再生骨料类型对水泥混凝土性能的影响

鞠兴华，邱志军 ，Iqbal Marie

(1.陕西铁路职业技术学院，陕西 渭南 714000； 2.中交隧道局第二工程有限公司，陕西 西安 710100； 3.The Hashemite University, Zarqa 13115, Jordan)

0 引 言

在改建项目中，建筑垃圾作为一种主要的房屋建筑废弃材料，具有数量大、运输困难、处理成本高、环保性差及难以利用等问题[1-8]。由于建筑垃圾属于混凝土范畴，其自身性质接近于道路水泥混凝土的集料，这为其循环利用提供了可能[9-11]。道路领域学者针对建筑垃圾再生骨料混凝土开展了一定的研究：李惠强等[12]从制备工艺及应用方法出发，提出了建筑垃圾的再生利用方法；邱树恒等[13]利用建筑垃圾分别制备粗集料和细集料，并对不同规格再生骨料制备而成的水泥混凝土性能进行了研究；牛永宏等[14]通过将建筑垃圾应用于路基回填，得出了回填路基再生骨料的技术指标要求；周新锋等[15]研究了不同再生材料掺量的水泥稳定碎石的路用性能；魏华等[16]研究了以再生骨料作为基层材料的配比设计方法；郭远臣等[17]研究了含水率及砂浆含量对于再生骨料水泥混凝土性能的影响规律。由此可见，建筑垃圾的循环利用已经成为中国建筑行业可持续性发展的重中之重。

本文选用渭南某房屋重建项目的建筑垃圾，制备不同类型的再生骨料及其水泥混凝土试件，采用抗压强度试验、抗折强度试验等系统研究不同类型再生骨料对混凝土力学性能的影响规律，借助电子显微镜(SEM)分析再生骨料混凝土的微观结构。

1 试验原材料与方法

1.1 试验原材料

1.1.1 再生骨料制备

本文建筑垃圾取自渭南市某城镇规划改造项目，主要组成为混凝土碎块及砖石等。将建筑垃圾收集后进行再生骨料的制备，制备主要采用锤式破碎机进行， 再生骨料的制备工艺流程如图1所示。

图1 再生骨料制备流程

1.1.2 再生骨料级配分析

采用振动摇筛机对制备好的再生骨料进行筛分试验，发现再生骨料粒径级别主要集中于6～10 mm。

通过进一步筛分可得到再生骨料的具体级配组成，如表1所示。

表1 再生骨料级配组成

由表1可知，再生骨料中的混凝土和红砖颗粒粒径主要集中于2.36～9.5 mm之间，在后续应用中将根据该结果进行混凝土配合比调整。

1.1.3 其他材料组成

水泥采用山东山水水泥集团有限公司生产的P·O32.5水泥，粉煤灰采用河津市龙江粉煤灰开发利用有限公司生产的产品，外加剂采用河南克功建材有限公司生产的CaCl2早强剂，水采用渭南市饮用水。水泥的技术性能指标如表2所示。

表2 水泥的技术指标

1.1.4 试验用混凝土配合比

依据再生骨料混凝土的已有研究经验[18-21]，分别采用废弃混凝土及红砖2种再生骨料进行混凝土制备，再生骨料混凝土的水灰比主要为0.42，其配合比如表3所示。

表3 再生骨料水泥混凝土配合比

1.1.5 试件制备与养护

根据再生骨料水泥混凝土配合比准备各类原材料，依据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB T 50081—2002)分别制备抗压强度及抗折强度试验试件，抗压强度试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm。试件制备完成静置1 d后拆模放入标准养护室进行养护，养护龄期为7 d和28 d。

1.2 试验方法

1.2.1 再生骨料性能指标确定方法

本文主要选择表观密度、吸水率、压碎值及坚固性4个指标确定再生骨料在水泥混凝土中应用的可行性。再生骨料的表观密度、吸水率、压碎值及坚固性等指标依据《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)的相关试验流程进行测试。

1.2.2 再生骨料混凝土性能测试方法

再生骨料混凝土试件抗压强度及抗折强度试验按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30—2005)规定进行，其中抗压强度试验加载速度为0.5～0.8 MPa·s-1，而抗折强度试验加载速度为0.02～0.05 MPa·s-1。

