再生砖混骨料泡沫砂浆技术性能试验研究

2022-10-29谢尚锦杨韶勇张存贵孟涛赵羽习赵宝玉

新型建筑材料 2022年10期

谢尚锦，杨韶勇，张存贵，孟涛，赵羽习，赵宝玉

（1.浙江大学建筑工程学院，浙江杭州 310058；2.山西六建集团有限公司，山西太原 030024）

0 前言

近年来，随着我国经济高速发展，建筑业的发展日新月异，而与此同时，国内由于房屋拆迁、改造产生的建筑拆除垃圾排放量激增。以浙江省为例，2013年省内开始的“三改一拆”行动（开展旧住宅区、旧厂区、城中村改造和拆除违法建筑）正在向纵深推进，仅2017年1～6月，浙江省拆除违法建筑1.29亿m2，完成“三改”1.87亿m2。该轮拆除对象基本为20世纪70、80年代建造的多层砌体结构房屋，拆除垃圾主要以黏土砖为主。解决砖混建筑垃圾去向问题是推进建筑固废资源化利用的必经之路。

拆除垃圾经过破碎加工形成以砖和混凝土为主的再生砖混骨料，具有颗粒棱角多、表面粗糙、孔隙率大等特点[1-3]。再生砖混骨料主要包括再生砖骨料和再生混凝土骨料。再生砖骨料与再生混凝土骨料相比，表观密度较小，压碎指标及吸水率较大[4-7]，随着再生砖骨料取代率的增加，再生骨料混凝土的抗压强度[8-9]、抗折性能[10-11]、弹性模量[12-13]均有不同程度的弱化，同时，单一砖骨料混凝土的力学性能优于砖混骨料再生混凝土[13]，由于碎砖骨料掺量的增加导致力学性能减弱，其原因在于再生碎砖骨料混凝土相比以废混凝土为骨料的混凝土吸水率和压碎指标显著提高，表观密度大幅下降，导致绝干密度与拌合水用量发生变化，且混凝土碎块的强度高于普通烧结碎砖[14]，而对于单一砖骨料再生混凝土与砖混骨料再生混凝土之间性能的差异，主要原因在于单种骨料较均匀，由此提高其性能与稳定性。另一方面，再生混凝土的收缩变形随着再生砖骨料取代率的增加而提升[15]。在再生砖混骨料混凝土使用性能方面，范小平[16]、邢振贤[17]、Farid和Said[18]、谢玲君等[19]的研究表明，通过添加适当的外加剂、调整用水量和配合比等手段，砖混再生骨料拌合混凝土可以满足正常使用的和易性和性能要求。

综上所述，再生砖骨料的引入会降低再生骨料混凝土基本性能，提高其收缩变形。另一方面，当前对于砖混建筑固废资源化利用的研究主要集中于再生砖混骨料混凝土的力学性能与耐久性能，而缺少对于再生砖混墙体材料的研究。本文拟针对当前拆除垃圾，将再生砖混骨料应用于泡沫砂浆砌块，形成一种再生砖混泡沫砂浆砌块配比，推进建筑固废资源化利用。

1 试验

1.1 原材料

再生砖混骨料：由杭州翊博新能源科技有限公司提供，再生骨料经过4道破碎、1道筛分等工序处置形成，粒径0～8 mm，表观密度2290 kg/m3，堆积密度1140 kg/m3，空隙率51%，饱和面干吸水率12.6%，颗粒级配见图1；基准水泥：CUCC中国联合水泥集团有限公司产P·Ⅰ42.5水泥，物理力学性能见表1；粉煤灰：华东电力集团河南新乡电厂产，Ⅱ级；聚乙烯醇纤维：长度3 mm；发泡剂：十二烷基硫酸钠，白至微黄色粉末，相对密度为0.25 g/mL；减水剂：HSC聚羧酸高性能减水剂，淡黄色液体，减水率25%～35%，pH值6～8，固含量40%。

