红砖粉末取代率对水泥混凝土路面的影响研究

刘明富，桑伟宁

(1.安徽省交通控股集团有限公司，安徽 合肥 230088；2.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

红砖制品在我国应用广泛，中国也是一个红砖生产和使用大国。随着近年来新建房屋的不断的增多，以及旧房改造等工程，我国城市产生的垃圾总量随着经济社会的发展也不断增多。截至到2020年，我国的建筑垃圾规模已非常巨大，总量已达到惊人的200亿吨左右，并且还在以35亿吨每年的速度增加，这对我们的社会造成了很大的压力，占到了城市固体垃圾的40%左右，建筑垃圾不同于其他固体废弃物，其他固体废弃物面临着分散，不好集中处置以及分离开来较为困难的问题，建筑垃圾非常集中，便于收集。而这些建筑废弃物将对我国的生态环境、气候等造成严重影响。在如此多的建筑垃圾中，红砖废弃物产生量占据很大比重，并且在不断增多，当前国家大力提倡保护生态环境，关闭了很多天然采石场，也限制天然石料的使用，而对于建筑垃圾再生性利用将成为今后的热点。在此之前，已有学者对建筑垃圾红砖进行过研究，在研究红砖粉末取代率占据50%以上时，反而会降低混凝土的强度，这很显然是不利于红砖粉末的应用，此论文将会研究红砖粉末取代率为50%以下的数据，得出较为详细的取代率数据。

1 原材料与试验方案

1.1 原材料

(1)细骨料：取自河砂，细度模数为2.79。

(2)粗骨料：取自巢湖的天然玄武岩碎石，级配为5～20 mm，各项主要性能指标见表1。

(3)水泥：选用海螺牌42.5级普通硅酸盐水泥。其主要技术指标如表2所示。

(4)红砖废料：取自合肥某建筑工地的废弃红砖，将其破碎成0～3 mm的红砖废料。其各项性能指标均满足规范要求，主要性能指标如表3所示。

(5)水：城市自来水。

表1 粗集料的性能指标

表2 水泥的性能指标

表3 红砖粉末的性能指标

红砖废料的级配如图1所示，其中红砖粉末和天然河沙各取两组进行筛分，筛分结果如图1所示：(A、B为两组红砖粉末，C、D为两组天然河沙)

图1 细骨料级配曲线图

1.2 混凝土配合比设计

对于试验红砖水泥混凝土的配合比设计，参考不添加红砖废料的混凝土配合比，按照红砖骨料的特性不同，设计出适宜的红砖水泥混凝土配合比。本次试验所采用0.38的水灰比。因为红砖骨料和天然碎石的吸水率很接近，所以在进行级配设计的时候，忽略了红砖粉末吸水对试验造成的影响。但红砖粉末的表观密度比较小，在替代天然河沙上，考虑材料的表观密度，用表观密度进行红砖粉末对天然河沙的线性替换。试验所采用的废弃红砖粉末掺量分别为0、10%、20%、30%、50%、100%，用以替代细骨料，制成红砖粉末混凝土研究其各项性能指标。

2 试验结果与分析

2.1 废红砖机制砂取代率对混凝土工作性能的影响

用废弃红砖粉末取代天然碎石应用于水泥混凝土中，制备成混凝土试件，研究混凝土的坍落度和扩展度的影响。这两项指标反应了混凝土的工作性能，是评价混凝土性质的重要指标。研究不同取代率对这两项指标的影响，其结果如表4所示。

表4 废红砖机制砂取代率对混凝土坍度与扩展度的影响

由表4可知，增加红砖粉末的取代率，红砖混凝土的坍落度逐渐减小，超过50%后降低较为显著，扩展度和坍落度规律相同，说明掺入红砖机制砂会让混凝土的坍落度和扩展度下降，工作性能变差。这是因为废弃红砖粉末是经过破碎工艺制备，表面较为粗糙，需水量大，而天然河沙表面比红砖粉末光滑，需水量较小，因此在相同的条件下，废弃红砖机制砂取代率越大，混凝土的坍落度和扩展度越小。相比于未掺红砖粉末的混凝土，在红砖粉末掺量为20%时，混凝土的坍落度降低了10%、扩展度降低了9%。根据该实验结果可知，废弃红砖机粉末表面比天然河沙粗糙，配置混凝土是用水量较大，并且会使混凝土的工作性能变差，但降幅不大，原因是废弃红砖经高温煅烧而成，本身结构致密。

