再生粗骨料對混凝土物理性能影響因素探討

張 輝

(天津國土資源和房屋職業(yè)學院，天津 300270)

1 引言

近年來，我國城鎮(zhèn)改造建設進入高速發(fā)展階段，隨之帶來了建筑垃圾排放量逐年遞增，且大量占用公共空間等突出問題。建筑垃圾的主要成份為碎磚塊與碎混凝土塊，為使這些建筑固體廢棄物得到合理化處理，建筑從業(yè)人員設法將此類固體廢棄物通過機械加工的方式制成再生骨料，作為拌制混凝土時的粗骨料使用。此類建筑垃圾若能大量用于混凝土伴制，使其能夠回收再利用且變廢為寶，那么將會對保護自然環(huán)境和節(jié)約自然資源等方面產(chǎn)生不可估量的有益影響。研究并推廣應用再生骨料混凝土必將為我國帶來十分重要的經(jīng)濟效益和社會效益[1，2]。

再生骨料的成份組成有別于普通碎石骨料，將其作為拌制混凝土的粗骨料，必然會對混凝土的物理性能產(chǎn)生影響。本文首先分析了再生骨料的宏觀組成和部分物理特性，然后通過試驗性探究的方式，分析了再生骨料替代率與再生骨料混凝土的力學性能之間的關系。

2 材料與方法

2.1 原材料

本次試驗所用的再生骨料由陜西某環(huán)?？萍脊旧a(chǎn)并提供。該公司將建筑固體廢棄物制成再生骨料的主要工藝過程為：粗破→除粉→去除雜物→細破→整形。經(jīng)加工制成的再生粗骨料主要成分為天然石子、水泥砂漿塊和磚塊，由于水泥砂漿塊和磚塊與天然石子相比，其在密度、硬度、吸水率、含粉率和顆粒形態(tài)等物理性能方面都存在較大差異。可想而知，使用再生骨料拌制的混凝土，其和易性、力學性能和耐久性等必然會與普通混凝土有所差別。

2.2 試驗方案

2.2.1 再生骨料宏觀組成與形貌

采用8點取樣法，對再生骨料進行取樣，再通過分揀的方式，確定再生骨料中各類骨料組成比例。首先，在再生骨料料堆中四個面的上部和下部隨即確定8個點分別取12.5 kg骨料，并保證8個點取樣量相等，再對這8份樣品進行混合、縮分，最后再平均分成兩份試樣。以肉眼進行分辨，人工分揀骨料，將試樣分為天然石子、水泥砂漿塊、磚塊三部分，分揀完成后分析各類骨料的組成比例。再引入三軸形狀系數(shù)(SF)試驗方法，分析再生骨料的形貌特征(圖1)。

圖1 再生骨料宏觀形貌

2.2.2 再生粗骨料微分含量及壓碎指標

再生骨料的基本物理指標主要包括有粒徑、顆粒級配、表觀密度、堆積和緊密堆積密度、空隙率、微粉含量、含水率、壓碎指標等，李占印[3]等已對再生骨料的基本物理性質(zhì)做出了大量的分析。由于混凝土的力學性能與骨料微粉含量和壓碎指標之間存在重要關聯(lián)，本次研究在上述研究成果的基礎上，依據(jù)《建設用卵石、碎石》GB/T14685-2011標準要求，測定并分析了再生骨料微粉含量和壓碎指標，且與天然石子進行對比分析。

2.2.3 再生骨料替代率對混凝土抗壓性能的影響

張志波、王社良指出混凝土抗壓強度會隨著再生骨料摻入量的增加而降低[4]。本研究試驗依據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗方法》GB/T50080-2002及《普通混凝土力學性能試驗方法》GB/T50081-2002標準，以再生骨料取代天然碎石配制C25強度等級的混凝土，設置再生骨料替代率分別為：20%、30%、40%、50%、70%，分析不同再生骨料取代率對再生骨料混凝土抗壓性能的影響，同時分析再生骨料混凝土抗壓強度與混凝土齡期之間的關系。

此外，試驗配制磚塊含量分別為6%、9%、12%、15%、21%、30%、40%、50%、60%、70%和80%的再生骨料，用于探究磚塊含量對再生骨料混凝土抗壓強度的影響。

