再生骨料性質(zhì)檢測(cè)與再生透水磚配合比設(shè)計(jì)

王欣弋 ，CS Chin,3，陸沈磊 ，夏駿 ,3

（1.西交利物浦大學(xué)土木系，江蘇 蘇州 215123；2.蘇州建筑材料再生資源利用有限公司，江蘇 蘇州215155；3.西交利物浦大學(xué)可持續(xù)發(fā)展材料和環(huán)境研究院，江蘇 蘇州215123）

0 引言

隨著城市建筑壽命達(dá)到設(shè)計(jì)周期和城市更新的要求，建筑拆除和重建項(xiàng)目產(chǎn)生了大量的建筑垃圾，其中一大部分是廢棄混凝土。經(jīng)估算，2017年我國(guó)的建筑拆除面積在4.7億m2左右，產(chǎn)生的建筑垃圾總量估計(jì)超過(guò)19億t。建筑垃圾的無(wú)害處理和再生應(yīng)用成為了城市固廢處理的重要課題。由于垃圾收集和處理的技術(shù)限制，基于建筑垃圾的混凝土再生骨料，特別是再生粗骨料的性質(zhì)均一性較差，且相比天然骨料，其吸水率較高，壓碎指標(biāo)較高，通常只能用于低級(jí)別的混凝土或者道路墊層中，這限制了其大規(guī)模、高效益的應(yīng)用。基于歐美的“低影響開(kāi)發(fā)“理念，我國(guó)推出并已經(jīng)在大力實(shí)踐“海綿城市”建設(shè)。其建設(shè)對(duì)于透水性能良好的新型建筑材料有著大量需求。透水混凝土的強(qiáng)度要求比結(jié)構(gòu)用普通混凝土低得多，且材料強(qiáng)度和骨料本身的強(qiáng)度相關(guān)性不大，主要取決于骨料間粘結(jié)水泥漿的強(qiáng)度，因此再生粗骨料在透水混凝土中的應(yīng)用不僅具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)和生態(tài)效益，在材料功能和結(jié)構(gòu)應(yīng)用上也具有技術(shù)可行性。在透水混凝土體系中使用再生粗骨料是促進(jìn)城市建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的重要技術(shù)路徑之一。

經(jīng)同時(shí)對(duì)再生骨料的性質(zhì)監(jiān)測(cè)和再生透水混凝土的配合比設(shè)計(jì)展開(kāi)為期四期的研究，每期間隔一個(gè)月的性質(zhì)監(jiān)測(cè)，對(duì)骨料在級(jí)配、吸水率、壓碎值和成分含量等方面進(jìn)行定量的變異分析，然后基于特定一期的材料進(jìn)行再生骨料透水混凝土的試配、強(qiáng)度、透水性的測(cè)試，驗(yàn)證了材料配合比設(shè)計(jì)和基本性質(zhì)。

1 骨料性質(zhì)監(jiān)測(cè)

再生混凝土粗骨料作為再生混凝土產(chǎn)品中最重要的一環(huán)，其骨料性質(zhì)決定了混凝土產(chǎn)品質(zhì)量的好壞。然而由于再生骨料的進(jìn)貨渠道和生產(chǎn)方式不同，導(dǎo)致了再生骨料具有級(jí)配不穩(wěn)定，骨料的吸水率及密度較天然骨料偏大，骨料中的成分多變，含泥量較多等特點(diǎn)。為研究再生混凝土粗骨料的骨料性質(zhì)變化，本項(xiàng)目對(duì)蘇州某再生骨料生產(chǎn)單位生產(chǎn)的四個(gè)月份（1月至4月）的再生混凝土粗骨料進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。針對(duì)骨料的級(jí)配、表觀密度和吸水率、骨料壓碎值以及再生骨料的成分分析進(jìn)行了細(xì)致的測(cè)試。本次骨料性質(zhì)監(jiān)測(cè)旨在監(jiān)測(cè)作為粗骨料的建筑廢料的性質(zhì)變化，故在每個(gè)月的骨料檢測(cè)之前，都進(jìn)行了浸泡及烘干處理，去除了再生骨料在生產(chǎn)、裝填以及運(yùn)輸中可能攜帶的土塊和粉末。對(duì)再生骨料的篩分分析，表觀密度和吸水率，依照GB/T 17431.2-2010《輕集料及其實(shí)驗(yàn)方法》中的所述方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T25177-2010《混凝土用再生粗骨料規(guī)范》。骨料檢測(cè)的結(jié)果如下。

