废弃混凝土作为再生粗骨料对新拌混凝土性能的影响

2020-09-12张鹏程朱方尺王学兵潘志华

硅酸盐通报 2020年8期

李唱，张鹏程，朱方尺，王学兵，潘志华

(1.湖北文理学院土木工程与建筑学院，襄阳 441053；2.湖北文理学院理工学院，襄阳 441025； 3.南京工业大学材料科学与工程学院，南京 210009)

0 引言

建筑垃圾是指在建筑活动过程中所产生的渣土、弃土、弃料、淤泥及其他废弃物。这些建筑垃圾随意堆放时，不仅侵占了大量土地，还会造成环境的污染。但是，城市在建设、改造过程中难免会产生大量废弃混凝土等建筑垃圾，若不进行有效利用，将会严重影响城市的进一步发展。

为了有效利用废弃混凝土，通常将其破碎后制成再生混凝土来进行资源化利用。许元[1]通过研究不同粒径的再生骨料制备的混凝土发现5～40 mm的再生混凝土试块强度要略高于5～31.5 mm和5～20 mm的再生混凝土；但是李九苏等[2]也研究了再生骨料最大公称粒径对再生混凝土抗压强度和抗折强度的影响，并认为再生骨料的较小的公称粒径因增大总表面积，从而提高了粘聚力和混凝土的强度，因此建议采用4.75～16.00 mm的连续级配；肖建庄等[3]检测出再生细骨料的级配曲线不满足现行国家规范的要求，经适当人工级配调整后将符合规范的再生细骨料掺入混凝土后，在28 d养护龄期时，再生骨料完全取代骨料时混凝土的强度降低了50%；李孝忠等[4]考虑多种因素研究了再生混凝土抗折强度的关键影响因素，发现再生粗骨料取代率与粗骨料级配是再生混凝土抗折强度的主要影响因素，但是来源不同的再生粗骨料的性能也与原生混凝土的性能有关[5]；张学兵等[6]认为将原始混凝土破碎成最大粒径为20 mm的颗粒是合适的；古松等[7]研究了再生骨料替代率分别为0%、50%、70%和100%的再生混凝土在不同龄期(3～28 d)的立方体抗压强度。

目前，将废弃混凝土用在建筑材料上的使用范围比较广泛，但是从经济效应来说，废弃混凝土的进一步处理将会影响其使用成本。考虑到废弃混凝土的产量巨大和资源化再利用的需要，本文通过深入研究再生废弃混凝土作为粗骨料对新拌混凝土性能的影响及其大量消耗的可能性。目前关于再生粗骨料的研究主要是利用再生粗骨料制备出混凝土后测定其28 d强度，通过该指标研究混凝土中再生粗骨料对整体性能的影响。但是，由于再生粗骨料中复杂的微观结构，它对混凝土性能的影响可能是持续的。因此，本文的研究主要是以掺加再生粗骨料的混凝土在90 d的强度发展为基础，研究再生粗骨料的掺量、最大粒径以及颗粒级配等对混凝土性能的影响。

1 实验

1.1 原料

水泥：复合硅酸盐水泥，PC 42.5；细骨料：天然黄砂，细度模数为2.4，表观密度为2.61 kg/m3，堆积密度为1.43 kg/m3；再生粗骨料：最大粒径为31.5 mm，表观密度为2.46 kg/m3，堆积密度为1.36 kg/m3，吸水率为4.74%；天然粗骨料：最大粒径为31.5 mm的卵石，表观密度为2.62 kg/m3，堆积密度为1.64 kg/m3；水：自来水，密度为1 000 kg/m3。

砂、天然粗骨料以及废弃混凝土经过颚式破碎机破碎后的再生粗骨料，遵照GB/T 14685—2011《建筑用卵石、碎石》的方法检测再生粗骨料的颗粒级配，其级配满足上述国标连续级配的要求，结果如表1和表2所示。

