废弃混凝土制备再生骨料及其性能研究

许新兵等

摘要：着重进行了废弃混凝土生产再生粗骨料和再生细骨料的试验，测定了其相关基本性能，试验结果表明：再生骨料的基本性能与天然骨料相比存在着一定的差异，这是由于再生骨料的表面有包裹着约为30%左右的水泥砂浆，导致再生骨料的表面粗糙、棱角较多，使得再生骨料的空隙率大、坚固性差、压碎指标值较高，这些特点会影响再生骨料混凝土的强度和耐久性；但是再生骨料表面粗糙，针片状含量较小，吸水率大，这些特点会使再生骨料与新的水泥砂浆有良好的黏结性，对于再生混凝土的成型有一定的积极作用。

关键词：混凝土；再生骨料；建筑垃圾

中图分类号： TU991.2

文献标识码： A 文章编号： 16749944（2015）06030105

1 引言

建筑垃圾是城市垃圾的主要组成部分，而废弃混凝土则是建筑垃圾的主要组成部分，这些废弃混凝土如果不及时进行回收利用，不仅会污染环境，还会造成资源的浪费。因此研究再生混凝土是将来绿色混凝土技术发展的一个重要方向。再生骨料（Recycled Aggregate，RA）是指废弃混凝土经特定处理、破碎、分级并按一定的比例混合后，形成的以满足不同使用要求的粒径在40mm以下的骨料[1]。有些建筑垃圾生产的再生骨料可能不适于配制混凝土或砂浆，但是可以用来生产再生骨料砖、再生骨料砌块等[2]。再生骨料一般为表面包裹着部分水泥砂浆的石子，小部分是与砂浆完全脱离的石子，还有极少一部分为水泥石颗粒及少量碎石等组成[1]。现实生活中，再生骨料多来源于建筑废料。而废弃混凝土和废砖石块是建筑废料的主要组分，共约占建筑废料的80%（以重量计）以上[3]。

在再生混凝土研究利用方面，国内外早已开展了建筑垃圾生产再生骨料制备再生混凝土的新技术研究，并相继出台了一些再生混凝土规范，制定了《混凝土用再生粗骨料》（GB/T 25177-2001）、《混凝土和砂浆用再生细骨料》（GB/T 25176-2001）两部国家标准，中华人民共和国建筑工程行业标准《再生骨料应用技术规程》已经通过专家审定。这些规范标准保证了再生骨料应用的效果和质量，推动再生骨料在建筑工程中的应用，使得再生骨料大量运用于建设之中。再生骨料的来源中废弃混凝土骨料是目前研究和应用最多的再生骨料，主要应用于再生混凝土的制备[4]。本次试验就是通过用兰州市废弃混凝土制备再生骨料，对再生骨料的基本性能进行试验研究，得出其与天然骨料的差异，研究如何生产高性能的再生骨料，同时也为再生混凝土性能研究提供理论依据。

2 材料与方法

2.1 再生骨料的制备

2.1.1 试验加工工艺

对于不同类别的废弃混凝土，我们可以采用不同的加工工艺[5]考虑到本试验是在实验室室内进行，成本相对较低，且不适宜大型机械的处理，而且试验采用的再生骨料为废旧建筑混凝土，杂物含量相对较为简单。所以我们在对各类废弃混凝土生产再生骨料的加工工艺进行比较分析后，结合我们实验室的实际情况，制定了一套适合本次试验的加工工艺，见图1。

图1 试验所采用的加工工艺

2.1.2 试验原料及仪器

原料：废弃混凝土生产再生骨料（兰州市安宁区刘家堡某处废旧拆除建筑混凝土）；天然碎石（5～31.5 mm连续级配的天然碎石（JGJ52-2006））；天然砂（细度模数为2.8的河沙（JGJ52-2006））；再生粗骨料（粒径6～10 mm简单破碎的再生粗骨料）；再生细骨料（粒径<5 mm简单粉碎的再生细骨料）。

试验仪器：颚式破碎机（出粒粒度：6～10mm 浙江上虞市银河测试仪器厂）；密封式制样粉碎机（装料粒度<5mm 浙江上虞市肖金化验设备厂）；标准筛。

2.2 再生骨料的基本性能实验研究

2.2.1 级配

再生骨料的粗细程度和颗粒级配用筛分析方法测定，用级配区表示骨料的级配[5]。将再生骨料由粗到细依次过筛，称量各筛上的筛余量（g），计算各筛上的分计筛余率（%），再计算累计筛余率 （%）。

试验步骤：

（1） 把试样缩分至1100g，放在（105±5）℃烘箱中烘至恒温。待冷却至室温后，筛除大于9.5mm的颗粒（并算出其筛余百分率），分大致相等两份备用。

（2）称烘干试样500g，倒入从大到小的套筛上，放到摇筛机上，摇动10min，取下套筛按筛孔大小顺序再逐个用手筛，筛至每分钟通过量小于试样总量0.1%为止，通过的试样倒入下一号筛，再一起过筛，依次筛完为止。

