固廢摻量對(duì)再生混凝土的性能影響探析

1前言

全球工業(yè)化與城市化步伐持續(xù)加快，環(huán)境污染問題愈發(fā)凸顯，資源短缺狀況不斷加劇。建筑行業(yè)作為資源消耗的重點(diǎn)領(lǐng)域以及廢棄物排放的主要源頭，亟需探索切實(shí)可行的可持續(xù)發(fā)展方案。而再生混凝土作為一種創(chuàng)新型材料，能夠?qū)崿F(xiàn)建筑固廢的回收再利用，為化解資源短缺問題提供有效途徑。因此，深入探究固廢摻量對(duì)再生混凝土力學(xué)性能、耐久性能的影響，對(duì)于推動(dòng)再生混凝土在大規(guī)模工程中的廣泛應(yīng)用具有重要意義。

2實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)架構(gòu)搭建

2.1原材料精細(xì)遴選與特性剖析

2.1.1水泥

選定普通硅酸鹽水泥P.042.5，該品種在建筑領(lǐng)域以性能穩(wěn)定、應(yīng)用廣泛著稱，為本實(shí)驗(yàn)理想選擇。根據(jù)GB175-2023《通用硅酸鹽水泥》，其初凝時(shí)間 ?45min ，終凝時(shí)間 ?10h 。本實(shí)驗(yàn)所用水泥經(jīng)精準(zhǔn)測(cè)試，初凝耗時(shí)60min ，終凝為 8h ，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。42.5級(jí)水泥規(guī)定 28d 抗壓強(qiáng)度 ?42.5MPa ，針對(duì)實(shí)驗(yàn)水泥強(qiáng)度檢測(cè)， 28d 抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值為 45MPa 。

2.1.2骨料

選用天然河砂與碎石，河砂細(xì)度模數(shù)測(cè)定為2.7，符合中砂標(biāo)準(zhǔn)。參照GB/T14684-2022《建設(shè)用砂》，含泥量 ?3.0% ，實(shí)驗(yàn)河砂含泥量精確檢測(cè)為 2.5% 。碎石最大基金項(xiàng)目：本文系江蘇省高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目：等離子體改性 Pt/ MnO₂ 催化氧化含氯揮發(fā)性有機(jī)物及其機(jī)理研究（項(xiàng)目編號(hào)：24KJB610015）

粒徑 20mm ，粒徑集中在 5mm～20mm ，呈良好連續(xù)級(jí)配。根據(jù)GB/T14685-2022《建設(shè)用卵石、碎石》，壓碎指標(biāo)值 ?16% ，實(shí)驗(yàn)碎石壓碎指標(biāo)值檢測(cè)為 15% ，滿足粗骨料要求。

對(duì)于再生骨料而言，需將收集的建筑拆除廢料，經(jīng)過顎式破碎機(jī)進(jìn)行粗碎，而后通過反擊式破碎機(jī)進(jìn)行二次精細(xì)破碎，最后使用振動(dòng)篩，按粒徑分級(jí)篩選。過程嚴(yán)格按照J(rèn)GJ/T240-2011《再生骨料應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》執(zhí)行。特性參數(shù)解析：再生骨料表觀密度 2500kg?m^-3 ，堆積密度約1400kg?m^-3 ，吸水率能夠達(dá)到 10% ，遠(yuǎn)超過普通骨料。

2.1.3固廢材料

廢棄磚渣源于本地某老舊小區(qū)拆除項(xiàng)目的廢棄磚塊?；瘜W(xué)組成以 SiO₂ 為主，含量約 60% Al₂O₃ 含量約20% 。經(jīng)過篩分，粒徑集中在 2mm～10mm 。松散堆積密度 1200kg?m^-3 ，緊密堆積密度 1500kg?m^-3 ;廢舊玻璃收集自附近玻璃制品廠的廢棄邊角料，其化學(xué)組成中 SiO₂ 占比超 90% [2]。

2.2實(shí)驗(yàn)配合比精準(zhǔn)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)再生混凝土實(shí)驗(yàn)配合比時(shí)，經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)那捌谔剿髟囼?yàn)與詳實(shí)的理論運(yùn)算，確定水灰比為0.45；通過多輪試驗(yàn)比對(duì)分析，將砂率調(diào)控至 36% 。設(shè)置固廢摻量為0%15%.25%.35%.45% 等五個(gè)摻量梯度。以廢棄磚渣為例，各梯度用量依據(jù)混凝土總體積 （1m³） 及廢棄磚渣松散堆積密度 1100kg?m^-3 進(jìn)行精確計(jì)算。例如，制備1m³ 混凝土，廢棄磚渣摻量為 15% 時(shí)，用量約為 165kg 每組配合比中，水泥用量恒定為 380kg?m^-3

