謝尚錦,楊韶勇,張存貴,孟濤,趙羽習(xí),趙寶玉
(1.浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院,浙江 杭州 310058;2.山西六建集團(tuán)有限公司,山西 太原 030024)
近年來(lái),隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展,建筑業(yè)的發(fā)展日新月異,而與此同時(shí),國(guó)內(nèi)由于房屋拆遷、改造產(chǎn)生的建筑拆除垃圾排放量激增。以浙江省為例,2013年省內(nèi)開(kāi)始的“三改一拆”行動(dòng)(開(kāi)展舊住宅區(qū)、舊廠區(qū)、城中村改造和拆除違法建筑)正在向縱深推進(jìn),僅2017年1~6月,浙江省拆除違法建筑1.29億m2,完成“三改”1.87億m2。該輪拆除對(duì)象基本為20世紀(jì)70、80年代建造的多層砌體結(jié)構(gòu)房屋,拆除垃圾主要以黏土磚為主。解決磚混建筑垃圾去向問(wèn)題是推進(jìn)建筑固廢資源化利用的必經(jīng)之路。
拆除垃圾經(jīng)過(guò)破碎加工形成以磚和混凝土為主的再生磚混骨料,具有顆粒棱角多、表面粗糙、孔隙率大等特點(diǎn)[1-3]。再生磚混骨料主要包括再生磚骨料和再生混凝土骨料。再生磚骨料與再生混凝土骨料相比,表觀密度較小,壓碎指標(biāo)及吸水率較大[4-7],隨著再生磚骨料取代率的增加,再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度[8-9]、抗折性能[10-11]、彈性模量[12-13]均有不同程度的弱化,同時(shí),單一磚骨料混凝土的力學(xué)性能優(yōu)于磚混骨料再生混凝土[13],由于碎磚骨料摻量的增加導(dǎo)致力學(xué)性能減弱,其原因在于再生碎磚骨料混凝土相比以廢混凝土為骨料的混凝土吸水率和壓碎指標(biāo)顯著提高,表觀密度大幅下降,導(dǎo)致絕干密度與拌合水用量發(fā)生變化,且混凝土碎塊的強(qiáng)度高于普通燒結(jié)碎磚[14],而對(duì)于單一磚骨料再生混凝土與磚混骨料再生混凝土之間性能的差異,主要原因在于單種骨料較均勻,由此提高其性能與穩(wěn)定性。另一方面,再生混凝土的收縮變形隨著再生磚骨料取代率的增加而提升[15]。在再生磚混骨料混凝土使用性能方面,范小平[16]、邢振賢[17]、Farid和Said[18]、謝玲君等[19]的研究表明,通過(guò)添加適當(dāng)?shù)耐饧觿⒄{(diào)整用水量和配合比等手段,磚混再生骨料拌合混凝土可以滿(mǎn)足正常使用的和易性和性能要求。
綜上所述,再生磚骨料的引入會(huì)降低再生骨料混凝土基本性能,提高其收縮變形。另一方面,當(dāng)前對(duì)于磚混建筑固廢資源化利用的研究主要集中于再生磚混骨料混凝土的力學(xué)性能與耐久性能,而缺少對(duì)于再生磚混墻體材料的研究。本文擬針對(duì)當(dāng)前拆除垃圾,將再生磚混骨料應(yīng)用于泡沫砂漿砌塊,形成一種再生磚混泡沫砂漿砌塊配比,推進(jìn)建筑固廢資源化利用。
再生磚混骨料:由杭州翊博新能源科技有限公司提供,再生骨料經(jīng)過(guò)4道破碎、1道篩分等工序處置形成,粒徑0~8 mm,表觀密度2290 kg/m3,堆積密度1140 kg/m3,空隙率51%,飽和面干吸水率12.6%,顆粒級(jí)配見(jiàn)圖1;基準(zhǔn)水泥:CUCC中國(guó)聯(lián)合水泥集團(tuán)有限公司產(chǎn)P·Ⅰ42.5水泥,物理力學(xué)性能見(jiàn)表1;粉煤灰:華東電力集團(tuán)河南新鄉(xiāng)電廠產(chǎn),Ⅱ級(jí);聚乙烯醇纖維:長(zhǎng)度3 mm;發(fā)泡劑:十二烷基硫酸鈉,白至微黃色粉末,相對(duì)密度為0.25 g/mL;減水劑:HSC聚羧酸高性能減水劑,淡黃色液體,減水率25%~35%,pH值6~8,固含量40%。
表1 基準(zhǔn)水泥的物理力學(xué)性能
