建筑固废机制砖混再生骨料混凝土抗压强度试验研究

侯东序, 刘 晓*, 王 兵, 孙全国, 王 刚, 胡 瑞, 袁立灏

(1. 沈阳大学 建筑工程学院, 辽宁 沈阳 110044;2. 沈阳市民用建筑智慧防灾减灾重点实验室, 辽宁 沈阳 110044;3. 沈阳市市政工程(质量)检测中心有限公司, 辽宁 沈阳 110005)

城镇化进程中所拆迁及改造的对象多为建造于20世纪60—80年代的砖混砌体结构民用建筑,由此产生的砖混类建筑垃圾体量庞大。这些垃圾无论堆积于土地之上还是填埋于土地之下都会对水土环境造成巨大污染。与此同时,建筑结构的新建需要耗费水泥及天然砂石骨料等大量的天然资源,会再次加重环境的负担。

近年来,将砖混类建筑固废资源化再利用这一理念引起了学术界及工程界的广泛关注[1-5]。通过普遍研究发现,相比较天然骨料和废弃混凝土制备的再生骨料,砖混再生骨料空隙率大、吸水率大、压碎指标高[6]。且随着砖骨料质量分数的增加,再生砖混骨料的表观密度减小,吸水率增加,压碎指标增大,砖质量分数与吸水率、表观密度、压碎指标呈线性关系[7],抗压强度随着砖再生骨料质量分数的增大而降低,一般认为质量分数10%为最佳效果[8]。同样再生混凝土的劈裂抗拉强度也随着砖骨料置换质量分数增加而降低,掺入适当再生砖骨料,可以满足道路工程面层的强度要求[9]。黏土砖有较高的吸水率,因此其强度及流动性均会受到影响,采用24 h提前预湿的方法对再生混凝土的抗压强度及和易性效果显著,加入粉煤灰等外加剂也会对流动性产生积极影响。但现有很多研究采用人工粉碎及挑选骨料,费时费力,且均匀性差,统一工程操作性较差。另外,现有多数研究仅关注于砖碎骨料置换质量分数对再生混凝土性能的影响,但在建筑垃圾中砖的质量分数通常仅在30%～50%[10]。针对上述问题,本文采用颗粒均匀的砖及砖混机制再生骨料作为替代粗骨料进行试验,研究不同再生砖及再生砖混骨料置换质量分数对再生混凝土抗压强度的影响规律。

1 试验情况

1.1 原材料

配制再生混凝土所用原料为PO 42.5 普通硅酸盐水泥和细度模数为3.2 的机制砂,采用5～25 mm连续级配碎石和减水率为27%聚羟酸系高性能减水剂,拌合水为普通自来水。再生砖混骨料来源于沈阳地区拆迁砖混类建筑废料,废弃烧结砖抗压强度等级介于MU10～MU25之间,废弃混凝土抗压强度等级介于C20～C40。砖混再生骨料取自沈阳市某生态科技公司,其可将建筑固废进行挑选回收,经机械生产线粉碎并清洗,形成粒径为10～20 mm的均匀砖混再生骨料。

1.2 试验准备

试件浇筑前,按照混凝土试验方法标准对骨料进行了观察,并经历筛分、清洗、烘干及压实等过程,得到了天然骨料和再生砖骨料的基本属性。如图1(a)所示,相对于天然骨料,砖骨料表面孔隙较多,上面覆盖一层较薄的砖粉层。再生混凝土骨料包含覆盖砂浆的碎石和砂浆碎块两部分,从表面看,其孔隙更加明显。通过筛漏筛分发现,机制再生骨料级配较为均匀。配置再生混凝土所需骨料基本属性如表1所示,由表1可见,砖混混合骨料吸水率与砖骨料吸水率差异较大。利用吸水率差异,借助红外热像方法可以测定抽样混合骨料中砖骨料体积分数,图1(b)为烘干冷却降温过程中骨料红外热像图片,温度较高(颜色较深)区域骨料即为砖骨料。红外测试后,经多样本挑拣称重验证后发现碎砖骨料在废弃砖混骨料中体积分数约为20%。

表1 混凝土骨料基本属性Table 1 Basic properties of concrete aggregate

(a) 含砖混再生骨料组成(b) 混合骨料的红外热像

1.3 试验方法

混凝土抗压强度试验采用100 mm×100 mm×100 mm标准立方体试块,试验方法参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081—2016)规定进行。为研究不同质量分数再生骨料对混凝土抗压强度的影响,在试验中设计7组试块,采用不同的再生骨料及质量分数,按照A、B、C、D、E、F、G标注,每组试块含3件,分别按照1、2、3 标识(图2(a))。试件详情如表2所示。试验设备采用YAW-200B型试验压力机,如图2(b)所示。

