磚混建筑垃圾再生骨料應用技術指標系統(tǒng)化研究

徐開東，王繼娜，李志新，李青霄，包 云，楊 歡，丁凌凌， 王園園，姚 蘭

(1.河南城建學院材料與化工學院，平頂山 467036；2.河南省城市固廢綜合處置與生態(tài)利用協(xié)同創(chuàng)新中心，平頂山 467036)

0 引 言

目前世界年產(chǎn)建筑垃圾160億噸，我國年產(chǎn)建筑垃圾就高達24億噸。建筑垃圾數(shù)量巨大，種類繁雜，粗放式堆放對環(huán)境的影響途徑多，污染的形式也復雜多樣，會直接或者間接污染大氣環(huán)境、土壤環(huán)境等，亟待合理地資源化再生利用[1-3]。回收利用建筑垃圾，提高再生制品質量，既能解決建筑垃圾的堆積問題，減少其對環(huán)境的污染，又能節(jié)約天然砂石資源，符合建設“環(huán)境友好型、資源節(jié)約型”社會的總體要求[4-5]。

近年來，國內外專家學者對再生骨料應用的問題、改善措施以及再生混凝土性能的影響因素等進行了大量研究。許遠明等[6]分析了混凝土再生骨料應用的經(jīng)濟性。劉佳等[7]研究了建筑垃圾制備再生骨料的綠色評價體系。高嵩等[1]研究了再生細骨料品質的分形學特征。Sharba[8]研究了鋼渣和再生混凝土骨料對混凝土強度性能的影響。Kumar等[9]采用化學熱處理方法來提高再生細骨料的質量。趙海鑫等[10]研究了微波加熱對再生骨料的改性。但我國當前拆除的建筑物多為磚混結構，廢棄粘土燒結磚約占建筑垃圾總量的60%，限于缺乏磚混不同類型建筑垃圾的專業(yè)化分揀裝備和人工分揀成本高等現(xiàn)實原因，資源化企業(yè)生產(chǎn)中主要以混雜破碎再生為主，而有關磚砼混合建筑垃圾再生骨料應用技術指標的系統(tǒng)化研究較為缺乏，不利于建筑垃圾再生骨料的推廣應用。本文立足于建筑垃圾資源化企業(yè)生產(chǎn)應用實際，圍繞磚混建筑垃圾制備的混合再生骨料性能進行了系統(tǒng)化研究，以達到pH試紙測試酸堿度相類似的目標，為再生骨料的低成本規(guī)模化應用提供基礎技術支撐。

1 實 驗

1.1 試驗材料

試驗用再生骨料取自鄭州、洛陽等不同城市建筑垃圾資源化企業(yè)生產(chǎn)的磚砼混合再生骨料，確保試驗數(shù)據(jù)對再生骨料的工程應用具有實踐指導意義。提供再生骨料的企業(yè)生產(chǎn)中均采用兩級破碎模式，即先經(jīng)顎式破碎機將大塊物料破碎成中度顆粒，再輸送至反擊式破碎機進行強化破碎整形，從而得到粒形圓潤、粒徑均勻的再生骨料。建筑垃圾進入破碎機前均進行了木材、塑料等輕物質的風選和人工分離以及預篩除土作業(yè)，破碎后輸送至0～5 mm、5～40 mm和>40 mm的三級振動篩進行再生骨料分級處理，同時實現(xiàn)鋼筋等金屬材料的分離，粒徑大于40 mm的再生骨料輸送至反擊式破碎機進行再次破碎。

1.2 試驗方法

(1)磚砼混合再生骨料復配方法

首先進行磚砼混合再生骨料的分選工作，分選出磚再生骨料與混凝土再生骨料，隨后對兩類骨料進行篩分處理，再按照試驗方案將磚再生骨料和混凝土再生骨料混合。骨料級配選用三個單粒級(5～10 mm、10～16 mm、16～31.5 mm)和一個連續(xù)級(5～31.5 mm)。試驗過程中磚再生骨料和混凝土再生骨料按不同比例(混凝土再生骨料占比分別為0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%和100%)和級配要求混合(混合比例按體積比混合)，系統(tǒng)測試其性能指標。

