砖混再生粗骨料混凝土力学性能及工程应用研究

2020-09-12马昆林黄新宇胡明文彭琳娜张鑫全莫建红

硅酸盐通报 2020年8期

马昆林，黄新宇，胡明文，彭琳娜，徐剑，张鑫全，莫建红，曾乐

(1.中南大学土木工程学院，长沙 410075；2.中铁城建集团有限公司，长沙 410075； 3.湖南建工集团有限公司，长沙 410075；4.湖南建工环保有限公司，长沙 410075)

0 引言

随着我国城市化建设的不断进行以及居民居住条件的不断改善，城市既有老旧建筑物拆迁中产生了大量的建筑垃圾，占城市垃圾总量的30%至40%，并且呈逐年增长趋势[1]，严重污染了环境。与此同时，可用作混凝土原材料的天然砂石资源也在逐渐枯竭，很多城市已经颁布了天然砂石的禁采令，混凝土原材料获取途径减少，使其价格近年来一直呈上涨态势。目前，我国正大力推进环境保护和生态文明建设，提倡提高资源利用效率，大力发展循环经济[2]。因此对建筑垃圾进行资源化高效利用，不仅能减少环境污染，还能作为混凝土原材料的获取途径，具有重大的社会和经济意义。

再生混凝土是指将废弃混凝土经过一系列加工而制得的再生骨料以一定级配混合，部分或全部代替天然砂石骨料配制成的混凝土[3]。目前国内外学者对再生混凝土的相关性能展开了大量研究。在制备方法上，胡魁等[4]研究了砖砼骨料的分离技术；陈树建等[5]对再生骨料的配制方法进行分析，得出最佳配合比和成分比。在力学性能上，郭远新等[6-7]研究了骨料种类和水灰比对再生混凝土抗压强度的影响；唐德胜等[8-9]通过正交试验研究了再生混凝土抗折强度的影响因素；还有一部分学者[10-13]通过对再生骨料进行强化，从而提高再生混凝土的力学性能和耐久性能。

实际上，我国城市发展中的拆除建筑物多为砖混结构，由于分选工艺不完善以及加工成本等原因，此类再生骨料中含有大量的碎砖瓦和低强度混凝土，从而影响了再生粗骨料的品质。对于固废资源的利用应该结合其特点，因地制宜，高效率利用。在我国，中低强度混凝土(C30以下强度等级)使用量较大，这些混凝土对粗骨料的性能要求不高。本文结合湖南长沙市砖混结构拆除建筑垃圾生产的砖混再生粗骨料，制备了再生混凝土，研究了砖混再生粗骨料对中低强度混凝土力学性能的影响，并基于研究成果，进行了工程应用研究。

1 实验

1.1 原材料及性能

水泥(Cement，C)：兆山新星集团湖南水泥有限公司生产的P·O 42.5水泥，性能指标满足通用硅酸盐水泥(GB 175)的要求，水泥主要技术指标如表1所示。

粉煤灰(Fly Ash，FA)：湖南湘潭电厂的F类Ⅱ级粉煤灰。

矿渣(Slag，SL)：湖南湘潭钢厂提供的S95级磨细矿渣，水泥、粉煤灰以及矿渣的化学组成如表2所示。

砂子(Sand，S)：机制砂，细度模数3.1，表观密度2 670 kg/m3，砂子相关性能满足《建筑用砂规范》(GB/T 14684)要求。

普通石子(Gravel,G):采用两级配，石子粒径分别为5～16 mm和16～31.5 mm两种，石子相关性能满足《建设用卵石、碎石》(GB/T 14685)要求，分别采用5～20 mm和20～30 mm粒径的再生粗骨料(RCA)替代普通石子。再生粗骨料由湖南建工环保股份有限公司提供，实测性能及组成如表3所示。试验用砖混再生粗骨料如图1所示。

表2 水泥、粉煤灰及矿渣的主要化学组成Table 2 Main chemical composition of cement, fly ash and slag

表3 再生粗骨料主要性能指标及组成Table 3 Properties and composition of recycled coarse aggregate

图1 砖混再生粗骨料Fig.1 Brick-concrete recycled coarse aggregate

减水剂:聚羧酸高效减水剂(Polycarboxylate Superplasticizer，SP),减水率15.1%，固含量20.4%。

拌合用水(Water，W)：自来水。

1.2 试验方法

1.2.1 配合比设计

考虑到再生骨料的吸水率大对混凝土工作性能将产生不利的影响，本试验采用标准配合比设计和附加用水量配合比设计，分别记为B组和C组，各组配合比在水灰比和胶凝材料用量保持不变的前提下，使用砖混再生粗骨料代替天然石灰石粗骨料制备再生混凝土，将再生骨料的代替比率称为取代率。其中B组一共设置了7组配合比，编号为B1到B7，从B1到B7取代率分别为0%、15%、30%、45%、60%、75%和100%，其中B1取代率为0%，作为对照组。C组一共设置了6组配合比，编号为C1到C6。从C1到C6取代率分别为0%、20%、40%、60%、80%、100%，其中C1取代率为0%，作为对照组。附加用水的添加量通过再生骨料的吸水率和取代含量计算得到。标准配合比设计如表4所示，附加用水配合比设计如表5所示。