2.3混凝土制備工藝與養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

2.3.1混凝土制備工藝

選用雙臥軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)，其攪拌葉片呈獨(dú)特螺旋狀，將水泥與經(jīng)精確配比的普通骨料、再生骨料同步投入攪拌機(jī)，實(shí)施90s干拌操作。而后將水與對(duì)應(yīng)摻量的廢棄磚渣一同加入，濕拌時(shí)長(zhǎng)嚴(yán)格限定為 210s 。成型采用定制的 100mm×100mm×100mm 標(biāo)準(zhǔn)立方體鋼質(zhì)試模，將攪拌完畢的混凝土分三次裝入試模，每次裝填后，運(yùn)用高頻插入式振搗棒振搗 25s 。

2.3.2混凝土養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

混凝土試塊成型后，移送至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)配備智能溫控系統(tǒng)，將溫度恒定調(diào)控在 20±1^°C ，濕度根據(jù)專業(yè)加濕設(shè)備維持在 97% 以上。試塊在養(yǎng)護(hù)區(qū)域內(nèi)，按照預(yù)定規(guī)劃養(yǎng)護(hù)至特定齡期，即 3d，7d，28d 3d齡期時(shí)，聚焦在水泥早期水化生成的水化硅酸鈣凝膠等產(chǎn)物對(duì)于混凝土初始強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。

3力學(xué)性能響應(yīng)機(jī)制探究

3.1抗壓強(qiáng)度演變規(guī)律與機(jī)理分析

3.1.1強(qiáng)度數(shù)據(jù)系統(tǒng)采集及規(guī)整

構(gòu)建以廢棄瓷磚碎片為固廢的實(shí)驗(yàn)體系，設(shè)置為0%10%.20%.30%.40% 等五個(gè)摻量梯度，確保其符合GB/T50081-2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》要求。具體強(qiáng)度數(shù)據(jù)采集如表1所示。

3.1.2影響趨勢(shì)深度剖析

3d齡期時(shí)，隨著廢棄瓷磚碎片摻量的增加，抗壓強(qiáng)度整體呈下降趨勢(shì)，如摻量從 0% 升至 40% ，強(qiáng)度由13MPa 降至 8MPa 。主要原因在于早期水泥水化反應(yīng)不充分，產(chǎn)物較少，并且廢棄瓷磚碎片活性未有效激發(fā)，與水泥石之間的粘結(jié)力較差，削弱混凝土整體承載結(jié)構(gòu)。

7d齡期時(shí)，摻量在 0～20% 范圍之間，抗壓強(qiáng)度隨摻量增加呈緩慢上升趨勢(shì)， 20% 摻量時(shí)強(qiáng)度達(dá) 19MPa 高于 0% 摻量時(shí)的 16MPa ；由于此階段部分廢棄瓷磚碎片參與水泥水化反應(yīng)，填充混凝土內(nèi)部孔隙，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)密實(shí)度。

28d齡期時(shí)，摻量在 10%～20% 區(qū)間的強(qiáng)度較高且穩(wěn)定，當(dāng)摻量超過 20% 后，強(qiáng)度逐漸降低。這表明適量固廢摻量可在后期提升混凝土強(qiáng)度，而過高摻量則會(huì)引人過多缺陷，導(dǎo)致破壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整性，影響整體性能。

3.2抗折強(qiáng)度波動(dòng)特征

3.2.1抗折強(qiáng)度數(shù)據(jù)精準(zhǔn)采集

測(cè)試采用四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)方案，遵循GB/T50081-2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，選用分辨率為 0.005kN 的電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)加載，加載速率嚴(yán)格控制在 0.06MPa^?s^-1～0.07MPa^?s^-1 范圍內(nèi)。具體數(shù)據(jù)采集如表2所示。

3.2.2抗折波動(dòng)特征

3d齡期時(shí)，隨著廢棄瓷磚顆粒摻量由 0% 增至40% ，抗折強(qiáng)度由 2.2MPa 持續(xù)降至 1.2MPa ，呈明顯遞減趨勢(shì)。這是由于早期水泥水化反應(yīng)不充分，水化產(chǎn)物較少，難以有效填充、牢固粘結(jié)骨料與廢棄瓷磚顆粒，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)整體性差，抗折性能降低。