表1 基准水泥的物理力学性能

1.2 配合比设计

试验采用JJ-5型水泥胶砂搅拌机进行砂浆试件的拌制，模具为40 mm×40 mm×160 mm水泥胶砂试模。具体配比设计见表2。编号RFnM-m中n代表发泡剂掺量（按占胶凝材料质量计），m代表不同成分配比：0为对照组，1为在对照组基础上掺入粉煤灰，2为在1的基础上掺入减水剂，3为在2的基础上掺入聚乙烯醇纤维，4为在3的基础上对骨料级配进行调整（筛除粒径大于4.75 mm及小于0.15 mm的骨料）。考虑到项目对粉煤灰再利用的需要，砂浆力学性能及干密度需符合JC/T 1062—2007《泡沫混凝土砌块》的要求，参考相关研究成果及商家推荐掺量[20-23]，取发泡剂掺量为1%～2%，粉煤灰等质量取代20%水泥，减水剂掺量（按占胶凝材料质量计）为1%，纤维的体积掺量为0.09%。

表2 再生砖混骨料泡沫砂浆试验配合比设计

1.3 试件制备

考虑到泡沫剂发泡情况及发泡时间受外界因素影响存在一定差异，搅拌时间采用手动控制，投入水、胶凝材料及发泡剂后进行发泡搅拌，搅拌至发泡剂充分发泡，泡沫孔径小、排布紧密后，加入再生砖混骨料，搅拌均匀后浇筑成型。经过试验调试、观察，确定发泡搅拌时间为2 min，随后加入再生砖混骨料进行2～3 min的混合搅拌。将搅拌好的再生泡沫砂浆浇筑至40 mm×40 mm×160 mm胶砂试模，自然养护1 d后拆模，置于（20±2）℃、相对湿度不低于90%养护室中养护3、28 d。试验部分试件见图2。

1.4 基本性能测试方法

根据GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》对试件进行抗折、抗压强度试验；根据GB/T 11970—1997《加气混凝土体积密度含水率和吸水率试验方法试验》测试试件的干密度。

2 试验结果及分析

2.1 再生砖混骨料泡沫砂浆的干密度（见图3）

由图3可见：

（1）总体上，再生砖混骨料泡沫砂浆的干密度随发泡剂掺量的增加而降低。养护龄期对干密度的影响较小，总体上，试件28 d龄期干密度略大于3 d龄期的。

（2）相同龄期时，从RF0M-m到RF1M-m，即发泡剂掺量从0增加到1%，干密度降幅最大，3 d龄期时，干密度降幅最大为15.3%，最小为8.0%；28 d龄期时，干密度降幅最大为17.0%，最小为10.9%。主要是由于发泡剂引入后产生的泡沫增加了试件内部的孔隙数量，进而降低了试件的干密度。

（3）对比RF1M-m、RF1.5M-m、RF2M-m，3组试件的干密度下降并不明显，主要原因可能是，尽管随着发泡剂掺量的增加，形成更多的泡沫，但随着再生骨料的加入，搅拌过程出现消泡现象，在一定程度上降低了试件在成型后的孔隙率，因此其下降幅度不大。

（4）发泡剂掺量相同时，RFnM-0、RFnM-1、RFnM-2、RFnM-3的干密度有小幅变化，而每一发泡剂掺量下的干密度大小关系并不完全相同，可以认为粉煤灰、减水剂、纤维的加入对试件的干密度不会有明显的影响。

（5）对比其他组与RFnM-4，骨料的级配调整，即筛除＞4.75 mm与＜0.15 mm的骨料，会明显降低试件的干密度。其主要原因一方面在于级配调整后的骨料粒径相对较小，因此在试件成型后，颗粒与颗粒之间就存在更多的空间形成孔隙结构；另一方面，大粒径的骨料相比于小粒径的骨料，在搅拌过程中更容易引起消泡现象。总体上，RF2M-4组的干密度基本符合JC/T 1062—2007中干密度B10（干密度＜1030 kg/m3）的要求。

2.2 再生砖混骨料泡沫砂浆的抗压强度（见图4）

由图4可见，总体上试件的抗压强度随发泡剂掺量的增加而降低，同时当发泡剂掺量从0增加到1%，其抗压强度降幅最大；而掺量从1%增加到2%，其降幅并不明显，这一规律与干密度随发泡剂掺量变化规律相似，其原因同样由于发泡剂的引入提高试件孔隙率，进而降低试件力学性能。另一方面，对比相同配比不同龄期的试件发现，大部分试件的3 d抗压强度基本上能达到28 d抗压强度的50%以上，少数试件的3 d抗压强度只能达到28 d抗压强度的35%。

