綠色再生輕骨料混凝土制備及力學性能的研究

段國偉 杜希榮 沈鍵

摘要：利用HC-1膠凝材料替代水泥與陶粒、磚為主的建筑垃圾作為骨料制備成綠色再生輕骨料混凝土，通過研究不同取代率，分析混凝土的工作性能及力學性能;實驗結論得出最優配合比，不同取代率的混凝土坍落度、擴展度、干密度、抗壓強度、導熱系數隨取代率的增加而增大，但靜彈性模量呈降低趨勢，且具有良好的保溫效果。

Abstract： Green recycled lightweight aggregate concrete was prepared by using HC-1 cementitious material instead of cement， ceramsite and brick as the main construction waste as the aggregate. The working performance and mechanical properties of the concrete were analyzed by studying different substitution rates. The experimental results showed that the optimal mix ratio was obtained， and the slump， expansion， dry density， compressive strength and thermal conductivity of the concrete with different substitution rates were determined. However， the static modulus of elasticity decreases with the increase of temperature， and it has a good heat preservation effect.

關鍵詞：HC-1膠凝材料;再生輕骨料;最優配合比

Key words： HC-1 cementitious material;recycled lightweight aggregate;optimal mix proportion

中圖分類號：TU528? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）02-0274-03

0? 引言

近年建筑業的發速發展，在現代工程城市建設中，尤其是結構拆除改造過程中及農村砌體結構房屋拆除過程中，會產生較多的建筑垃圾，這些建筑垃圾主要成分是碎混凝土塊、碎磚、砂漿等較復雜的建筑物。這些建筑垃圾不僅占用大量的土地，還會污染環境影響城市建設，如何處理掉這些建筑垃圾，減少對環境的污染，是促進現代社會發展當務之急的問題。

目前我國對建筑垃圾的處理及對混合骨料的混凝土研究較多，如K.K.Sagoe-Crentsil等人[1]研究結論表明，在相同配合比的情況下，再生骨料混凝土的工作性能比普通混凝土優良。推動高性能輕骨料混凝土的研究和應用得到了快速發展，高強輕骨料混凝土、結構輕骨料混凝土已逐步在我國應用[2]。北京建筑大學宋少民等[3]、河北省建筑科學研究院付士峰等[4]也把建筑垃圾作為骨料加入到混凝土中，并取得了較好的效果。國內外對于混合骨料混凝土的研究主要集中在混凝土的配合比設計、力學性能、耐久性能等方面，但沒有對建筑廢料制備的綠色再生輕骨料混凝土進行綜合的研究，在建筑結構領域的應用比較少，用HC-1凝凝材料替代水泥與陶粒、廢磚為主的建筑垃圾制備的再生輕骨料研究還不成熟。

本文對綠色再生輕骨料混凝土的配置及力性能研究，研究成果將使綠色再生輕骨料混凝土在建筑工程中的應用更加科學。這種混凝土不但可以減少城鄉區域建筑垃圾對環境的污染，還可以減輕建筑物的自重，同時為結構構件試驗及工程應用提供理論基礎及數據支持，不僅促進建筑材料性能改善，還具有較高的社會價值。

1? 試驗原材料

1.1 試驗原材料

試驗所用HC-1高性能混凝土整體膠凝材料，廠家金泰成環境資源股份有限公司。如表1。

河北石家莊天然河砂，經過篩分析法測得的砂子細度模數為2.81，屬于二區中砂;河北省廊坊市文安縣恒盛陶粒廠的粉煤灰陶粒作為輕粗骨料。如表2。

邯鄲全有生態建材公司提供的建筑垃圾，紅磚顆粒占90%，其余為廢舊混凝土塊，廢舊建筑裝飾材料碎塊。如表3。

滿足試驗要求的實驗室自來水;試驗所用的減水劑為石家莊長安育才產的高性能聚羧酸減水劑，減水劑的最佳摻量為膠凝材料總量的0.8-1.2%。如表4。

1.2 混凝土配合比設計與性能測試

①輕骨料混凝土的配合比設計應滿足抗壓強度密度和工作性的要求，并以合理使用材料和節約膠凝材料為原則。根據《輕骨料混凝土技術規程》（JGJ 51-2002）中的規定，輕骨料混凝土的試配強度必須要達到95%的保證率。

