混凝土抗压强度基本都低于天然骨料混凝土试件的抗压强度。且粗废砖取代再生混凝土的强度都低于粗废混凝土取代再生混凝土的强度。当废砖取代率为100%时，比基准试件的抗压强度下降了23.7%。首先，由于再生骨料的压碎指标值都小于石子，而砖的压碎指标值又小于混凝土［8］;再者，因为再生骨料颗粒在破碎过程中颗粒内部会产生相对较多的裂纹或微裂纹，对再生骨料混凝土的力学性能具有不利的影响［9］。

但在粗骨料取代率为20%时，再生骨料混凝土的抗压强度却均高于基准试件的抗压强度。粗废混凝土取代时的再生混凝土28 d 抗压强度为33.5MPa，较基准试件提高了5.7%。这是由于再生集料混凝土中，再生集料表面包裹着水泥砂浆，使集料与新的水泥砂浆之间的弹性模量相差很小，界面结合得以加强。同时，再生集料的亲水性强，能很快被水润湿，集料表面的很多微裂缝会吸入新的水泥颗粒，使接触区的水灰比降低，形成致密的界面结构［10］。这样，由于界面结合得到加强，因集料强度较低而导致的混凝土性能的降低会得到一定程度的补偿。另外，由于经过多次破碎﹑筛分过程，原有集料中的软质颗粒﹑粒形不良的颗粒会被淘汰。这些加大粗糙度﹑增加棱角效应﹑粒形的改善和坚固性的选优排劣，使再生集料的性能得以优化，对混凝土强度的提高起到了重要作用［11］。但随着取代率的不断提高，这种因实际水胶比降低而引起的强度增幅可能小于因再生骨料先天缺陷引起的强度降幅，最终再生骨料混凝土的抗压强度仍低于基准混凝土。

粗骨料取代时，粗废混凝土取代率为20%～60%，粗废砖取代率为20%，再生混凝土的28d 抗压强度均符合C30 混凝土要求。粗废混凝土取代率为20%时，配制出的再生混凝土强度最高，高达33.5MPa，比基准试件混凝土强度提高了5.7%。

从图4 可看出，细骨料取代时，细废混凝土取代率为15%，细废砖取代率为10%时，再生混凝土的28 d 抗压强度较基准试件还略有提高，且均符合C30 混凝土要求。

3 结 语

(1)掺入建筑垃圾后，再生骨料混凝土的表观密度都有所降低。因而再生骨料混凝土自重降低，这对降低建筑物自重，提高构件跨度以及结构抗震能力都有利。

(2)相同配合比条件下，废砖替代将降低新拌混凝土的流动性，废混凝土替代将增加新拌混凝土的流动性，但再生骨料替代的新拌混凝土的粘聚性和保水性良好。再生骨料强度较天然骨料强度低，但因再生骨料粗糙，吸水率大，与水泥砂浆界面粘结状况改善，可以部分补偿因骨料自身强度低对硬化混凝土强度形成的不利影响。

(3)在利用建筑垃圾分别取代粗骨料和细骨料的情况下，选择合适的配合比与取代率，完全可以配制出满足工作性和强度均能符合要求的C30 混凝土。配制出的再生混凝土最高强度高达33.5MPa，比基准试件混凝土强度提高了5.7%。粗骨料取代时，粗废混凝土和粗废砖的最佳取代率均为20%，其中粗废混凝土取代时，粗骨料的取代率最大可达到60%。细骨料取代时，细废砖的最佳取代率为10%，细废混凝土的最佳取代率为15%。

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