2.2 废红砖机制砂取代率对混凝土抗压、抗折强度的影响

(1)混凝土立方体抗压强度测试

使用选用边长为150 mm的立方体试件，用来测定红砖混凝土的抗压强度。先将试件进行进行压实，然后小心放入实验室中，并用保鲜膜将其封存，放在室内(20±5)℃保存24 h后，进行脱模处理。脱模后将试件放入恒温箱中分别养护7 d和28 d,恒温箱的养护条件为：温度(20±0.5)℃、湿度95%以上。用应力控制法测定红砖水泥混凝土的抗压强度，加载速率设定为为0.6 MPa/s。

表5 红砖粉末取代率对混凝土抗压强度的影响

从表5可知，在混凝土水灰比为0.38时，红砖水泥混凝土中掺入红砖机制砂对抗压强度有影响;红砖水泥混凝土随着红砖掺量的增加，抗压强度先是逐渐升高；在红砖掺量达到20%，混凝土抗压强度最大；当红砖机制砂掺量超过20%后，混凝土强度开始下降，在超过50%后，下降较为明显。

(2)混凝土抗折强度测试

本试验参照规范要求制备抗折强度试块，制备的试块尺寸为150 mm×150 mm×550 mm标准尺寸。试验结果如表6所知。水灰比为0.38时，红砖水泥混凝土随着红砖粉末掺量的增加，混凝土的抗折强度先是缓慢增加，红砖掺量在20%左右时抗折强度达到最大；而后逐渐下降，当红砖掺量超过50%后，混凝土抗折强度下降较为显著。

表6 红砖粉末取代率对混凝土抗折强度的影响

2.3 废红砖机制砂取代率对混凝土干缩性能的影响

将红砖粉末作为机制砂加入混凝土中，制备的试块尺寸为150 mm×150 mm×550 mm标准尺寸，制备六组试件，红砖粉末取代率从0到100%，按照前文的试验规格，将制成的试件放入标准养护箱中养护7 d后分别进行混凝土试块的干燥收缩性能的试验，记录7 d、18 d、28 d、60 d的干燥收缩值，各组试验数据分别如表7所示。

表7 红砖粉末取代率对混凝土干燥收缩性能的影响

由表7可知，用红砖粉末取代原河沙对混凝土试件的干缩性能有影响，在取代率50%以下时，干缩值增加并不显著，但在超过50%后，增加较为显著，显然是不利于混凝土试件的使用的，而红砖粉末取代率在20%～30%的区间时，混凝土试件的干缩值和原河沙试件差别很小，说明红砖粉末取代率咋20%左右是相对比较好的一个标准，再将上述表格数据绘制成折线图，以红砖粉末取代率为横坐标，混凝土试件的干燥收缩值为纵坐标，分别绘制7 d、18 d、28 d、60 d的干燥收缩值曲线如图2所示，从图中可以看出，随着取代率的变化，混凝土干缩值的总体上呈现增长的趋势，红砖粉末取代率在20%～30%是一个比较好的取代率结果。

图2 红砖粉末取代率对混凝土试件干缩的影响

3 结 论

(1)随着废红砖粉末取代率的增大，混凝土的坍落度与扩展度都在逐渐减小，但是在取代率不超过20%时，下降的幅度很小，仅为10%、9%，对混凝土应用于路面中影响不大。

(2)随着废红砖粉末取代率的增大，混凝土试件的抗压强度和抗折强度先增后减，最佳取代率约为20%。

(3)随着红砖粉末取代率的增加，混凝土试件的干燥收缩之呈先增加后减小的规律，在20%～30%的区间时，干缩值和原河沙试件相比，差别不大，说明20%的取代率是可行的。

(4)用废弃红砖粉末替代天然河沙制备水泥混凝土可行，但最佳替代率仅为20%，占比太少，不利于此种材料大规模使用，如何提高红砖粉末在配置混凝土中的占比，并且不影响混凝土的性能，这将是今后研究的方向。