（3）称出各号筛的筛余量，精确至1g，试样在各号筛上的筛余量不得超过200g，超过时应该将筛余试样分成两份，并以两次筛余量之和作为该号筛的筛余量。

（4）结果计算与评定：

A计算分计筛余百分率，精确至0.01%；

B计算累计筛余百分率，精确至0.01%；

再生骨料颗粒级配连续，级配曲线是一条光滑连续曲线（图2），粒径为5～31.5mm，满足标准要求。

图2 再生骨料的级配曲线

2.2.2 表观密度

（1）主要仪器设备。容量瓶（500mL）、托盘天平、干燥器、浅盘、铝制料勺、温度计、烘箱、烧杯等。

（2）试样制备。将660g左右的试样在温度为（105±5）℃的烘箱中烘干至恒重，并在干燥器内冷却至室温。

（3）试样方法及步骤。①称取烘干的试样300g（m0），精确至1g，将试样装入容量瓶，注入冷开水至接近500mL的刻度处，摇转容量瓶，使试样在水中充分搅动，排除气泡，塞紧瓶塞后静置24h。②静置后用滴管添水，使水面与瓶颈500 mL刻度线平齐，再塞紧瓶塞，擦干瓶外水分，称取其质量（m1），精确至1g。③倒出瓶中的水和试样，将瓶的内外表面洗净。再向瓶内注入与前面水温相差不超过2℃的冷开水至瓶颈500mL刻度线，塞紧瓶塞并擦干瓶外水分，称取其质量（m2），精确至1g。

（4） 结果计算。按下式计算再生骨料的表观密度（精确至1kg/ m3）。

ρ0.5=（m0[]m0+m2-m1）×1000（kg/ m3）

由图3可以直观地看到，再生骨料的表观密度小于天然骨料，而且再生细骨料的表观密度小于再生粗骨料。再生骨料的表观密度与再生骨料的粒径、颗粒组成、级配和原混凝土的密度等有关。由于再生骨料的表面包裹着密度相对较小的旧混凝土砂浆，所以导致再生骨料的表观密度的降低。

图3 骨料的表观密度

2.2.3 堆积密度

（1）主要仪器设备。标准容器（金属圆柱形，容积为1L）、标准漏斗、台秤、铝制料勺、烘箱、直尺等。

（2）试样制备。用四分法缩取再生骨料约3L、试样放入浅盘中，将浅盘放入温度为（105±5）℃的烘箱中烘干至恒重，取出冷却至室温，筛除大于4.75mm的颗粒，分为大致相等的两份待用。

（3）试验方法及步骤。①称取标准容器的质量（m1）精确至1 g；再测定标准容器的体积（V0）将标准容器置于下料漏斗下面，使下料漏斗对正中心。②取试样一份，用铝制料勺将试样装入下料漏斗，打开活动门，使试样徐徐落入标准容器（漏斗出料口或料勺距标准容器筒口为5cm），直至试样装满并超出标准容器。上部是锥体后关闭活门。③用直尺将多余的试样沿筒口中心线向两个相反的地方刮平，称其质量（m2），精确至1g。加料及刮平过程中不得触动标准容器。

（4）结果计算。试样的堆积密度按下式计算（精确至1kg/m3）：

ρ′0=m2-m1[]V0

堆积密度应用两份试样测定，并以两次结果的算术平均值作为测定结果。

骨料的堆积密度反映了骨料在堆积状态下单位体积的质量。由于再生骨料在破碎过程中内部产生大量微裂纹，造成骨料表面粗糙、棱角加多，这使得再生骨料的表面粗糙度比天然骨料大，骨料颗粒之间的空隙也要比天然骨料稍大，因此再生骨料的堆积密度就低于天然骨料（图4）。

图4 再生骨料的规程密度

2.2.4 空隙率

骨料的堆积体积包含了颗粒之间的空隙，其中空隙体积所占的比例即为骨料的空隙率。材料的空隙率按下式计算：

空隙率的大小反映了散粒骨料的颗粒互相填充的致密程度，可以作为控制骨料级配的依据。从图5中可以看出，再生骨料的空隙率相比天然骨料来说较大，再生粗骨料的空隙率大于再生细骨料。这是由于再生骨料在破碎过程中造成表面粗糙、增加了棱角效应，且再生骨料的堆积密度大，这些都是再生骨料空隙率较小的原因。

