利用磚混建筑廢棄物制備再生混凝土的性能研究

張獻(xiàn)蒙，劉 旭，柏 彬，彭 千，冀韋伊

(1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力工程咨詢有限公司，南京 210008；2.南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院，南京 210016)

0 引 言

世界上每年人均生產(chǎn)約1 t混凝土[1]，自然資源被過(guò)度開(kāi)采的同時(shí)造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染[2]。另外，隨著建筑廢棄物數(shù)量的不斷增長(zhǎng)，可供堆放和填埋的場(chǎng)地日趨緊張[3]。因此，將建筑廢棄物破碎篩分制備再生粗骨料進(jìn)行循環(huán)利用是保證建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑之一[4]。建筑廢棄物的破碎篩分是保證再生骨料質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。近年來(lái)，相關(guān)高校、再生資源利用企事業(yè)單位等開(kāi)始致力于建筑廢棄物破碎篩分裝置的研發(fā)應(yīng)用。房懷英等[5]提出一種基于拋噴丸破碎廢棄混凝土制備高品質(zhì)再生骨料的裝置，該系統(tǒng)對(duì)水泥漿的分離效果好，可以提高再生骨料性能和回收利用率。方圣恩等[6]發(fā)明了一種綜合了破碎和研磨兩種功能的再生粗骨料制備裝置，所制備的再生粗骨料顆粒級(jí)配良好，附著的舊砂漿較少，并且凸出的棱角被打磨，更加接近于天然骨料。張強(qiáng)輝[7]發(fā)明了一種再生骨料破碎篩分清洗裝置，包括固定臺(tái)、傳輸部件、電磁部件、清洗部件、篩分部件和載料部件，安全系數(shù)高、篩分效果好，所制備的再生骨料雜質(zhì)含量少，質(zhì)量更加穩(wěn)定。破碎篩分裝置的研發(fā)應(yīng)用在技術(shù)層面保證了再生骨料實(shí)際工程中的推廣應(yīng)用。

在我國(guó)，絕大多數(shù)被拆除的低層和多層建筑主要由鋼筋混凝土梁柱和燒結(jié)粘土磚墻構(gòu)成。因此，由此類建筑垃圾破碎篩分得到的再生粗骨料是以混凝土再生粗骨料、再生碎磚粗骨料和少量的陶瓷瓦礫為主要成分的混合型再生粗骨料。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者[8-13]對(duì)單一組分再生混凝土力學(xué)性能研究比較成熟，而對(duì)于混合型再生混凝土力學(xué)性能及耐久性研究相對(duì)較少。本文對(duì)混合型再生混凝土破壞形態(tài)進(jìn)行分析，并研究碎磚含量對(duì)混合型再生混凝土抗壓強(qiáng)度、抗氯離子滲透性能、抗鹽凍性能的影響規(guī)律。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

1.1.1 粗、細(xì)骨料

試驗(yàn)采用的再生混凝土粗骨料由南京首佳再生資源利用有限公司提供，再生碎磚粗骨料由廢舊粘土磚破碎篩分制備而成，細(xì)骨料為天然河砂。根據(jù)JGJ 52—2006[14]對(duì)粗、細(xì)骨料基本性能進(jìn)行測(cè)試，粗骨料基本性能測(cè)試結(jié)果如表1所示，天然河砂細(xì)度模數(shù)為2.67，屬于中砂，表觀密度為2 614 kg/m3，含泥量為1.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

表1 粗骨料基本性能Table 1 Properties of coarse aggregate

1.1.2 水 泥

試驗(yàn)所用水泥為海螺牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其成分和性能分別如表2和表3所示。

表2 水泥主要化學(xué)組分Table 2 Main chemical composition of cement

表3 水泥物理力學(xué)性能Table 3 Physical and mechanical properties of cement

1.1.3 水

試驗(yàn)用水為自來(lái)水。

1.2 混凝土配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)一共設(shè)計(jì)三種不同的水灰比，共12組混合型再生粗骨料混凝土，混凝土配合比如表4所示。

