砖混再生细骨料再生砂浆性能及工程应用

2021-09-12马昆林莫文波莫建红彭琳娜申景涛胡明文张鑫全王春娥

铁道科学与工程学报 2021年8期

马昆林，莫文波，莫建红，彭琳娜，申景涛，胡明文，张鑫全，王春娥

(1. 中南大学土木工程学院，湖南长沙410075；2. 湖南建工环保有限公司，湖南长沙410075；3. 湖南建工集团有限公司，湖南长沙410075；4. 中铁城建集团有限公司，湖南长沙410075；5. 长沙市建筑节能与绿色建筑产业技术创新战略联盟，湖南长沙410011)

我国基础设施与城镇化进程的飞速发展导致天然砂石等资源正逐渐枯竭[1]，与此同时，早期建设的大量砖混结构物正面临拆除重建，产生了大量砖混结构拆除建筑垃圾[2]。将建筑垃圾进行破碎、筛分制成再生骨料使用，既可消耗建筑垃圾，又可节约天然砂石资源[3]。建筑垃圾的再生利用已成为国内外研究热点。刘相阳等[4]研究了废弃混凝土再生细骨料不同掺量对再生砂浆工作性能和强度的影响，并通过回归分析，提出再生骨料砂浆抗压与抗折强度之间的关系。DING 等[5]研究了不同来源废弃混凝土再生细骨料完全替代天然砂制备的砂浆，测试了再生砂浆工作性和力学性能。DUAN 等[6]研究了不同来源再生骨料的性能，发现了不同来源的再生骨料性能差异较大，质量好的再生骨料可用于生产高强混凝土。CORINALDE‐SI[7]研究了再生细骨料砂浆与砌体之间的黏结强度，并发现再生细骨料砂浆在砂浆与砖的黏结强度和砌体组合抗剪强度方面优于普通砂浆。ZHAO等[8]研究了废弃混凝土再生细骨料含水状态和替代率对砂浆性能的影响。RAINI 等[9]研究了砖混再生细骨料掺量对砂浆性能和砂浆微观结构的影响，研究表明，15%掺量的砖混再生细骨料对砂浆的力学性能和微观性能没有负面影响。综上，研究人员对废弃混凝土再生细骨料进行了较多研究，相比较废弃混凝土制备的再生细骨料，砖混再生细骨料中含有黏土砖、旧砂浆、瓦碎粒等，具有空隙率高、吸水率大、压碎指标大等特点[10−14]，对砖混再生细骨料的性能及其对砂浆性能的影响还需进一步开展。基于此本文对砖混结构拆除建筑垃圾加工生产的再生细骨料基本性能及其对砂浆的影响进行了研究，并结合研究成果进行了工程应用。

1 试验

1.1 原材料及配合设计

1.1.1 原材料

水泥(Cement，简称C)：中联水泥有限公司出品的42.5 基准硅酸盐水泥(P·I 42.5 水泥)，符合GB8076—2008 标准，其化学和物理性质如表1 所示。粉煤灰(Fly ash，简称FA)：湖南湘潭电厂的F类II 级粉煤灰；砂子(Sand，简称S)分别采用中国ISO 标准砂，符合GB/T17671—1999 标准，砖混再生细骨料由湖南建工环保科技有限公司生产，课题组在不同工地进行取样，分别命名为B和C进行试验，再生砂性能指标见表2所示，再生砂以破碎砖瓦和砂浆为主，再生砂照片见图1。水(Water，简称W)：试验拌合用水为可饮用自来水。外加剂：采用课题组自行研发的再生砂浆专用外加剂。

图1 试验所用砖混再生细骨料Fig.1 Brick-concrete recycled fine aggregates(BCRFA)