7d齡期時(shí)，摻量在 0～20% 區(qū)間，抗折強(qiáng)度雖有下降但幅度??；摻量超 20% 后，下降趨勢(shì)加劇，如摻量從20% 升至 30% ，強(qiáng)度從 2.3MPa 降至 2.0MPa ；該階段適量廢棄瓷磚顆粒參與水泥水化反應(yīng)，能夠維持基礎(chǔ)強(qiáng)度，過量則使未反應(yīng)顆粒增多，破壞結(jié)構(gòu)連續(xù)性。

28d 齡期，摻量在 0～10% 時(shí)，抗折強(qiáng)度相對(duì)穩(wěn)定且較高；當(dāng)摻量超過 10% 后，強(qiáng)度逐漸由 3.6MPa 漸降至2.4MPa 。

4耐久性能影響路徑解析

4.1抗?jié)B性能劣化機(jī)制研究

4.1.1抗?jié)B性能數(shù)據(jù)采集與整理

構(gòu)建再生混凝土試塊樣本，設(shè)置廢棄瓷磚顆粒摻量為 0%10%.25%.35%.45% 五個(gè)梯度，試塊按標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)流程養(yǎng)護(hù)28d后，采用逐級(jí)加壓滲水高度測(cè)試法開展抗?jié)B性能測(cè)試。將試塊牢固安裝于高精度抗?jié)B儀，起始水壓設(shè)為 0.3MPa ，每 6h 以 0.1MPa 幅度遞增水壓，直至一組6個(gè)試塊中出現(xiàn)3個(gè)表面存在明顯滲水跡象時(shí)終正試驗(yàn)。以摻量 25% 試塊為例，最終滲水高度平均值經(jīng)測(cè)試為 110mm 。各摻量下滲水高度數(shù)據(jù)整理如表3所示。

4.1.2劣化趨勢(shì)剖析

深人剖析廢棄瓷磚顆粒摻量與滲水高度平均值，從而明確劣勢(shì)趨勢(shì)。具體如表4所示。

通過表4可知，隨著廢棄瓷磚顆粒摻量從 0% 漸增至 45% ，滲水高度平均值從 70mm 持續(xù)升至 160mm ，抗?jié)B性能呈持續(xù)劣化態(tài)勢(shì)。在低摻量 （0～10% ）階段，滲水高度增長(zhǎng)較緩；當(dāng)摻量超過 10% 后，增長(zhǎng)速率顯著加快。摻量由 10% 增至 25% 時(shí)，滲水高度從 90mm 增至110mm ；由 35% 增至 45% 時(shí)，滲水高度從 135mm 猛增至160（204 mm^[4] 0

4.2抗凍性能損傷過程剖析

在凍融循環(huán)進(jìn)程中，混凝土內(nèi)部水分遇冷結(jié)冰膨脹。當(dāng)廢棄瓷磚顆粒摻量為 12% 時(shí)，水泥石與骨料、廢棄瓷磚顆粒間界面過渡區(qū)緊密，孔隙數(shù)量較少且孔徑小，促使水分遷移路徑受限，對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)的破壞程度較輕。隨著摻量增至 46% ，廢棄瓷磚顆粒與水泥石之間的粘結(jié)力差，界面過渡區(qū)形成大量連通孔隙。水分結(jié)冰膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力易于集中和傳遞，促使更多微裂縫產(chǎn)生與擴(kuò)展，加速質(zhì)量損失及動(dòng)彈模量下降。

5結(jié)論

綜上所述，固廢摻量對(duì)于再生混凝土性能的影響極為顯著，在抗壓、抗折強(qiáng)度以及抗?jié)B、抗凍性能方面，隨著摻量遞增，前期強(qiáng)度、抗?jié)B與抗凍性能起初較為穩(wěn)定，而后逐漸劣化。適量摻量時(shí)，廢棄瓷磚顆粒中的活性成分參與水泥水化反應(yīng)，能夠優(yōu)化基礎(chǔ)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)；而當(dāng)摻量過高時(shí)，因廢棄瓷磚顆粒與水泥石粘結(jié)欠佳、孔隙數(shù)量增多等因素，嚴(yán)重?fù)p害混凝土各項(xiàng)性能。

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