表2 各组试块配合比Table 2 Matching ratio of each group of test blocks

(a) 混凝土试件(b) 试验压力机

2 试验结果分析

2.1 试件破坏形态

对7组共计21个试块进行了轴压试验,试验后将试块切开,再生混凝土试块内部骨料分布形态如图3(a)所示,由图可见,虽然再生骨料(砖块或混凝土块)质量小于天然骨料,但在充分搅拌振捣作用下,混凝土块内部再生与天然骨料混合分布较为均匀。在轴压力作用下,试块破坏形态如图3(b)所示,基本呈现锥型形态。由此可见,含砖混再生骨料混凝土试块与普通混凝土破坏形态差异不大。

(a) 试块内部骨料分布形态( b) 试块破坏状态

2.2 含机制再生砖混骨料混凝土强度

通过对试块进行轴压试验,得到了各组试块极限承载力,进而得到含机制再生砖混骨料混凝土平均抗压强度和折减率,如表3和表4所示。

表3 各组试块平均抗压强度

表4 各组试块抗压强度折减率Table 4 Strength reduction rate of each group of test blocks 单位:%

由表3可见,按照原始配比,不置换任何砖混骨料状态下,混凝土强度可达50 MPa以上,当机制再生砖混粗骨料按部分比例替代后,试块强度仍可保持较高强度水平。由此可知,仅从强度角度而言,将机制砖混再生骨料按照适当比例置换天然骨料,并将再生混凝土应用于有强度要求的领域是可行的。

由表3、表4可见,未置换再生骨料的天然骨料混凝土平均强度可达到51.2 MPa,而机制再生砖骨料置换率为10%时,强度仍可达到50.9 MPa,平均强度折减率仅为0.6%。而机制再生砖骨料置换率为5%时,试块平均强度竟略高于天然骨料混凝土。但当机制再生砖骨料置换率达到15%时,试块平均抗压强度折减达8%。由此可见,对于砖再生骨料而言,粗骨料置换率在10%以内对混凝土抗压强度折减影响不大,超过10%置换率混凝土抗压强度开始迅速折减。

由前期准备试验已知,建筑固废中再生砖骨料质量分数约占再生砖混骨料质量分数的20%。因此E、F及G组试块分别为按等砖骨料质量置换的砖混再生骨料混凝土。由表4可见,当砖混骨料按25%置换天然粗骨料时,其平均抗压强度即折减3.5%。而当再生砖混骨料按50%和75%置换时,其抗压强度分别折减10.5%和18.6%。由此可知,再生混凝土骨料的置换会进一步削弱混凝土的抗压强度,而且其削弱抗压强度程度较单一砖骨料置换削弱程度更加明显。砖混再生骨料置换率超过25%,即出现较为明显的抗压强度折减。

再生砖混骨料的加入加剧了混凝土强度的折减,按照砖再生骨料等比例置换,在含砖骨料10%置换同时再生混凝土骨料40%置换,即砖混再生骨料50%置换天然粗骨料的工况中,混凝土强度折减开始加剧,对比单一10%砖骨料置换,其抗压强度折减明显。由此可知,如采用砖混再生骨料进行天然粗骨料置换,其砖混骨料置换率在25%以内对混凝土抗压强度影响不大。

因此,含再生骨料的混凝土抗压强度会随着再生骨料置换率的增加而降低,而对于机制再生骨料,通常由再生砖骨料和再生混凝土骨料两部分组成,二者对于混凝土强度的折减均有作用。通过数值拟合,可知再生砖骨料及再生混凝土骨料置换率对再生混凝土抗压强度的折减率与式(1)相符。

(1)

式中:Rm为混凝土抗压强度折减率;rb及rm分别为再生砖骨料和再生混凝土骨料的置换率。

再生骨料置换率对混凝土抗压强度折减率的计算值与试验值对比如图4所示,由图可见,式(1)的计算值与试验值较吻合。

图4 再生骨料置换率与混凝土强度折减率关系Fig.4 Relationship between replacement rate of recycled aggregate and reduction rate of concrete strength

3 结 论

1) 机制砖混再生骨料按一定比例置换普通混凝土的天然粗骨料,混凝土立方体抗压强度会有所折减,折减率随再生骨料置换率的增大而增大。采用此类机制再生固废骨料置换天然粗骨料可以实现对较高强度要求混凝土的配制。

2) 砖混再生骨料置换比砖再生骨料单一置换对混凝土强度的折损程度更大。再生砖骨料单一置换粗骨料,置换率在10%以内时,混凝土强度折减几乎可忽略,但超过10%后混凝土强度可迅速衰减;等比例砖骨料置换下,再置换混凝土再生骨料,发现强度折减率急剧上升,置换砖混两种再生骨料的混凝土维持抗压强度的砖临界比仅为5%,即砖混骨料25%置换率以内才可维持较高抗压强度。

3) 此类机制再生砖混骨料混凝土强度的折减是机制再生骨料中砖骨料和混凝土再生骨料联合作用的结果,两种再生骨料置换率与混凝土强度的折减率存在相关性,可按文中公式依据强度要求确定再生骨料置换率。