图5 再生骨料的空隙

2.2.5 吸水率

（1） 主要仪器设备。天平、烘箱、玻璃盆、游标卡尺等。

（2） 试样制备。将试样洗净置于温度为（105±5）℃的烘箱中烘至恒重，在放入干燥器内冷却至室温待用。

（3） 测试方法与步骤。①从干燥器内取出试样称其质量m1。②将试样放入玻璃盆中，在盆底放置垫条（玻璃管或玻璃棒），使试样和盆底有一定距离，试样之间留出1～2cm的间隙，使水能够自由进入。③加水至试样高度的1/3处，过24h后再加水至试样高度的2/3处，再过24h后加满水，并放置24h。逐次加水的目的是使试样内的空气排出。④取出试样，用拧干的湿毛巾擦去试样表面水分后称取质量m2。

为检验试样是否吸水饱和，可将试样重新渗入水中至试样高度的3/4处，过24 h后重新称量，两次称量结果之差不超过1%即可认为吸水饱和。

（4） 结果计算。材料的质量吸水率按下式计算：

式中：WW为材料的质量吸水率；m1为试样的干燥质量；m2为试样的吸水饱和质量。

按规定，材料的吸水率测试应用三个试样平行进行，并以三个试样吸水率的算术平均值作为测试结果。试验结果精确至0.1%。

由图6中可以看出，再生骨料的吸水率大于天然骨料，而再生细骨料的吸水率远远大于天然砂。这是由于天然碎石和砂子的孔隙很少，孔隙率很低，所以天然骨料的吸水率很低，一般都低于3%。而再生骨料，其颗粒的表面较为粗糙、颗粒的棱角多，而且再生骨料在破碎过程中，其内部往往会损伤积累大量的微裂纹，因此再生骨料的吸水率要比天然骨料大得多。然而对于再生细骨料，颗粒组分中包含相当数量的水泥砂浆，砂浆体中的水泥本身的孔隙就比较大，这造成了再生细骨料的吸水率远大于天然砂。

图6 再生骨料的吸水率

2.2.6 坚固性

再生骨料的坚固性主要是指骨料在气候、外力和其他物理因素作用下骨料抗碎裂的能力，本次试验是通过硫酸钠饱和溶液渗入碎石或卵石中形成结晶时的裂胀力对碎石或卵石的破坏程度，来间接地判断骨料的坚固性。

（1）主要仪器设备.烘箱、天平、方孔筛、三角网篮、硫酸钠溶液、密度计、容器。

（2）试样制备.将试样淋洗干净，放入（105±5）℃烘箱内烘干至恒量，取出冷却，筛除小于4.75mm的颗粒待用。

（3）测试方法与步骤.①将所称取的不同骨料的试样mg装入三脚网篮后浸入盛有硫酸钠（1.151～1.174g/cm3）溶液（20～25℃）中（溶液体积应不小于试样总体积的5倍），上下升降25次，排出气泡，液面至少高出试样表面30mm。②浸泡20h后，将试样提起，在烘箱（105±5）℃中烘4h，至此完成了第一次试验循环。待试样冷却至20～25℃。从第二循环起，浸泡和烘干均为4h。③第五次循环后，用清洁的温水淋洗试样，再烘至恒重，冷却后用下限筛过筛，称取各粒级试样试验后筛余量（my）。

（4）结果计算。骨料的质量损失百分率，精确至0.1%：

由图7可以看出，再生骨料的质量损失率大于天然骨料，这是由于再生骨料颗粒表面有砂浆附着，导致骨料的吸水率增大，其吸附的饱和硫酸钠溶液就愈多。再者还因为再生骨科在解体破碎过程中产生大量的微裂纹，使得再生骨料的空隙率增大，更加容易破碎，即再生骨料的坚固性较差。而本次试验所得的再生粗骨料的空隙率大于再生细骨料，所以其质量损失率也较大。

图7 再生骨料的质量损失率

2.2.7 压碎指标

压碎指标是反映粗骨料的强度和颗粒形状的综合指标，一般是用于表示粗骨料的抗压能力。本次试验测定粗骨料的压碎指标我们采用的是YHKC-2A型颗粒强度测定仪直接测定。

YHKC-2A型颗粒强度测定仪是颗粒强度测定仪系列最新产品，采用先进的传感测量技术，实现数字显示的最新颗粒强度测定仪。该仪器有体积小、强度值直读、精度高、使用更方便，是最为理想的新一代颗粒强度测定仪。

（1）测定方法与步骤。①逆时针旋转手轮，使加力杆上移，接通电源，显示器显示仪器最大量程500N，如显示其它数值，应按清零键，清零指示灯亮，数字显示为 0.0N。②将试验样品置于样品盘中心位置，如样品过重，显示数字变化，应再次重复操作，按清零键，最后显示0.0N。再顺时针旋转手轮，将加力杆下移，当加力杆接近样品时，按一下峰值保持键，此时峰值保持指示灯亮，再继续慢慢旋转手轮，此时显示器已有数据显示，并随着试验力的增加而增大，当样品颗粒破碎时，受力的最大数值即被锁定，此时数字直接显示最大强度值。③继续试验时，将样品盘中的残留物清除，按一下峰值保持键，解除峰值保持，数字恢复显示为 0.0N，同时峰值保持指示灯熄灭，且按一下清零键，直到数字显示为 0.0N。

