再生骨料性质检测与再生透水砖配合比设计

王欣弋 ，CS Chin,3，陆沈磊 ，夏骏 ,3

（1.西交利物浦大学土木系，江苏 苏州 215123；2.苏州建筑材料再生资源利用有限公司，江苏 苏州215155；3.西交利物浦大学可持续发展材料和环境研究院，江苏 苏州215123）

0 引言

随着城市建筑寿命达到设计周期和城市更新的要求，建筑拆除和重建项目产生了大量的建筑垃圾，其中一大部分是废弃混凝土。经估算，2017年我国的建筑拆除面积在4.7亿m2左右，产生的建筑垃圾总量估计超过19亿t。建筑垃圾的无害处理和再生应用成为了城市固废处理的重要课题。由于垃圾收集和处理的技术限制，基于建筑垃圾的混凝土再生骨料，特别是再生粗骨料的性质均一性较差，且相比天然骨料，其吸水率较高，压碎指标较高，通常只能用于低级别的混凝土或者道路垫层中，这限制了其大规模、高效益的应用。基于欧美的“低影响开发“理念，我国推出并已经在大力实践“海绵城市”建设。其建设对于透水性能良好的新型建筑材料有着大量需求。透水混凝土的强度要求比结构用普通混凝土低得多，且材料强度和骨料本身的强度相关性不大，主要取决于骨料间粘结水泥浆的强度，因此再生粗骨料在透水混凝土中的应用不仅具有经济优势和生态效益，在材料功能和结构应用上也具有技术可行性。在透水混凝土体系中使用再生粗骨料是促进城市建设可持续发展的重要技术路径之一。

经同时对再生骨料的性质监测和再生透水混凝土的配合比设计展开为期四期的研究，每期间隔一个月的性质监测，对骨料在级配、吸水率、压碎值和成分含量等方面进行定量的变异分析，然后基于特定一期的材料进行再生骨料透水混凝土的试配、强度、透水性的测试，验证了材料配合比设计和基本性质。

1 骨料性质监测

再生混凝土粗骨料作为再生混凝土产品中最重要的一环，其骨料性质决定了混凝土产品质量的好坏。然而由于再生骨料的进货渠道和生产方式不同，导致了再生骨料具有级配不稳定，骨料的吸水率及密度较天然骨料偏大，骨料中的成分多变，含泥量较多等特点。为研究再生混凝土粗骨料的骨料性质变化，本项目对苏州某再生骨料生产单位生产的四个月份（1月至4月）的再生混凝土粗骨料进行了监测。针对骨料的级配、表观密度和吸水率、骨料压碎值以及再生骨料的成分分析进行了细致的测试。本次骨料性质监测旨在监测作为粗骨料的建筑废料的性质变化，故在每个月的骨料检测之前，都进行了浸泡及烘干处理，去除了再生骨料在生产、装填以及运输中可能携带的土块和粉末。对再生骨料的筛分分析，表观密度和吸水率，依照GB/T 17431.2-2010《轻集料及其实验方法》中的所述方法进行实验。实验结果对比国家标准GB/T25177-2010《混凝土用再生粗骨料规范》。骨料检测的结果如下。

1.1 级配检测（图1）

图1 1月至4月再生粗骨料筛分分析结果

表1 1至4月份再生骨料的吸水率表观密度及压碎值

从图1可知，四个月间骨料的级配曲线大致相同。实验结果基本满足GB/T25177-2010《混凝土用再生粗骨料规范》的要求。从检测的结果来看，相对于1至3月，4月份的再生粗骨料里有大约 10%的骨料颗粒直径小于5 mm。3、4月份的试样中包含了直径大于14 mm的骨料颗粒，且3月份试样中含有的大粒径骨料颗粒最多。总体来看，1至3月份的再生粗骨料级配更为连续。

1.2 表观密度和吸水率

1月份至4月份再生粗骨料的吸水率及表观密度检测结果如表1所示。从表中的实验结果可知，无论哪个月份，再生粗骨料的吸水率均高于天然骨料。2月份的骨料具有最高的吸水率（7.87%）。而从骨料的表观密度性质来看，1月至4月的再生骨料表观密度变化不大，波动范围从2 620～2 680 kg/m3。依照《混凝土用再生粗骨料规范》中的要求，1～4月的骨料按吸水率来看，均属Ⅲ类骨料。

1.3 粗骨料压碎值

粗骨料压碎值是粗骨料抵抗压碎的性能指标，与混凝土的抗压强度有着直接的关系。压碎值越小表明该骨料的抗压碎能力越高，骨料颗粒更为坚固。作为检验粗骨料质量的重要标准之一，研究人员检测了每个月送来的再生粗骨料的压碎值。表1列出了实验结果。由试验结果可知，四个月份的粗骨料压碎值呈递减趋势。1月份骨料的压碎值最高，为16.87%，而4月份的骨料压碎值最低，为14.50%。依照《混凝土用再生粗骨料规范》中的要求，1至4月份的骨料按压碎值来看，均满足Ⅱ类骨料标准。

1.4 再生粗骨料成分分析

与天然骨料不同，再生粗骨料是对各类建筑垃圾粉碎筛分处理后制成的，骨料的颗粒种类不单一，不仅仅有碎石子和粉碎后的混凝土颗粒，还可能含有碎砖块、沥青颗粒、碎玻璃等各类材料残渣。因此对再生粗骨料进行成分分析，研究每月骨料的成分变化，也是检验再生粗骨料性质，保证用其制成的混凝土产品合格的重要环节之一。