(2)再生骨料性能檢測方法

試驗參考GB/T 14685—2011《建筑用卵石、碎石》、GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》和GJG/T 240—2011《再生骨料應用技術規(guī)程》等國家相關標準或規(guī)程中的試驗方法，對不同實驗條件下混合再生骨料的性能指標進行系統(tǒng)研究，包括壓碎指標、吸水率、表觀密度、堆積密度、空隙率等基本性能。

2 結果與討論

2.1 再生骨料的基本結構特征

(1)再生骨料的微觀結構

磚混建筑垃圾制備的再生骨料主要由碎磚塊，從混凝土中破碎出來表面裹覆砂漿的石子，水泥砂漿顆粒和少量混凝土顆粒組成。采用超景深三維視頻顯微鏡對其微觀結構進行觀察，如圖1所示。由圖1(a)可以看出，再生石子表面裹覆有少量的水泥砂漿和吸附的磚微粉；圖1(b)顯示再生混凝土顆粒則是石子表面裹覆了大量的水泥砂漿，水泥砂漿內部有較多的孔洞和裂紋；圖1(c)顯示磚再生骨料表面裹覆有少量的水泥砂漿，其內部有縱橫交錯的裂紋存在；圖1(d)顯示的是破碎產(chǎn)生的水泥砂漿顆粒，存在較多的孔洞和裂紋。微觀結構分析表明，再生骨料都不同程度存在影響性能的缺陷。

圖1 不同再生骨料的微觀結構Fig.1 Microscopic structure of different recycled aggregate

(2)針片狀再生骨料的含量

試驗中將磚混再生骨料進行人工分揀，實現(xiàn)磚混骨料徹底分離，分別測試了混凝土再生骨料和磚再生骨料不同級配條件下的針片狀顆粒含量，檢測結果如表1所示。

表1 針片狀再生骨料含量Table 1 Needle and plate particle content of recycled aggregate

從表1可以看出，在相同級配條件下，磚再生骨料中的針片狀顆粒含量顯著大于混凝土再生骨料；在測試的三個單粒級中，粒徑越大，針片狀顆粒的含量越高，連續(xù)級配再生骨料的針片狀含量接近于單粒級的中間粒徑10～16 mm。混凝土再生骨料中，級配為16～31.5 mm的針片狀顆粒含量較級配為5～10 mm的再生骨料高約3.6倍。磚再生骨料中，級配為16～31.5 mm再生骨料中的針片狀顆粒含量較級配為5～10 mm的再生骨料高約3.4倍。GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》中規(guī)定，再生粗骨料的針片狀顆粒含量<10%，因此級配為16～31.5 mm的混凝土再生粗骨料和磚再生粗骨料均不滿足國標要求。

針片狀顆粒的存在對骨料綜合性能具有重要影響，尤其是壓碎值、空隙率和流動性。針片狀顆粒含量越多，骨料空隙率就越大，造成再生混凝土拌合物工作性下降，單位用水量增加，混凝土強度降低。因此，應控制再生骨料的針片狀顆粒含量，改善再生骨料的生產(chǎn)工藝，進行顆粒整形。

(3)再生骨料表面的微粉含量

再生骨料表面微粉是在破碎過程時產(chǎn)生并吸附于再生骨料表面的微粉，表面裹覆的微粉一定程度上影響了水泥漿體和骨料的膠結，從而影響再生混凝土的整體性能。實驗表明，經(jīng)吹洗和篩分能去除70%以上的表面黏附微粉。本研究選取了磚再生骨料體積占比為0%(混凝土再生骨料為100%)、60%(混凝土再生骨料為40%)、100%(混凝土再生骨料為0%)的再生骨料，測試了其表面微粉含量，結果如表2所示。

表2 再生骨料表面微粉含量Table 2 Micro powder content on recycled aggregate surface

由表2可以看出，同一級配情況下，隨著磚再生骨料體積占比的增加，表面微粉含量逐漸增加,磚再生骨料體積占比相同時，單粒級中隨著粒徑的增大，表面微粉含量逐漸降低。

再生骨料級配為5～10 mm、10～16 mm和16～31.5 mm時，混凝土再生骨料體積占比為0的再生骨料表面微粉含量較100%時分別增加了約0.9倍、1.6倍和9.3倍；混凝土再生骨料體積占比為100%時，5～31.5 mm 連續(xù)級配的再生骨料表面微粉含量介于粒徑為16～31.5 mm和10～16 mm之間，較10～16 mm時降低約20%；混凝土再生骨料體積占比為40%時，級配為5～31.5 mm的表面微粉含量高于粒徑為5～10 mm，增大了約14%；混凝土再生骨料體積占比為0時，級配為5～31.5 mm的表面微粉含量介于粒徑為10～16 mm和5～10 mm之間，較5～10 mm降低約6%。GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》中規(guī)定，再生粗骨料的微粉含量<1.0%時為Ⅰ類再生粗骨料，微粉含量<2.0%時為Ⅱ類再生粗骨料，微粉含量<3.0%時為Ⅲ類再生粗骨料。上述幾種級配和配比的再生骨料均能滿足Ⅰ類再生粗骨料的要求。