表1 水泥的化学和物理性质Table 1 Chemical and physical properties of cement

表2 天然砂和再生细骨料主要性能指标Table 2 Properties of recycled fine aggregate and natural sand

表2是试验用标准砂和砖混再生细骨料主要性能指标。由表2可知，与标准砂标相比，砖混再生细骨料(BCRFA)的堆积密度、表观密度和抗压强度显著降低，空隙率、压碎指标、含泥量、坚固性指标和砂浆的需水量比明显增大。这是由于砖混再生细骨料中含有碎砖、碎瓦和旧砂浆，从而导致其基本物理性能低于天然砂。

1.1.2 配合比设计

为探究再生砖混细骨料掺量对砂浆流动性(扩展度)、抗压强度和抗折强度的影响，将B，C 2 种再生细骨料分别以0，20%，40%，60%，80%和100%的掺量取代标准砂，固定水泥用量540 g 和砂子用量1 350 g。B1～B5 和C1～C5 组用水量采用B5 和C5 组砂浆流动度为(130±2) mm 时的用水量，分别为340 g 和390 g，B0 和C0 组用水量为流动度为(130±2) mm 时的用水量，分别为189 g 和195 g。

为研究再生砖混细骨料的工程应用性能，本文采用再生细骨料制备水泥粉煤灰抹灰砂浆，试验配合比设计胶凝材料290 kg/m3，粉煤灰掺量15%，外加剂用量2.67 kg，将B，C 2 样本均以15%，30%，45%和60%等质量取代标准砂掺入砂浆中，以B-M-1～B-M-4 和C-M-1～C-M-4 表示，共分为9组，其中天然砂浆标准组作为对照组。将砂浆稠度控制在70～80 mm，以确定拌合需水量，并测定强度。

1.2 试验方法

1.2.1 砂浆流动度试验

在实验之前，对实验仪器进行检查。检查无误后，按照GB—T7671 规范制备砂浆拌合物，将拌合好的砂浆分2层迅速装入加模套的试模，压捣完毕后，取下模套，垂直轻提锥形模，开启跳桌，结果取垂直方向上的算术平均值。具体操作参照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》JGJ/T 70—2009测试。

1.2.2 砂浆强度试验

根据《水泥胶砂强度检验方法(ISO 法)》GB/T 17671—1999 标准以及表3 砂浆配合比, 制备40 mm×40 mm×160 mm 棱柱体试件，每组3 个试件，室内养护24 h 后脱模，进行标准养护，达到28 d龄期后，取出试件。进行抗折和抗压强度测试。根据表4 抹灰砂浆配合比设计，制备70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 立方体试件，每组试件3 个，试件24 h 后脱模，进行标准养护。达到28 d 龄期后，取出试件在万能压力机上进行抗压强度试验，直至试件破坏，记录破坏荷载。具体试验步骤见JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》。

表3 配合比设计表Table 3 Design of mix proportion

1.2.3 砂浆稠度试验

稠度试验按照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》JGJ/T 70—2009 进行。按表4 抹灰砂浆配合比设计表，配制砂浆拌合物，将适量砂浆装入试验容器，人工整平并振捣，调整仪器使试锥尖端与砂浆表面刚接触，拧松螺丝并计时，10 s时立即拧紧螺丝，读取下降深度，即为稠度值。

表4 抹灰砂浆配合比设计表Table 4 Design table of plastering mortar mix ratio

1.2.4 砂浆保水性试验

砂浆保水性试验按照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》JGJ/T 70—2009 进行。按照表4 配合比设计表，制备砂浆。为模拟施工条件，砂浆搅拌时间不少180 s。试验开始，分别称取干燥试模和不透水片总重、滤纸重量。取适量砂浆放入试模中修整，之后迅速称量试模、不透水片和砂浆三部分的总重。在砂浆表面覆盖棉纱，并利用滤纸吸收砂浆中水分，使用2 kg 重物施压，静置2min，迅速取出滤纸并称重。

