再生骨料類型對水泥混凝土性能的影響

鞠興華，邱志軍 ，Iqbal Marie

(1.陜西鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000； 2.中交隧道局第二工程有限公司，陜西 西安 710100； 3.The Hashemite University, Zarqa 13115, Jordan)

0 引 言

在改建項(xiàng)目中，建筑垃圾作為一種主要的房屋建筑廢棄材料，具有數(shù)量大、運(yùn)輸困難、處理成本高、環(huán)保性差及難以利用等問題[1-8]。由于建筑垃圾屬于混凝土范疇，其自身性質(zhì)接近于道路水泥混凝土的集料，這為其循環(huán)利用提供了可能[9-11]。道路領(lǐng)域?qū)W者針對建筑垃圾再生骨料混凝土開展了一定的研究：李惠強(qiáng)等[12]從制備工藝及應(yīng)用方法出發(fā)，提出了建筑垃圾的再生利用方法；邱樹恒等[13]利用建筑垃圾分別制備粗集料和細(xì)集料，并對不同規(guī)格再生骨料制備而成的水泥混凝土性能進(jìn)行了研究；牛永宏等[14]通過將建筑垃圾應(yīng)用于路基回填，得出了回填路基再生骨料的技術(shù)指標(biāo)要求；周新鋒等[15]研究了不同再生材料摻量的水泥穩(wěn)定碎石的路用性能；魏華等[16]研究了以再生骨料作為基層材料的配比設(shè)計(jì)方法；郭遠(yuǎn)臣等[17]研究了含水率及砂漿含量對于再生骨料水泥混凝土性能的影響規(guī)律。由此可見，建筑垃圾的循環(huán)利用已經(jīng)成為中國建筑行業(yè)可持續(xù)性發(fā)展的重中之重。

本文選用渭南某房屋重建項(xiàng)目的建筑垃圾，制備不同類型的再生骨料及其水泥混凝土試件，采用抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)等系統(tǒng)研究不同類型再生骨料對混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律，借助電子顯微鏡(SEM)分析再生骨料混凝土的微觀結(jié)構(gòu)。

1 試驗(yàn)原材料與方法

1.1 試驗(yàn)原材料

1.1.1 再生骨料制備

本文建筑垃圾取自渭南市某城鎮(zhèn)規(guī)劃改造項(xiàng)目，主要組成為混凝土碎塊及磚石等。將建筑垃圾收集后進(jìn)行再生骨料的制備，制備主要采用錘式破碎機(jī)進(jìn)行， 再生骨料的制備工藝流程如圖1所示。

圖1 再生骨料制備流程

1.1.2 再生骨料級配分析

采用振動(dòng)搖篩機(jī)對制備好的再生骨料進(jìn)行篩分試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)再生骨料粒徑級別主要集中于6～10 mm。

通過進(jìn)一步篩分可得到再生骨料的具體級配組成，如表1所示。

表1 再生骨料級配組成

由表1可知，再生骨料中的混凝土和紅磚顆粒粒徑主要集中于2.36～9.5 mm之間，在后續(xù)應(yīng)用中將根據(jù)該結(jié)果進(jìn)行混凝土配合比調(diào)整。

1.1.3 其他材料組成

水泥采用山東山水水泥集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的P·O32.5水泥，粉煤灰采用河津市龍江粉煤灰開發(fā)利用有限公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，外加劑采用河南克功建材有限公司生產(chǎn)的CaCl2早強(qiáng)劑，水采用渭南市飲用水。水泥的技術(shù)性能指標(biāo)如表2所示。

表2 水泥的技術(shù)指標(biāo)

1.1.4 試驗(yàn)用混凝土配合比

依據(jù)再生骨料混凝土的已有研究經(jīng)驗(yàn)[18-21]，分別采用廢棄混凝土及紅磚2種再生骨料進(jìn)行混凝土制備，再生骨料混凝土的水灰比主要為0.42，其配合比如表3所示。

表3 再生骨料水泥混凝土配合比

1.1.5 試件制備與養(yǎng)護(hù)

根據(jù)再生骨料水泥混凝土配合比準(zhǔn)備各類原材料，依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB T 50081—2002)分別制備抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度試驗(yàn)試件，抗壓強(qiáng)度試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm。試件制備完成靜置1 d后拆模放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)齡期為7 d和28 d。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 再生骨料性能指標(biāo)確定方法

本文主要選擇表觀密度、吸水率、壓碎值及堅(jiān)固性4個(gè)指標(biāo)確定再生骨料在水泥混凝土中應(yīng)用的可行性。再生骨料的表觀密度、吸水率、壓碎值及堅(jiān)固性等指標(biāo)依據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42—2005)的相關(guān)試驗(yàn)流程進(jìn)行測試。

1.2.2 再生骨料混凝土性能測試方法

再生骨料混凝土試件抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度試驗(yàn)按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E30—2005)規(guī)定進(jìn)行，其中抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)加載速度為0.5～0.8 MPa·s-1，而抗折強(qiáng)度試驗(yàn)加載速度為0.02～0.05 MPa·s-1。