由上述結果可以看出，優(yōu)化級配、減少磚再生骨料所占的比例可以減少再生骨料表面的微粉含量，從而改善再生混凝土類建材制品的性能。

2.2 磚再生骨料含量對混合再生骨料基本性能指標的影響

磚再生骨料含量對混合再生骨料性能指標的影響如圖2所示。由圖2可以看出，同等級配條件下，隨著磚再生骨料體積占比的增加，混合再生骨料的壓碎指標和吸水率逐漸增大，堆積密度和表觀密度逐漸減小，空隙率逐漸升高。石子表面裹覆的水泥砂漿會使骨料表面更加粗糙，增大骨料孔隙，使其吸水率增大。水泥砂漿強度低于天然石子，因此，附著水泥砂漿越多，再生骨料的壓碎指標值就越大。部分磚再生骨料表面也裹覆了大量水泥砂漿，舊水泥砂漿孔隙大，強度低，加上磚再生骨料本身強度較低、吸水率高，使得磚再生骨料的性能更差。

從圖2(a)可以看出，再生骨料的壓碎指標均高于17%，按照GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》的規(guī)定，再生骨料壓碎指標難以達到Ⅰ類再生骨料的要求。級配為5～10 mm時，再生骨料的壓碎指標均介于20%～30%之間，滿足Ⅲ類再生粗骨料該項技術指標要求；級配為10～16 mm、磚再生骨料體積占比在60%以下時，可滿足Ⅱ類再生粗骨料要求，磚再生骨料體積占比在60%以上時，滿足Ⅲ類再生粗骨料要求；級配為16～31.5 mm、磚再生骨料體積占比在40%以下時，可滿足Ⅱ類再生粗骨料要求，磚再生骨料體積占比在40%以上時，滿足Ⅲ類再生粗骨料要求；級配為5～31.5 mm、磚再生骨料體積占比在20%以下時，可滿足Ⅱ類再生粗骨料要求，磚再生骨料體積占比在20%以上時，滿足Ⅲ類再生粗骨料要求。

GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》中規(guī)定：吸水率在3%以下的屬于Ⅰ類再生骨料，5%以下的屬于Ⅱ類再生粗骨料，8%以下的屬于Ⅲ類再生粗骨料。由圖2(b)可以看出，幾種級配情況下，再生骨料的吸水率均在5%以上。級配為16～31.5 mm、磚再生骨料體積占比在30%以下時，再生骨料的吸水率介于5%～8%之間，可滿足Ⅲ類再生粗骨料要求；其它情況下，再生骨料的吸水率均不滿足GB/T 25177—2010對再生骨料吸水率的要求。因此，在進行再生混凝土配合比設計時必須考慮再生骨料自身吸水率的問題。

從圖2(c)可以看出，同一級配條件下，隨著磚再生骨料體積占比的增加，混合再生骨料的堆積密度顯著降低。磚再生骨料占比為0%與占比為100%的再生骨料堆積密度相比，級配為5～10 mm、10～16 mm、5～31.5 mm時均高約40%；級配為16～31.5 mm時高約55%。

