廢磚細(xì)骨料砂漿的制備與基本性能的研究

王顯利，陳少清，畢明麗

(1.北華大學(xué),吉林省吉林市 132013； 2.長(zhǎng)春工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012)

廢磚細(xì)骨料砂漿的制備與基本性能的研究

王顯利1，陳少清1，畢明麗2

(1.北華大學(xué),吉林省吉林市 132013； 2.長(zhǎng)春工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012)

近年來(lái)，新城建設(shè)、舊城改造產(chǎn)生大量的建筑廢棄物，造成了環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。同時(shí)，我國(guó)天然砂資源日益短缺，極其需要代替品。針對(duì)以上問(wèn)題，將廢棄黏土磚作為砂漿細(xì)骨料進(jìn)行試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：廢磚骨料替代天然砂，會(huì)使砂漿的流動(dòng)性降低，保水性提高。當(dāng)替代率超過(guò)50%后，砂漿的流動(dòng)性和保水性均不滿足使用要求，必須添加一定的附加用水量；得到了M5、M10和M15砂漿的替代率與附加用水量的關(guān)系式；用廢磚替代部分天然砂可以使砂漿的強(qiáng)度提高，且后期強(qiáng)度提高更加明顯。M5和M10砂漿的替代率為50%時(shí)，28 d強(qiáng)度達(dá)到峰值，M15砂漿則是25%時(shí)，達(dá)到峰值；制備M5砂漿可以采用100%廢磚骨料，制備M10以上的砂漿，替代率應(yīng)控制在50%以內(nèi)。

廢磚細(xì)骨料；再生砂漿；稠度；分層度；抗壓強(qiáng)度

隨著社會(huì)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，給環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞。資源短缺、環(huán)境惡化成為當(dāng)今世界面臨的共同問(wèn)題。一方面，目前我國(guó)天然砂的現(xiàn)狀已不容樂(lè)觀，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的開采，天然砂已經(jīng)所剩無(wú)幾，大量的開采河沙嚴(yán)重破壞了河床的穩(wěn)定，造成了許多災(zāi)害。另一方面，每年舊城改造所拆除的建筑物產(chǎn)生了大量的廢棄物，它們以廢棄的黏土磚塊和廢混凝土塊為主[1-3]。廢棄物隨意堆放會(huì)占用大量土地，對(duì)我國(guó)土地資源造成浪費(fèi)，同時(shí)對(duì)環(huán)境造成污染。目前大量建筑垃圾的處理方式是露天堆放或者填埋，帶來(lái)環(huán)境污染的同時(shí)也是對(duì)資源造成了極大的浪費(fèi)。

國(guó)外對(duì)于廢棄黏土磚再生利用的研究較早，F(xiàn)ouad M.Khalaf[4]將黏土磚磨碎成4種不同類型的粗骨料，取代天然粗骨料制備混凝土。結(jié)果表明，用黏土磚作為粗骨料可以用來(lái)制備高強(qiáng)度混凝土，強(qiáng)度可以達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，而且部分試件的強(qiáng)度超過(guò)了普通花崗巖骨料的混凝土。F.Bektas,K.Wang等[5]使用廢棄黏土磚碎料，以10%和20%的取代率取代水泥砂漿中的細(xì)骨料，制備水泥砂漿，進(jìn)行流動(dòng)度、抗壓強(qiáng)度、凍融循環(huán)、收縮、堿骨料反應(yīng)等試驗(yàn)。結(jié)果表明，10%和20%的取代量對(duì)砂漿的抗壓強(qiáng)度和收縮性影響都非常小，對(duì)砂漿的堿骨料反應(yīng)也沒(méi)有太大影響，對(duì)抗凍融性有一定的提高。近年來(lái)我國(guó)學(xué)者對(duì)于廢棄黏土磚的研究也比較多，靳秀芝等[6]人用廢黏土磚碎料不同比例替代天然河砂制備水泥砂漿。研究了不同替代率對(duì)砂漿抗壓、抗折強(qiáng)度的影響規(guī)律，結(jié)果表明當(dāng)廢磚替代率為40%～60%時(shí)，強(qiáng)度達(dá)到峰值。總之，國(guó)內(nèi)外大多學(xué)者都將其作為粗骨料應(yīng)用于再生混凝土的研制，而將其作為細(xì)骨料應(yīng)用于再生砂漿的研制相對(duì)較少[7-12]。本文將廢磚碎料作為細(xì)骨料，針對(duì)廢磚再生砂漿的流動(dòng)性、保水性、強(qiáng)度等方面進(jìn)行試驗(yàn)研究。本研究不僅可以節(jié)約自然資源，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，還可以促進(jìn)資源的循環(huán)再生利用，具有廣泛的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