表2列出了1月至4月份再生粗骨料成分分析结果。在表2中，Rc表示混凝土产品或混凝土砌块的碎块，Ru表示天然骨料或天然石块，Rb表示碎砖块或瓷砖碎片，Ra表示沥青材料颗粒，Rg表示玻璃碎片，X则表示除以上材料外的杂质。

由表2可知，大部分再生粗骨料的成分为天然碎石以及混凝土碎块。四个月的检测结果都表明，天然碎石以及混凝土碎块在骨料中的占比大于80%。1月份骨料中，天然碎石占比较高，达到了62.24%，而其他几个月的再生骨料中，占比最高的成分均为混凝土碎块。4月份骨料中天然碎石和混凝土碎块的总含量最低，意味着其他材料例如碎砖块、沥青料和碎玻璃的含量相对更高。同时也说明4月份的原料中含有的杂质较多。

2 再生透水混凝土配合比设计

本次实验目的为研究使用再生粗骨料制备的透水混凝土的最佳配合比设计。根据对四个月份的再生骨料的检测结果可知，3月份的骨料相对于其他三个月，颗粒级配最符合国家标准GB/T25177-2010，吸水率较低（6.61%），压碎值较低（15.68%），且骨料中大部分为混凝土碎块，其他杂质含量较低，具有代表性。因此在透水混凝土配合比设计的实验中，选用3月份的骨料作为实验用骨料，并且不掺加天然粗骨料以及任何细骨料。为保证实验的一致性，骨料在使用前均进行了筛分及冲洗，除去骨料中含有的泥土和少量细骨料，并保证骨料在使用前处于饱和表面干燥状态。骨料的粒径范围控制在7～14 mm之间。

本次实验中，所有试块均采用浇注成型,浇筑过程中仅使用振动台微振而不对试块顶部施加压力。浇筑1 d后拆模并将试块放入恒温室中，温度设定为25℃，湿度为90%。试块为100 mm×100 mm×100 mm的立方体以及直径75 mm，高70 mm的圆柱体，用来检测再生透水混凝土的抗压强度和透水率。本次实验依照国家标准GB/T 25993-2010《透水路面砖和透水砖》中的标准方法对试样进行检测。

2.1 配合比设计

根据《高强混凝土透水砖的研制》[5]中的正交设计试验，制备高强透水混凝土时，骨灰比是主要的影响因素，其次是骨料粒径，再次是水灰比。本次实验中的配合比设计采用了如下方法：①确定骨灰比范围；②确定水灰比范围；③确定单位体积混凝土中的水泥用量。由于本次实验的骨料粒径确定为7～14 mm，故骨料粒径变化的影响因素不考虑在内。骨灰比的范围确定为3.2～4.2，水灰比的范围确定为0.25～0.3，而水泥用量则固定为340 kg/m3。由此可得四组再生透水混凝土的配合比，如表3所示。

2.2 再生透水混凝土抗压强度和透水率

为快速确定透水混凝土配合比的优劣，本实验对四组再生透水混凝土的7 d及28 d抗压强度以及透水率进行了测试。实验结果如表4所示。

表 3 再生透水混凝土配合比设计表（kg/m3）

表4 再生透水混凝土在养护7 d与28 d 时的抗压强度和透水率

由试验结果可知，在这四组实验中，第1组配比制成的再生透水混凝土具有最高的抗压强度8.50 MPa（7 d），10.43 MPa（28 d）以及最低的透水系数0.370 cm/s，而第2组的混凝土试块则有最低抗压强度 3.36 MPa（7 d），4.27 MPa（28 d）以及最高的透水系数2.357 cm/s。从两个时间段测得的混凝土抗压强度可知，再生透水混凝土在28 d时的强度比7 d时增长约30%。四组实验的透水系数检测结果均满足国家A类标准（≥2.0×10-2cm/s）。

图2为四组再生透水混凝土在养护7 d以及28 d时的抗压强度与透水率关系图。图中各点为四组实验的结果，虚线为趋势线。由图可知，对于透水混凝土来说，透水率与抗压强度基本呈反比例关系，当抗压强度增加时，透水率会相对应的减小。而无论在第7 d或28 d时，处于趋势线外侧的第3组试块均具有相对较高的抗压强度以及透水率，其配合比即为再生透水混凝土的最佳配合比。

图2 再生透水混凝土的透水率与抗压强度关系

3 结论

对1月份至4月份的再生混凝土粗骨料进行检测，并使用3月份骨料进行再生透水混凝土配合比研究后，可得出以下结论：

（1）四个月份的骨料级配均较好，基本满足国家规范要求；每个月份的骨料间吸水率、表观密度以及压碎值相差不大。

（2）四个月份的骨料吸水率均满足Ⅲ类骨料要求，而压碎值则均满足Ⅱ类骨料标准。综合来看，四个月的骨料属于Ⅲ类再生粗骨料。

（3）在对再生透水混凝土的配合比的研究中，根据实验结果可得出单位体积混凝土最佳配合比：骨料含量1 258.00 kg/m3、水泥含量340.00 kg/m3、水含量为91.80 kg/m3。