表1 砂的颗粒级配Table 1 Particle grading of sand

表2 天然粗骨料和再生粗骨料的颗粒级配Table 2 Particle grading of natural coarse aggregate and recycled coarse aggregate

1.2 实验过程

1.2.1 混凝土配合比设计

遵照标准JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》，经计算，确定混凝土的配合比为：水泥∶砂∶石∶水=1∶2.22∶4.21∶0.6，在添加再生粗骨料时通过含水率的比例计算混凝土的施工配合比。

1.2.2 混凝土坍落度试验

遵照国家标准GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》，取混凝土分三层倒入坍落筒中，并用捣棒插捣大约25次。提起坍落度筒后，测量坍落后的混凝土试件最高点和筒高之差并将其作为坍落度值。

1.2.3 混凝土试块成型及养护

遵照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》，将新拌混凝土倒入尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的模具中，经机械振实后表面抹平，并放入温度为(20±5) ℃，相对湿度大于50%的室内静置1 d后，拆模并放入温度为(20±2) ℃，RH>95%的标准养护箱中养护至28 d和90 d后测定其抗压强度。

1.2.4 激光拉曼光谱测试

采用Finder One微区激光拉曼光谱仪(北京卓立汉光)，其分辨率≤2 cm-1，主要测定混凝土中硅酸盐和碳酸盐以及硫酸盐的变化。

2 结果与讨论

2.1 再生粗骨料的掺量对混凝土性能的影响

将废弃混凝土用颚式破碎机破碎后以不同的掺量掺入新拌混凝土中，研究新拌混凝土的性能随掺量的变化规律，其坍落度结果如图1所示。

普通混凝土的坍落度为67 mm，当混凝土中粗骨料为再生骨料所代替时，随着粗骨料中再生粗骨料掺量的不断增大，混凝土的坍落度逐渐降低。当粗骨料全都替代为再生粗骨料时，混凝土坍落度减少了75%。在实验中粗骨料主要采用的是卵石，其外形比较光滑规则。而加入再生粗骨料后，再生粗骨料具有一定的棱角。由于粗骨料中卵石比废弃混凝土再生粗骨料的表面光滑，其含有针片状的骨料比废弃混凝土再生粗骨料的含量少，因此随着再生粗骨料含量的增加，新拌混凝土的和易性逐渐变差。

图1 新拌混凝土的坍落度随再生粗骨料掺量的变化Fig.1 Slump change of fresh concrete with the content of recycled coarse aggregate

图2 不同龄期混凝土的强度随再生粗骨料掺量的变化Fig.2 Strength change of concrete with the content of recycled coarse aggregate in different ages

为了研究掺加再生粗骨料的混凝土强度演变规律，本文研究了不同配合比的混凝土在28 d和90 d的抗压强度，其强度结果如图2所示。

由图2看出，随着再生粗骨料掺量的不断增加，其28 d抗压强度和90 d抗压强度均逐渐降低。当混凝土中粗骨料形状越接近立方体或者球体时，粗骨料作为混凝土的骨架，其粗骨颗粒之间的孔隙越小，混凝土越密实。当再生骨料作为粗骨料时，其形状主要为针片状骨料，其粗骨颗粒间的孔隙较大。新拌混凝土硬化后，混凝土的强度和孔隙率呈现正相关规律[8]。卵石骨料更接近于立方体或者球体，而废弃混凝土作为再生骨料更接近于针片状，因此混凝土强度随着废弃混凝土再生骨料含量的增加而降低。但是，从28 d抗压强度和90 d抗压强度的增长率来看，随着再生粗骨料的增加，其强度增长率逐渐增加。

2.2 再生粗骨料的最大粒径对混凝土性能的影响

根据筛分法将再生粗骨料的最大粒径分别控制在26.5 mm、19.0 mm和16.0 mm，然后均按照70%的掺量掺入新拌混凝土中，新拌混凝土的坍落度如图3所示。

由图3可以看出，随着再生骨料最大粒径的降低，其坍落度也逐渐降低。当骨料的最大粒径降低时，其总比表面积升高，保证一定厚度润滑层所需的水泥浆数量增加，所以其和易性逐渐降低。