1.1 級(jí)配檢測(cè)（圖1）

圖1 1月至4月再生粗骨料篩分分析結(jié)果

表1 1至4月份再生骨料的吸水率表觀密度及壓碎值

從圖1可知，四個(gè)月間骨料的級(jí)配曲線大致相同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本滿足GB/T25177-2010《混凝土用再生粗骨料規(guī)范》的要求。從檢測(cè)的結(jié)果來(lái)看，相對(duì)于1至3月，4月份的再生粗骨料里有大約 10%的骨料顆粒直徑小于5 mm。3、4月份的試樣中包含了直徑大于14 mm的骨料顆粒，且3月份試樣中含有的大粒徑骨料顆粒最多?？傮w來(lái)看，1至3月份的再生粗骨料級(jí)配更為連續(xù)。

1.2 表觀密度和吸水率

1月份至4月份再生粗骨料的吸水率及表觀密度檢測(cè)結(jié)果如表1所示。從表中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，無(wú)論哪個(gè)月份，再生粗骨料的吸水率均高于天然骨料。2月份的骨料具有最高的吸水率（7.87%）。而從骨料的表觀密度性質(zhì)來(lái)看，1月至4月的再生骨料表觀密度變化不大，波動(dòng)范圍從2 620～2 680 kg/m3。依照《混凝土用再生粗骨料規(guī)范》中的要求，1～4月的骨料按吸水率來(lái)看，均屬Ⅲ類骨料。

1.3 粗骨料壓碎值

粗骨料壓碎值是粗骨料抵抗壓碎的性能指標(biāo)，與混凝土的抗壓強(qiáng)度有著直接的關(guān)系。壓碎值越小表明該骨料的抗壓碎能力越高，骨料顆粒更為堅(jiān)固。作為檢驗(yàn)粗骨料質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)之一，研究人員檢測(cè)了每個(gè)月送來(lái)的再生粗骨料的壓碎值。表1列出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由試驗(yàn)結(jié)果可知，四個(gè)月份的粗骨料壓碎值呈遞減趨勢(shì)。1月份骨料的壓碎值最高，為16.87%，而4月份的骨料壓碎值最低，為14.50%。依照《混凝土用再生粗骨料規(guī)范》中的要求，1至4月份的骨料按壓碎值來(lái)看，均滿足Ⅱ類骨料標(biāo)準(zhǔn)。

1.4 再生粗骨料成分分析

與天然骨料不同，再生粗骨料是對(duì)各類建筑垃圾粉碎篩分處理后制成的，骨料的顆粒種類不單一，不僅僅有碎石子和粉碎后的混凝土顆粒，還可能含有碎磚塊、瀝青顆粒、碎玻璃等各類材料殘?jiān)?。因此?duì)再生粗骨料進(jìn)行成分分析，研究每月骨料的成分變化，也是檢驗(yàn)再生粗骨料性質(zhì)，保證用其制成的混凝土產(chǎn)品合格的重要環(huán)節(jié)之一。

表2列出了1月至4月份再生粗骨料成分分析結(jié)果。在表2中，Rc表示混凝土產(chǎn)品或混凝土砌塊的碎塊，Ru表示天然骨料或天然石塊，Rb表示碎磚塊或瓷磚碎片，Ra表示瀝青材料顆粒，Rg表示玻璃碎片，X則表示除以上材料外的雜質(zhì)。

由表2可知，大部分再生粗骨料的成分為天然碎石以及混凝土碎塊。四個(gè)月的檢測(cè)結(jié)果都表明，天然碎石以及混凝土碎塊在骨料中的占比大于80%。1月份骨料中，天然碎石占比較高，達(dá)到了62.24%，而其他幾個(gè)月的再生骨料中，占比最高的成分均為混凝土碎塊。4月份骨料中天然碎石和混凝土碎塊的總含量最低，意味著其他材料例如碎磚塊、瀝青料和碎玻璃的含量相對(duì)更高。同時(shí)也說(shuō)明4月份的原料中含有的雜質(zhì)較多。

2 再生透水混凝土配合比設(shè)計(jì)

本次實(shí)驗(yàn)?zāi)康臑檠芯渴褂迷偕止橇现苽涞耐杆炷恋淖罴雅浜媳仍O(shè)計(jì)。根據(jù)對(duì)四個(gè)月份的再生骨料的檢測(cè)結(jié)果可知，3月份的骨料相對(duì)于其他三個(gè)月，顆粒級(jí)配最符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T25177-2010，吸水率較低（6.61%），壓碎值較低（15.68%），且骨料中大部分為混凝土碎塊，其他雜質(zhì)含量較低，具有代表性。因此在透水混凝土配合比設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)中，選用3月份的骨料作為實(shí)驗(yàn)用骨料，并且不摻加天然粗骨料以及任何細(xì)骨料。為保證實(shí)驗(yàn)的一致性，骨料在使用前均進(jìn)行了篩分及沖洗，除去骨料中含有的泥土和少量細(xì)骨料，并保證骨料在使用前處于飽和表面干燥狀態(tài)。骨料的粒徑范圍控制在7～14 mm之間。