3 結(jié)果與分析

3.1 再生骨料宏觀組成與形貌

本次試驗選用的再生骨料經(jīng)過處理后，骨料顆粒呈現(xiàn)為由小到大的混合體。主要粒徑分布在9.5～31.5 mm。再生骨料在這一范圍內(nèi)累計篩余量達到96%，粒徑在4.75～9.5 mm的篩余量僅占0.28%。

試樣經(jīng)過分揀后，可分為天然石子、水泥砂漿塊、磚塊三部分，試樣中各類骨料的構(gòu)成比例可見表1。

表1 再生骨料宏觀組分構(gòu)成

由骨料成份構(gòu)成可以看出，再生骨料成份以天然石子和水泥砂漿塊為主，二者的所占比例分別為41.85%和49.83%，兩種骨料所占比例相近，磚塊含量則相對較少，僅占8.32%?？紤]到目前拆除的建筑物中，結(jié)構(gòu)形式主要以磚混結(jié)構(gòu)為主，所以固體廢棄物中應含有大量磚塊，然而試樣中的磚塊含量較低，究其原因在于磚塊在再生骨料中屬于相對軟弱顆粒，在骨料加工過程中磚塊內(nèi)部會產(chǎn)生部分裂紋，為保證骨料強度，生產(chǎn)企業(yè)對再生骨料成份進行了優(yōu)化，剔除了一部分磚塊。

通常情況下，混凝土用骨料的理想顆粒形狀是多邊形，表面光滑，尖銳棱角較少的顆粒。再生骨料顆粒以大粒徑顆粒為主，經(jīng)過機械整形，再生骨料的大小和形狀較為均勻，針片狀顆粒較少。通過引入三軸形狀系數(shù)(SF)的方法發(fā)現(xiàn)，再生骨料的形狀系數(shù)為0.73，天然碎石的形狀系數(shù)為0.77。用三軸形狀系數(shù)(SF)表達骨料表面特征可視為再生骨料與碎石的表面特征較為相近。

三軸形狀系數(shù)SF表達粗骨料的表面特征公式：

SF=C/(AB)0.5

(1)

式(1)中：A、B、C分別代表骨料的長軸、中軸、短軸長度。

3.2 再生骨料的微粉含量及壓碎指標

與天然骨料相比，再生粗骨料的微粉含量相對較高，這與再生粗骨料的組成成份及再生骨料的加工工藝之間有密切關系。通常情況下，骨料中微分含量過高會對混凝土產(chǎn)生不利影響。有研究指出，微粉含量較高會增加混凝土的需水量，降低混凝土性能且更容易風化，阻礙水泥與骨料膠結(jié)作用的發(fā)展，進而影響混凝土的質(zhì)量。

依照《混凝土用再生粗骨料》GB/T25177-2010要求的試驗方法，可測定再生骨料中的微粉含量，測定結(jié)果見表2。

表2 再生粗骨料微粉含量

由表2可知，通過試驗分別測定了兩組再生骨料中的微分含量，兩組試樣中的微分含量較為接近，分別為2.27g和2.18g，對二者取平均值，并計算得出再生粗骨料中微粉含量為2.225%，微粉百分含量處于相對較低的水平，該試驗結(jié)果符合《混凝土用再生粗骨料》GB/T25177-2010中關于Ⅲ類骨料微粉含量的相關要求。

壓碎指標是判別粗骨料抵抗外力壓碎能力的重要依據(jù)，它可以通過理論計算等方式，間接反映出粗骨料的強度，特別是對于粗骨料中軟弱顆粒，有較好的辨識力。再生骨料壓碎指標的測定方法，可參照天然碎石壓碎指標的要求，依據(jù)《建設用卵石、碎石》GB/T14685-2011規(guī)定的試驗方法測定，試驗分別測定了天然碎石、再生骨料、磚塊、水泥砂漿快的壓碎指標，試驗測定結(jié)果見表3。

表3 再生粗骨料壓碎指標

表3中，ZSGL代表再生骨料，ZSZK代表磚塊骨料，ZSFZ代表水泥砂漿塊骨料，TRSS代表天然骨料。由表3可知，水泥砂漿塊壓碎指標與天然碎石壓碎指標數(shù)值相接近，分別為11.34%、11.32%，再生骨料的壓碎指標高于天然碎石。磚塊的壓碎指標較高，約為25.45%，明顯高于天然碎石的壓碎指標，因此可將磚塊顆粒視為再生骨料中的軟弱顆粒。再生骨料中磚塊的壓碎指標之所以較高，原因在于磚塊密實度低于其他兩種類型的骨料，其具有較大的孔隙率，同時在骨料加工的過程中，磚塊內(nèi)部產(chǎn)生了一定量的微裂紋，這也進一步導致了其抵抗壓碎能力的降低。

