基于磚含量的再生磚混粗骨料分類研究

陶航宇，陳 萍，龔亦凡，詹靜芳，章 莉

(1.浙江理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，杭州 310018；2.復(fù)旦大學(xué)外國語言文學(xué)學(xué)院，上海 200433)

0 引 言

隨著我國城市化建設(shè)的不斷推進(jìn)，大批不滿足發(fā)展需求的建筑正在或面臨拆遷，由此產(chǎn)生大量的拆除垃圾。據(jù)估算，目前我國每年產(chǎn)生拆除垃圾15.5～25.5億t，積存未處理的拆除垃圾也達(dá)200多億噸[1]。拆除垃圾通常是廢棄混凝土和廢棄磚的混合物，經(jīng)機(jī)械破碎后能夠作為再生磚混骨料(混凝土骨料和磚骨料混合物的通稱)，可全部或部分代替天然砂石進(jìn)行資源化利用。

對骨料進(jìn)行分級分類是實現(xiàn)其工程應(yīng)用的必要條件，國內(nèi)外相關(guān)分類標(biāo)準(zhǔn)通常按壓碎指標(biāo)、吸水率和表觀密度三大技術(shù)指標(biāo)或其中某兩項對再生混凝土骨料進(jìn)行分類。如日本工業(yè)協(xié)會于1994年頒布的《再生混凝土材料質(zhì)量試行條例》[2]根據(jù)壓碎指標(biāo)、吸水率對再生骨料進(jìn)行分級。比利時、德國等歐洲國家以吸水率和表觀密度作為分級控制指標(biāo)，并對各類雜質(zhì)含量提出了要求[3]。我國于2010年發(fā)布了標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》[4]，根據(jù)吸水率、表觀密度、壓碎指標(biāo)將再生混凝土粗骨料分為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類，并對微粉含量、泥塊含量、針片狀顆粒含量、堅固性做出了具體要求。JGJ/T 240—2011《再生骨料應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》[5]則對再生骨料在混凝土工程中的應(yīng)用進(jìn)行了指導(dǎo)規(guī)定：Ⅰ類再生粗骨料可用于配置各種強度等級的混凝土；Ⅱ類再生骨料宜用于配置C40及以下強度等級的混凝土；Ⅲ類再生骨料可用于配置C25及以下強度等級的混凝土，再生骨料不得用于配置預(yù)應(yīng)力混凝土。

一般來說，磚骨料的吸水率和壓碎指標(biāo)可達(dá)混凝土粗骨料的兩倍左右，表觀密度約為混凝土粗骨料的90%，而我國的再生磚混骨料中磚含量通常在10%～50%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)[6]，低磚含量的再生骨料一般能夠滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25177—2010中所規(guī)定Ⅱ類骨料和Ⅲ類骨料范圍的要求[7]，而對于高磚含量的再生骨料則缺乏應(yīng)用指導(dǎo)，無法進(jìn)行資源化利用。國內(nèi)外一些學(xué)者先后提出了再生粗骨料的分類標(biāo)準(zhǔn)建議。肖建莊等[8]根據(jù)飽和面干表觀密度、吸水率將再生粗骨料劃分為Ⅰ級、Ⅱ級，并對再生骨料的磚含量進(jìn)行了限制。吳瑾等[9]研究了再生粗骨料吸水率、堆積密度、飽和面干表觀密度和壓碎指標(biāo)的概率分布特征，提出了以壓碎指標(biāo)和吸水率作為指標(biāo)的分級方法。Bonifazi等[10]基于再生骨料表面粘附砂漿會影響骨料密度、吸水率和強度的特點，提出了根據(jù)砂漿含量對再生骨料進(jìn)行分級。為更好實現(xiàn)拆除垃圾的回收利用，提出更加適用于我國再生磚混粗骨料性質(zhì)的分級分類方法，建立適用于再生磚混粗骨料分級分類標(biāo)準(zhǔn)很有必要。

從研究現(xiàn)狀來看，國內(nèi)外研究者尚未對磚含量較高的磚混骨料的分類給予重視。因此，本文通過研究磚混再生骨料的磚含量與吸水率、表觀密度、壓碎指標(biāo)之間的相關(guān)性，并統(tǒng)計分析文獻(xiàn)已有的大量試驗數(shù)據(jù)，對再生磚混骨料分類分級提出建議。