表4 再生混凝土标准配合比设计Table 4 Standard mix proportions of recycled concrete /(kg/m3)

表5 再生混凝土附加用水量配合比设计Table 5 Mix proportions of recycled concrete with additional water /(kg/m3)

1.2.2 性能测试

将原材料分别按上述配合比通过搅拌机进行拌和，并测试混凝土坍落度，然后分别成型尺寸为100 mm×100 mm×100 mm和100 mm×100 mm×300 mm的试块，1 d后拆模进行标养。按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)，分别对养护龄期为3 d、7 d和28 d的立方体试件进行抗压强度试验。按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)对养护龄期为28 d的棱柱体试件进行弹性模量和应力应变曲线测试。

2 结果与讨论

2.1 工作性能

图2 再生混凝土工作性能Fig.2 Workability of recycled concrete

图2为再生混凝土工作性能测试结果。从图2中可知，采用标准配合比制备的再生混凝土(B组)，随着再生粗骨料取代率的增加，尤其是当再生粗骨料取代率在30%以内时，混凝土坍落度迅速降低，当再生粗骨料取代率大于30%以后，混凝土坍落度均小于5 cm，混凝土呈现干硬状态，工作性较差。这是由于随着再生骨料掺量的增加，再生骨料具有较大吸水率，吸附了大量混凝土用拌合水，造成其工作性严重降低。

采用附加用水量方法制备的再生混凝土(C组)，随着再生骨料取代率的增加，混凝土坍落度有一定增大，但不显著，然而当再生骨料掺量大于80%以后，混凝土出现了泌水现象。这是由于随着附加用水量的增多再生骨料吸水速率降低[14]，水分在混凝土搅拌过程中尚未被再生骨料充分吸收，混凝土在拌合过程中自由水增多，造成坍落度有一定增加。此外本次试验所用的再生粗骨料粒径较大，掺量较大时细颗粒所占的比例减少，出现不良的骨料级配，也容易使混凝土拌合物出现泌水。

2.2 抗压强度

图3表示养护龄期对再生混凝土抗压强度的影响。由图3可知，再生混凝土与普通混凝土的强度发展规律相同，均为随着龄期的增长，混凝土强度逐渐增加，特别是在前7 d的强度增长较快。当龄期相同时，B组再生混凝土抗压强度均大于C组，这是由于B组中没有附加用水，B组水灰比低于C组，所以抗压强度比C组高。

图3 养护龄期对再生混凝土抗压强度的影响Fig.3 Influence of curing age on compressive strength of recycled concrete

图4表示再生骨料取代率对再生混凝土抗压强度的影响。由图4可知，相同龄期时，两组掺入不同含量再生骨料的再生混凝土抗压强度均小于普通混凝土。这是因为再生粗骨料的表面缺陷多并附带旧砂浆，与水泥浆体的粘结性差，所以掺入再生骨料会使抗压强度降低。然而随着再生骨料取代率的增加，再生混凝土的抗压强度并不呈现出逐渐降低的态势。当养护龄期为28 d时，在B组中，取代率为45%时的抗压强度下降程度最大，达到了30.4%；取代率为75%时的抗压强度下降程度最小，仅为11.6%，当再生骨料取代率达到100%时，抗压强度下降了26.1%。在C组中，取代率为60%时的抗压强度下降程度最大，达到了26.9%，取代率为100%时的抗压强度下降程度最小，为11.9%。这可能是因为再生骨料的掺入改变了混凝土中骨料的级配[15]，对强度造成了影响。强度测试还表明，两组混凝土的抗压强度均未出现随着再生骨料掺量的增大而显著降低的现象，这也说明对于中低强度的混凝土，破坏主要发生在界面过渡区，而再生粗骨料本身的性能对中低强度再生混凝土强度影响不大。

图4 再生骨料取代率对再生混凝土抗压强度的影响Fig.4 Influence of substitution rate of RCA on compressive strength of recycled concrete

2.3 弹性模量

图5 再生骨料取代率对再生混凝土弹性模量的影响Fig.5 Influence of substitution rate of RCA on elasticity modulus of recycled concrete

