再生砖混骨料的研究现状与应用探讨

2023-10-25佟英男

科技创新与应用 2023年27期

佟英男

（内蒙古科技大学土木工程学院，内蒙古包头 014010）

建筑废弃物是指老旧建筑物以及道路桥梁等构造物在改造拆除过程中产生的固废。由于城市人口密集以及工业化程度高，导致我国目前已成为世界上最大的建筑废弃物生产国之一。截至2020 年末，我国城市化水平已达到64%[1]，持续加快的城市化改造进程，导致大批陈旧的建筑物拆除维修，每年城中村、背街小巷、老旧小区等建筑物改造、拆迁的房屋建筑面积达22.7 亿m2，约占新建房屋建筑面积40%[2]，从而产生了巨量的建筑废弃物。目前我国大部分建筑废弃物仅是临时堆放或者简单填埋，再次利用的途径也是加工为再生砖和其他低附加值建材产品，资源化利用率低于10%，建筑废弃物所带来的资源、能源、环境等问题越来越突出。为了实现建筑废弃物的规模化利用，固废公司对建筑废弃物进行粉碎和筛分，得到再生砖混骨料并投入到施工建设中，为建筑废弃物的高等级化处理指明了方向。

1 再生砖混骨料简述

在建筑行业中，再生砖混骨料已经得到广泛的应用。它可以作为混凝土、水泥制品等材料的原材料，也可以用于道路、桥梁、地基等工程中的填充和加固。通过对再生砖混骨料的应用分析，可以更好地发挥其优点，提高建筑行业的可持续发展水平。首先，再生砖混骨料在混凝土制品中的应用可以降低生产成本，同时避免了对天然骨料的过度开采和损耗。其次，再生砖混骨料在道路、桥梁等工程中的应用可以提高工程的承载能力和稳定性，同时减少了对土地资源的占用。此外，再生砖混骨料还可以用于城市公共设施的建设，如公园、广场等场所的铺装和景观打造。然而，再生砖混骨料的应用也面临一些挑战。例如，由于其材料含有的杂质较多，需要进行加工和筛分处理，增加了生产成本和复杂度；同时，由于再生砖混骨料的性能和质量不稳定，需要对其进行严格的质量检测和控制。总之，再生砖混骨料是一种具有广泛应用前景的新型建筑材料。通过对其应用进行分析，可以更好地发挥其优点，加快建筑行业的可持续发展进程。

2 再生砖混骨料材性研究

2.1 再生砖混骨料处理方式

试验中针对再生砖混骨料的筛分主要分为2 种方式。第一种是将再生砖混骨料直接与天然骨料分别以不同比例混合，最后制成混合料进行试验研究。这种方法是在试验的初期以八点取样法确定再生砖混骨料中各个成分比例，并在后续中一直使用该比例进行试验，虽然使用八点取样法可以较好地测试单批再生砖混骨料中各个成分含量，但试验中制备混合料往往消耗骨料较多，单批骨料并不能完成整组试验，而2 批骨料中各成分含量又存在偏差，所以并不能保证每组试验中各个成分含量的一致性，而再生砖混骨料的研究中往往把砖含量作为影响因素来考虑，所以这种方法可能会间接削弱了砖骨料取代率对混凝土或水稳材料试验性能的影响。

第二种方式是将废砖块使用小型颚式破碎机单独破碎然后与再生混凝土骨料或天然骨料混合后制成再生混合料。这种方法可以很好地控制各个成分在再生砖混集料中的含量，但是在实际工程中，相较于再生混凝土集料，再生砖混集料成分更为复杂，除混凝土、砖块、旧砂浆以外还含有大量的石灰、瓷砖等成分，而单独破碎后再生砖混集料成分单一，用其制备而成的再生混合料可能会与实际工程存在误差。