1 實 驗

1.1 原材料

試驗所用再生磚混骨料來源于杭州某建筑拆遷垃圾，經(jīng)錢江新城市政園林建設(shè)有限公司采用機(jī)械破碎后篩分而得，粒徑為4.75～37.5 mm，磚含量約為22%。人工去除瓷磚、木片等雜質(zhì)后，將磚骨料和混凝土骨料分離，烘干備用。

1.2 測試方法

分別研究磚骨料和混凝土骨料的表觀密度、吸水率和壓碎指標(biāo)，將磚骨料、混凝土骨料分別按0 ∶100、15 ∶85、30 ∶70、50 ∶50、65 ∶35、80 ∶20、100 ∶0的質(zhì)量比進(jìn)行摻配，并依據(jù)GB/T 14685—2011《建設(shè)用卵石、碎石》[11]測試再生混合骨料的表觀密度、吸水率、壓碎指標(biāo)，研究磚含量與吸水率、表觀密度及壓碎指標(biāo)之間的關(guān)系。

2 結(jié)果與討論

2.1 磚骨料與混凝土骨料三大性能

圖1 骨料吸水曲線Fig.1 Water absorption curves of aggregate

圖1顯示了磚骨料和混凝土骨料48 h內(nèi)的吸水曲線。從吸水曲線中可以看出磚骨料的吸水率遠(yuǎn)高于混凝土骨料。混凝土骨料24 h吸水基本達(dá)到飽和，吸水率為6.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)。而磚骨料24 h吸水率為16.3%，之后仍有持續(xù)吸水的趨勢，48 h時吸水基本達(dá)到飽和，吸水率為16.8%，增加0.5個百分點。磚骨料與混凝土骨料相比，結(jié)構(gòu)疏松，孔隙率高，大量的滲透路徑是造成磚骨料高吸水率及在較長時間內(nèi)持續(xù)吸水的原因。由此，混凝土骨料可以采用浸水24 h的吸水率作為吸水率值，而磚骨料吸水率則建議采用浸水48 h的吸水率值。這與ASTM規(guī)范[12]相吻合。為了與其他研究者的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，本文磚骨料的吸水率值取24 h的吸水率測試值。

在表觀密度方面，磚骨料為2 333 kg/m3，混凝土骨料為2 536 kg/m3；在壓碎指標(biāo)方面，磚骨料為25.9%，混凝土骨料為18.0%；在吸水率方面，磚骨料為16.3%，混凝土骨料為6.2%。磚骨料較混凝土骨料結(jié)構(gòu)疏松，表面開口及內(nèi)部連通孔隙多，因此磚骨料性能較低。

2.2 磚含量與磚混骨料三大性能的關(guān)系

通過測試不同磚含量情況下再生磚混骨料的表觀密度、吸水率和壓碎指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)磚含量與三個性能指標(biāo)均有較好的線性關(guān)系，并與其他文獻(xiàn)中研究結(jié)果進(jìn)行對比[13-15]，見圖2～圖4。其中Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類粗骨料分界線按照GB/T 25177—2010規(guī)定繪制，即表觀密度大于2 450 kg/m3、吸水率小于3%、壓碎指標(biāo)小于12%為Ⅰ類；表觀密度大于2 350 kg/m3、吸水率小于5%、壓碎指標(biāo)小于20%為Ⅱ類；表觀密度大于2 250 kg/m3、吸水率小于8%、壓碎指標(biāo)小于30%為Ⅲ類。

圖3 吸水率與磚含量的關(guān)系Fig.3 Relationship between water absorption and brick content

圖4 壓碎指標(biāo)與磚含量的關(guān)系Fig.4 Relationship between crushing index and brick content

隨著磚含量的增加，再生磚混骨料的表觀密度減小，吸水率增加，壓碎指標(biāo)增大。由圖2～圖4可見：(1)從表觀密度看，再生磚混骨料均達(dá)到Ⅲ類以上骨料的要求，且大部分滿足Ⅰ類骨料要求，只有少部分屬于Ⅲ類骨料；(2)從吸水率看，大部分的磚混骨料超出Ⅲ類骨料限值，只有少量低磚含量的骨料滿足Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)要求；(3)從壓碎指標(biāo)看，磚混骨料主要位于Ⅲ類區(qū)間，少量屬于Ⅱ類，部分超出Ⅲ類骨料的限值。

由于目前再生磚混骨料中磚含量通常在10%～50%[6]，從表觀密度、吸水率和壓碎指標(biāo)三個指標(biāo)綜合來看，GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》并不適用于現(xiàn)有的磚混骨料，主要是由于磚混骨料吸水率過高，其次是壓碎指標(biāo)偏大。