1.1.1 水泥

試驗(yàn)用的水泥為吉林市冀東水泥廠生產(chǎn)的P.C42.5普通硅酸鹽水泥，其物理—力學(xué)性能指標(biāo)見表1，水泥各項(xiàng)指標(biāo)均符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》對(duì)水泥的各項(xiàng)技術(shù)要求。

表1 水泥基本性能指標(biāo)

1.1.2 天然砂和廢磚細(xì)骨料

本試驗(yàn)采用的天然砂為吉林市誠(chéng)信沙場(chǎng)購(gòu)買的中砂，廢磚細(xì)骨料為廢棄黏土磚經(jīng)過(guò)清潔、破碎、級(jí)配后獲得，細(xì)度符合中砂要求，二者基本性能指標(biāo)見表2。采用等質(zhì)量法，分別用廢磚骨料25%、50%、75%和100%替代天然砂獲得混合骨料，其篩分析試驗(yàn)結(jié)果見表3，級(jí)配曲線如圖1。

表2 骨料基本性能指標(biāo)

表3 骨料的篩分析試驗(yàn)結(jié)果

圖1 骨料級(jí)配曲線

1.1.3 水

吉林市自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)方法

本文分別設(shè)計(jì)了M5、M10和M15 3種強(qiáng)度等級(jí)的砂漿進(jìn)行試驗(yàn)研究。每種強(qiáng)度等級(jí)的砂漿分別用廢磚骨料0%、25%、50%、75%和100% 5種比例替代天然砂，分別研究廢磚骨料不同替代率對(duì)3種強(qiáng)度砂漿的稠度、分層度、用水量和強(qiáng)度的影響規(guī)律。

依據(jù)JGJ/T70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的操作規(guī)程進(jìn)行稠度、分層度及強(qiáng)度測(cè)試。首先對(duì)砂漿拌合物進(jìn)行稠度和分層度測(cè)試，根據(jù)稠度值要求調(diào)整用水量，將調(diào)整后滿足稠度要求的拌合物裝入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm試模，每組試件做3塊。試件制作后在室溫(20±5) ℃的環(huán)境下靜置(24±2)h后脫模，放在(20±2) ℃，相對(duì)濕度95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試。具體試驗(yàn)配合比見表4。

表4 砂漿配合比表 單位：kg·m-3

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 廢磚摻量對(duì)砂漿稠度和分層度的影響

在本研究中，選取在建筑中應(yīng)用最普遍的稠度要求：50～70 mm。對(duì)砂漿拌合過(guò)程中的稠度及分層度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見表5。廢磚骨料表面具有疏松多孔的特點(diǎn)，這就造成了它具有較高的吸水率的特點(diǎn)。由表5可以看出：在相同的用水量的條件下，A1、B1、C1的稠度值均在50 mm左右，分層度較大。說(shuō)明天然骨料的砂漿在該用水量下具有較好的流動(dòng)性，但保水性較差；隨著廢磚骨料替代率的增加，3種強(qiáng)度砂漿的稠度和分層度均在減小，說(shuō)明廢磚骨料的摻入使砂漿流動(dòng)性降低，保水性提高。當(dāng)替代率大于50%后，導(dǎo)致砂漿的流動(dòng)性不符合要求，甚至喪失流動(dòng)性。這是因?yàn)閺U磚骨料具有較高的吸水率。當(dāng)替代率大于50%后，分層度小于10 mm，會(huì)導(dǎo)致砂漿過(guò)于干稠不易操作，容易出現(xiàn)干縮開裂等問(wèn)題。因此，為使廢磚再生砂漿的流動(dòng)性滿足試驗(yàn)要求，需要對(duì)廢磚砂漿摻入一定的附加用水，以保證流動(dòng)度的要求。

表5 稠度及分層度測(cè)試結(jié)果

2.2 不同廢磚摻量對(duì)砂漿用水量的影響

附加用水量是指再生砂漿相比于普通砂漿，達(dá)到相同稠度值條件下，所需添加的額外用水量。通過(guò)試驗(yàn)得出的保證相同稠度的廢磚砂漿的附加用水量如圖2所示。

由圖2可以看出，在保證相同的稠度的條件下，隨著廢磚骨料替代率的增加，附加的用水量逐漸增加。3種強(qiáng)度砂漿的附加用水量與廢磚替代率大致呈線性關(guān)系，對(duì)其進(jìn)行擬合可以得到方程(1)～(3)：

y1=0.508x1-2.52，

(1)

y2=0.464x2-1.10，

(2)

y3=0.496x3-3.34，

(3)