1.2.3 SEM分析方法

为了能够更好地分析再生骨料混凝土的性能，借助5-3400N型扫描电子显微镜(SEM)对再生骨料混凝土的切片试件进行微观观测。为保证试件微观成像品质，试件切片预先进行了喷金处理。SEM分析图片采用1 000倍放大系数进行扫描。

2 试验结果与讨论

2.1 再生骨料性能分析

依据《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)分别对不同类型再生骨料的表观密度、吸水率、压碎值及坚固性进行测试，测试结果如表4所示。

表4 不同类型再生骨料的性能测试结果

通过分析表4可知，不同类型再生骨料的表观密度、质量损失率(坚固性)与天然骨料相差较小，均能够满足规范的相关要求，但吸水率、压碎比等指标与天然集料的差距较大，其中红砖再生骨料的吸水率比天然集料增大了144%，而质量损失增大了75%，表明再生骨料与天然集料在性能方面存在着较大差距。这主要是因为红砖类再生骨料内部孔隙较多，强度远小于天然集料，而混凝土再生骨料多呈现不规则形状，在应用过程极易因应力不均而造成破坏[22-23]。因此，为保证道路的使用寿命和路用性能，在使用过程中应将再生骨料用量控制在合理范围内。

2.2 再生骨料混凝土力学性能分析

依据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30—2005)对再生骨料混凝土试件分别进行抗压强度和抗折强度试验，试验结果如表5、图2所示。

表5 不同类型再生骨料混凝土抗压强度测试结果

图2 不同类型混凝土力学抗压强度

分析表5、图3可知，7 d养护时间条件下，旧混凝土再生骨料混凝土的抗压强度比天然骨料混凝土降低约4 MPa，抗折强度降低约0.6 MPa，但随着养护龄期的逐渐延长，二者差距逐渐缩小，当养护龄期达到28 d时，二者抗压强度的差距约为3 MPa，而抗折强度的差距约为0.25 MPa。这表明当养护龄期达到28 d时，再生骨料混凝土强度略低于天然骨料混凝土，能够满足规范对于再生骨料混凝土强度的要求[24]。

红砖再生骨料混凝土的力学性能略逊于旧混凝土再生骨料混凝土，但相差较小：7 d抗压强度降低幅度约为10%，28 d抗压强度降低幅度为3%；7 d抗折强度降低幅度约为5.5%，28 d抗折强度降低幅度为1.8%。这表明随着养护龄期的不断延长，再生骨料混凝土的力学性能差距逐渐缩小。

2.3 基于SEM分析的再生骨料混凝土微观表征

采用扫描电子显微镜对再生骨料混凝土切片试件进行不同放大倍数扫描，扫描图片如图3所示。

图3 再生骨料混凝土切片SEM

分析图3(a)可知，由旧混凝土再生骨料制备的混凝土材料内部水化程度良好，内部构造连续、稳定，但局部结构存在一定的孔隙，密实程度略微不足，但不影响整体结构密实。这可能是由于旧混凝土颗粒的掺加无法实现对于混凝土内部结构的填充，并阻止了部分水泥材料参与水化和内部填充，从而导致了内部孔隙的产生。

分析图3(b)可知，红砖再生骨料制备的水泥混凝土内部水化程度较高，而且红砖再生骨料能够与水泥、粉煤灰等材料形成的胶凝体系结合为整体，结构较密实，且存在大量网状的水化硅酸钙凝胶，样品断面处的水化产物呈现较为密实的均匀结构。这从微观层次反映出再生骨料可以很好地应用于水泥混凝土中。

3 结 语

(1)再生骨料与天然集料在性能方面存在着较大差距，为保证道路的使用寿命和路用性能，在使用过程中应将再生骨料用量控制在合理范围内。

(2)当养护龄期达到28 d时，再生骨料混凝土强度略低于天然骨料混凝土，但能够满足规范对于再生骨料混凝土的强度要求。

(3)再生骨料制备的水泥混凝土内部水化程度较高，而且再生骨料能够与水泥、粉煤灰等材料形成的胶凝体系结合为整体，较好地应用于水泥混凝土中。