②先前實驗成果得到最優配合比及輕骨料配合比設計經驗對本文最優配比進行優化設計，本文僅調整膠凝材料摻量，以強度為主要依據，綜合考慮工作性、干密度相關指標通過相關試驗指標調整了最優配合比。

③混凝土的工作性、力學性能是混凝土材料最具有實際工程的基本性能指標，根據先前實驗的配合比來進行試驗，分別探究了不同再生骨料取代率（0、20%、30%、40%、50%、60%、100%）對這些性能的影響，為實際工程應用提供參考。如表5。

2? 實驗結果及其分析

2.1 最優配合比

為探究不同的膠凝材料用量對其抗壓強度與干表觀密度的影響，在設計綠色再生輕骨料混凝土配合比（見表6）時，將膠凝材料用量以30kg/m3為一梯度從420kg/m3增加至540kg/m3。

每增加30kg/m3的HC-1膠凝材料，輕骨料混凝土的強度能夠增加8%左右。根據《輕骨料混凝土技術規程》（JGJ 51-2002）中的規定，計算C30綠色再生輕骨料混凝土的試配強度理論計算值為38.2MPa，試驗數據可知，編號3試驗結果強度最符合試配強度要求，同時工作性及干密度符合相關設計要求，如表7。

2.2 不同再生骨料取代率對混凝土工作性的影響

從圖1中可以看出不同再生骨料取代率對混凝土和易性、坍落度和擴展度的影響。隨著再生骨料取代率的逐漸變大，混凝土的坍落度和擴展度不斷增大。參照Farid Debieb等人[5]、Topcu等人[6]研究得出再生骨料的吸水性及不同取代率會對再生輕骨料混凝土產生不同影響。本文研究分析得出當綠色再生輕骨料混凝土的坍落度大于200mm時，輕骨料混凝土會產生部分骨料上浮現象，造成混凝土和易性變差，不能較好的滿足使用要求。

2.3 不同骨料取代率對混凝土的抗壓強度影響

依據李俊等人[7]建立的再生骨料混凝土立方體抗壓強度與抗折強度、劈拉強度的相關關系式。本文研究了不同再生骨料取代率對混凝土抗壓強度的影響，從圖2中分析可得，隨著再生骨料顆粒的增加，混凝土的強度逐漸上升。在混凝土中隨著再生骨料量的不斷提高，混凝土中的陶粒量在降低，陶粒骨料的筒壓強度高，有利于提高混凝土的強度，但陶粒由于多孔的結構，容易吸水，導致混凝土水膠比較高，對強度具有一定影響，由于再生骨料顆粒中存在大量的裂縫等薄弱面，骨料強度較陶粒偏低，在混凝土受力時，這些薄弱區中的裂縫，不斷擴展，導致混凝土弱化，混凝土強度降低。提高再生骨料取代率，會降低混凝土水膠比，由于水膠比降低提高的強度完全可以彌補骨料強度降低的混凝土強度，因此隨著再生骨料顆粒的不斷增加，混凝土的強度逐漸上升。

2.4 不同骨料取代率對靜彈性模量的影響

陳力[8]研究表明再生粗骨料取代率同彈性模量呈負相關關系，且不同取代率對混凝土彈性模量的影響。如圖3表明隨著再生骨料顆粒的不斷增加，混凝土的靜彈性模量呈降低趨勢，與抗壓強度的增長成反比。分析原因是由于輕骨料的原因，陶粒骨料骨料致密，強度高，彈性模量大，由于再生骨料疏松的結構和內部開放性裂隙較多，造成再生骨料強度與硬度較低，因此用其作為骨料制備的混凝土靜彈性模量也降低。