式中：y1、y2、y3分別表示強(qiáng)度等級(jí)為M5、M10、M15砂漿的附加用水量(%)；x1、x2、x3分別表示M5、M10、M15 3種砂漿的廢磚替代率(%)。

3.3 廢磚替代率對(duì)砂漿強(qiáng)度的影響

本試驗(yàn)分別對(duì)3種強(qiáng)度砂漿的3 d、7 d、28 d、56 d的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)定，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見表6，3種強(qiáng)度砂漿的不同廢磚替代率、不同齡期與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系如圖3～5。

表6 砂漿強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

圖3 M5砂漿的廢磚替代率與抗壓強(qiáng)度關(guān)系

圖4 M10砂漿的廢磚替代率與抗壓強(qiáng)度關(guān)系

圖5 M15砂漿的廢磚替代率與抗壓強(qiáng)度關(guān)系

從圖3可以看出，用廢磚骨料替代天然砂制備M5等級(jí)砂漿，隨著廢磚替代率的增加，齡期3 d的強(qiáng)度隨替代率增大變化不大。齡期7 d、28 d、56 d的強(qiáng)度變化規(guī)律大致相同，均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。峰值均出現(xiàn)在廢磚骨料替代率為50%時(shí)，此時(shí)相比完全天然骨料7 d、28 d、56 d強(qiáng)度分別提高了31.3%、20.4%和14.6%。替代率超過(guò)50%后，強(qiáng)度逐漸下降，當(dāng)替代率為100%時(shí)，廢磚骨料砂漿的28 d強(qiáng)度為8.1 MPa，雖然小于天然砂砂漿的9.3 MPa，但是強(qiáng)度值仍滿足M5等級(jí)砂漿要求的強(qiáng)度。

從圖4可以看出，用廢磚骨料替代天然砂制備M10等級(jí)砂漿，隨著廢磚替代率的增加，其規(guī)律與M5砂漿相似，3 d強(qiáng)度呈略有下降的趨勢(shì)，7 d、28 d、56 d的強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)替代率為50%時(shí)，7 d和28 d強(qiáng)度達(dá)到峰值，與天然砂砂漿相比，強(qiáng)度分別提高了29.6%和36.6%。齡期56 d的砂漿，廢磚替代率為25%時(shí)強(qiáng)度達(dá)到峰值，與天然砂砂漿相比，強(qiáng)度提高27.7%。當(dāng)替代率為100%時(shí)，廢磚骨料砂漿的強(qiáng)度為9.8 MPa，小于M10砂漿的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。因此，用廢磚骨料制備M10砂漿，廢磚替代率不宜超過(guò)75%，否則強(qiáng)度難以保證。

從圖5可以看出，用廢磚骨料替代天然砂制備M15等級(jí)砂漿，隨著廢磚替代率的增加，砂漿的強(qiáng)度也呈先增加后減小的趨勢(shì)。3 d、7 d、28 d、56 d的強(qiáng)度峰值均在廢磚摻量為25%時(shí)。同時(shí)，當(dāng)廢磚替代率為75%時(shí)，廢磚骨料砂漿強(qiáng)度為14.7 MPa不滿足M15砂漿強(qiáng)度要求。因此，用廢磚骨料制備M15強(qiáng)度的砂漿，廢磚替代率應(yīng)在50%以內(nèi)。當(dāng)替代率為25%時(shí)強(qiáng)度最大，28 d強(qiáng)度為18.8 MPa。

2.4 不同替代率的M10砂漿強(qiáng)度和齡期的關(guān)系

由圖6可以看出，除3 d強(qiáng)度以外，廢磚替代率小于50%的廢磚骨料砂漿的強(qiáng)度均高于完全天然砂砂漿。同時(shí)，通過(guò)對(duì)比不同齡期下，摻入和未摻入廢磚骨料的砂漿可看出，用廢磚骨料適當(dāng)替代天然骨料可以提高砂漿強(qiáng)度，且后期強(qiáng)度提高更加明顯，摻入25%廢磚骨料的砂漿56 d強(qiáng)度提高了27.7%。這是因?yàn)閺U磚骨料的成分比較特殊，它由黏土、煤矸石等原料焙燒而成，一些學(xué)者研究表明，黏土磚粉末具有一定的火山灰性質(zhì)。廢磚骨料中的微小粉末具有活性成分，可以與Ca(OH)2結(jié)合生成新的膠凝物質(zhì)，從而使后期強(qiáng)度得到提高。

3 結(jié)語(yǔ)

1)廢磚骨料表面疏松多孔，具有較高的吸水率。將廢磚替代天然砂制備砂漿，隨著廢磚替代率的增加，會(huì)使砂漿的稠度值逐漸降低，流動(dòng)性越來(lái)越差，但保水性提高。當(dāng)替代率超過(guò)50%后，會(huì)使砂漿的流動(dòng)性和保水性均不滿足使用要求，必須添加一定的附加用水量。

