碎砖骨料再生混凝土的抗冻性能试验研究

汤贝贝，王磊，宗兰，陈龙，张春（南京工程学院建筑工程学院，江苏 南京 211167）

碎砖骨料再生混凝土的抗冻性能试验研究

汤贝贝，王磊，宗兰，陈龙，张春
（南京工程学院建筑工程学院，江苏 南京 211167）

试验采用碎砖替代30%的粗骨料石子，制备碎砖骨料再生混凝土，通过与天然混凝土在冻融环境下的对比试验，研究碎砖骨料再生混凝土的抗冻性。试验结果表明：按C40强度等级设计30%取代率的碎砖骨料再生混凝土的立方体抗压强度基本接近设计强度；30%取代率的碎砖骨料再生混凝土的抗冻等级也可以达到D300。为碎砖骨料再生混凝土在工程中的应用提供了参考数据。

碎砖骨料；再生混凝土；抗压强度；耐久性；抗冻性

0　引言

随着城市化建设进程的加快，建筑不断更新，市政动迁规模不断加大，建筑垃圾量急剧增加，占用大量土地对生态环境造成严重的破坏；随着混凝土需求量的急剧增加，加剧了对有限的天然砂石骨料的开采，资源枯竭和环境破坏问题日益凸显。利用废弃砖块制备出高品质的再生骨料混凝土，既解决了“如何处理建筑废弃砖块”和“寻找砂石骨料的替代品”等问题，又保护了生态环境，促进混凝土材料的可持续发展，符合 “绿色建筑”的倡导精神。

混凝土的强度和耐久性是其两大基本特性，然而再生混凝土材料强度的研究结果显示基本能够满足设计使用要求，现在研究更多的是其耐久性。而我国的西北、华北、东北属寒冷地区，冻融循环作用往往是导致混凝土劣化、影响其耐久性的最主要因素之一。由于南京处于冬冷夏热地区，因此，再生骨料混凝土的抗冻融性直接关系到结构的安全和再生混凝土工程应用的耐久性。

本课题采用碎砖代替30%的粗骨料石子来制备高强度的碎砖骨料再生混凝土，对碎砖类骨料再生混凝土的配制方法、配合比设计和基本的力学性能进行了前期研究，研究结果显示：综合考虑其工作性能和力学性能，用碎砖取代30%的粗骨料为最佳。本课题在此基础上，进一步研究碎砖骨料再生混凝土的抗冻性，通过冻融循环实验，分析研究30%取代率的碎砖骨料再生混凝土的冻融循环破坏机理，实验测定出其抗冻等级，为碎砖骨料再生混凝土的工程应用取得相关的数据支持。

1　试验原材料

水泥：胶凝材料用南京中联水泥责任有限公司生产的中联牌42.5普通硅酸盐水泥。

粉煤灰：采用I级粉煤灰。

减水剂：本试验外加剂为聚羧酸系高效减水剂，减水率为25%。

水：混凝土拌和与养护用水为南京市江宁区饮用自来水。

细骨料：采用天然河沙，该天然河砂为中砂，含水率3%。

粗骨料：天然粗骨料采用碎石，粒径在5～25 mm。再生粗骨料取自南京市某三层砖混结构的住宅楼中拆除的碎砖。经过分拣、破碎、筛分等工艺，采用鄂氏破碎机破碎，加工制成碎砖再生骨料，粒径范围为5～25 mm。其各项性能见表1。

2　配合比设计

2.1细骨料砂的级配设计

试验中设计的天然砂级配见图1，表2。

2.2粗骨料的级配设计

试验中设计的粗骨料级配见图2，表3。

表1　天然粗骨料与再生砖骨料主要性能指标

2.3试验配合比设计

以C40混凝土配合比为基准，再生粗骨料取代率分别为0%、30%来配置天然骨料混凝土和碎砖骨料再生混凝土，粉煤灰掺量为10%，减水剂掺量为水泥的1.5%，附加水为碎砖质量的5%。

3　试验方案

表2　天然河砂配比设计

表3　再生碎砖骨料及天然骨料颗粒级配表

图1　天然砂级配曲线

图2　天然粗骨料和再生碎砖骨料级配曲线

试验采用《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》（GBT50082-2009）规范中的快速冻融法。采用100 mm×100 mm×400 mm规格的试件，每组试件应为3块，每种做两组。在标准养护室28 d龄期时开始进行冻融试验。每25个循环测一次混凝土试块的质量和横向基频，根据混凝土试件质量损失和相对动弹模量变化值及强度下降值来衡量混凝土抗冻性能。普通混凝土和30%取代率的碎砖骨料再生混凝土各预留两组试块，每组3个，做成150 mm×150 mm×150 mm的立方体抗压强度试块；分别测试其7 d和28 d的抗压强度。

4　试验结果分析

4.1抗压强度结果分析

碎砖骨料再生混凝土和普通混凝土7 d、28 d抗压强度试验数据见表4，其中强度比值为混凝土的7 d强度与28 d强度的比值。

由表4可知，碎砖骨料再生混凝土和普通混凝土的7 d和28 d抗压强度比在70%左右，这与普通混凝土的强度增长程度基本上是一致的。混凝土设计强度等级为C40，碎砖骨料再生混凝土的强度接近40 MPa，较普通混凝土28 d的抗压强度稍低一些。