另外發(fā)現(xiàn)，不同研究者的試驗結(jié)果存在明顯差異，主要因為所采用的原材料來源以及破碎工藝不同，磚混骨料的性能差異主要在：(1)與原材料的強度等級有關(guān)，原生磚和原生混凝土強度越高，再生骨料表觀密度越大，吸水率越低，壓碎指標(biāo)越低[16]；(2)與原材料的使用年限有關(guān)，使用年限越高，再生骨料表觀密度越小，吸水率越高，壓碎指標(biāo)越高[17]；(3)與破碎工藝有關(guān)，混凝土和磚被機(jī)械力粉碎成塊狀的過程中，同時對其產(chǎn)生損傷，如骨料表面或內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，骨料的損傷度、表面砂漿層的去除度都將影響再生骨料的性能，合適的破碎工藝在一定程度上能提升再生磚混骨料的性能。

根據(jù)磚含量與表觀密度、吸水率和壓碎指標(biāo)的線性關(guān)系，已知磚骨料的吸水率ωb、表觀密度ρb、壓碎指標(biāo)Qb，混凝土骨料的吸水率ωc、表觀密度ρc、壓碎指標(biāo)Qc，以及磚含量α，則可依據(jù)式(1)、(2)、(3)分別計算再生磚混骨料的吸水率ω、表觀密度ρ、壓碎指標(biāo)Q，該關(guān)系式也可用于根據(jù)骨料的性能要求計算再生磚混骨料的磚含量，從而滿足工程使用要求。

ω=(ωb-ωc)α+ωc

(1)

ρ=(ρb-ρc)α+ρc

(2)

Q=(Qb-Qc)α+Qc

(3)

3 再生磚混骨料分類研究

3.1 再生磚混粗骨料在標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25177—2010中的分類統(tǒng)計情況

圖5 各類再生磚混粗骨料的占比Fig.5 Proportion of recycled brick and concrete coarse aggregate in different classes

目前再生骨料的研究主要針對混凝土骨料和磚骨料，對磚混骨料基本性能的研究不多，為了研究磚混骨料分類的普遍情況，統(tǒng)計了國內(nèi)外20篇文獻(xiàn)[13-15,18-34]中不同來源的磚骨料和混凝土骨料的吸水率、表觀密度和壓碎指標(biāo)的測量值，依據(jù)再生磚混骨料磚含量與性能指標(biāo)的線性關(guān)系，將不同含量的磚骨料和混凝土骨料兩兩隨機(jī)組合，得到165種組合結(jié)果。根據(jù)式(1)、(2)、(3)計算得到不同磚含量下再生磚混骨料的吸水率、表觀密度和壓碎指標(biāo)，根據(jù)GB/T 25177—2010對所模擬的再生磚混粗骨料進(jìn)行分類，結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出：當(dāng)磚含量為0%時(即全為混凝土骨料)，骨料均在GB/T 25177—2010規(guī)定的Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)要求之內(nèi)；當(dāng)磚含量為10%時，約86.1%的骨料屬于Ⅲ類，約12.1%的骨料屬于Ⅱ類，少量骨料不符合標(biāo)準(zhǔn)要求；當(dāng)磚含量為20%時，約6.7%的磚混粗骨料達(dá)到Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，約有17%的磚混粗骨料不符合標(biāo)準(zhǔn)要求；當(dāng)磚含量為30%時，達(dá)到Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)的磚混粗骨料下降至0.61%，Ⅲ類骨料占比46.7%，不符合標(biāo)準(zhǔn)的磚混粗骨料迅速上升至52.69%；當(dāng)磚含量為40%和50%時，不符合標(biāo)準(zhǔn)的骨料分別占比82.4%和91.52%。目前磚混骨料中磚含量一般為10%～50%，根據(jù)以上統(tǒng)計分析結(jié)果，磚含量較高的再生磚混骨料無法依照GB/T 25177—2010進(jìn)行分類利用，這與2.2節(jié)中分析結(jié)果相吻合。

3.2 再生磚混粗骨料分類建議

由于再生磚混骨料的吸水率較高，參照GB/T 25177—2010相關(guān)規(guī)定難以作為骨料用于配制混凝土，但一些吸水率稍高、壓碎指標(biāo)低的再生骨料，其配制的再生混凝土破壞主要是骨料-水泥石界面粘結(jié)破壞，而稍高的吸水率使得再生骨料-水泥石界面的水灰比降低，能一定程度上提高混凝土強度[35]。隨著再生骨料再利用技術(shù)逐漸成熟，可以適當(dāng)降低對再生磚混骨料吸水率的要求，并適度調(diào)整壓碎指標(biāo)，進(jìn)而細(xì)化現(xiàn)有的分類標(biāo)準(zhǔn)，以適應(yīng)磚含量較高再生磚混骨料的資源化利用。