图3 掺不同最大粒径的再生粗骨料的新拌混凝土的坍落度Fig.3 Slump of fresh concrete mixed with recycled coarse aggregate with different maximum particle sizes

图4 掺加不同最大粒径的再生粗骨料的混凝土强度变化Fig.4 Strength change of concrete mixed with recycled coarse aggregate with different maximum particel sizes

将该新拌混凝土经标准养护后检测28 d抗压强度和90 d抗压强度，其强度结果如图4所示。

当再生粗骨料的最大粒径不断降低时，其抗压强度逐渐降低[9-10]。当废弃混凝土再生粗骨料的粒径较小时，将会大幅度增加新拌混凝土中骨料的表面积，用于包裹骨料表面的水泥浆体将会减少。当骨料粒径不断增大时，大颗粒的再生骨料成为混凝土的主要骨架，从而增加了混凝土的抗压作用；骨料粒径增加导致的表面积下降也会使骨料表面的水泥浆量相对增加，从而增大骨料之间的黏结强度[11]。因此，随着废弃混凝土作为再生粗骨料的粒径的增加，混凝土的28 d和90 d的强度也逐渐增加。从强度增长率可以看出，再生粗骨料的最大粒径从16.0 mm增长到26.5 mm后，其强度增长率增加较多。当最大粒径达到26.5 mm后，其90 d抗压强度比28 d抗压强度增加了30%。

2.3 不同级配的再生粗骨料对混凝土性能的影响

图5 掺加不同级配的再生粗骨料的新拌混凝土坍落度变化Fig.5 Slump change of fresh concrete mixed with recycled coarse aggregate with different grading

将废弃混凝土通过筛分法去除16.0～19.0 mm的粒径部分变为间断级配的再生粗骨料，然后将废弃混凝土再生粗骨料替换30%卵石，比较连续级配和间断级配在相同条件下的坍落度变化，其结果如图5所示。

由图5看出，掺加在新拌混凝土中的再生粗骨料的级配为间断级配时，其坍落度会大于连续级配中的坍落度。从文献[12]知，由于间断级配往往具有更小的孔隙率，可以使更多的浆体用于混凝土的流动，从而改善新拌混凝土的和易性。

掺加间断级配的再生骨料的混凝土成型后经标准养护，分别检测其28 d抗压强度和90 d抗压强度，其结果如图6所示。

一般来说，当不具备连续级配的碎石时，可以采用间断级配[13]。由图6可以看出，当掺加在混凝土中的再生粗骨料为间断级配时，其28 d抗压强度和掺加连续级配粗骨料的混凝土的强度相近，但是从90 d抗压强度的增长率来说，间断级配的混凝土的强度增长率更大。

图6 掺加不同级配的再生粗骨料的混凝土强度变化Fig.6 Strength change of concrete mixed with recycled coarse aggregate with different grading

2.4 间断级配再生粗骨料掺量对混凝土性能的影响

将废弃混凝土通过筛分法去除16.0～19.0 mm的粒径部分变为间断级配的再生粗骨料，然后将废弃混凝土再生粗骨料分别替换30%和60%卵石，比较掺加不同间断级配在相同条件下的坍落度和强度变化，其结果如图7所示。

从图7(a)看出，不同掺量的间断级配的再生骨料的新拌混凝土的坍落度比较相近，两者没有较大的区别，究其原因主要是间断级配本身具有较高的坍落度，所以当掺量增加时，其坍落度的变化不明显。从图7(b)可以看出，不同掺量的间断级配的再生骨料的混凝土强度变化规律与连续级配的再生骨料的混凝土强度变化一致，即均是随着再生粗骨料的掺量的增加，混凝土的强度逐渐降低；而从不同龄期的混凝土的强度发展来看，其结果也与连续级配的混凝土的变化趋势一致，即随着掺加再生粗骨料的含量的增加，混凝土的强度增长率也逐渐增加。