雖然磚塊的壓碎指標較高，但鑒于再生骨料中磚塊的含量較低，質(zhì)量比約為8.32%，所以磚塊并未對再生骨料的壓碎指標產(chǎn)生較大影響。由表3可知，再生骨料的壓碎指標約為13.38%，因此該骨料可滿足Ⅱ類混凝土用再生骨料對于壓碎指標的相關要求。

3.3 再生骨料混凝土抗壓性能

目前對于再生骨料混凝土的配合比設計并無統(tǒng)一規(guī)范[5，6]。由于再生骨料混凝土與普通混凝土相比僅在骨料類型方面有所差別，混凝土的基本要求相同，因此本次試驗的混凝土配合比設計仍依據(jù)《普通混凝土配合比設計規(guī)程》JGJ55-2011標準，原則上依次滿足混凝土抗壓強度、和易性、耐久性、經(jīng)濟性要求。

圖2 再生骨料混凝土抗壓試件

本次試驗采用再生骨料按不同比例替代天然骨料的方式配制混凝土，測定不同取代率和不同齡期下再生骨料混凝土抗壓強度。再生骨料混凝土抗壓強度測定方法所依據(jù)標準為《普通混凝土力學性能試驗方法標準》GB/T500811。再生骨料替代天然骨料配制的混凝土在不同取代率和不同齡期條件下的抗壓強度值可見表4。

表4 再生骨料替代天然骨料配制混凝土抗壓強度(MPa)

由表4可知，各組試件抗壓強度均隨著齡期增長而增大，隨著再生骨料替代率的增加，再生骨料混凝土28天抗壓強度呈下降趨勢，當再生骨料替代率從20%提高至70%時，再生骨料混凝土28天抗壓強度降幅達到25%。此外，比較混凝土3天和28天強度可見，再生骨料混凝土的早期強度較高，各組試件3天抗壓強度均達到了試件28天抗壓強度的60%以上。考慮造成此現(xiàn)象的原因如下：①再生骨料與新拌水泥漿體之間具有良好的相容性，彼此之間存在物理嵌合，甚至存在發(fā)生化學反應的可能。②再生水泥砂漿骨料表面粗糙，自身力學強度高，與新拌水泥漿體具有較強的界面結(jié)合力。各組試件抗壓強度變化規(guī)律見圖3。

隨著再生骨料替代率的增加，混凝土抗壓強度逐漸下降。如果按照強度標準差σ=5.0 MPa估算混凝土配制強度，則C25混凝土28天配制強度約為33.0 MPa。因此當替代率不超過30%時，混凝土28天抗壓強度能夠滿足C25混凝土的要求。進一步提高再生骨料替代率后，混凝土抗壓強度將持續(xù)下降。

由3.2節(jié)可知，天然石子與水泥砂漿塊的壓碎指標相近，而再生磚塊的壓碎指標明顯高于天然石子和水泥砂漿塊。因此有理由認為磚塊含量會對再生骨料混凝土抗壓強度產(chǎn)生不利影響。表5展示了不同磚塊骨料含量下，再生骨料混凝土在不同齡期條件下的抗壓強度。

圖3 不同取代率再生骨料混凝土抗壓強度變化規(guī)律表5 不同磚塊含量再生骨料混凝土抗壓強度(MPa)

磚塊含量/%3 d7 d14 d28 d627.0129.7635.0038.47920.8724.7826.2633.081220.2924.8827.6832.721521.7522.7028.2530.952119.4224.0125.3028.963019.5823.2828.7432.864017.0320.6727.0731.575017.2521.2027.0728.576014.5516.8424.2626.917015.9619.0523.7026.38808.0810.7814.9517.35

由表3可知，隨著再生磚塊骨料含量逐漸增加，各齡期條件下的再生骨料混凝土抗壓強度均呈現(xiàn)下降趨勢。分析28 d的抗壓強度數(shù)據(jù)可知，持續(xù)提高磚塊含量后，再生骨料混凝土抗壓強度出現(xiàn)了明顯下降。當磚塊含量由6%提高至80%后，混凝土28 d抗壓強度由38.47 MPa下降至17.35 MPa，降幅高達54.9%。依據(jù)表5試驗數(shù)據(jù)并結(jié)合2.2節(jié)的分析內(nèi)容，可以將再生磚塊視為再生骨料中的最薄弱顆粒，增加其在混凝土拌合物中的含量會對混凝土抗壓強度產(chǎn)生不利影響。