RC1-0.48、RC5-0.58、RC1-0.68三組混凝土除水灰比不同外，其他配合比參數(shù)均相同，再生碎磚含量為18%；RC2-0.48、RC8-0.58、RC2-0.68三組混凝土同樣是除水灰比不同外，其他配合此參數(shù)均相同，再生碎磚粗骨料含量為30%(體積分?jǐn)?shù))；上述六組混凝土用來(lái)研究水灰比對(duì)混合型再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度、抗氯離子滲透性能的影響，RC1-0.58～RC8-0.58八組混凝土中再生混凝土粗骨料和碎磚粗骨料用量不同，其他配合比參數(shù)均相同，用來(lái)研究混合型再生混凝土抗壓強(qiáng)度、抗氯離子滲透性能、抗鹽凍性能隨碎磚含量增加的變化規(guī)律。由于再生混凝土粗骨料和再生碎磚粗骨料吸水率較大，為保證混凝土工作性能滿足要求，在澆筑混凝土前兩種粗骨料需在水中浸泡1 h，然后用毛巾擦干骨料表面水分，使骨料處于飽和面干狀態(tài)。

每組混凝土澆筑的試塊數(shù)量、尺寸、用途及試驗(yàn)方法如表5所示。

表5 試塊澆筑概況表Table 5 Pouring summary of concrete specimens

2 結(jié)果與討論

2.1 破壞過(guò)程與特征

圖1為立方體試塊破壞形態(tài)圖。加載初期，試塊表面無(wú)裂縫；加載至極限荷載1/3左右時(shí)，試塊表面開(kāi)始出現(xiàn)細(xì)微裂縫；隨著加載繼續(xù)進(jìn)行，裂縫向上下端角部延伸，可聽(tīng)見(jiàn)試件受壓開(kāi)裂的聲音；當(dāng)裂縫貫穿試塊呈正倒相連的“八”字形時(shí)，荷載增速變緩，最終試件表面嚴(yán)重外鼓最終破壞，試件破壞形態(tài)呈正倒相連的錐子形。

混合型再生混凝土破壞過(guò)程類似于普通混凝土，均包括裂縫產(chǎn)生、裂縫受力發(fā)展、裂縫貫穿、試件破壞失效四個(gè)階段。但兩者仍存在不同之處：

(1)當(dāng)混凝土中不含碎磚粗骨料時(shí)，混凝土在達(dá)到極限荷載破壞時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的爆裂聲，破壞形式偏向于脆性破壞；隨著磚含量的增加，混凝土達(dá)到極限荷載時(shí)破壞過(guò)程變緩。

(2)由于粗骨料與砂漿之間的界面過(guò)渡區(qū)是混凝土最薄弱的環(huán)節(jié)，因此普通混凝土破壞多發(fā)生在界面過(guò)渡區(qū)。由圖1可以看出，混合型再生粗骨料受壓破壞后，天然粗骨料在骨料與砂漿之間的過(guò)渡區(qū)斷裂破壞，天然粗骨料仍保持其完整性，而再生碎磚粗骨料則是沿骨料內(nèi)部斷裂破壞。

圖1 立方體試塊破壞形態(tài)Fig.1 Failure mode of cube specimens

2.2 抗壓強(qiáng)度

水灰比為0.58時(shí)，混合型再生粗骨料混凝土抗壓強(qiáng)度隨再生碎磚粗骨料含量的變化規(guī)律如圖2所示。當(dāng)混合型再生粗骨料混凝土中再生碎磚粗骨料含量為0%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度為33.7 MPa；再生碎磚粗骨料含量為18%時(shí)，抗壓強(qiáng)度略微增加至34.6 MPa；當(dāng)再生碎磚含量超過(guò)18%時(shí)，抗壓強(qiáng)度隨著再生碎磚粗骨料含量的增加呈不斷降低的趨勢(shì)。

圖2 抗壓強(qiáng)度與碎磚含量之間的關(guān)系Fig.2 Relationship between compressive strengthand brick content

