建筑固廢機(jī)制磚混再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度試驗研究

侯東序, 劉 曉*, 王 兵, 孫全國, 王 剛, 胡 瑞, 袁立灝

(1. 沈陽大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110044;2. 沈陽市民用建筑智慧防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗室, 遼寧 沈陽 110044;3. 沈陽市市政工程(質(zhì)量)檢測中心有限公司, 遼寧 沈陽 110005)

城鎮(zhèn)化進(jìn)程中所拆遷及改造的對象多為建造于20世紀(jì)60—80年代的磚混砌體結(jié)構(gòu)民用建筑,由此產(chǎn)生的磚混類建筑垃圾體量龐大。這些垃圾無論堆積于土地之上還是填埋于土地之下都會對水土環(huán)境造成巨大污染。與此同時,建筑結(jié)構(gòu)的新建需要耗費(fèi)水泥及天然砂石骨料等大量的天然資源,會再次加重環(huán)境的負(fù)擔(dān)。

近年來,將磚混類建筑固廢資源化再利用這一理念引起了學(xué)術(shù)界及工程界的廣泛關(guān)注[1-5]。通過普遍研究發(fā)現(xiàn),相比較天然骨料和廢棄混凝土制備的再生骨料,磚混再生骨料空隙率大、吸水率大、壓碎指標(biāo)高[6]。且隨著磚骨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)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,磚質(zhì)量分?jǐn)?shù)與吸水率、表觀密度、壓碎指標(biāo)呈線性關(guān)系[7],抗壓強(qiáng)度隨著磚再生骨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而降低,一般認(rèn)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%為最佳效果[8]。同樣再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度也隨著磚骨料置換質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而降低,摻入適當(dāng)再生磚骨料,可以滿足道路工程面層的強(qiáng)度要求[9]。黏土磚有較高的吸水率,因此其強(qiáng)度及流動性均會受到影響,采用24 h提前預(yù)濕的方法對再生混凝土的抗壓強(qiáng)度及和易性效果顯著,加入粉煤灰等外加劑也會對流動性產(chǎn)生積極影響。但現(xiàn)有很多研究采用人工粉碎及挑選骨料,費(fèi)時費(fèi)力,且均勻性差,統(tǒng)一工程操作性較差。另外,現(xiàn)有多數(shù)研究僅關(guān)注于磚碎骨料置換質(zhì)量分?jǐn)?shù)對再生混凝土性能的影響,但在建筑垃圾中磚的質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常僅在30%～50%[10]。針對上述問題,本文采用顆粒均勻的磚及磚混機(jī)制再生骨料作為替代粗骨料進(jìn)行試驗,研究不同再生磚及再生磚混骨料置換質(zhì)量分?jǐn)?shù)對再生混凝土抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。

1 試驗情況

1.1 原材料

配制再生混凝土所用原料為PO 42.5 普通硅酸鹽水泥和細(xì)度模數(shù)為3.2 的機(jī)制砂,采用5～25 mm連續(xù)級配碎石和減水率為27%聚羥酸系高性能減水劑,拌合水為普通自來水。再生磚混骨料來源于沈陽地區(qū)拆遷磚混類建筑廢料,廢棄燒結(jié)磚抗壓強(qiáng)度等級介于MU10～MU25之間,廢棄混凝土抗壓強(qiáng)度等級介于C20～C40。磚混再生骨料取自沈陽市某生態(tài)科技公司,其可將建筑固廢進(jìn)行挑選回收,經(jīng)機(jī)械生產(chǎn)線粉碎并清洗,形成粒徑為10～20 mm的均勻磚混再生骨料。