图7 掺加不同掺量的间断级配再生粗骨料的新拌混凝土坍落度和强度变化Fig.7 Slump and strength change of fresh concrete with different content of recycled aggregate with discontinuous grading

2.5 再生粗骨料对混凝土的性能影响机理研究

再生粗骨料对强度发展有影响的主要是再生粗骨料中未水化水泥的水化过程和再生粗骨料本身的吸水力。

2.5.1 再生粗骨料中未水化水泥的水化过程

将废弃混凝土通过多次颚式破碎机破碎，然后经过0.15 mm筛子过筛，将过筛后的废弃混凝土中水泥细粉加水搅匀后分别于0.5 h、3 h、1 d进行激光拉曼光谱分析，并与纯水泥细粉加水搅匀后的水泥浆的激光拉曼光谱结果进行对比，结果如图8所示。

图8 纯水泥浆和再生粗骨料粉料浆的激光拉曼光谱Fig.8 Laser Raman spectra of pure cement paste and waste concrete powder paste

从图8可以看出，纯水泥浆在水化前期有较多的晶体，而废弃混凝土粉料浆在水化前期主要以较多的馒头峰为主，而且这种馒头峰的含量随着时间的增加逐渐增加。这主要是由于废弃混凝土粉料浆通常经过较长时间水化，但与此同时，其中的C-S-H也有较大程度的脱水。当废弃混凝土粉料重新加水后，废弃混凝土粉料又进行吸水，从而使胶凝物质增加。但是，与纯水泥浆相比，废弃混凝土粉料浆的水化程度明显较小。而当再生粗骨料掺入混凝土中时，再生粗骨料中可水化的水泥部分粘附在骨料上，从而使其中的水泥可水化部分的水化速率远小于纯水泥的水化速率，所以对于混凝土中的强度贡献主要为其中再生骨料的粒型。由于图8中的衍射峰主要存在于200～1 200 cm-1，为了较好地分析其中的原因，将图8中的局部进行放大，结果如图9所示。

图9 纯水泥浆和再生粗骨料粉料浆的激光拉曼光谱局部Fig.9 Laser Raman partial spectra of pure cement paste and waste concrete powder paste

从图9看出，纯水泥浆的水化产物和再生粗骨料粉料浆的产物有较大不同。纯水泥浆在0.5 h时有硅酸三钙和石膏等的衍射峰，这是水泥的原始矿物组分，随着水化时间的增加，水化程度增加，其中的硅酸三钙和石膏最终进行了化学反应，形成了CH。而CH遇空气中的CO2，从而形成方解石。其中形成的钙矾石较少，未检测到。在再生粗骨料粉料浆中有CH和方解石的衍射峰，这说明在该过程中也出现了未水化的水泥颗粒重新进行了水化，而表面形成的CH也可以发生碳化，从而导致水泥颗粒中出现方解石的衍射峰。经分析，再生粗骨料中的粉料物质仍具有一定的水化作用，在水化过程中也会形成CaCO3，这两部分均能导致再生粗骨料仍出现强度的发展。

2.5.2 再生粗骨料本身的吸水力

与卵石-碎石等相比，再生粗骨料的孔隙率较大[3]。而且，由于大部分建筑在使用或拆除过程中均是在干燥环境下进行的，因此再生粗骨料经长时期的水化和干燥过程后，再生粗骨料内部孔中的水分较少。当废弃混凝土作为再生粗骨料时，虽然体系的水灰比是一定的，但其中水的存在形式并不一致。由于再生粗骨料的表层孔在新拌混凝土中已经开始吸水，从而使新拌混凝土中的游离水降低，导致其和易性降低。在混凝土成型后，再生粗骨料内部的孔中继续吸水，从而使水泥浆中的水灰比降低，进而导致混凝土的强度逐渐增加。