基于2.2節(jié)的研究結(jié)果，對本文試驗數(shù)據(jù)以及已有文獻(xiàn)中數(shù)據(jù)[13-15,18-34]進(jìn)行提取、擬合，得到磚含量α與再生磚混骨料吸水率ω和壓碎指標(biāo)Q的一般線性關(guān)系，如圖6和圖7所示，公式見式(4)和式(5)。

ω=0.112 8α+5.316，R2=0.827 3

(4)

Q=0.15α+15.9，R2=0.625

(5)

根據(jù)骨料性能與再生混凝土抗壓強度的線性關(guān)系[33-34]，利用磚含量與再生磚混骨料吸水率和壓碎指標(biāo)之間的一般性關(guān)系表達(dá)式，計算不同磚含量相對應(yīng)的吸水率和壓碎指標(biāo)值，參考GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》中骨料吸水率、壓碎指標(biāo)和表觀密度的界限值(見表1)以及JGJ/T 240—2011《再生骨料應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》中各類骨料的應(yīng)用要求，以磚含量為主要分類控制指標(biāo)，吸水率、壓碎指標(biāo)和表觀密度作為技術(shù)控制指標(biāo)，對磚混骨料的分類應(yīng)用進(jìn)行建議，見表2。

由于磚含量較吸水率和壓碎指標(biāo)具有良好的可測定性，使得再生磚混粗骨料分級分類更加便利，可減少人力物力成本。同時，磚含量作為磚混骨料的分類控制指標(biāo)，具有直觀性的特點，當(dāng)磚含量出現(xiàn)較大波動時，施工技術(shù)人員可通過肉眼觀察發(fā)現(xiàn)，及時取樣檢測并發(fā)現(xiàn)問題，有利于提高施工質(zhì)量。

圖6 磚含量與吸水率一般線性關(guān)系Fig.6 General linear relationship between brick content and water absorption

圖7 磚含量與壓碎指標(biāo)一般線性關(guān)系Fig.7 General linear relationship between brick content and crushing index

表1 GB/T 25177—2010和JGJ/T 240—2011對粗骨料的要求Table 1 Requirements for coarse aggregate in GB/T 25177—2010 and JGJ/T 240—2011

表2 再生磚混骨料分類建議Table 2 Suggestion on classification of recycled brick and concrete aggregate

4 結(jié) 論

(1)隨著磚含量的增加，再生磚混骨料的表觀密度減小，吸水率增加，壓碎指標(biāo)增大，并且磚含量與吸水率、表觀密度、壓碎指標(biāo)呈較好的線性關(guān)系，這種線性關(guān)系可以為基于磚含量對再生磚混骨料進(jìn)行分級分類提供依據(jù)。

(2)由于磚骨料表觀密度低，吸水率和壓碎指標(biāo)高，根據(jù)吸水率、表觀密度和壓碎指標(biāo)三個技術(shù)指標(biāo)，再生磚混骨料沒有包含在GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》三個類別范圍內(nèi)?；诮⒌拇u含量與吸水率、壓碎指標(biāo)的線性關(guān)系，并借鑒GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》的分類思想，以磚含量為主要分類控制指標(biāo)，吸水率、表觀密度和壓碎指標(biāo)為技術(shù)控制指標(biāo)，將用于混凝土工程的磚混骨料分為三類：Ⅰ類，磚含量小于5%，可以用于C35及以下強度等級的混凝土；Ⅱ類，磚含量小于20%，可以用于C25及以下強度等級的混凝土；Ⅲ類，磚含量小于40%，可以用于C15及以下強度等級的混凝土。由于磚含量與三個技術(shù)指標(biāo)具有較好的相關(guān)性，并具有較好的可測定性和直觀性，將磚含量作為分類控制指標(biāo)，具有良好的工程實踐意義。

(3)本文建議的磚混骨料分類彌補了再生骨料分類標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》不適用于再生磚混骨料的缺點，有利于建筑垃圾的資源化利用。需要注意的是，由于再生磚混骨料性能的隨機(jī)性很大，該分類建議仍需要在實驗室和工程實踐中進(jìn)行廣泛的研究和論證。