試驗(yàn)采用JJ-5型水泥膠砂攪拌機(jī)進(jìn)行砂漿試件的拌制,模具為40 mm×40 mm×160 mm水泥膠砂試模。具體配比設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。編號(hào)RFnM-m中n代表發(fā)泡劑摻量(按占膠凝材料質(zhì)量計(jì)),m代表不同成分配比:0為對(duì)照組,1為在對(duì)照組基礎(chǔ)上摻入粉煤灰,2為在1的基礎(chǔ)上摻入減水劑,3為在2的基礎(chǔ)上摻入聚乙烯醇纖維,4為在3的基礎(chǔ)上對(duì)骨料級(jí)配進(jìn)行調(diào)整(篩除粒徑大于4.75 mm及小于0.15 mm的骨料)??紤]到項(xiàng)目對(duì)粉煤灰再利用的需要,砂漿力學(xué)性能及干密度需符合JC/T 1062—2007《泡沫混凝土砌塊》的要求,參考相關(guān)研究成果及商家推薦摻量[20-23],取發(fā)泡劑摻量為1%~2%,粉煤灰等質(zhì)量取代20%水泥,減水劑摻量(按占膠凝材料質(zhì)量計(jì))為1%,纖維的體積摻量為0.09%。
表2 再生磚混骨料泡沫砂漿試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)
考慮到泡沫劑發(fā)泡情況及發(fā)泡時(shí)間受外界因素影響存在一定差異,攪拌時(shí)間采用手動(dòng)控制,投入水、膠凝材料及發(fā)泡劑后進(jìn)行發(fā)泡攪拌,攪拌至發(fā)泡劑充分發(fā)泡,泡沫孔徑小、排布緊密后,加入再生磚混骨料,攪拌均勻后澆筑成型。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)調(diào)試、觀察,確定發(fā)泡攪拌時(shí)間為2 min,隨后加入再生磚混骨料進(jìn)行2~3 min的混合攪拌。將攪拌好的再生泡沫砂漿澆筑至40 mm×40 mm×160 mm膠砂試模,自然養(yǎng)護(hù)1 d后拆模,置于(20±2)℃、相對(duì)濕度不低于90%養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)3、28 d。試驗(yàn)部分試件見(jiàn)圖2。
根據(jù)GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》對(duì)試件進(jìn)行抗折、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn);根據(jù)GB/T 11970—1997《加氣混凝土體積密度 含水率和吸水率試驗(yàn)方法試驗(yàn)》測(cè)試試件的干密度。
由圖3可見(jiàn):
(1)總體上,再生磚混骨料泡沫砂漿的干密度隨發(fā)泡劑摻量的增加而降低。養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)干密度的影響較小,總體上,試件28 d齡期干密度略大于3 d齡期的。
(2)相同齡期時(shí),從RF0M-m到RF1M-m,即發(fā)泡劑摻量從0增加到1%,干密度降幅最大,3 d齡期時(shí),干密度降幅最大為15.3%,最小為8.0%;28 d齡期時(shí),干密度降幅最大為17.0%,最小為10.9%。主要是由于發(fā)泡劑引入后產(chǎn)生的泡沫增加了試件內(nèi)部的孔隙數(shù)量,進(jìn)而降低了試件的干密度。
(3)對(duì)比RF1M-m、RF1.5M-m、RF2M-m,3組試件的干密度下降并不明顯,主要原因可能是,盡管隨著發(fā)泡劑摻量的增加,形成更多的泡沫,但隨著再生骨料的加入,攪拌過(guò)程出現(xiàn)消泡現(xiàn)象,在一定程度上降低了試件在成型后的孔隙率,因此其下降幅度不大。
(4)發(fā)泡劑摻量相同時(shí),RFnM-0、RFnM-1、RFnM-2、RFnM-3的干密度有小幅變化,而每一發(fā)泡劑摻量下的干密度大小關(guān)系并不完全相同,可以認(rèn)為粉煤灰、減水劑、纖維的加入對(duì)試件的干密度不會(huì)有明顯的影響。