图5表示再生骨料取代率对再生混凝土弹性模量的影响。由图5可知，随着再生骨料取代率的增加，两组混凝土的弹性模量总体呈下降趋势，当取代率为100%时，B7的弹性模量为B1的76.1%，C6的弹性模量为C1的77.1%，分别降低了23.9%和22.9%。同时在相同取代率下，C组混凝土的弹性模量均小于B组。当取代率分别为60%、100%时，C组混凝土的弹性模量分别为B组的86.3%、86.5%，两组混凝土弹性模量下降程度相似。由于再生骨料比天然骨料有更多的内部缺陷，同时附着的旧砂浆孔隙率较高，当试件受压时，界面过渡区产生较大变形，使弹性模量降低，所以再生混凝土的弹性模量会随着取代率的增加而降低，同时C组混凝土由于额外附加用水使水灰比增大，过渡区和水泥浆体的孔隙率比B组混凝土高，所以C组弹性模量低于B组混凝土。

2.4 峰值应力与峰值应变

图6表示再生骨料取代率对再生混凝土峰值应力、峰值应变的影响。由图6可知，峰值应力随着再生骨料取代率的增加而降低,峰值应变随着再生骨料取代率的增加而增加。当取代率为100%时，B，C两组再生混凝土峰值应力分别降低了13.0%和21.9%，峰值应变分别增加了25.3%和14.9%。这是因为再生骨料的缺陷多，水泥浆体间的过渡区孔隙率高，造成强度降低。同时再生骨料的孔隙率高，弹性模量较低，造成峰值应变增加。

图7为再生混凝土应力应变曲线。由图7可知，再生混凝土从开始受压至破坏过程中，曲线由上升段和下降段两部分组成。在上升段中，随着再生骨料取代率的增加，曲线的斜率逐渐减小，因为曲线的斜率表示混凝土弹性模量的大小，再生骨料的掺入导致了弹性模量的降低。同时曲线在原点附近出现了轻微下凹，下凹程度随着取代率的增加逐渐增大。随着再生骨料掺量的增加，曲线下降段未见显著变化，这也说明，当砖混再生粗骨料应用于中低强度混凝土时，并未显著改变混凝土的受压应力应变曲线变化特征。

图6 再生骨料取代率对再生混凝土峰值应力、峰值应变的影响Fig.6 Influence of substitution rate of RCA on peak stress and peak strain of recycled concrete

图7 再生混凝土应力应变曲线Fig.7 Stress-strain curves of recycled concrete

2.5 工程实践

为了进一步对砖混再生骨料混凝土的工程应用性能进行研究，课题组采用附加用水量法设计了C25泵送砖混再生粗骨料混凝土，并对长沙市洋湖苑三期小区的混凝土路面采用了再生骨料混凝土进行施工。该小区道路长度150 m，平均宽度4 m，混凝土路面厚度250 mm，设计强度等级C25，设计28 d抗折强度不低于4.0 MPa，道路结构设计满足相应路面设计规范。

现场用混凝土配合比如表6所示，配合比设计中5～20 mm粒径全部采用砖混再生粗骨料，20～31.5 mm粒径采用石灰石碎石，再生粗骨料取代率为50%，所用原材料基本性能如表3所示，所用砖混再生粗骨料组成为碎混凝土∶碎砖∶碎瓷片∶木屑∶微粉∶泥块=57.8∶37.1∶2.5∶0.6∶1.5∶0.5。

表6 现场混凝土配比设计Table 6 Mix proportions of recycled concrete

现场施工时间为2019年7月30日下午3点，天气炎热，室外温度达38 ℃，施工的混凝土约160 m3，混凝土搅拌站距离施工现场25 km，运输时间约90 min，若出现坍落度损失较大的情况，计划采用二次添加外加剂法重新补充高效聚羧酸减水剂。再生混凝土出站时坍落度测试值为190 mm，到达现场后测试值为185 mm，无离析，无泌水，具有较好的和易性和可泵性。采用振动棒或者平板振动器进行混凝土施工，施工工艺按照普通混凝土路面要求进行。施工完毕后由于环境温度较高，水分蒸发量大，混凝土初凝后立即采用塑料薄膜覆盖并进行洒水养护，混凝土路面潮湿养护时间为7 d。图8为现场施工照片。

图8 现场施工照片Fig.8 Photos of construction site

最后对道路再生混凝土分别进行实验室标养测试和现场同条件下养护测试，其中养护至3 d、7 d和28 d时分别进行抗压强度测试，图9为再生骨料混凝土强度测试结果。试验结果表明，再生混凝土在实验室和现场的28 d抗压强度均大于25 MPa，满足C25混凝土的设计要求。养护至7 d和28 d时进行抗折强度测试，试验结果表明，再生混凝土在实验室和现场的28 d抗折强度均大于4 MPa，满足路面结构设计强度要求。路面取芯检查结果表明，混凝土均匀密实，砖混再生粗骨料在混凝土中分布均匀。因此，砖混再生粗骨料混凝土可以应用于C25道路路面[16]。