由圖2(d)可以看出，同一級配情況下，隨著磚再生骨料體積占比的增加，混合再生骨料的表觀密度逐漸減小。磚再生骨料占比為0%與占比為100%的混合再生骨料相比，級配為5～10 mm、10～16 mm時表觀密度高約17%，級配為16～31.5 mm時，高約15%，級配為5～31.5 mm時，均高約10%。GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》中規(guī)定：表觀密度大于2 450 kg/m3的再生骨料為Ⅰ類再生骨料；表觀密度介于2 350～2 450 kg/m3之間的再生骨料為Ⅱ類再生骨料；表觀密度介于2 250～2 350 kg/m3之間的再生骨料為Ⅲ類再生骨料。圖2(d)顯示:級配為5～10 mm、磚再生骨料體積占比小于30%，級配為10～16 mm、磚再生骨料體積占比小于50%，級配為16～31.5 mm、磚再生骨料體積占比小于80%，級配為5～31.5 mm、磚再生骨料體積占比小于60%時，其表觀密度均可達到Ⅰ類再生骨料的要求；級配為5～10 mm、磚再生骨料體積占比為30%～60%，級配為10～16 mm、磚再生骨料體積占比為50%～60%，級配為16～31.5 mm、磚再生骨料體積占比大于80%，級配為5～31.5 mm、磚再生骨料體積占比大于60%時，其表觀密度均可達到Ⅱ類再生骨料的要求；級配為5～10 mm、磚再生骨料體積占比為60%～80%，級配為10～16 mm、磚再生骨料體積占比大于60%時，其表觀密度均可達到Ⅲ類再生骨料的要求；級配為5～10 mm、磚再生骨料體積占比大于80%時，其表觀密度均達不到國家標準的要求。

圖2 磚再生骨料體積占比對混合再生骨料性能的影響Fig.2 Effect of brick recyled aggregate volume ratio on performance of mixed recycled aggregate

GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》中規(guī)定：空隙率在47%以下的屬于Ⅰ類再生骨料，47%～50%的屬于Ⅱ類再生粗骨料，50%～53%的屬于Ⅲ類再生粗骨料。由圖2(e)可以看出:級配為16～31.5 mm和5～31.5 mm的混凝土再生骨料的空隙率可滿足Ⅰ類再生骨料的要求；級配為5～10 mm、磚再生骨料體積占比小于30%，級配為16～31.5 mm、磚再生骨料體積占比為10%～20%，級配為5～31.5 mm、磚再生骨料體積占比為10%～30%時，其空隙率均滿足標準中Ⅱ類再生粗骨料的要求；級配為5～10 mm、磚再生骨料體積占比為40%～70%，級配為10～16 mm、磚再生骨料體積占比小于40%，級配為16～31.5 mm、磚再生骨料體積占比為30%～50%，級配為5～31.5 mm、磚再生骨料體積占比為40%～60%時，其空隙率均可滿足標準中Ⅲ類再生粗骨料的要求；其它情況下再生骨料的空隙率均不能滿足標準的要求。

2.3 級配對混合再生骨料基本性能指標的影響

級配對混合再生骨料性能指標的影響如圖3所示。由圖3(a)可知，磚再生骨料體積占比一定時，級配為5～10 mm的再生骨料壓碎值最大，超過了30%,級配為10～16 mm和16～31.5 mm的壓碎值較小。磚再生骨料體積占比為0%、級配為5～10 mm時可滿足Ⅱ類再生粗骨料要求，其它級配情況下可滿足Ⅲ類再生粗骨料要求；磚再生骨料體積占比為30%、級配為10～16 mm和16～31.5 mm時可滿足Ⅱ類再生粗骨料要求，其它級配情況下可滿足Ⅲ類再生粗骨料要求；磚再生骨料體積占比為60%時，只有級配為10～16 mm的混合再生骨料可滿足Ⅱ類再生粗骨料要求，其它級配情況下可滿足Ⅲ類再生粗骨料要求；磚再生骨料體積占比為90%時，四種級配均可滿足Ⅲ類再生粗骨料要求；磚再生骨料體積占比為100%時，除級配為5～10 mm外，其它三個級配均能滿足Ⅲ類再生粗骨料的要求。

圖3 級配對混合再生骨料性能的影響Fig.3 Effect of gradation on performance of mixed recycled aggregate

由圖3(b)可知，磚再生骨料體積占比一定時，級配為16～31.5 mm的再生骨料吸水率最小，級配為5～10 mm的吸水率最大，其余兩種級配的吸水率居中。磚再生骨料體積占比為0%和30%時，級配為16～31.5 mm的再生骨料吸水率可滿足Ⅲ類再生粗骨料的要求，其它條件下均不能達到國家標準的要求。

由圖3(c)可以看出，當再生骨料中磚骨料體積占比一定時，級配為16～31.5 mm的再生骨料堆積密度最大，其次為5～31.5 mm的級配，級配為5～10 mm的堆積密度略大于10～16 mm的再生骨料。級配為16～31.5 mm的堆積密度與10～16 mm的級配相比，當磚再生骨料體積占比為0%時,堆積密度高約15%，占比為30%時，高約9%，占比為60%時，高約7%，占比為90%時，高約4%，占比為100%時，高約2%。總體來講，級配對混合再生骨料堆積密度的影響不太顯著。