表4　混凝土7 d和28 d的强度数据

4.2冻融循环实验现象

在标准养护室内或同条件养护的试件在养护龄期为24 d时提前将冻融实验的试件从养护地点取出，随后将冻融试件放在（20±2）℃的水中浸泡4 d后，在将试件装模入实验箱之前观察试件表面情况有：各试件表面光滑，无缺陷。实验过程中，随着冻融循环的次数上升，碎砖骨料再生混凝土的破坏是由表面、边角逐渐破坏。碎砖骨料再生混凝土冻融循环次数较少的情况下，试件外观破坏不明显，但随着次数达到150次以上，破坏开始较为明显，特别是靠近箱底的部位混凝土表面剥离现象更加明显。碎砖骨料再生混凝土的冻融循环和天然骨料的冻融循环都能够达到300次。冻融循环300次后再生混凝土表面呈现麻状，块状剥落，裸露出砖骨料。普通混凝土表面呈现麻状，但是骨料裸露情况不明显。冻融循环实验结束后表面见图3。

图3　碎砖骨料再生混凝土与普通混凝土冻融循环试验照片

4.3实验结果数据分析

冻融循环实验过程中30%取代率的碎砖骨料再生混凝土和普通混凝土的相对动弹模量和质量都在不断变化着，两者的相对动弹模量变化如图4所示，两者的质量损失如图5所示。

图4　冻融循环试验下相对动弹模量变化对比曲线图

图5　冻融循环试验下质量损失率变化对比曲线图

由图4可知，在冻融循环100次后，30%取代率的碎砖骨料再生混凝土和天然混凝土的相对动弹模量均有下降的趋势，前者下降的较后者稍快些；在冻融循环250次后，30%取代率的碎砖骨料再生混凝土的相对动弹模量较普通混凝土的下降速度增快。达到300次冻融循环后，30%取代率的碎砖骨料再生混凝土的相对动弹模量降低59%，接近破坏，而普通混凝土的相对动弹模量下降40%。破坏的主要原因是砖骨料裸露，混凝土表面空隙较多，吸水冻胀，导致破坏。

由图5可知，在冻融循环50次之前，30%取代率的碎砖骨料再生混凝土和普通混凝土的质量损失基本相同；在冻融循环75～225次，30%取代率的碎砖骨料再生混凝土的质量损失反而较普通混凝土的要小，在冻融循环100～200次之间，30%取代率的碎砖骨料再生混凝土的质量反而增大，这是由于碎砖骨料再生混凝土表面破坏，砖骨料裸露，空隙增大，吸水量增加，才导致质量损失出现负增长。冻融循环250次后，30%取代率的碎砖骨料再生混凝土破坏增大，其质量损失较普通混凝土开始增大。冻融循环300次后，碎砖骨料再生混凝土的质量损失是天然混凝土质量损失的两倍。

由此可以看出，高强C40，30%取代率的碎砖骨料再生混凝土和普通混凝土的冻融循环测试结果显示：在冻融循环200次，碎砖骨料再生混凝土与普通混凝土的破坏形式接近。

5　结论

（1）30%粗骨料取代率的碎砖骨料再生混凝土基本上满足高强混凝土的设计要求，按C40强度等级设计的碎砖骨料再生混凝土的立方体抗压强度基本上可以达到40 MPa。

（2）30%粗骨料取代率的碎砖骨料再生混凝土的抗冻等级可以达到D300，在冻融循环过程中，30%粗骨料取代率的碎砖骨料再生混凝土的相对动弹模量下降趋势较普通混凝土稍快些。在达到300次冻融循环后，碎砖骨料再生混凝土，达到破坏的边缘。

（3）30%粗骨料取代率的碎砖骨料再生混凝土在冻融循环100次后，其表面开始小范围剥离，冻融循环200次后，砖骨料开始裸露，空隙率增加，吸水增加，最终导致冻胀剥离；剥离界面主要是砖骨料破坏，而非砖骨料与胶凝材料的接触面破坏。

（4）试验结果达到预期目标，C40，30%粗骨料取代率的碎砖骨料再生混凝土的工程实际应用前景乐观。

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This experiment adopts the rubble to replace 30%of aggregate stones to prepare brick recycled concrete aggregate.Compared with natural concrete in the freeze-thaw environment test it studies frost resistance of recycled concrete aggregate.Experimental results show that:according to the grades of C40，the cube compressive strength of recycled concrete aggregate with 30%rubble is close to the design strength；The level of antifreeze of recycled concrete brick aggregate with 30%replacement ratio can also achieve D300.It provides reference data for brick recycled concrete aggregate in the engineering application.

brickbat aggregate；recycled concrete；the compressive strength；durability；frost resistance

江苏省住建厅科技研究项目（2013ZD07）；南京工程学院大学生科技创新项目（N20140914）；南京工程学院大学生科技创新项目（N20140901）。

汤贝贝（1992-），男，本科，土木工程专业。

（编辑：张岚嵘）（2015-4-19）