磚混再生細(xì)骨料再生砂漿性能及工程應(yīng)用

馬昆林，莫文波，莫建紅，彭琳娜，申景濤，胡明文，張?chǎng)稳醮憾?/p>

(1. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410075；2. 湖南建工環(huán)保有限公司，湖南 長(zhǎng)沙410075；3. 湖南建工集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙410075；4. 中鐵城建集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙410075；5. 長(zhǎng)沙市建筑節(jié)能與綠色建筑產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，湖南 長(zhǎng)沙410011)

我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施與城鎮(zhèn)化進(jìn)程的飛速發(fā)展導(dǎo)致天然砂石等資源正逐漸枯竭[1]，與此同時(shí)，早期建設(shè)的大量磚混結(jié)構(gòu)物正面臨拆除重建，產(chǎn)生了大量磚混結(jié)構(gòu)拆除建筑垃圾[2]。將建筑垃圾進(jìn)行破碎、篩分制成再生骨料使用，既可消耗建筑垃圾，又可節(jié)約天然砂石資源[3]。建筑垃圾的再生利用已成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。劉相陽(yáng)等[4]研究了廢棄混凝土再生細(xì)骨料不同摻量對(duì)再生砂漿工作性能和強(qiáng)度的影響，并通過(guò)回歸分析，提出再生骨料砂漿抗壓與抗折強(qiáng)度之間的關(guān)系。DING 等[5]研究了不同來(lái)源廢棄混凝土再生細(xì)骨料完全替代天然砂制備的砂漿，測(cè)試了再生砂漿工作性和力學(xué)性能。DUAN 等[6]研究了不同來(lái)源再生骨料的性能，發(fā)現(xiàn)了不同來(lái)源的再生骨料性能差異較大，質(zhì)量好的再生骨料可用于生產(chǎn)高強(qiáng)混凝土。CORINALDE‐SI[7]研究了再生細(xì)骨料砂漿與砌體之間的黏結(jié)強(qiáng)度，并發(fā)現(xiàn)再生細(xì)骨料砂漿在砂漿與磚的黏結(jié)強(qiáng)度和砌體組合抗剪強(qiáng)度方面優(yōu)于普通砂漿。ZHAO等[8]研究了廢棄混凝土再生細(xì)骨料含水狀態(tài)和替代率對(duì)砂漿性能的影響。RAINI 等[9]研究了磚混再生細(xì)骨料摻量對(duì)砂漿性能和砂漿微觀結(jié)構(gòu)的影響，研究表明，15%摻量的磚混再生細(xì)骨料對(duì)砂漿的力學(xué)性能和微觀性能沒(méi)有負(fù)面影響。綜上，研究人員對(duì)廢棄混凝土再生細(xì)骨料進(jìn)行了較多研究，相比較廢棄混凝土制備的再生細(xì)骨料，磚混再生細(xì)骨料中含有黏土磚、舊砂漿、瓦碎粒等，具有空隙率高、吸水率大、壓碎指標(biāo)大等特點(diǎn)[10?14]，對(duì)磚混再生細(xì)骨料的性能及其對(duì)砂漿性能的影響還需進(jìn)一步開(kāi)展?；诖吮疚膶?duì)磚混結(jié)構(gòu)拆除建筑垃圾加工生產(chǎn)的再生細(xì)骨料基本性能及其對(duì)砂漿的影響進(jìn)行了研究，并結(jié)合研究成果進(jìn)行了工程應(yīng)用。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料及配合設(shè)計(jì)

1.1.1 原材料

水泥(Cement，簡(jiǎn)稱C)：中聯(lián)水泥有限公司出品的42.5 基準(zhǔn)硅酸鹽水泥(P·I 42.5 水泥)，符合GB8076—2008 標(biāo)準(zhǔn)，其化學(xué)和物理性質(zhì)如表1 所示。粉煤灰(Fly ash，簡(jiǎn)稱FA)：湖南湘潭電廠的F類II 級(jí)粉煤灰；砂子(Sand，簡(jiǎn)稱S)分別采用中國(guó)ISO 標(biāo)準(zhǔn)砂，符合GB/T17671—1999 標(biāo)準(zhǔn)，磚混再生細(xì)骨料由湖南建工環(huán)保科技有限公司生產(chǎn)，課題組在不同工地進(jìn)行取樣，分別命名為B和C進(jìn)行試驗(yàn)，再生砂性能指標(biāo)見(jiàn)表2所示，再生砂以破碎磚瓦和砂漿為主，再生砂照片見(jiàn)圖1。水(Water，簡(jiǎn)稱W)：試驗(yàn)拌合用水為可飲用自來(lái)水。外加劑：采用課題組自行研發(fā)的再生砂漿專用外加劑。