2.5 不同再生骨料取代率對混凝土密度的影響

依據張績[9]研究結論表明通過混凝土自密實改變混凝土的工作性能。只有在保證混凝土滿足工作性能的基礎上，研究不同再生骨料取代率對混凝土性能才有應用價值。本文通過調整用水量使混凝土坍落度在200mm左右的基礎上，進一步研究不同再生骨料取代率對混凝土其它性能的影響。通過圖4可得隨著再生骨料取代率的逐漸變大，混凝土的干密度逐步增大，再生磚-骨料的密度高于陶粒，隨著再生骨料取代率的增加，混凝土水灰比逐步減小，硬化水泥漿中的孔隙率也隨之減小，孔隙填充的自由水減少，造成了含水率逐漸減小，在干燥過程中，將會有較少的自由水揮發，故干表觀密度逐漸增大，從圖中得出即使全部為再生輕骨料時，混凝土的干密度仍滿足輕骨料混凝土的密度要求。

2.6 不同再生骨料取代率對導熱系數的影響

輕骨料混凝土內孔隙密布，且具有很多空腔，孔隙率較普通混凝土大，導熱系數較普通混凝土小。因此選用輕骨料混凝土作墻體材料，較普通混凝土或實心粘土磚相比，可節約30-50%的能源。如圖5不同取代率混凝土導熱系數的影響可得，不同再生骨料取代率隨著再生骨料顆粒的不斷增加，混凝土的導熱系數逐漸增大，由于陶粒骨料表觀密度較建筑垃圾廢磚小，陶粒骨料內部封閉孔隙多，原本導熱系數就小，并且輕骨料混凝土的導熱系數隨著干密度的增大而增長的，隨著再生骨料的取代率的增加，混凝土干密度逐漸增大，導熱系數也相應的增大，但即使當再生骨料取代率為100%，混凝土的導熱系數仍然大大優于普通混凝土，因此具有良好的保溫節能效果。

3? 結語

①綠色再生輕骨料混凝土最優配合比：HC-1膠凝材料480kg/m3，陶粒396kg/m3，砂子645kg/m3，建筑垃圾顆粒264kg/m3，減水劑4.8kg/m3，水192kg/m3。

②隨著綠色再生輕骨料取代率的增加，配置成的混凝土坍落度、擴展度、密度逐漸增大，再生骨料混凝土的抗壓強度逐漸增大，但靜彈性模量呈降低趨勢。

③再生骨料取代率的增加，再生骨料混凝土的干密度及導熱系數逐步增大，但干密度仍屬于輕骨料混凝土范疇。即使當再生骨料取代率為100%，混凝土的導熱系數仍然優于普通混凝土，具有良好的保溫節能效果。

參考文獻：

[1]K.K. Sagoe-Crentsil，T. Brown，A.H. Taylor. Performance of concrete made with commercially produced coarse recycled concrete aggregate[J]. Cement and Concrete Research，2001，31（5）.

[2]楊秋玲，馬可栓.輕骨料混凝土的現狀與發展[J].鐵道建筑，2006（06）：104-106.

[3]宋少民.建筑垃圾再生混凝土耐久性能的研究[A].中國硅酸鹽學會科普工作委員會、建筑材料工業技術情報研究所.2008中國商品混凝土可持續發展論壇暨第五屆全國商品混凝土技術交流大會論文集[C].中國硅酸鹽學會科普工作委員會、建筑材料工業技術情報研究所：中國硅酸鹽學會，2008：5.

[4]付士峰，張廣田，劉娟紅.再生輕骨料自密實混凝土力學和耐久性能研究[J].建筑結構，2016，46（12）：41-44.

[5]Farid Debieb，Luc Courard，Said Kenai，Robert Degeimbre. Mechanical and durability properties of concrete using contaminated recycled aggregates[J]. Cement and Concrete Composites，2010，32（6）.

[6]Topcu.I.B，N.F. Gunean. Using waste concrete as aggregate. Cement and Concrete Research [J]. 1995，25（7）：1385-1390.

[7]李俊，尹健，周士瓊，李益進，汪冬冬，周敏.粉煤灰與礦渣對再生骨料混凝土力學性能影響的研究[J].混凝土，2005（06）：80-83，86.

[8]陳力.再生粗骨料混凝土梁受彎性能試驗研究[D].廣西大學，2013.

[9]張績.自密實再生骨料混凝土性質及力學性能研究[D].大連理工大學，2015.