以廢棄建筑材料為骨料制備再生混凝土的性能研究

劉文竹

（貴陽城市建設(shè)工程集團有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550023）

0 引言

相關(guān)研究表明，我國近20年來城市每年產(chǎn)出的建筑廢棄材料超過24億t[1]，其中超90%建筑廢棄材料沒有再利用。大量城市建筑廢棄材料堆積影響城市容貌，清運建筑廢棄材料不僅需要消耗大量的人力物力，同時因揚塵問題還會造成城市環(huán)境污染。因此，對城市建筑垃圾再利用已經(jīng)成為亟待解決的問題。我國城市建筑是由框架結(jié)構(gòu)、樓板、梁柱等組成，其主體為鋼筋混凝土，墻體則為磚砌體，建筑廢棄材料為廢棄的磚塊和混凝土[2]。將其進行混合后，搭配其他材料可制作再生混凝土，該種混凝土質(zhì)量較輕，對環(huán)境沒有負面影響，也促進了建筑廢棄材料的可循環(huán)利用。但目前針對再生混凝土的性能研究相對較少[3]，為拓展再生混凝土應(yīng)用路徑，本文在此研究以建筑廢棄材料為骨料的再生混凝土的制備并測試其性能。

1 再生混凝土制備

1.1 原材料選取

（1）骨料。再生混凝土所用的廢棄材料來自于城市房屋改造工程和基礎(chǔ)建筑施工工程，將建筑廢棄材料經(jīng)過錘擊、切割磁性分選、雜物分選、一級破碎、一級篩分以及初加工、粉碎等處理后得到廢棄材料再生混凝土骨料，該骨料屬于II級再生骨料，其物理性能參數(shù)如表1所示。

表1 再生混凝土骨料物理性能參數(shù)

（2）摻和料。為提升再生混凝土性能，將熱電廠發(fā)電產(chǎn)生的一級粉煤灰作為添加料，粉煤灰的組分如表2所示。

表2 粉煤灰組分（單位：%）

（3）水泥。制作再生混凝土所用的水泥普通硅酸鹽水泥，生產(chǎn)廠家為：東莞市潤澤建材有限公司，水泥技術(shù)指標如表3 所示。制作再生混凝土所用的水為普通自來水，其密度取1.0×103kg/m3。

表3 硅酸鹽水泥技術(shù)指標

（4）減水劑。減水劑是制作再生混凝土必不可少的添加物。減水劑是表面活性劑的一種，將其添加到再生混凝土中可分散水泥顆粒，降低用水量。減水劑選擇萘系高效減水劑FDN-C，該減水劑為黃棕色固體粉末，易溶于水[4]，其主要成分為β-萘磺酸鹽甲醛聚合物。

1.2 配合比設(shè)計

合理的配合比可有效提升再生混凝土的性能，設(shè)計粉煤灰摻量不同的再生混凝土，其配合比如表4所示。

表4 再生混凝土配合比

1.3 再生混凝土制備工藝

準備好制備再生混凝土原材料后，依據(jù)表3 內(nèi)再生混凝土配合比制備混凝土試件，制備過程如下：

（1）攪拌。廢棄材料作為骨料時，其飽和面較干[5]，需將骨料提前至于清水中浸泡24h 備用。使用攪拌機通過裸石裹灰法制備混凝土試件。先制備與混凝土試件水灰比相同的水泥凈漿，將其涂抹在攪拌機內(nèi)壁，再將2/3的再生骨料放入攪拌機內(nèi)攪拌1min，再添加減水劑、粉煤灰等原料攪拌5min，然后將剩余的再生骨料放入攪拌機內(nèi)繼續(xù)攪拌3min，攪拌完成后卸料，再通過人工合拌2min。

（2）成型。使用振動擠壓和人工插搗方式對攪拌好的混凝土進行成型。選擇邊長120mm 的正方體模具，分3～4 次將攪拌好的混凝土裝入其中，使用插搗棒自四周向內(nèi)插搗20～30 次，排空混凝土內(nèi)的氣泡后[6]，再使用橡皮錘輕輕捶打混凝土表面，使混凝土下降4cm 左右，繼續(xù)添加混凝土，然后重復(fù)插搗和捶打后，使用鐵墩壓實。

（3）標準養(yǎng)護。使用薄膜將成型后的再生混凝土試件覆蓋后，將試件放置在陰涼處，每隔4.5h對再生混凝土試件進行噴水，25h后脫模即可得到制備好的再生混凝土試件，備用。

2 再生混凝土物理性能測試及指標計算

為驗證廢棄材料再生混凝土的性能，分別選擇壓碎指標、表觀密度、孔隙率、含水率等指標衡量其性能。以上指標均為《普通混凝土用碎石或卵石質(zhì)量標準及檢驗方法》（JGJ 53-93）中描述混凝土性能的指標。其中，表觀密度是混凝土質(zhì)量與體積的比值，其數(shù)值大小可衡量再生混凝土的強度和吸水性能；壓碎指標可衡量再生混凝土強度特性，當其壓碎指標較小時，說明其強度越高；孔隙率是描述混凝土內(nèi)部充實程度的指標，孔隙率越大，則混凝土試件內(nèi)固體的含量越低，直接影響再生混凝土在不同應(yīng)用環(huán)境中的效果，如當再生混凝土被應(yīng)用在海綿城市建設(shè)時，孔隙率相對較大的混凝土鋪設(shè)區(qū)域的透水性越佳；含水率也是衡量混凝土內(nèi)部充實程度的指標，其含水率越高，說明混凝土內(nèi)部空隙越多，進而混凝土強度也會發(fā)生變化。各指標值的測試與計算方法如下。