圖1 試驗(yàn)所用磚混再生細(xì)骨料Fig.1 Brick-concrete recycled fine aggregates(BCRFA)

表1 水泥的化學(xué)和物理性質(zhì)Table 1 Chemical and physical properties of cement

表2 天然砂和再生細(xì)骨料主要性能指標(biāo)Table 2 Properties of recycled fine aggregate and natural sand

表2是試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)砂和磚混再生細(xì)骨料主要性能指標(biāo)。由表2可知，與標(biāo)準(zhǔn)砂標(biāo)相比，磚混再生細(xì)骨料(BCRFA)的堆積密度、表觀密度和抗壓強(qiáng)度顯著降低，空隙率、壓碎指標(biāo)、含泥量、堅(jiān)固性指標(biāo)和砂漿的需水量比明顯增大。這是由于磚混再生細(xì)骨料中含有碎磚、碎瓦和舊砂漿，從而導(dǎo)致其基本物理性能低于天然砂。

1.1.2 配合比設(shè)計(jì)

為探究再生磚混細(xì)骨料摻量對(duì)砂漿流動(dòng)性(擴(kuò)展度)、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響，將B，C 2 種再生細(xì)骨料分別以0，20%，40%，60%，80%和100%的摻量取代標(biāo)準(zhǔn)砂，固定水泥用量540 g 和砂子用量1 350 g。B1～B5 和C1～C5 組用水量采用B5 和C5 組砂漿流動(dòng)度為(130±2) mm 時(shí)的用水量，分別為340 g 和390 g，B0 和C0 組用水量為流動(dòng)度為(130±2) mm 時(shí)的用水量，分別為189 g 和195 g。

為研究再生磚混細(xì)骨料的工程應(yīng)用性能，本文采用再生細(xì)骨料制備水泥粉煤灰抹灰砂漿，試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)膠凝材料290 kg/m3，粉煤灰摻量15%，外加劑用量2.67 kg，將B，C 2 樣本均以15%，30%，45%和60%等質(zhì)量取代標(biāo)準(zhǔn)砂摻入砂漿中，以B-M-1～B-M-4 和C-M-1～C-M-4 表示，共分為9組，其中天然砂漿標(biāo)準(zhǔn)組作為對(duì)照組。將砂漿稠度控制在70～80 mm，以確定拌合需水量，并測(cè)定強(qiáng)度。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 砂漿流動(dòng)度試驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)之前，對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行檢查。檢查無(wú)誤后，按照GB—T7671 規(guī)范制備砂漿拌合物，將拌合好的砂漿分2層迅速裝入加模套的試模，壓搗完畢后，取下模套，垂直輕提錐形模，開(kāi)啟跳桌，結(jié)果取垂直方向上的算術(shù)平均值。具體操作參照《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》JGJ/T 70—2009測(cè)試。

1.2.2 砂漿強(qiáng)度試驗(yàn)

根據(jù)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO 法)》GB/T 17671—1999 標(biāo)準(zhǔn)以及表3 砂漿配合比, 制備40 mm×40 mm×160 mm 棱柱體試件，每組3 個(gè)試件，室內(nèi)養(yǎng)護(hù)24 h 后脫模，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，達(dá)到28 d齡期后，取出試件。進(jìn)行抗折和抗壓強(qiáng)度測(cè)試。根據(jù)表4 抹灰砂漿配合比設(shè)計(jì)，制備70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 立方體試件，每組試件3 個(gè)，試件24 h 后脫模，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。達(dá)到28 d 齡期后，取出試件在萬(wàn)能壓力機(jī)上進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，直至試件破壞，記錄破壞荷載。具體試驗(yàn)步驟見(jiàn)JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》。

表3 配合比設(shè)計(jì)表Table 3 Design of mix proportion

1.2.3 砂漿稠度試驗(yàn)

稠度試驗(yàn)按照《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》JGJ/T 70—2009 進(jìn)行。按表4 抹灰砂漿配合比設(shè)計(jì)表，配制砂漿拌合物，將適量砂漿裝入試驗(yàn)容器，人工整平并振搗，調(diào)整儀器使試錐尖端與砂漿表面剛接觸，擰松螺絲并計(jì)時(shí)，10 s時(shí)立即擰緊螺絲，讀取下降深度，即為稠度值。