对比RFnM-0、RFnM-1可见，掺20%粉煤灰明显降低试件的抗压强度；相比之下，RFnM-2的抗压强度有所提高，这是由于减水剂的加入降低了用水量，进一步降低了试件的水灰比，在一定程度上弥补粉煤灰带来的力学性能下降；RFnM-3中掺入了聚乙烯醇纤维，其强度有了进一步显著的提高；RFnM-4对骨料级配进行调整，其干密度大幅下降的同时，抗压强度也受到了明显的影响，但其抗压强度依然符合JC/T 1062—2007中抗压强度A3.5（≥3.5 MPa）的要求。

2.3 再生砖混骨料泡沫砂浆的抗折强度（见图5）

由图5可见，试件抗折强度随发泡剂掺量总体的变化趋势与抗压强度一样，随着发泡剂掺量的增加而降低，掺量从0到1%时降幅最大，然后发泡剂掺量对抗折强度的影响逐渐减小。试件的3 d抗折强度基本能达到28 d抗折强度的50%以上。相同发泡剂掺量下，不同配比试件的抗折强度存在一定的规律。对比RFnM-0与RFnM-1可以发现，粉煤灰对试件抗折强度有消极影响，同时对试件早期抗折强度的影响较大，对后期抗折强度的影响相对较小；减水剂的引入对试件抗折强度有积极影响，其中对试件早期抗折强度有明显的提高效果，但对试件后期抗折强度的影响相对较小；聚乙烯醇纤维的加入对抗折强度有显著地提高作用，对早期抗折强度较为明显；随着骨料级配的调整，试件内部孔隙率增大，降低了试件的抗折强度。

2.4 再生砖混骨料泡沫砂浆的比强度

比强度是按单位质量计算的材料强度，用于反映建筑材料高强轻质特性的指标，图6为各组配比试件在标准养护3、28 d后比强度。

由图6可见，发泡剂的掺入会降低试件的比强度，发泡剂掺量为0时比强度最高，当发泡剂掺量从0增加至1%时比强度有一定的下降，然后随着发泡剂掺量的增加，比强度的变化幅度相对较小。发泡剂的加入增大了试件的孔隙率，降低了其干密度，与此同时也降低了材料的抗压强度，而抗压强度因发泡剂的引入而降低的幅度大于干密度，进而降低了材料的比强度，这说明材料的密实度对再生泡沫砂浆力学性能的影响大于对材料干密度的影响。

对比不同龄期可以发现，28 d比强度明显大于3 d比强度，这是因为，强度随着养护龄期的延长而显著提高，而干密度并没有大幅度改变。相同龄期时，粉煤灰的掺入降低试件比强度，同时不考虑个别组的试验误差，减水剂以及聚乙烯醇纤维的引入能够提高试件的比强度。其主要原因在于粉煤灰、减水剂以及聚乙烯醇纤维对试件干密度的影响不显著，对试件抗压强度影响较明显，因此当引入这3种材料时，试件的比强度主要受抗压强度的影响，其变化规律也与抗压强度接近。而骨料级配调整相比引入其他3种材料，对试件干密度影响较大，同时降低试件抗压强度，而对抗压强度的影响大于对干密度的影响，进而影响试件比强度。结果显示RFnM-3的比强度高于其他几组，然而，在较高发泡剂掺量的情况下，尽管骨料级配调整（RFnM-4）降低了试件的比强度，但对比RFnM-0、RFnM-1、RFnM-2配比下的试件，RFnM-4的比强度仍处于相对较高的水平。

综上，发泡剂掺量的增加，提高了再生泡沫砂浆试件的孔隙率，进而降低试件干密度及力学性能，影响试件的比强度。其中粉煤灰、减水剂以及聚乙烯醇纤维对试件干密度影响不显著，粉煤灰的引入明显降低试件的力学性能，减水剂以及聚乙烯醇纤维则显著提高试件的力学性能；骨料级配调整显著降低试件干密度的同时，影响试件的力学性能。按RF2M-4配比（水泥360 g、水440 g、骨料1350 g、发泡剂9 g、粉煤灰90 g、减水剂4.5 g、纤维体积掺量0.09%）制备得到再生砖混骨料泡沫砂浆，其3 d抗压、抗折强度分别为2.34、1.01 MPa，干密度为1029.19 kg/m3；28 d抗压、抗折强度分别为4.71、1.98 MPa，干密度为1034.45 kg/m3，基本符合JC/T 1062—2007中A3.5、B10的要求。