對于混凝土而言，其強度與水灰比之間存在密切關聯(lián)。根據(jù)《普通混凝土配合比涉及規(guī)程》JGJ55-2011，采用鮑羅米公式來描述混凝土28天強度與水膠比之間的聯(lián)系。

fcu。0=αafb(B/W-αb)

(2)

式(2)中αa和αb與骨料的種類有關，骨料為碎石時，αa=0.53；αb=0.20，骨料為卵石時，αa=0.49；αb=0.13。由于再生骨料既不屬于碎石也不屬于卵石，故將兩組αa和αb值均采用鮑羅米公式進行計算，并與混凝土28天實測強度進行比較。

表6 混凝土計算強度與實測值

由表6可知，天然石子組、再生非磚塊組與鮑羅米公式擬合的效果較好，擬合值與實測值較為接近。而再生骨料組和再生磚塊組無論是按碎石擬合還是按卵石擬合，擬合值與實測值都相差較大，這也再次驗證了再生骨料中磚塊部分是影響再生骨料混凝土抗壓強度的主要因素。

圖4展示了在不同齡期條件下，再生骨料混凝土抗壓強度與再生磚塊骨料含量之間的變化規(guī)律。如圖4所示，混凝土抗壓強度下降過程大體可分為三個區(qū)間：第一區(qū)間磚塊含量在6%～30%時，隨磚塊含量增加，再生骨料混凝土抗壓強度快速下降；第二區(qū)間磚塊含量30%～70%時，再生骨料混凝土抗壓強度下降幅度減緩，呈近似線性下降趨勢；第三區(qū)間磚含量高于70%時，再生骨料混凝土抗壓強度再次快速下降。

圖4 不同磚塊含量再生骨料混凝土抗壓強度變化規(guī)律

分析上述曲線產(chǎn)生的原因，當磚含量6%～30%范圍時，隨著磚塊含量的增加再生骨料混凝土內(nèi)部薄弱點也進而增加，從而引起混凝土抗壓強度產(chǎn)生較大波動。當磚塊含量30%～70%范圍時，隨著磚含量的增加，再生磚塊含量對再生骨料混凝土抗壓強度波動性影響減小，再生磚塊含量與再生骨料混凝土抗壓強度呈線性下降規(guī)律。磚含量達70%以上時，再生磚塊作為主要粗骨料，成為混凝土的主要骨架，隨含量增加再生骨料混凝土抗壓強度明顯下降。再生磚塊含量在30%～70%區(qū)間，28天抗壓強度降幅變緩。在該范圍內(nèi)，隨磚塊含量的增加，對再生骨料混凝土抗壓強度負面影響變小。

4 結(jié)語

(1)再生骨料的主要成分為天然石子、水泥砂漿塊、磚塊。其中天然石子與水泥砂漿塊含量較高，磚塊含量較低，約占8%左右。再生骨料與天然石子的表面特征較為相近。

(2)再生骨料的微粉含量為2.225%，微粉含量較低。再生骨料的壓碎指標高于天然碎石，其中水泥砂漿塊天然石子壓碎指標分別為11.34%、11.32%，磚塊的壓碎指標約為25.45%。由于再生骨料中磚塊的含量較低，約占8%，所以磚塊并不會對再生骨料的壓碎指標產(chǎn)生較大影響。再生骨料的微粉含量和壓碎指標均可滿足《混凝土用再生粗骨料》GB/T25177-2010標準相關要求

(3)再生骨料混凝土的抗壓強度隨著再生骨料替代率的增大而降低，強度降低的主要原因在于骨料中磚塊含量的提高，可將磚塊視為再生骨料中的薄弱顆粒。顯著提高磚塊骨料含量，會明顯降低再生骨料混凝土抗壓強度。當再生骨料替代率不超過30%時，再生骨料混凝土28天抗壓強度可滿足C25混凝土要求。綜上分析，再生骨料混凝土若要應用在實際工程領域，則需要嚴格控制其磚塊骨料的含量，使其保持在合理的區(qū)間范圍內(nèi)。