2.2 再生砖混骨料与天然骨料材性特点比较

再生砖混骨料与普通再生骨料在各个方面都有较大区别。例如，在颗粒形貌上，砖块被压碎时，颗粒大多呈扁平状，表面粗糙，有棱角，且有带微裂缝，少量骨料表面黏附旧砂浆。这些因素使得再生混凝土在强度上明显低于天然混凝土和钢纤维混凝土。此外，由于砖骨料的原因，砖混骨料的表观密度及堆积密度相较天然骨料偏高，而压碎指标和吸水率却高于天然骨料[3]。当红砖占砖混骨料总质量25%时，其磨耗值较天然骨料差别不大，但当红砖含量继续升高，磨耗值将迅速降低[4]。

砖骨料和混凝土骨料在材料的物理性能上存在着较大的差距，造成了研究上的困难。由于我国建筑市场发展较快，大量采用了一些新技术、新工艺和新设备，使砖厂原料中出现许多新情况和新问题，这就导致砖混骨料的材性指标受各种因素的综合作用而产生变化。因此，针对组成复杂的再生砖混骨料，应系统地研究各类影响因素下对混合料力学性能和耐久性能的作用规律，只有符合国家规范的要求，再生砖混骨料才可在施工建设上投入使用。

3 再生砖混骨料应用混凝土的研究现状

3.1 再生砖混骨料对混凝土力学性能影响

通过现有的研究发现，再生混凝土的抗压强度值随着再生砖混骨料替代率的升高而降低[5]。但如果设计好颗粒级配以及使用适合的水灰比，再生砖混骨料也可以作为低、中强度混凝土的骨料来使用。

尽管当砖混骨料掺入混凝土后会导致其力学性能下降，但再生砖混骨料对于混凝土力学性能的作用并非都是负面效果。由于再生砖混骨料中含有SiO2、Al2O3等活性氧化物，使附着在它表面上的废砖粉具有火山灰活性，能和水化产物进行火山灰反应，形成胶凝物质，并充填混凝土的孔隙裂缝[6]。式（1）、（2）是火山灰反应化学公式，再生砖混骨料放出的水促使附着在骨料上的废砖粉及CH形成团聚性水化硅酸钙，水化铝酸钙产物。这些水化产物从砖骨料的表面析出，使混凝土界面过渡区及其附近砂浆力学性能得到改善，最终使混凝土的力学性能得到强化。

3.2 再生砖混骨料对混凝土耐久性能影响

由于再生砖混骨料具有孔隙率高、表观密度较小，吸水率较大，微裂纹较多、强度较低的特点，致使再生混凝土在耐久性能方面与同等条件普通混凝土相比存在一定的差距。抗冻性能是评定混凝土耐久性的一项重要指标，它直接关系到工程结构能否长期、安全地投入使用。对北方低温地区来说，冻融破坏已成为混凝土耐久性失效的首要原因[7]。为此应该对掺再生砖混骨料混凝土的抗冻性能进行研究，并探明再生混凝土在冻融过程中的损伤规律，提出改善混凝土抗冻性能的技术途径，这对促进再生砖混骨料在混凝土中的应用有一定的理论意义和工程意义。常温条件下再生骨料混凝土为气-液-固三相平衡体系，但混凝土空隙中的水在负温作用下会变成固态。相连通的毛细孔对混凝土冻融破坏有很大影响[8]。Gokce 等[9]用微观分析的方法进行了研究：冻融过程中，非引气型混凝土附着的砂浆可使再生骨料早于基体而失效，由此诱发了内部结构的冻融破坏。对于掺再生砖混骨料的混凝土，可以采取如下措施使耐久性得到提高。

第一，再生砖混骨料在破碎生产过程中往往就已经存在裂缝，所以由于骨料方面的缺陷，再生混凝土抗冻性能较普通混凝土稍差，但可以通过添加引气减水剂等方式，使其接近甚至超过普通混凝土的抗冻性指标。

第二，各地区再生砖混骨料的组成成分与材性指标各不相同，这会导致试验数据离散化，使砖混骨料的广泛应用受到阻碍，所以对于再生砖混骨料，应该规范其生产过程，统一分级标准，使砖混骨料的材性指标更加稳定。