(5)對(duì)比其他組與RFnM-4,骨料的級(jí)配調(diào)整,即篩除>4.75 mm與<0.15 mm的骨料,會(huì)明顯降低試件的干密度。其主要原因一方面在于級(jí)配調(diào)整后的骨料粒徑相對(duì)較小,因此在試件成型后,顆粒與顆粒之間就存在更多的空間形成孔隙結(jié)構(gòu);另一方面,大粒徑的骨料相比于小粒徑的骨料,在攪拌過(guò)程中更容易引起消泡現(xiàn)象。總體上,RF2M-4組的干密度基本符合JC/T 1062—2007中干密度B10(干密度<1030 kg/m3)的要求。
由圖4可見(jiàn),總體上試件的抗壓強(qiáng)度隨發(fā)泡劑摻量的增加而降低,同時(shí)當(dāng)發(fā)泡劑摻量從0增加到1%,其抗壓強(qiáng)度降幅最大;而摻量從1%增加到2%,其降幅并不明顯,這一規(guī)律與干密度隨發(fā)泡劑摻量變化規(guī)律相似,其原因同樣由于發(fā)泡劑的引入提高試件孔隙率,進(jìn)而降低試件力學(xué)性能。另一方面,對(duì)比相同配比不同齡期的試件發(fā)現(xiàn),大部分試件的3 d抗壓強(qiáng)度基本上能達(dá)到28 d抗壓強(qiáng)度的50%以上,少數(shù)試件的3 d抗壓強(qiáng)度只能達(dá)到28 d抗壓強(qiáng)度的35%。
對(duì)比RFnM-0、RFnM-1可見(jiàn),摻20%粉煤灰明顯降低試件的抗壓強(qiáng)度;相比之下,RFnM-2的抗壓強(qiáng)度有所提高,這是由于減水劑的加入降低了用水量,進(jìn)一步降低了試件的水灰比,在一定程度上彌補(bǔ)粉煤灰?guī)?lái)的力學(xué)性能下降;RFnM-3中摻入了聚乙烯醇纖維,其強(qiáng)度有了進(jìn)一步顯著的提高;RFnM-4對(duì)骨料級(jí)配進(jìn)行調(diào)整,其干密度大幅下降的同時(shí),抗壓強(qiáng)度也受到了明顯的影響,但其抗壓強(qiáng)度依然符合JC/T 1062—2007中抗壓強(qiáng)度A3.5(≥3.5 MPa)的要求。
由圖5可見(jiàn),試件抗折強(qiáng)度隨發(fā)泡劑摻量總體的變化趨勢(shì)與抗壓強(qiáng)度一樣,隨著發(fā)泡劑摻量的增加而降低,摻量從0到1%時(shí)降幅最大,然后發(fā)泡劑摻量對(duì)抗折強(qiáng)度的影響逐漸減小。試件的3 d抗折強(qiáng)度基本能達(dá)到28 d抗折強(qiáng)度的50%以上。相同發(fā)泡劑摻量下,不同配比試件的抗折強(qiáng)度存在一定的規(guī)律。對(duì)比RFnM-0與RFnM-1可以發(fā)現(xiàn),粉煤灰對(duì)試件抗折強(qiáng)度有消極影響,同時(shí)對(duì)試件早期抗折強(qiáng)度的影響較大,對(duì)后期抗折強(qiáng)度的影響相對(duì)較??;減水劑的引入對(duì)試件抗折強(qiáng)度有積極影響,其中對(duì)試件早期抗折強(qiáng)度有明顯的提高效果,但對(duì)試件后期抗折強(qiáng)度的影響相對(duì)較??;聚乙烯醇纖維的加入對(duì)抗折強(qiáng)度有顯著地提高作用,對(duì)早期抗折強(qiáng)度較為明顯;隨著骨料級(jí)配的調(diào)整,試件內(nèi)部孔隙率增大,降低了試件的抗折強(qiáng)度。
比強(qiáng)度是按單位質(zhì)量計(jì)算的材料強(qiáng)度,用于反映建筑材料高強(qiáng)輕質(zhì)特性的指標(biāo),圖6為各組配比試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3、28 d后比強(qiáng)度。