1.2.3 SEM分析方法

為了能夠更好地分析再生骨料混凝土的性能，借助5-3400N型掃描電子顯微鏡(SEM)對再生骨料混凝土的切片試件進(jìn)行微觀觀測。為保證試件微觀成像品質(zhì)，試件切片預(yù)先進(jìn)行了噴金處理。SEM分析圖片采用1 000倍放大系數(shù)進(jìn)行掃描。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 再生骨料性能分析

依據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42—2005)分別對不同類型再生骨料的表觀密度、吸水率、壓碎值及堅(jiān)固性進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表4所示。

表4 不同類型再生骨料的性能測試結(jié)果

通過分析表4可知，不同類型再生骨料的表觀密度、質(zhì)量損失率(堅(jiān)固性)與天然骨料相差較小，均能夠滿足規(guī)范的相關(guān)要求，但吸水率、壓碎比等指標(biāo)與天然集料的差距較大，其中紅磚再生骨料的吸水率比天然集料增大了144%，而質(zhì)量損失增大了75%，表明再生骨料與天然集料在性能方面存在著較大差距。這主要是因?yàn)榧t磚類再生骨料內(nèi)部孔隙較多，強(qiáng)度遠(yuǎn)小于天然集料，而混凝土再生骨料多呈現(xiàn)不規(guī)則形狀，在應(yīng)用過程極易因應(yīng)力不均而造成破壞[22-23]。因此，為保證道路的使用壽命和路用性能，在使用過程中應(yīng)將再生骨料用量控制在合理范圍內(nèi)。

2.2 再生骨料混凝土力學(xué)性能分析

依據(jù)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E30—2005)對再生骨料混凝土試件分別進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5、圖2所示。

表5 不同類型再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果

圖2 不同類型混凝土力學(xué)抗壓強(qiáng)度

分析表5、圖3可知，7 d養(yǎng)護(hù)時(shí)間條件下，舊混凝土再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度比天然骨料混凝土降低約4 MPa，抗折強(qiáng)度降低約0.6 MPa，但隨著養(yǎng)護(hù)齡期的逐漸延長，二者差距逐漸縮小，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到28 d時(shí)，二者抗壓強(qiáng)度的差距約為3 MPa，而抗折強(qiáng)度的差距約為0.25 MPa。這表明當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到28 d時(shí)，再生骨料混凝土強(qiáng)度略低于天然骨料混凝土，能夠滿足規(guī)范對于再生骨料混凝土強(qiáng)度的要求[24]。

紅磚再生骨料混凝土的力學(xué)性能略遜于舊混凝土再生骨料混凝土，但相差較小：7 d抗壓強(qiáng)度降低幅度約為10%，28 d抗壓強(qiáng)度降低幅度為3%；7 d抗折強(qiáng)度降低幅度約為5.5%，28 d抗折強(qiáng)度降低幅度為1.8%。這表明隨著養(yǎng)護(hù)齡期的不斷延長，再生骨料混凝土的力學(xué)性能差距逐漸縮小。

2.3 基于SEM分析的再生骨料混凝土微觀表征

采用掃描電子顯微鏡對再生骨料混凝土切片試件進(jìn)行不同放大倍數(shù)掃描，掃描圖片如圖3所示。

圖3 再生骨料混凝土切片SEM

分析圖3(a)可知，由舊混凝土再生骨料制備的混凝土材料內(nèi)部水化程度良好，內(nèi)部構(gòu)造連續(xù)、穩(wěn)定，但局部結(jié)構(gòu)存在一定的孔隙，密實(shí)程度略微不足，但不影響整體結(jié)構(gòu)密實(shí)。這可能是由于舊混凝土顆粒的摻加無法實(shí)現(xiàn)對于混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的填充，并阻止了部分水泥材料參與水化和內(nèi)部填充，從而導(dǎo)致了內(nèi)部孔隙的產(chǎn)生。

分析圖3(b)可知，紅磚再生骨料制備的水泥混凝土內(nèi)部水化程度較高，而且紅磚再生骨料能夠與水泥、粉煤灰等材料形成的膠凝體系結(jié)合為整體，結(jié)構(gòu)較密實(shí)，且存在大量網(wǎng)狀的水化硅酸鈣凝膠，樣品斷面處的水化產(chǎn)物呈現(xiàn)較為密實(shí)的均勻結(jié)構(gòu)。這從微觀層次反映出再生骨料可以很好地應(yīng)用于水泥混凝土中。

3 結(jié) 語

(1)再生骨料與天然集料在性能方面存在著較大差距，為保證道路的使用壽命和路用性能，在使用過程中應(yīng)將再生骨料用量控制在合理范圍內(nèi)。

(2)當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到28 d時(shí)，再生骨料混凝土強(qiáng)度略低于天然骨料混凝土，但能夠滿足規(guī)范對于再生骨料混凝土的強(qiáng)度要求。

(3)再生骨料制備的水泥混凝土內(nèi)部水化程度較高，而且再生骨料能夠與水泥、粉煤灰等材料形成的膠凝體系結(jié)合為整體，較好地應(yīng)用于水泥混凝土中。