（2）结果计算。测定多次求取平均值，测定结果见表1。

测定结果表明，再生粗骨料的压碎指标值高于天然粗骨料。骨料的压碎指标与原混凝土的强度有关，原混凝土的强度越高，再生粗骨料的压碎指标值就会越低。所以再生粗骨料表面包裹着强度较低的水泥砂浆，以及在破碎加工过程中对原混凝土造成的损伤，这些都会导致再生粗骨料的压碎指标值较大。

2.2.8 针片状颗粒含量

针片状骨料含量是粗骨料的重要指标，试验采用规准仪法测定粗骨料的针片状含量，以百分率计。本方法测定的针片状含量，是指使用专用规准仪测定的粗骨料颗粒的最小厚度（或直径）方向与最大长度（或宽度）方向的尺寸之比小于一定比例的颗粒。

（1）主要仪器设备。针状规准仪及片状规准仪、天平或台秤、标准筛。

（2）试样制备。将试样淋洗干净，放入（105±5）℃烘箱内烘干至恒量，取出冷却，并用四分法缩分骨料，满足表2规定的质量和筛分粒径备用。

（3）测试方法与步骤。①目测挑出接近立方体形状的规则颗粒，将目测有可能属于针片状颗粒的骨料用标准规准仪逐粒进行针状颗粒鉴定，挑出颗粒长度大于针状规准仪上相应间距而不能通过者，为针状颗粒[7]。②将通过针状规准仪上相应间距的非针状颗粒用标准片状规准仪进行逐粒鉴定，挑出厚度小于片状规准仪上相应孔宽能够通过者，为片状颗粒。③称量由各粒径挑出的针状颗粒和片状颗粒的质量，其总质量为m1。

（4）结果计算。粗骨料的针片状颗粒含量按下式计算，精确至0.1%：

QC=m1[]m0×100%

式中：QC为试样的针片状含量（%）；m1为试样中所含针状颗粒与片状颗粒的总质量（g）；m0为试样的总质量（g）。

测定结果表明，再生粗骨料的针片状含量要比天然粗骨料的要小。混凝土再生粗骨料多为从原混凝土中剥离出来的天然卵石、碎石。在剥离破碎过程中，原天然碎石中的部分针片状颗粒被破碎，再生粗骨料中的针片状颗粒的含量降低。

3 再生骨料的基本性能试验结论

（1）再生骨料的基本性能与天然骨料相比存在着一定的差异：由于再生骨料的表面有包裹着水泥砂浆，导致再生骨料的表面粗糙、棱角较多，使得再生骨料的表观密度较小，再生骨料颗粒间的空隙率较大，堆积密度大；同时再生骨料在破碎过程中从原混凝土中剥离出一些天然碎石，同时内部产生大量微裂纹，所以再生骨料的吸水率较大，坚固性差，压碎指标值较高，针片状颗粒含量降低。

（2）再生骨料的空隙率大、坚固性差、压碎指标值较高这些特点会影响再生骨料混凝土的强度和耐久性[8]；但是再生骨料表面粗糙，针片状含量较小，吸水率大，这些特点会使再生骨料与新的水泥砂浆有良好的黏结性，对于再生混凝土的成型有一定的积极作用。

（3）根据再生骨料性能的不同，我们可以用来生产满足不同需要、不同强度的再生混凝土，最大限度地利用废弃混凝土骨料。

（4）对于再生骨料的加工工艺，可以建议采用本试验的再生骨料加工方法用于工业大规模实践生产中，也可以针对再生骨料的不同需求改变加工工艺流程，尽量寻求最经济合理的加工工艺。

（5）今后可以进一步对再生骨料进行分类处理，提高再生骨料的品质，还可以对其进行改性处理，使再生粗骨料、再生细骨料的性能接近或优于天然骨料，以达到替代的目的。

参考文献：

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[2]Wu Xianguo，Guo Jingsun. The Study on the Application of recycled aggregate[J]. The Technology and Application of Building Materials，2004（1）：21～23.

[3]Huang Xingya.The recycled aggregate[J]. Scientific research，2009，5（1）：198～203.

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[5]Gu Rongjun，Yuan Jiang. The Study on the Production Technology of recycled aggregate[J]. Concrete and Cement Products，2010（1）：16～18.

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[8]Xiao Jianzhuang，Li Jiabin，Lan Yang.he latest developmentsand reviewed about regeneration of concrete technology[J]. Concrete，2003，10，17～22.