表4 抹灰砂漿配合比設(shè)計(jì)表Table 4 Design table of plastering mortar mix ratio

1.2.4 砂漿保水性試驗(yàn)

砂漿保水性試驗(yàn)按照《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》JGJ/T 70—2009 進(jìn)行。按照表4 配合比設(shè)計(jì)表，制備砂漿。為模擬施工條件，砂漿攪拌時(shí)間不少180 s。試驗(yàn)開(kāi)始，分別稱取干燥試模和不透水片總重、濾紙重量。取適量砂漿放入試模中修整，之后迅速稱量試模、不透水片和砂漿三部分的總重。在砂漿表面覆蓋棉紗，并利用濾紙吸收砂漿中水分，使用2 kg 重物施壓，靜置2min，迅速取出濾紙并稱重。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 砂漿流動(dòng)性

圖2為磚混再生細(xì)骨料摻量對(duì)膠砂流動(dòng)度的影響。B0 和C0 組均為摻入100%標(biāo)準(zhǔn)砂，擴(kuò)展度(130±2) mm 時(shí)砂漿的用水量，分別為189 g 和195 g，見(jiàn)表2。B0 和C0 組用水量不同可能因?yàn)樵? 組試驗(yàn)間隔了3 d，且原材料有一定波動(dòng)造成。B1～B5，C1～C5 砂漿水膠比分別為0.63 和0.72，且磚混再生細(xì)骨料摻量為20%時(shí)，B1組和C1組砂漿流動(dòng)度均大于300 mm，流動(dòng)度已經(jīng)超出實(shí)驗(yàn)儀器的測(cè)量范圍，為在圖中表示，流動(dòng)度超出測(cè)量范圍時(shí)均以350 代替。由表3 可知，B5 和C5 組分別采用與B0 和C0 組砂漿流動(dòng)度相同(130±2) mm 時(shí)的用水量，隨后保持用水量不變，磚混再生骨料摻量逐漸減小，從而研究再生細(xì)骨料摻量對(duì)砂漿流動(dòng)度的影響。

由圖2可知，水灰比不變時(shí)，隨磚混再生細(xì)骨料摻量增加，B, C 組砂漿的流動(dòng)度均逐漸降低，當(dāng)B，C 組再生細(xì)骨料100%取代標(biāo)準(zhǔn)砂后，且水灰比分別為0.63 和0.72 時(shí)，B5 和C5 組砂漿的流動(dòng)度均為130 mm，且呈現(xiàn)較好線性關(guān)系，由于C 組再生細(xì)骨料的需水量比2.05明顯大于B 組1.79，因此要達(dá)到相同的流動(dòng)度，用水量有所增大。

圖2 磚混再生細(xì)骨料摻量對(duì)砂漿流動(dòng)度的影響Fig.2 Influence of BCRFA content on fluidity of mortar

2.2 砂漿強(qiáng)度

2.2.1 抗壓強(qiáng)度

圖4為再生細(xì)骨料摻量對(duì)膠砂強(qiáng)度的影響。由圖4可知，當(dāng)摻入再生細(xì)骨料后砂漿強(qiáng)度均有一定程度降低，這主要是因?yàn)锽0 和C0 組采用標(biāo)準(zhǔn)砂，水膠比分別為0.35 和0.36，而B(niǎo)1～B5 和C1～C5分別采用的水膠比是0.63和0.72，而且再生細(xì)骨料各項(xiàng)性能均低于標(biāo)準(zhǔn)砂，摻入再生細(xì)骨料后，造成了膠砂力學(xué)性能有一定的降低。由圖4 還可知，摻量為20%時(shí)抗壓強(qiáng)度，分別降低了36.6%和55.1%，而當(dāng)全部采用再生細(xì)骨料，砂漿流動(dòng)度為130 mm 時(shí)，B5 組和C5 組砂漿的強(qiáng)度幾乎相同，相比較B0和C0組強(qiáng)度分別降低了22.1%和35.0%。這說(shuō)明在本文水膠比條件下，當(dāng)水膠比不變時(shí)，再生砂漿的強(qiáng)度并不是隨著再生細(xì)骨料摻量的增加而一直降低。