2.1 壓碎值指標計算

使用小型破碎機將生態(tài)混凝土破碎后，使用烘干機將其烘干至恒量，過篩并保留9～18mm的混凝土顆粒，利用壓力試驗機以勻速施加220kN荷載，然后計算其壓碎指標值Qe，公式如下：

式中：G1——生態(tài)混凝土質(zhì)量，g；

G2——篩余顆粒質(zhì)量，g。

2.2 表觀密度指標計算

稱取適量再生混凝土試件，將其烘干至恒溫后稱取2.6kg[7]，均勻分為2份。將其分別裝入廣口瓶內(nèi)，注入自來水浸泡，稱廣口瓶總重量。然后取2次試驗試件表觀密度的均值，公式如下：

式中：ρ0——再生混凝土表觀密度，kg/m3；

G0——烘干后混凝土質(zhì)量，g；

G11、G12——兩次稱量的混凝土質(zhì)量，g；

ρ′——水的密度，kg/m3。

2.3 孔隙率指標計算

稱取適量混凝土試件并對其進行烘干處理后，將其分3次裝入容量為8L的容量筒內(nèi)，第一次裝入后，將直徑為14mm的圓鋼放置在容量筒底部，左右交替擊地面20次后，相同操作裝入第二次和第三次，然后使用直尺將筒口刮平后[8]，計算容量筒和式樣的總質(zhì)量，按下式計算試件的孔隙率。

式中：V0——再生混凝土孔隙率，%；

ρ1——松散或緊密堆積密度，kg/m3。

2.4 含水率指標計算

將再生混凝土試件放入自來水中浸泡24h后，放置在室溫下達到面干的狀態(tài)時，稱取試件1000g放入烘箱烘干至恒量，然后冷卻至室溫后，測量再生混凝土試件質(zhì)量，利用下式計算其含水率。

式中：Z——再生混凝土試件含水率，%；

Ga、Gb——烘干前后再生混凝土試件質(zhì)量，g。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 壓碎指標

再生混凝土的壓碎指標試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 再生混凝土壓碎指標

由圖1分析可知，本文方法制備的再生混凝土壓碎指標在粉煤灰摻量逐漸增加時，呈現(xiàn)降低趨勢，壓碎指標越低其自身的硬度越大，強度越高。其中粉煤灰摻量為0時，本文方法制備的再生混凝土試件的壓碎指標為27%左右，該數(shù)值小于《普通混凝土用碎石或卵石質(zhì)量標準及檢驗方法》（JGJ 53-93）標準規(guī)定的III 類小于30%的規(guī)定，說明本文方法制備的再生混凝土硬度、強度均滿足混凝土使用標準，可用于部分建筑工程。

3.2 表觀密度

再生混凝土試件的表觀密度指標測試結(jié)果如表5所示。由表5 分析可知，粉煤灰摻量較少的再生混凝土表觀密度數(shù)值較小，說明粉煤灰摻量較小的再生混凝土試件表面的空隙略多，但隨著粉煤灰摻量的增加，再生混凝土試件的表觀密度上升幅度不大。依據(jù)JGJ53-93 標準規(guī)定，骨料表觀密度需大于2500kg/m3，而本文方法制備的再生混凝土表觀密度數(shù)值均高于標準規(guī)定數(shù)值，說明本文方法制備的再生混凝土滿足建筑使用標準。

表5 再生混凝土表觀密度（單位：kg/m3）

3.3 孔隙率

再生混凝土孔隙率指標測試結(jié)果如表6所示。分析表6可知，再生混凝土的孔隙率在粉煤灰摻量較少時，其孔隙率較高，說明再生混凝土的透水性較好，隨著粉煤灰摻量增加，再生混凝土的孔隙率呈現(xiàn)下降趨勢，但下降幅度較小。本文方法制備的再生混凝土的孔隙率保持在0.5%~0.6%之間，其透水性較佳，可用于海綿城市建設(shè)。

表6 再生混凝土孔隙率（單位：%）

3.4 含水率

再生混凝土含水率指標測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 再生混凝含水率

由圖2 分析可知，4 種再生混凝土的吸水率隨著浸泡時間呈現(xiàn)增加趨勢，其中粉煤灰摻量較少的混凝土吸水率較高，其中A3 和A4 混凝土在浸泡時間超過10h時，吸水率數(shù)值不再上升，說明其已達到水飽和狀態(tài)，而A1和A2則在浸泡時間為18h時吸水率不再上升，說明A1 和A2 空隙較多吸收水分時間也較長，因此含水率數(shù)值也較高。

4 結(jié)束語

本文研究了基于建筑廢棄材料作骨料的再生混凝土的制備及其性能。該方法以廢棄建筑材料作為骨料，選擇硅酸鹽水泥、減水劑等原材料后，設(shè)計再生混凝土配合比，依據(jù)該配合比通過攪拌、成型和標準養(yǎng)護后制備粉煤灰添加量不同的再生混凝土試件，再通過不同試驗方法以含水率、表觀密度、壓碎指標等衡量再生混凝土物理性能。試驗結(jié)果表明：該方法所制備的再生混凝土試件壓碎指標值、表觀密度、孔隙率等均滿足《普通混凝土用碎石或卵石質(zhì)量標準及檢驗方法》（JGJ53-93）標準規(guī)定，可用于建筑施工，實現(xiàn)了建筑廢棄材料再利用，可在建筑領(lǐng)域推廣應(yīng)用。