磚混再生粗骨料混凝土力學性能及工程應用研究

馬昆林，黃新宇，胡明文，彭琳娜，徐 劍，張鑫全，莫建紅，曾 樂

(1.中南大學土木工程學院，長沙 410075；2.中鐵城建集團有限公司，長沙 410075； 3.湖南建工集團有限公司，長沙 410075；4.湖南建工環保有限公司，長沙 410075)

0 引 言

隨著我國城市化建設的不斷進行以及居民居住條件的不斷改善，城市既有老舊建筑物拆遷中產生了大量的建筑垃圾，占城市垃圾總量的30%至40%，并且呈逐年增長趨勢[1]，嚴重污染了環境。與此同時，可用作混凝土原材料的天然砂石資源也在逐漸枯竭，很多城市已經頒布了天然砂石的禁采令，混凝土原材料獲取途徑減少，使其價格近年來一直呈上漲態勢。目前，我國正大力推進環境保護和生態文明建設，提倡提高資源利用效率，大力發展循環經濟[2]。因此對建筑垃圾進行資源化高效利用，不僅能減少環境污染，還能作為混凝土原材料的獲取途徑，具有重大的社會和經濟意義。

再生混凝土是指將廢棄混凝土經過一系列加工而制得的再生骨料以一定級配混合，部分或全部代替天然砂石骨料配制成的混凝土[3]。目前國內外學者對再生混凝土的相關性能展開了大量研究。在制備方法上，胡魁等[4]研究了磚砼骨料的分離技術；陳樹建等[5]對再生骨料的配制方法進行分析，得出最佳配合比和成分比。在力學性能上，郭遠新等[6-7]研究了骨料種類和水灰比對再生混凝土抗壓強度的影響；唐德勝等[8-9]通過正交試驗研究了再生混凝土抗折強度的影響因素；還有一部分學者[10-13]通過對再生骨料進行強化，從而提高再生混凝土的力學性能和耐久性能。

實際上，我國城市發展中的拆除建筑物多為磚混結構，由于分選工藝不完善以及加工成本等原因，此類再生骨料中含有大量的碎磚瓦和低強度混凝土，從而影響了再生粗骨料的品質。對于固廢資源的利用應該結合其特點，因地制宜，高效率利用。在我國，中低強度混凝土(C30以下強度等級)使用量較大，這些混凝土對粗骨料的性能要求不高。本文結合湖南長沙市磚混結構拆除建筑垃圾生產的磚混再生粗骨料，制備了再生混凝土，研究了磚混再生粗骨料對中低強度混凝土力學性能的影響，并基于研究成果，進行了工程應用研究。

1 實 驗

1.1 原材料及性能

水泥(Cement，C)：兆山新星集團湖南水泥有限公司生產的P·O 42.5水泥，性能指標滿足通用硅酸鹽水泥(GB 175)的要求，水泥主要技術指標如表1所示。

粉煤灰(Fly Ash，FA)：湖南湘潭電廠的F類Ⅱ級粉煤灰。

礦渣(Slag，SL)：湖南湘潭鋼廠提供的S95級磨細礦渣，水泥、粉煤灰以及礦渣的化學組成如表2所示。

砂子(Sand，S)：機制砂，細度模數3.1，表觀密度2 670 kg/m3，砂子相關性能滿足《建筑用砂規范》(GB/T 14684)要求。

普通石子(Gravel,G):采用兩級配，石子粒徑分別為5～16 mm和16～31.5 mm兩種，石子相關性能滿足《建設用卵石、碎石》(GB/T 14685)要求，分別采用5～20 mm和20～30 mm粒徑的再生粗骨料(RCA)替代普通石子。再生粗骨料由湖南建工環保股份有限公司提供，實測性能及組成如表3所示。試驗用磚混再生粗骨料如圖1所示。

表2 水泥、粉煤灰及礦渣的主要化學組成Table 2 Main chemical composition of cement, fly ash and slag

表3 再生粗骨料主要性能指標及組成Table 3 Properties and composition of recycled coarse aggregate

圖1 磚混再生粗骨料Fig.1 Brick-concrete recycled coarse aggregate

減水劑:聚羧酸高效減水劑(Polycarboxylate Superplasticizer，SP),減水率15.1%，固含量20.4%。

拌合用水(Water，W)：自來水。

1.2 試驗方法

1.2.1 配合比設計

考慮到再生骨料的吸水率大對混凝土工作性能將產生不利的影響，本試驗采用標準配合比設計和附加用水量配合比設計，分別記為B組和C組，各組配合比在水灰比和膠凝材料用量保持不變的前提下，使用磚混再生粗骨料代替天然石灰石粗骨料制備再生混凝土，將再生骨料的代替比率稱為取代率。其中B組一共設置了7組配合比，編號為B1到B7，從B1到B7取代率分別為0%、15%、30%、45%、60%、75%和100%，其中B1取代率為0%，作為對照組。C組一共設置了6組配合比，編號為C1到C6。從C1到C6取代率分別為0%、20%、40%、60%、80%、100%，其中C1取代率為0%，作為對照組。附加用水的添加量通過再生骨料的吸水率和取代含量計算得到。標準配合比設計如表4所示，附加用水配合比設計如表5所示。