2 试验结果与讨论

2.1 砂浆流动性

图2为砖混再生细骨料掺量对胶砂流动度的影响。B0 和C0 组均为掺入100%标准砂，扩展度(130±2) mm 时砂浆的用水量，分别为189 g 和195 g，见表2。B0 和C0 组用水量不同可能因为该2 组试验间隔了3 d，且原材料有一定波动造成。B1～B5，C1～C5 砂浆水胶比分别为0.63 和0.72，且砖混再生细骨料掺量为20%时，B1组和C1组砂浆流动度均大于300 mm，流动度已经超出实验仪器的测量范围，为在图中表示，流动度超出测量范围时均以350 代替。由表3 可知，B5 和C5 组分别采用与B0 和C0 组砂浆流动度相同(130±2) mm 时的用水量，随后保持用水量不变，砖混再生骨料掺量逐渐减小，从而研究再生细骨料掺量对砂浆流动度的影响。

由图2可知，水灰比不变时，随砖混再生细骨料掺量增加，B, C 组砂浆的流动度均逐渐降低，当B，C 组再生细骨料100%取代标准砂后，且水灰比分别为0.63 和0.72 时，B5 和C5 组砂浆的流动度均为130 mm，且呈现较好线性关系，由于C 组再生细骨料的需水量比2.05明显大于B 组1.79，因此要达到相同的流动度，用水量有所增大。

图2 砖混再生细骨料掺量对砂浆流动度的影响Fig.2 Influence of BCRFA content on fluidity of mortar

2.2 砂浆强度

2.2.1 抗压强度

图4为再生细骨料掺量对胶砂强度的影响。由图4可知，当掺入再生细骨料后砂浆强度均有一定程度降低，这主要是因为B0 和C0 组采用标准砂，水胶比分别为0.35 和0.36，而B1～B5 和C1～C5分别采用的水胶比是0.63和0.72，而且再生细骨料各项性能均低于标准砂，掺入再生细骨料后，造成了胶砂力学性能有一定的降低。由图4 还可知，掺量为20%时抗压强度，分别降低了36.6%和55.1%，而当全部采用再生细骨料，砂浆流动度为130 mm 时，B5 组和C5 组砂浆的强度几乎相同，相比较B0和C0组强度分别降低了22.1%和35.0%。这说明在本文水胶比条件下，当水胶比不变时，再生砂浆的强度并不是随着再生细骨料掺量的增加而一直降低。

图3 流动度试验Fig.3 Fluidity test

图4 砖混再生细骨料掺量对砂浆抗压强度的影响Fig.4 Influence of BCRFA content on compressive strength of mortar

2.2.2 抗折强度

图5为再生砂掺量对砂浆抗折强度的影响。由图5 可知，砖混再生细骨料B，C 掺入后，砂浆的抗折强度均有一定程度降低，这是因为B0和C0组砂浆全部采用标准砂，水胶比分别为0.35 和0.36，而B1～B5 与C1～C5 水胶比分别为0.63 和0.72，这说明再生砂浆强度低于标准砂浆，是水胶比增大和砖混再生细骨料自身性能缺陷两因素共同作用的结果。在取代率为100%时，相比较B0 和C0砂浆抗折强度分别降低了29.0%和15.2%。这说明砂浆的抗折强度并不是随再生骨料掺量的增加而一直降低。由图5还可知，在砖混再生细骨料掺量相同时，B0～B5 抗折强度均高于C0～C5，这是因为B组水胶比均低于相对应的C组，这说明采用砖混再生细骨料时，水胶比对砂浆的抗折强度影响较大。在取代率为0 时，C0 抗折强度是B0 的54.5%，在掺量为100%时，C5的抗折强度是B5的65%。

图5 砖混再生细骨料掺量对砂浆抗折强度的影响Fig.5 Influence of BCRFA content on flexural strength of mortar