1.2 試驗準(zhǔn)備

試件澆筑前,按照混凝土試驗方法標(biāo)準(zhǔn)對骨料進(jìn)行了觀察,并經(jīng)歷篩分、清洗、烘干及壓實(shí)等過程,得到了天然骨料和再生磚骨料的基本屬性。如圖1(a)所示,相對于天然骨料,磚骨料表面孔隙較多,上面覆蓋一層較薄的磚粉層。再生混凝土骨料包含覆蓋砂漿的碎石和砂漿碎塊兩部分,從表面看,其孔隙更加明顯。通過篩漏篩分發(fā)現(xiàn),機(jī)制再生骨料級配較為均勻。配置再生混凝土所需骨料基本屬性如表1所示,由表1可見,磚混混合骨料吸水率與磚骨料吸水率差異較大。利用吸水率差異,借助紅外熱像方法可以測定抽樣混合骨料中磚骨料體積分?jǐn)?shù),圖1(b)為烘干冷卻降溫過程中骨料紅外熱像圖片,溫度較高(顏色較深)區(qū)域骨料即為磚骨料。紅外測試后,經(jīng)多樣本挑揀稱重驗證后發(fā)現(xiàn)碎磚骨料在廢棄磚混骨料中體積分?jǐn)?shù)約為20%。

表1 混凝土骨料基本屬性Table 1 Basic properties of concrete aggregate

(a) 含磚混再生骨料組成(b) 混合骨料的紅外熱像

1.3 試驗方法

混凝土抗壓強(qiáng)度試驗采用100 mm×100 mm×100 mm標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊,試驗方法參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081—2016)規(guī)定進(jìn)行。為研究不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)再生骨料對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響,在試驗中設(shè)計7組試塊,采用不同的再生骨料及質(zhì)量分?jǐn)?shù),按照A、B、C、D、E、F、G標(biāo)注,每組試塊含3件,分別按照1、2、3 標(biāo)識(圖2(a))。試件詳情如表2所示。試驗設(shè)備采用YAW-200B型試驗壓力機(jī),如圖2(b)所示。

表2 各組試塊配合比Table 2 Matching ratio of each group of test blocks

(a) 混凝土試件(b) 試驗壓力機(jī)

2 試驗結(jié)果分析

2.1 試件破壞形態(tài)

對7組共計21個試塊進(jìn)行了軸壓試驗,試驗后將試塊切開,再生混凝土試塊內(nèi)部骨料分布形態(tài)如圖3(a)所示,由圖可見,雖然再生骨料(磚塊或混凝土塊)質(zhì)量小于天然骨料,但在充分?jǐn)嚢枵駬v作用下,混凝土塊內(nèi)部再生與天然骨料混合分布較為均勻。在軸壓力作用下,試塊破壞形態(tài)如圖3(b)所示,基本呈現(xiàn)錐型形態(tài)。由此可見,含磚混再生骨料混凝土試塊與普通混凝土破壞形態(tài)差異不大。

(a) 試塊內(nèi)部骨料分布形態(tài)( b) 試塊破壞狀態(tài)

2.2 含機(jī)制再生磚混骨料混凝土強(qiáng)度

通過對試塊進(jìn)行軸壓試驗,得到了各組試塊極限承載力,進(jìn)而得到含機(jī)制再生磚混骨料混凝土平均抗壓強(qiáng)度和折減率,如表3和表4所示。

表3 各組試塊平均抗壓強(qiáng)度

表4 各組試塊抗壓強(qiáng)度折減率Table 4 Strength reduction rate of each group of test blocks 單位:%

由表3可見,按照原始配比,不置換任何磚混骨料狀態(tài)下,混凝土強(qiáng)度可達(dá)50 MPa以上,當(dāng)機(jī)制再生磚混粗骨料按部分比例替代后,試塊強(qiáng)度仍可保持較高強(qiáng)度水平。由此可知,僅從強(qiáng)度角度而言,將機(jī)制磚混再生骨料按照適當(dāng)比例置換天然骨料,并將再生混凝土應(yīng)用于有強(qiáng)度要求的領(lǐng)域是可行的。

由表3、表4可見,未置換再生骨料的天然骨料混凝土平均強(qiáng)度可達(dá)到51.2 MPa,而機(jī)制再生磚骨料置換率為10%時,強(qiáng)度仍可達(dá)到50.9 MPa,平均強(qiáng)度折減率僅為0.6%。而機(jī)制再生磚骨料置換率為5%時,試塊平均強(qiáng)度竟略高于天然骨料混凝土。但當(dāng)機(jī)制再生磚骨料置換率達(dá)到15%時,試塊平均抗壓強(qiáng)度折減達(dá)8%。由此可見,對于磚再生骨料而言,粗骨料置換率在10%以內(nèi)對混凝土抗壓強(qiáng)度折減影響不大,超過10%置換率混凝土抗壓強(qiáng)度開始迅速折減。