再生碎磚粗骨料壓碎指標(biāo)遠(yuǎn)大于天然粗骨料和再生混凝土粗骨料。碎磚含量較低時(shí)，對(duì)混凝土強(qiáng)度的不利影響并不明顯，當(dāng)碎磚含量超過(guò)18%時(shí)，碎磚含量對(duì)混凝土的不利影響便凸顯出來(lái)。由試件破壞時(shí)再生碎磚粗骨料被壓碎可以看出，對(duì)于混合型再生粗骨料混凝土，薄弱環(huán)節(jié)除了粗骨料與砂漿之間的界面過(guò)渡區(qū)，還有再生碎磚粗骨料本身。其次，再生混凝土粗骨料和再生碎磚粗骨料的吸水率分別是天然粗骨料的3.7倍和13.7倍，再生粗骨料在預(yù)浸泡處理時(shí)，再生碎磚粗骨料含量越大，吸收的水分越多，導(dǎo)致硬化后混凝土實(shí)際水灰比越來(lái)越大，造成混凝土抗壓強(qiáng)度降低。

當(dāng)混合型再生粗骨料混凝土中再生碎磚粗骨料含量為18%和30%，水灰比分別為0.48、0.58和0.68時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度與水灰比之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 抗壓強(qiáng)度與水灰比之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between water compressive strength and cement ratio

由圖3可以看出，混合型再生粗骨料混凝土抗壓強(qiáng)度隨著水灰比的增大而減小?；炷罵C5-0.58抗壓強(qiáng)度與RC1-0.48相比降低25%，混凝土RC1-0.68抗壓強(qiáng)度與RC5-0.58相比降低7.8%；混凝土RC8-0.58抗壓強(qiáng)度與RC2-0.48相比降低28%，混凝土RC2-0.68抗壓強(qiáng)度與RC8-0.58相比增加了1%。由此可見(jiàn)，無(wú)論碎磚再生粗骨料含量為18%還是30%，水灰比越高，再生碎磚粗骨料對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的不利影響越小；主要是由于水灰比越高，水泥砂漿水化產(chǎn)物不能填滿骨料與砂漿之間界面過(guò)渡區(qū)的孔隙，導(dǎo)致粗骨料與砂漿之間的界面疏松多孔，粘結(jié)性能差；混凝土抗壓強(qiáng)度更大程度的取決于界面過(guò)渡區(qū)而不是粗骨料本身性能。

2.3 抗氯離子滲透性能

采用式(1)計(jì)算氯離子遷移系數(shù)，隨磚含量增加氯離子遷移系數(shù)的變化規(guī)律如圖4所示。

(1)

式中：DRCM為混凝土非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)；U為試驗(yàn)中所用電壓絕對(duì)值；T為陽(yáng)極溶液初始溫度和結(jié)束溫度平均值；L為試件厚度；Xd為氯離子滲透深度平均值；t為試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間。

由圖4可以看出，碎磚含量由0%增加至5%時(shí)，氯離子遷移系數(shù)由22.82×10-12m2/s增長(zhǎng)至27.88×10-12m2/s，增長(zhǎng)了22%；當(dāng)碎磚含量由5%增加至18%，氯離子遷移系數(shù)由27.88×10-12m2/s變化至27.75×10-12m2/s，并沒(méi)有明顯增長(zhǎng)；當(dāng)碎磚含量由18%增加至30%時(shí)，氯離子遷移系數(shù)由27.55×10-12m2/s增加至41.45×10-12m2/s，增長(zhǎng)了50%。由此可見(jiàn)，混凝土中含有碎磚時(shí)會(huì)明顯降低混凝土的抗氯離子滲透性能，主要是由于碎磚骨料本身孔隙率較高，吸水率較大。Gomes等[17]研究表示再生混凝土氯離子遷移系數(shù)與吸水性之間存在密切的相關(guān)性。

圖4 氯離子遷移系數(shù)與碎磚含量之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between chloride migration coefficientand brick content