2.3 砂浆应用性能

2.3.1 保水性

图6 为再生砂掺量对抹灰砂浆保水性能的影响。由图6 可知，随着砖混再生细骨料掺量的增加，B-M-1～B-M-4 组再生砂浆的保水率逐渐增加，且当再生细骨料掺量60%时，保水率达到了98.3%。当再生细骨料掺量15%时C 组再生砂浆的保水率有一定降低，但随着再生细骨料掺量的增加，保水率逐渐增加，当再生细骨料掺量为60%时，C-M-4 组再生砂浆的保水率为94.6%。保水性结果中各组再生砂浆的保水率均大于82.0%，达到了《抹灰砂浆技术规程》JGJT 220—2010 对抹灰砂浆保水率的技术指标。随砖混再生细骨料掺量的增加，各组再生砂浆的保水性均呈现出明显增加的趋势，这是因为砖混再生细骨料吸水率高，吸收一定的拌合用水，使砂浆达到相同稠度需水量增大，保水性能有一定的增大。

图6 砖混再生细骨料掺量对砂浆保水率的影响Fig.6 Influence of BCRFA Content on water retention of mortar

2.3.2 稠度

结合工程对抹灰砂浆的要求，保持砂浆稠度值在70～80 mm 之间，调整砂浆拌合用需水量。图7 为再生砂掺量对抹灰砂浆拌合需水量的影响。由图7 可知，当抹灰砂浆稠度保持不变时，B-M，C-M 2种再生砂浆的需水量均随再生细骨料掺量增加而增加。这是因为相比天然砂砖混再生细骨料吸水量大，使得砂浆有效拌合用水降低。

图7 再生砂掺量对抹灰砂浆拌合需水量的影响(稠度值70～80 mm)Fig.7 Influence of BCRFA content on water requirement of plaster mortar

2.3.3 抗压强度

图8 为再生砂掺量对抹灰砂浆抗压强度的影响。由图8 可知，随取代率由0 至60%增加，砂浆28 d 强度呈现先下降后缓慢增加的趋势。B-M 和C-M 组砂浆强度均在15%取代率时降低，相较于天然砂浆，抗压强度分别降低5.4%和19.6%。这是由于，掺入再生骨料后，若要保持砂浆稠度不变，则砂浆的需水率也要增大，砂浆的水胶比增大，因此强度有一定降低。由图8 还可知，B-M-1～B-M-4 组砂浆，28 d 抗压强度值均大于5 MPa。再生细骨料C制备的砂浆仅在15%掺量(C-M-1)时，低于5 MPa，其他取代率组均高于5 MPa，可以满足M5粉煤灰抹灰砂浆的强度要求。由图8还可知，保持砂浆稠度基本不变时，随着砖混再生细骨料掺量增加，虽然砂浆的需水量有一定增大，但是28 d抗压强度并不会降低。

图8 砖混再生细骨料掺量对砂浆抗压强度的影响Fig.8 Influence of BCRFA content on compressive strength of plaster mortar

2.4 工程应用

为了进一步对砖混再生砂浆的工程应用性能进行研究，课题组采用再生细骨料100%取代率，再生骨料性能与本文实验中再生细骨料B一致，性能指标见表2 所示，设计了强度等级为M5 的再生细骨料抹灰砂浆，并于2020 年4 月在长沙市某写字楼内墙进行了抹灰砂浆施工，其中抹灰砂浆厚度15 mm，施工面积约200 m2。抹灰砂浆凝结硬化后，表面进行喷水雾保湿养护7 d。现场配合比如表5 所示。现场测试稠度75 mm，保水率91.0%，密度1 980 kg/m3，满足相关规范在抹灰砂浆施工性能的要求。

表5 砖混再生细骨料水泥粉煤灰抹灰配合比Table 5 Mix ratio of brick-concrete recycled fine aggregate cement and fly ash plaster

图9为抹灰砂浆施工及质量检验。施工后经现场检测，砂浆抹灰层与基层之间黏结牢固，砂浆抹灰层无脱层，无空鼓，面层无爆灰和裂缝，28 d实测拉伸黏结强度为0.26 MPa，28 d 抗压强度为7.6 MPa，各项性能满足相关规范中对M5 水泥粉煤灰抹灰砂浆的技术要求，说明再生砖混细骨料可以在抹灰砂浆中使用。