圖6 M10砂漿強(qiáng)度與齡期關(guān)系

2)通過(guò)分析得出，3種強(qiáng)度砂漿的附加用水量與廢磚替代率大致呈線性關(guān)系，并通過(guò)擬合得到了二者的關(guān)系式。

3)用廢磚一定比例的替代砂漿中的天然砂，可以使砂漿的強(qiáng)度得到提高。M5和M10等級(jí)砂漿在廢磚替代率為50%時(shí)獲得的28 d強(qiáng)度最高。M15等級(jí)砂漿在廢磚替代率為25%時(shí)獲得的28 d強(qiáng)度最高。用廢磚骨料可以100%替代天然砂制備強(qiáng)度等級(jí)的M5砂漿，但需要加入一定的附加用水量。用廢磚骨料制備M10以上強(qiáng)度較高的砂漿，則替代率應(yīng)控制在50%以內(nèi)。

4)用廢磚骨料替代天然砂制備砂漿，對(duì)砂漿的后期強(qiáng)度提高較為明顯，M10級(jí)砂漿摻入25%的廢磚骨料，其56 d強(qiáng)度提高了27.7%。

[1] 郭瑞亮.全級(jí)配再生粘土磚骨料在混凝土和砂漿中的應(yīng)用研究[D].天津：天津大學(xué)，2009.

[2] 鄭麗.廢粘土磚粉混凝土的性能研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2012.

[3] 袁帥.磚、砼再生細(xì)骨料砂漿力學(xué)性能及應(yīng)用研究[D].長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2013.

[4] Khalaf Fouad M.Using crushed clay brick as coarse aggregate in concrete[J].Journal of Material in Civil Engineering， 2006，18(4)：518.

[5] Bektas F,Wang K，Ceylan H.Effects of crushed clay brick aggregate on mortar durability[J].Construction and Building Materials，2009，23(5):1909-1914.

[6] 李新建，韓濤，靳秀芝，等.廢黏土磚顆粒對(duì)砂漿強(qiáng)度的影響[J].建材技術(shù)與應(yīng)用，2011(3)：1-3.

[7] 程海麗.粉煤灰與廢茹土磚再生混凝土試驗(yàn)研究[J].混凝土與水泥制品，2005(5):48-50.

[8] 周文娟，陳家瓏，路宏波.綠色再生砂漿試驗(yàn)研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009(7):15-19.

[9] 王穆芝，劉曉軍.水泥混凝土技術(shù)與生態(tài)環(huán)境[J].科技信息，2008(23):440-443.

[10] 田洪臣，段緒勝，王福忠，等.建筑垃圾的綜合應(yīng)用[J].山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006(1):109-112.

[11] 梁倚，鄧志恒，黃廷劍，等.以廢磚粉和廢砂漿為細(xì)骨料的再生混凝土受力性能試驗(yàn)研究[J].混凝土,2009(3):44-46.

[12] 曾路春.廢混凝土作粗骨料、廢磚作細(xì)骨料制備再生混凝土的試驗(yàn)研究[J].墻材革新與建筑節(jié)能，2006(8):35-36.

The Research on Preparation and Basic Properties of Recycled Brick Aggregate Mortar

WANG Xian-li，et al.

(BeihuaUniversity，JilinJilin132013，China)

In recent years，with the new town construction and old city reconstruction massive building waste has been produced，causing environmental pollution and resource waste.Meanwhile，the sand resources increasingly scarce in China，and the replacement is needed extremely.To solve above problems，in this paper，the recycled brick aggregate has been used as mortar aggregate in the test.The results show that recycled brick aggregate used as natural mortar can make the fluidity of mortar decrease and water retention improve.After the replacement rate more than 50%，liquidity and water retention of mortar can not meet the requirements of operating.The additional water must be added；The results obtain the relation between replacement and additional water of the mortar as M5，M10 and M15；The replacement to natural sand with recycled brick can raise the strength of cement mortar，and later the strength increases more obviously.When the replacement of M5 and M10 reaches 50%，the 28 d strength reaches peak，the M15 mortar is about 25% at peak.Preparation of M5 mortar can use 100% recycled brick aggregate，and replacement rate should be controlled within 50% when preparation of mortar about M10 or above.

brick aggregate；recycled mortar；consistence；segregation degree；strength

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.01.007

2017-01-12

王顯利(1972-)，男(漢)，吉林遼源，博士，教授 主要研究土木工程新材料。

TU521

A

1009-8984(2017)01-0030-04