圖3 流動(dòng)度試驗(yàn)Fig.3 Fluidity test

圖4 磚混再生細(xì)骨料摻量對(duì)砂漿抗壓強(qiáng)度的影響Fig.4 Influence of BCRFA content on compressive strength of mortar

2.2.2 抗折強(qiáng)度

圖5為再生砂摻量對(duì)砂漿抗折強(qiáng)度的影響。由圖5 可知，磚混再生細(xì)骨料B，C 摻入后，砂漿的抗折強(qiáng)度均有一定程度降低，這是因?yàn)锽0和C0組砂漿全部采用標(biāo)準(zhǔn)砂，水膠比分別為0.35 和0.36，而B(niǎo)1～B5 與C1～C5 水膠比分別為0.63 和0.72，這說(shuō)明再生砂漿強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)砂漿，是水膠比增大和磚混再生細(xì)骨料自身性能缺陷兩因素共同作用的結(jié)果。在取代率為100%時(shí)，相比較B0 和C0砂漿抗折強(qiáng)度分別降低了29.0%和15.2%。這說(shuō)明砂漿的抗折強(qiáng)度并不是隨再生骨料摻量的增加而一直降低。由圖5還可知，在磚混再生細(xì)骨料摻量相同時(shí)，B0～B5 抗折強(qiáng)度均高于C0～C5，這是因?yàn)锽組水膠比均低于相對(duì)應(yīng)的C組，這說(shuō)明采用磚混再生細(xì)骨料時(shí)，水膠比對(duì)砂漿的抗折強(qiáng)度影響較大。在取代率為0 時(shí)，C0 抗折強(qiáng)度是B0 的54.5%，在摻量為100%時(shí)，C5的抗折強(qiáng)度是B5的65%。

圖5 磚混再生細(xì)骨料摻量對(duì)砂漿抗折強(qiáng)度的影響Fig.5 Influence of BCRFA content on flexural strength of mortar

2.3 砂漿應(yīng)用性能

2.3.1 保水性

圖6 為再生砂摻量對(duì)抹灰砂漿保水性能的影響。由圖6 可知，隨著磚混再生細(xì)骨料摻量的增加，B-M-1～B-M-4 組再生砂漿的保水率逐漸增加，且當(dāng)再生細(xì)骨料摻量60%時(shí)，保水率達(dá)到了98.3%。當(dāng)再生細(xì)骨料摻量15%時(shí)C 組再生砂漿的保水率有一定降低，但隨著再生細(xì)骨料摻量的增加，保水率逐漸增加，當(dāng)再生細(xì)骨料摻量為60%時(shí)，C-M-4 組再生砂漿的保水率為94.6%。保水性結(jié)果中各組再生砂漿的保水率均大于82.0%，達(dá)到了《抹灰砂漿技術(shù)規(guī)程》JGJT 220—2010 對(duì)抹灰砂漿保水率的技術(shù)指標(biāo)。隨磚混再生細(xì)骨料摻量的增加，各組再生砂漿的保水性均呈現(xiàn)出明顯增加的趨勢(shì)，這是因?yàn)榇u混再生細(xì)骨料吸水率高，吸收一定的拌合用水，使砂漿達(dá)到相同稠度需水量增大，保水性能有一定的增大。

圖6 磚混再生細(xì)骨料摻量對(duì)砂漿保水率的影響Fig.6 Influence of BCRFA Content on water retention of mortar

2.3.2 稠度

結(jié)合工程對(duì)抹灰砂漿的要求，保持砂漿稠度值在70～80 mm 之間，調(diào)整砂漿拌合用需水量。圖7 為再生砂摻量對(duì)抹灰砂漿拌合需水量的影響。由圖7 可知，當(dāng)抹灰砂漿稠度保持不變時(shí)，B-M，C-M 2種再生砂漿的需水量均隨再生細(xì)骨料摻量增加而增加。這是因?yàn)橄啾忍烊簧按u混再生細(xì)骨料吸水量大，使得砂漿有效拌合用水降低。

圖7 再生砂摻量對(duì)抹灰砂漿拌合需水量的影響(稠度值70～80 mm)Fig.7 Influence of BCRFA content on water requirement of plaster mortar