本次實(shí)驗(yàn)中，所有試塊均采用澆注成型,澆筑過(guò)程中僅使用振動(dòng)臺(tái)微振而不對(duì)試塊頂部施加壓力。澆筑1 d后拆模并將試塊放入恒溫室中，溫度設(shè)定為25℃，濕度為90%。試塊為100 mm×100 mm×100 mm的立方體以及直徑75 mm，高70 mm的圓柱體，用來(lái)檢測(cè)再生透水混凝土的抗壓強(qiáng)度和透水率。本次實(shí)驗(yàn)依照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25993-2010《透水路面磚和透水磚》中的標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)試樣進(jìn)行檢測(cè)。

2.1 配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)《高強(qiáng)混凝土透水磚的研制》[5]中的正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)，制備高強(qiáng)透水混凝土?xí)r，骨灰比是主要的影響因素，其次是骨料粒徑，再次是水灰比。本次實(shí)驗(yàn)中的配合比設(shè)計(jì)采用了如下方法：①確定骨灰比范圍；②確定水灰比范圍；③確定單位體積混凝土中的水泥用量。由于本次實(shí)驗(yàn)的骨料粒徑確定為7～14 mm，故骨料粒徑變化的影響因素不考慮在內(nèi)。骨灰比的范圍確定為3.2～4.2，水灰比的范圍確定為0.25～0.3，而水泥用量則固定為340 kg/m3。由此可得四組再生透水混凝土的配合比，如表3所示。

2.2 再生透水混凝土抗壓強(qiáng)度和透水率

為快速確定透水混凝土配合比的優(yōu)劣，本實(shí)驗(yàn)對(duì)四組再生透水混凝土的7 d及28 d抗壓強(qiáng)度以及透水率進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表 3 再生透水混凝土配合比設(shè)計(jì)表（kg/m3）

表4 再生透水混凝土在養(yǎng)護(hù)7 d與28 d 時(shí)的抗壓強(qiáng)度和透水率

由試驗(yàn)結(jié)果可知，在這四組實(shí)驗(yàn)中，第1組配比制成的再生透水混凝土具有最高的抗壓強(qiáng)度8.50 MPa（7 d），10.43 MPa（28 d）以及最低的透水系數(shù)0.370 cm/s，而第2組的混凝土試塊則有最低抗壓強(qiáng)度 3.36 MPa（7 d），4.27 MPa（28 d）以及最高的透水系數(shù)2.357 cm/s。從兩個(gè)時(shí)間段測(cè)得的混凝土抗壓強(qiáng)度可知，再生透水混凝土在28 d時(shí)的強(qiáng)度比7 d時(shí)增長(zhǎng)約30%。四組實(shí)驗(yàn)的透水系數(shù)檢測(cè)結(jié)果均滿足國(guó)家A類標(biāo)準(zhǔn)（≥2.0×10-2cm/s）。

圖2為四組再生透水混凝土在養(yǎng)護(hù)7 d以及28 d時(shí)的抗壓強(qiáng)度與透水率關(guān)系圖。圖中各點(diǎn)為四組實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，虛線為趨勢(shì)線。由圖可知，對(duì)于透水混凝土來(lái)說(shuō)，透水率與抗壓強(qiáng)度基本呈反比例關(guān)系，當(dāng)抗壓強(qiáng)度增加時(shí)，透水率會(huì)相對(duì)應(yīng)的減小。而無(wú)論在第7 d或28 d時(shí)，處于趨勢(shì)線外側(cè)的第3組試塊均具有相對(duì)較高的抗壓強(qiáng)度以及透水率，其配合比即為再生透水混凝土的最佳配合比。

圖2 再生透水混凝土的透水率與抗壓強(qiáng)度關(guān)系

3 結(jié)論

對(duì)1月份至4月份的再生混凝土粗骨料進(jìn)行檢測(cè)，并使用3月份骨料進(jìn)行再生透水混凝土配合比研究后，可得出以下結(jié)論：

（1）四個(gè)月份的骨料級(jí)配均較好，基本滿足國(guó)家規(guī)范要求；每個(gè)月份的骨料間吸水率、表觀密度以及壓碎值相差不大。

（2）四個(gè)月份的骨料吸水率均滿足Ⅲ類骨料要求，而壓碎值則均滿足Ⅱ類骨料標(biāo)準(zhǔn)。綜合來(lái)看，四個(gè)月的骨料屬于Ⅲ類再生粗骨料。

（3）在對(duì)再生透水混凝土的配合比的研究中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得出單位體積混凝土最佳配合比：骨料含量1 258.00 kg/m3、水泥含量340.00 kg/m3、水含量為91.80 kg/m3。