由前期準(zhǔn)備試驗已知,建筑固廢中再生磚骨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)約占再生磚混骨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的20%。因此E、F及G組試塊分別為按等磚骨料質(zhì)量置換的磚混再生骨料混凝土。由表4可見,當(dāng)磚混骨料按25%置換天然粗骨料時,其平均抗壓強(qiáng)度即折減3.5%。而當(dāng)再生磚混骨料按50%和75%置換時,其抗壓強(qiáng)度分別折減10.5%和18.6%。由此可知,再生混凝土骨料的置換會進(jìn)一步削弱混凝土的抗壓強(qiáng)度,而且其削弱抗壓強(qiáng)度程度較單一磚骨料置換削弱程度更加明顯。磚混再生骨料置換率超過25%,即出現(xiàn)較為明顯的抗壓強(qiáng)度折減。

再生磚混骨料的加入加劇了混凝土強(qiáng)度的折減,按照磚再生骨料等比例置換,在含磚骨料10%置換同時再生混凝土骨料40%置換,即磚混再生骨料50%置換天然粗骨料的工況中,混凝土強(qiáng)度折減開始加劇,對比單一10%磚骨料置換,其抗壓強(qiáng)度折減明顯。由此可知,如采用磚混再生骨料進(jìn)行天然粗骨料置換,其磚混骨料置換率在25%以內(nèi)對混凝土抗壓強(qiáng)度影響不大。

因此,含再生骨料的混凝土抗壓強(qiáng)度會隨著再生骨料置換率的增加而降低,而對于機(jī)制再生骨料,通常由再生磚骨料和再生混凝土骨料兩部分組成,二者對于混凝土強(qiáng)度的折減均有作用。通過數(shù)值擬合,可知再生磚骨料及再生混凝土骨料置換率對再生混凝土抗壓強(qiáng)度的折減率與式(1)相符。

(1)

式中:Rm為混凝土抗壓強(qiáng)度折減率;rb及rm分別為再生磚骨料和再生混凝土骨料的置換率。

再生骨料置換率對混凝土抗壓強(qiáng)度折減率的計算值與試驗值對比如圖4所示,由圖可見,式(1)的計算值與試驗值較吻合。

圖4 再生骨料置換率與混凝土強(qiáng)度折減率關(guān)系Fig.4 Relationship between replacement rate of recycled aggregate and reduction rate of concrete strength

3 結(jié) 論

1) 機(jī)制磚混再生骨料按一定比例置換普通混凝土的天然粗骨料,混凝土立方體抗壓強(qiáng)度會有所折減,折減率隨再生骨料置換率的增大而增大。采用此類機(jī)制再生固廢骨料置換天然粗骨料可以實(shí)現(xiàn)對較高強(qiáng)度要求混凝土的配制。

2) 磚混再生骨料置換比磚再生骨料單一置換對混凝土強(qiáng)度的折損程度更大。再生磚骨料單一置換粗骨料,置換率在10%以內(nèi)時,混凝土強(qiáng)度折減幾乎可忽略,但超過10%后混凝土強(qiáng)度可迅速衰減;等比例磚骨料置換下,再置換混凝土再生骨料,發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度折減率急劇上升,置換磚混兩種再生骨料的混凝土維持抗壓強(qiáng)度的磚臨界比僅為5%,即磚混骨料25%置換率以內(nèi)才可維持較高抗壓強(qiáng)度。

3) 此類機(jī)制再生磚混骨料混凝土強(qiáng)度的折減是機(jī)制再生骨料中磚骨料和混凝土再生骨料聯(lián)合作用的結(jié)果,兩種再生骨料置換率與混凝土強(qiáng)度的折減率存在相關(guān)性,可按文中公式依據(jù)強(qiáng)度要求確定再生骨料置換率。