表4 再生混凝土標準配合比設計Table 4 Standard mix proportions of recycled concrete /(kg/m3)

表5 再生混凝土附加用水量配合比設計Table 5 Mix proportions of recycled concrete with additional water /(kg/m3)

1.2.2 性能測試

將原材料分別按上述配合比通過攪拌機進行拌和，并測試混凝土坍落度，然后分別成型尺寸為100 mm×100 mm×100 mm和100 mm×100 mm×300 mm的試塊，1 d后拆模進行標養。按照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2019)，分別對養護齡期為3 d、7 d和28 d的立方體試件進行抗壓強度試驗。按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082—2009)對養護齡期為28 d的棱柱體試件進行彈性模量和應力應變曲線測試。

2 結果與討論

2.1 工作性能

圖2 再生混凝土工作性能Fig.2 Workability of recycled concrete

圖2為再生混凝土工作性能測試結果。從圖2中可知，采用標準配合比制備的再生混凝土(B組)，隨著再生粗骨料取代率的增加，尤其是當再生粗骨料取代率在30%以內時，混凝土坍落度迅速降低，當再生粗骨料取代率大于30%以后，混凝土坍落度均小于5 cm，混凝土呈現干硬狀態，工作性較差。這是由于隨著再生骨料摻量的增加，再生骨料具有較大吸水率，吸附了大量混凝土用拌合水，造成其工作性嚴重降低。

采用附加用水量方法制備的再生混凝土(C組)，隨著再生骨料取代率的增加，混凝土坍落度有一定增大，但不顯著，然而當再生骨料摻量大于80%以后，混凝土出現了泌水現象。這是由于隨著附加用水量的增多再生骨料吸水速率降低[14]，水分在混凝土攪拌過程中尚未被再生骨料充分吸收，混凝土在拌合過程中自由水增多，造成坍落度有一定增加。此外本次試驗所用的再生粗骨料粒徑較大，摻量較大時細顆粒所占的比例減少，出現不良的骨料級配，也容易使混凝土拌合物出現泌水。

2.2 抗壓強度

圖3表示養護齡期對再生混凝土抗壓強度的影響。由圖3可知，再生混凝土與普通混凝土的強度發展規律相同，均為隨著齡期的增長，混凝土強度逐漸增加，特別是在前7 d的強度增長較快。當齡期相同時，B組再生混凝土抗壓強度均大于C組，這是由于B組中沒有附加用水，B組水灰比低于C組，所以抗壓強度比C組高。

圖3 養護齡期對再生混凝土抗壓強度的影響Fig.3 Influence of curing age on compressive strength of recycled concrete

圖4表示再生骨料取代率對再生混凝土抗壓強度的影響。由圖4可知，相同齡期時，兩組摻入不同含量再生骨料的再生混凝土抗壓強度均小于普通混凝土。這是因為再生粗骨料的表面缺陷多并附帶舊砂漿，與水泥漿體的粘結性差，所以摻入再生骨料會使抗壓強度降低。然而隨著再生骨料取代率的增加，再生混凝土的抗壓強度并不呈現出逐漸降低的態勢。當養護齡期為28 d時，在B組中，取代率為45%時的抗壓強度下降程度最大，達到了30.4%；取代率為75%時的抗壓強度下降程度最小，僅為11.6%，當再生骨料取代率達到100%時，抗壓強度下降了26.1%。在C組中，取代率為60%時的抗壓強度下降程度最大，達到了26.9%，取代率為100%時的抗壓強度下降程度最小，為11.9%。這可能是因為再生骨料的摻入改變了混凝土中骨料的級配[15]，對強度造成了影響。強度測試還表明，兩組混凝土的抗壓強度均未出現隨著再生骨料摻量的增大而顯著降低的現象，這也說明對于中低強度的混凝土，破壞主要發生在界面過渡區，而再生粗骨料本身的性能對中低強度再生混凝土強度影響不大。

圖4 再生骨料取代率對再生混凝土抗壓強度的影響Fig.4 Influence of substitution rate of RCA on compressive strength of recycled concrete

2.3 彈性模量

圖5 再生骨料取代率對再生混凝土彈性模量的影響Fig.5 Influence of substitution rate of RCA on elasticity modulus of recycled concrete

圖5表示再生骨料取代率對再生混凝土彈性模量的影響。由圖5可知，隨著再生骨料取代率的增加，兩組混凝土的彈性模量總體呈下降趨勢，當取代率為100%時，B7的彈性模量為B1的76.1%，C6的彈性模量為C1的77.1%，分別降低了23.9%和22.9%。同時在相同取代率下，C組混凝土的彈性模量均小于B組。當取代率分別為60%、100%時，C組混凝土的彈性模量分別為B組的86.3%、86.5%，兩組混凝土彈性模量下降程度相似。由于再生骨料比天然骨料有更多的內部缺陷，同時附著的舊砂漿孔隙率較高，當試件受壓時，界面過渡區產生較大變形，使彈性模量降低，所以再生混凝土的彈性模量會隨著取代率的增加而降低，同時C組混凝土由于額外附加用水使水灰比增大，過渡區和水泥漿體的孔隙率比B組混凝土高，所以C組彈性模量低于B組混凝土。