由圖6可見(jiàn),發(fā)泡劑的摻入會(huì)降低試件的比強(qiáng)度,發(fā)泡劑摻量為0時(shí)比強(qiáng)度最高,當(dāng)發(fā)泡劑摻量從0增加至1%時(shí)比強(qiáng)度有一定的下降,然后隨著發(fā)泡劑摻量的增加,比強(qiáng)度的變化幅度相對(duì)較小。發(fā)泡劑的加入增大了試件的孔隙率,降低了其干密度,與此同時(shí)也降低了材料的抗壓強(qiáng)度,而抗壓強(qiáng)度因發(fā)泡劑的引入而降低的幅度大于干密度,進(jìn)而降低了材料的比強(qiáng)度,這說(shuō)明材料的密實(shí)度對(duì)再生泡沫砂漿力學(xué)性能的影響大于對(duì)材料干密度的影響。
對(duì)比不同齡期可以發(fā)現(xiàn),28 d比強(qiáng)度明顯大于3 d比強(qiáng)度,這是因?yàn)椋瑥?qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)而顯著提高,而干密度并沒(méi)有大幅度改變。相同齡期時(shí),粉煤灰的摻入降低試件比強(qiáng)度,同時(shí)不考慮個(gè)別組的試驗(yàn)誤差,減水劑以及聚乙烯醇纖維的引入能夠提高試件的比強(qiáng)度。其主要原因在于粉煤灰、減水劑以及聚乙烯醇纖維對(duì)試件干密度的影響不顯著,對(duì)試件抗壓強(qiáng)度影響較明顯,因此當(dāng)引入這3種材料時(shí),試件的比強(qiáng)度主要受抗壓強(qiáng)度的影響,其變化規(guī)律也與抗壓強(qiáng)度接近。而骨料級(jí)配調(diào)整相比引入其他3種材料,對(duì)試件干密度影響較大,同時(shí)降低試件抗壓強(qiáng)度,而對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響大于對(duì)干密度的影響,進(jìn)而影響試件比強(qiáng)度。結(jié)果顯示RFnM-3的比強(qiáng)度高于其他幾組,然而,在較高發(fā)泡劑摻量的情況下,盡管骨料級(jí)配調(diào)整(RFnM-4)降低了試件的比強(qiáng)度,但對(duì)比RFnM-0、RFnM-1、RFnM-2配比下的試件,RFnM-4的比強(qiáng)度仍處于相對(duì)較高的水平。
綜上,發(fā)泡劑摻量的增加,提高了再生泡沫砂漿試件的孔隙率,進(jìn)而降低試件干密度及力學(xué)性能,影響試件的比強(qiáng)度。其中粉煤灰、減水劑以及聚乙烯醇纖維對(duì)試件干密度影響不顯著,粉煤灰的引入明顯降低試件的力學(xué)性能,減水劑以及聚乙烯醇纖維則顯著提高試件的力學(xué)性能;骨料級(jí)配調(diào)整顯著降低試件干密度的同時(shí),影響試件的力學(xué)性能。按RF2M-4配比(水泥360 g、水440 g、骨料1350 g、發(fā)泡劑9 g、粉煤灰90 g、減水劑4.5 g、纖維體積摻量0.09%)制備得到再生磚混骨料泡沫砂漿,其3 d抗壓、抗折強(qiáng)度分別為2.34、1.01 MPa,干密度為1029.19 kg/m3;28 d抗壓、抗折強(qiáng)度分別為4.71、1.98 MPa,干密度為1034.45 kg/m3,基本符合JC/T 1062—2007中A3.5、B10的要求。
(1)發(fā)泡劑摻量的增加使得再生泡沫砂漿的孔隙率增大,進(jìn)而降低試件干密度及力學(xué)性能,影響試件的比強(qiáng)度,比強(qiáng)度隨發(fā)泡劑摻量的增加而降低。
(2)粉煤灰、減水劑以及聚乙烯醇纖維對(duì)試件干密度影響不顯著,粉煤灰的摻入降低試件的力學(xué)性能,摻入減水劑及聚乙烯醇纖維可提高試件的力學(xué)性能;骨料級(jí)配調(diào)整在降低試件干密度的同時(shí),影響試件的力學(xué)性能。
(3)按RF2M-4配比制備再生磚混骨料泡沫砂漿,其3 d抗壓、抗折強(qiáng)度分別為2.34、1.01 MPa,干密度為1029.19 kg/m3;28 d抗壓、抗折強(qiáng)度分別為4.71、1.98 MPa,干密度為1034.45 kg/m3,基本符合JC/T 1062—2007中A3.5、B10的要求。