4 再生砖混骨料应用于水稳材料的研究现状

4.1 再生水稳材料的应用前景

水泥稳定材料是由骨料及少量水泥作黏结剂，通过适当的水量（达到压实和水泥水化的要求）压实而形成的混合物。它主要用于修筑路面、路基或堤坝等工程。1915年美国佛罗里达州萨拉索塔人行道施工中第一次采用贝壳、沙与波特兰水泥混合用作基层，由于施工便利、前期强度高，后续在道路基层，底基层得到了广泛的应用。近年来随着城市规模扩大和人口增加，废弃建筑物不断增多，其中有相当一部分已成为垃圾或露天堆放场，不仅占用土地资源而且污染环境。我国现在绝大多数被拆房屋都是九十年代前砖混结构，这些被拆除的砖混建筑废弃物，其组成成分比较复杂，包含了很多旧砖块和旧砂浆以及玻璃、木片等杂质，直接破碎筛分而成的再生砖混骨料难以直接作为砂石直接使用。因此，需要采用一定的方法将其与天然骨料混合制备成稳定密实的水稳材料用于路面面层或路基工程。水稳材料与结构混凝土相比较，对砂石技术性能的要求比较低，应该可成为再生砖混骨料规模化资源化利用的主要方式。

4.2 再生砖混骨料对水稳材料力学性能的影响

水稳材料强度的形成机制主要受水泥的水化作用以及骨料嵌挤作用的影响，水泥熟料中硅酸三钙含量最多，又称“C-S-H”型凝胶，占材料总量的一半。硅酸三钙水化产物及其结构随液相氧化钙浓度及温度的变化而变化[10]。硅酸三钙在室温下水化反应可近似表示为

随着时间的推移，水化产物越来越多，且钙矾石等晶体的形成使再生水稳材料的结构更加致密，简单来说就是水泥硬化使混合料胶结在一起的过程；骨料嵌挤作用就是再生水稳材料经过机械的压实，使骨料之间紧密接触形成骨架结构，各个骨料之间相互嵌挤，使水稳材料具有较高的强度及稳定性。

再生砖混骨料对水稳材料力学性能的作用及影响尚无统一定论，商晓儒[11]制备了不同再生砖混骨料替代率下的水稳材料，并对它们进行了力学性能测试，发现随着砖混再生骨料替代率的升高，水稳材料抗压强度呈先升高后降低趋势，劈裂强度逐渐增加，均满足规范要求；陈朝金[12]通过将再生砖骨料与天然骨料混合后制得不同砖骨料替代率的水稳材料，发现随着再生砖骨料替代率的升高，水稳材料的无侧限抗压强度、劈裂强度、抗压回弹模量和抗弯拉强度均呈现下降趋势，但随着养生龄期的延长而呈现上升趋势。

4.3 再生砖混骨料对水稳材料耐久性能的影响

针对再生砖混骨料在水稳材料耐久性能方面存在的问题，马勇[13]使用UTM 万能试验机，开展了材料疲劳性能试验，试验结果表明再生骨料所占的比重越大，水稳材料抗疲劳性能就越好，水泥剂量偏高，水稳材料的疲劳敏感性越高。所以从耐久性的角度出发，并不是所有再生砖混骨料替代率以及水泥剂量下都可以使水稳材料的耐久性得到保证。同时，要注意防止砂浆中存在大量的微裂缝及水泥浆体开裂，以保证混凝土结构的稳定性和整体性。

尹健等[14]对不同再生骨料替代率的水稳材料耐久性进行了研究，不同的水泥剂量，在不同冲刷次数条件下，水稳材料具有较高的抗冲刷耐久性。试验采用室内模拟降雨冲刷方法，以混凝土试件为对象，通过设置相同的侵蚀环境条件来对比分析各因素对水稳材料的水稳定性能的影响规律。实验结果表明，相同的水泥剂量时，随再生骨料掺量的升高而增大，水泥稳定材料的抗冲刷性能表现为先增大后减小，且增加适当的水泥剂量能改善水稳材料的抗冲刷性能。