由圖3(d)可知，當再生骨料中磚再生骨料體積占比一定時，級配為16～31.5 mm的表觀密度最大，級配為5～10 mm時最小。級配為16～31.5 mm的表觀密度與5～10 mm的級配相比，當磚再生骨料體積占比為0%、30%、60%、90%和100%時,表觀密度均高約8%，級配對混合再生骨料表觀密度的影響較小。磚再生骨料體積占比不大于30%時，四種級配的混合再生骨料表觀密度均能滿足Ⅰ類再生骨料的要求；磚再生骨料體積占比為60%時，僅有16～31.5 mm和5～31.5 mm兩種級配的表觀密度可滿足Ⅰ類再生骨料的要求，其余兩種級配可滿足Ⅱ類再生粗骨料要求；磚再生骨料體積占比大于90%時，級配為16～31.5 mm和5～31.5 mm的再生骨料表觀密度可以滿足Ⅱ類再生粗骨料的要求，級配為10～16 mm時可滿足Ⅲ類再生粗骨料的要求，5～10 mm的級配達不到國家標準的要求。

由圖3(e)可知，磚再生骨料體積占比小于60%的情況下，其對混合再生骨料的空隙率影響較小。磚再生骨料體積占比為0%時，級配為16～31.5 mm和5～31.5 mm時可滿足Ⅰ類再生骨料的要求，5～10 mm時可滿足Ⅱ類再生粗骨料要求，10～16 mm時可滿足Ⅲ類再生粗骨料要求；磚再生骨料占比為30%時，5～10 mm和5～31.5 mm兩種級配可滿足Ⅱ類再生骨料的要求，其余兩種級配時可以滿足Ⅲ類再生粗骨料的要求；磚再生骨料占比為60%時，只有5～10 mm和5～31.5 mm兩種級配能滿足Ⅲ類再生骨料的要求，其它級配達不到國家標準的要求；磚再生骨料占比大于90%時，再生骨料的空隙率偏高，試驗選取的所有級配均達不到國家標準的要求。

3 結 論

(1)磚混建筑垃圾制備的再生骨料主要由磚再生骨料,從混凝土中破碎出來表面裹附砂漿的石子,水泥砂漿顆粒和少量混凝土顆粒組成。相同級配條件下，磚再生骨料中的針片狀顆粒含量大于混凝土再生骨料，粒徑越大，針片狀顆粒的含量越高，16～31.5 mm級配的再生粗骨料針片狀顆粒含量不滿足國家標準要求。級配相同時，隨著磚再生骨料體積占比的增加，再生骨料表面微粉含量逐漸增加；磚骨料體積占比相同時，單粒級中隨著粒徑的增大，表面微粉含量逐漸降低。

(2)同等級配條件下，隨著磚再生骨料體積占比的增加，壓碎指標和吸水率逐漸增大，堆積密度和表觀密度逐漸減小，空隙率逐漸升高。磚再生骨料體積占比相同時，級配對性能具有一定的影響。與國家標準相比，僅有級配為16～31.5 mm、磚再生骨料體積占比小于30%的情況下，吸水率才能滿足Ⅲ類再生粗骨料的要求，其余條件下的吸水率均達不到要求。

(3)綜合考慮吸水率以外的性能指標，5～10 mm級配、磚再生骨料體積占比小于70%時，可滿足Ⅲ類再生粗骨料的要求；10～16 mm級配、磚再生骨料占比小于40%時，可滿足Ⅲ類的要求；16～31.5 mm級配、磚再生骨料占比小于20%時，可滿足Ⅱ類的要求，磚再生骨料占比為20%～50%時，可滿足Ⅲ類的要求；5～31.5 mm級配、磚再生骨料占比小于20%時，可滿足Ⅱ類的要求，磚再生骨料占比為20%～60%時，可滿足Ⅲ類的要求。

(4)采用技術指標對比法，基本實現(xiàn)高效便捷評價磚砼建筑垃圾混合再生骨料性能的預期目標?；陬w粒整形、表面灌注等強化方法對再生骨料性能的影響有待進一步深入研究。