2.3.3 抗壓強(qiáng)度

圖8 為再生砂摻量對(duì)抹灰砂漿抗壓強(qiáng)度的影響。由圖8 可知，隨取代率由0 至60%增加，砂漿28 d 強(qiáng)度呈現(xiàn)先下降后緩慢增加的趨勢(shì)。B-M 和C-M 組砂漿強(qiáng)度均在15%取代率時(shí)降低，相較于天然砂漿，抗壓強(qiáng)度分別降低5.4%和19.6%。這是由于，摻入再生骨料后，若要保持砂漿稠度不變，則砂漿的需水率也要增大，砂漿的水膠比增大，因此強(qiáng)度有一定降低。由圖8 還可知，B-M-1～B-M-4 組砂漿，28 d 抗壓強(qiáng)度值均大于5 MPa。再生細(xì)骨料C制備的砂漿僅在15%摻量(C-M-1)時(shí)，低于5 MPa，其他取代率組均高于5 MPa，可以滿足M5粉煤灰抹灰砂漿的強(qiáng)度要求。由圖8還可知，保持砂漿稠度基本不變時(shí)，隨著磚混再生細(xì)骨料摻量增加，雖然砂漿的需水量有一定增大，但是28 d抗壓強(qiáng)度并不會(huì)降低。

圖8 磚混再生細(xì)骨料摻量對(duì)砂漿抗壓強(qiáng)度的影響Fig.8 Influence of BCRFA content on compressive strength of plaster mortar

2.4 工程應(yīng)用

為了進(jìn)一步對(duì)磚混再生砂漿的工程應(yīng)用性能進(jìn)行研究，課題組采用再生細(xì)骨料100%取代率，再生骨料性能與本文實(shí)驗(yàn)中再生細(xì)骨料B一致，性能指標(biāo)見(jiàn)表2 所示，設(shè)計(jì)了強(qiáng)度等級(jí)為M5 的再生細(xì)骨料抹灰砂漿，并于2020 年4 月在長(zhǎng)沙市某寫字樓內(nèi)墻進(jìn)行了抹灰砂漿施工，其中抹灰砂漿厚度15 mm，施工面積約200 m2。抹灰砂漿凝結(jié)硬化后，表面進(jìn)行噴水霧保濕養(yǎng)護(hù)7 d。現(xiàn)場(chǎng)配合比如表5 所示?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試稠度75 mm，保水率91.0%，密度1 980 kg/m3，滿足相關(guān)規(guī)范在抹灰砂漿施工性能的要求。

表5 磚混再生細(xì)骨料水泥粉煤灰抹灰配合比Table 5 Mix ratio of brick-concrete recycled fine aggregate cement and fly ash plaster

圖9為抹灰砂漿施工及質(zhì)量檢驗(yàn)。施工后經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，砂漿抹灰層與基層之間黏結(jié)牢固，砂漿抹灰層無(wú)脫層，無(wú)空鼓，面層無(wú)爆灰和裂縫，28 d實(shí)測(cè)拉伸黏結(jié)強(qiáng)度為0.26 MPa，28 d 抗壓強(qiáng)度為7.6 MPa，各項(xiàng)性能滿足相關(guān)規(guī)范中對(duì)M5 水泥粉煤灰抹灰砂漿的技術(shù)要求，說(shuō)明再生磚混細(xì)骨料可以在抹灰砂漿中使用。

圖9 抹灰砂漿施工及質(zhì)量檢驗(yàn)Fig.9 Plastering mortar construction and quality inspection

3 結(jié)論

1) 磚混再生細(xì)骨料主要由城市舊磚混結(jié)構(gòu)拆除后的建筑垃圾加工而成，主要含有碎磚、碎瓦和舊砂漿，相比較天然砂，磚混再生細(xì)骨料的堆積密度、表觀密度和抗壓強(qiáng)度比顯著降低，空隙率、壓碎指標(biāo)、含泥量、堅(jiān)固性指標(biāo)和砂漿的需水量比明顯增大。

2) 隨著磚混再生細(xì)骨料摻量的增加，砂漿的強(qiáng)度有一定降低，在相同用水量條件下，磚混再生砂漿的抗壓和抗折強(qiáng)度并不隨再生細(xì)骨料摻量的增加而一直降低。

3)保持相同的稠度，隨著再生砂漿摻量增加，砂漿的需水量增大，保水率也增大，強(qiáng)度降低不顯著，有利于砂漿的現(xiàn)場(chǎng)施工?，F(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐表明，采用磚混再生細(xì)骨料制備的內(nèi)墻抹灰砂漿可以滿足相關(guān)規(guī)范中對(duì)M5 水泥粉煤灰抹灰砂漿的技術(shù)要求。