氯離子遷移系數(shù)隨著水灰比增加的變化規(guī)律如圖5所示。當(dāng)碎磚含量為18%時(shí)，RC1-0.68的氯離子遷移系數(shù)與RC5-0.58和RC1-0.48相比分別提高了26.81%和 67.25%；當(dāng)碎磚含量為30%時(shí)，RC2-0.68的氯離子遷移系數(shù)與RC8-0.58和RC2-0.48相比分別提高了27.74%和55.87%。由此可見(jiàn)，水灰比越大，混凝土的抗氯離子滲透性能越差，主要由于水灰比增大，水泥砂漿中連通的孔隙就會(huì)增加，氯離子可以更加順暢的通過(guò)孔隙遷移。

圖5 氯離子遷移系數(shù)與水灰比之間的關(guān)系Fig.5 Relationship between chloride migration coefficientand water cement ratio

2.4 抗鹽凍性能

不同磚含量的混凝土質(zhì)量損失率隨鹽凍循環(huán)次數(shù)的增加變化規(guī)律如圖6所示。當(dāng)水灰比為0.58時(shí)，混凝土質(zhì)量損失率隨凍融次數(shù)的增加呈現(xiàn)出明顯增加的趨勢(shì)；碎磚含量在15%以下的4組(RC1-0.58～RC4-0.58)試塊的質(zhì)量損失整體小于碎磚含量高于15%的4組(RC1-0.58～RC4-0.58)試塊。整體來(lái)看，隨著碎磚含量的增加，混凝土棱柱體試件的質(zhì)量損失逐漸升高。

采用式(2)和(3)計(jì)算混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量，不同磚含量的混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系如圖7所示。

(2)

(3)

式中：ERDME為相對(duì)動(dòng)彈性模量；Ed為動(dòng)彈性模量；μ為混凝土泊松比；ρ為混凝土密度；V為混凝土內(nèi)超聲波傳遞的縱波波速；EdN為混凝土試件經(jīng)N次鹽凍循環(huán)后動(dòng)彈性模量；Ed0為混凝土試件沒(méi)有經(jīng)受鹽凍循環(huán)時(shí)的動(dòng)彈性模量；VN為試件經(jīng)N次凍融循環(huán)后超聲波傳遞的縱波波速；V0為試件未經(jīng)凍融循環(huán)后超聲波傳遞的縱波波速。

圖6 質(zhì)量損失率與鹽凍循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系Fig.6 Relationship between mass loss rateand freeze thaw cycles

由圖7可以看出，隨著凍融次數(shù)的增加混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量呈現(xiàn)出不斷降低的趨勢(shì)，這是因?yàn)殡S著鹽凍循環(huán)次數(shù)增加，混凝土內(nèi)部在滲透壓力和靜水壓力的作用下出現(xiàn)裂縫，裂縫使得更多的鹽溶液可以進(jìn)入混凝土內(nèi)部造成更嚴(yán)重的鹽凍破壞。另外隨著鹽凍循環(huán)次數(shù)增加，碎磚含量較高的混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量的降低速度比較快，這是因?yàn)樗榇u含量高，意味著混凝土內(nèi)部孔隙率高，鹽溶液更加容易進(jìn)入試件造成內(nèi)部損傷。

圖7 相對(duì)動(dòng)彈性模量與鹽凍次數(shù)之間的關(guān)系Fig.7 Relationship between relative dynamic elastic modulusand freeze thaw cycles

3 結(jié) 論

(1)混凝土破壞時(shí)，天然粗骨料在砂漿與骨料之間的界面過(guò)渡區(qū)破壞失效，再生碎磚粗骨料則沿著骨料內(nèi)部斷裂破壞。

(2)當(dāng)碎磚含量不超過(guò)18%時(shí)，對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度和抗氯離子滲透性能沒(méi)有明顯影響，碎磚含量超過(guò)18%時(shí)，抗壓強(qiáng)度和抗氯離子滲透性明顯下降。

(3)混合型再生粗骨料混凝土抗壓強(qiáng)度和抗氯離子滲透性能隨著水灰比的增加而降低；當(dāng)磚含量不變時(shí)，水灰比越高，再生碎磚粗骨料對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的不利影響越小。

(4)混凝土的質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈模隨鹽凍次數(shù)的增加呈不斷降低的趨勢(shì)，并且碎磚含量越大，混凝土的抗鹽凍能力越差。