2.4 峰值應力與峰值應變

圖6表示再生骨料取代率對再生混凝土峰值應力、峰值應變的影響。由圖6可知，峰值應力隨著再生骨料取代率的增加而降低,峰值應變隨著再生骨料取代率的增加而增加。當取代率為100%時，B，C兩組再生混凝土峰值應力分別降低了13.0%和21.9%，峰值應變分別增加了25.3%和14.9%。這是因為再生骨料的缺陷多，水泥漿體間的過渡區孔隙率高，造成強度降低。同時再生骨料的孔隙率高，彈性模量較低，造成峰值應變增加。

圖7為再生混凝土應力應變曲線。由圖7可知，再生混凝土從開始受壓至破壞過程中，曲線由上升段和下降段兩部分組成。在上升段中，隨著再生骨料取代率的增加，曲線的斜率逐漸減小，因為曲線的斜率表示混凝土彈性模量的大小，再生骨料的摻入導致了彈性模量的降低。同時曲線在原點附近出現了輕微下凹，下凹程度隨著取代率的增加逐漸增大。隨著再生骨料摻量的增加，曲線下降段未見顯著變化，這也說明，當磚混再生粗骨料應用于中低強度混凝土時，并未顯著改變混凝土的受壓應力應變曲線變化特征。

圖6 再生骨料取代率對再生混凝土峰值應力、峰值應變的影響Fig.6 Influence of substitution rate of RCA on peak stress and peak strain of recycled concrete

圖7 再生混凝土應力應變曲線Fig.7 Stress-strain curves of recycled concrete

2.5 工程實踐

為了進一步對磚混再生骨料混凝土的工程應用性能進行研究，課題組采用附加用水量法設計了C25泵送磚混再生粗骨料混凝土，并對長沙市洋湖苑三期小區的混凝土路面采用了再生骨料混凝土進行施工。該小區道路長度150 m，平均寬度4 m，混凝土路面厚度250 mm，設計強度等級C25，設計28 d抗折強度不低于4.0 MPa，道路結構設計滿足相應路面設計規范。

現場用混凝土配合比如表6所示，配合比設計中5～20 mm粒徑全部采用磚混再生粗骨料，20～31.5 mm粒徑采用石灰石碎石，再生粗骨料取代率為50%，所用原材料基本性能如表3所示，所用磚混再生粗骨料組成為碎混凝土∶碎磚∶碎瓷片∶木屑∶微粉∶泥塊=57.8∶37.1∶2.5∶0.6∶1.5∶0.5。

表6 現場混凝土配比設計Table 6 Mix proportions of recycled concrete

現場施工時間為2019年7月30日下午3點，天氣炎熱，室外溫度達38 ℃，施工的混凝土約160 m3，混凝土攪拌站距離施工現場25 km，運輸時間約90 min，若出現坍落度損失較大的情況，計劃采用二次添加外加劑法重新補充高效聚羧酸減水劑。再生混凝土出站時坍落度測試值為190 mm，到達現場后測試值為185 mm，無離析，無泌水，具有較好的和易性和可泵性。采用振動棒或者平板振動器進行混凝土施工，施工工藝按照普通混凝土路面要求進行。施工完畢后由于環境溫度較高，水分蒸發量大，混凝土初凝后立即采用塑料薄膜覆蓋并進行灑水養護，混凝土路面潮濕養護時間為7 d。圖8為現場施工照片。

圖8 現場施工照片Fig.8 Photos of construction site

最后對道路再生混凝土分別進行實驗室標養測試和現場同條件下養護測試，其中養護至3 d、7 d和28 d時分別進行抗壓強度測試，圖9為再生骨料混凝土強度測試結果。試驗結果表明，再生混凝土在實驗室和現場的28 d抗壓強度均大于25 MPa，滿足C25混凝土的設計要求。養護至7 d和28 d時進行抗折強度測試，試驗結果表明，再生混凝土在實驗室和現場的28 d抗折強度均大于4 MPa，滿足路面結構設計強度要求。路面取芯檢查結果表明，混凝土均勻密實，磚混再生粗骨料在混凝土中分布均勻。因此，磚混再生粗骨料混凝土可以應用于C25道路路面[16]。

圖9 再生骨料混凝土強度Fig.9 Strength of recycled concrete

3 結 論

(1)城市拆除建筑垃圾中含有大量碎磚、碎瓦和低強度混凝土塊，因此相比較廢棄混凝土制備的再生骨料，磚混再生粗骨料的吸水率和壓碎指標均更大。

(2)隨著磚混再生骨料取代率的增加，采用標準配合比設計方法配制的再生骨料混凝土工作性嚴重降低,采用附加用水量方法配制的再生骨料混凝土，可以保證混凝土有較好的工作性。

(3)再生骨料的摻入降低了再生混凝土的抗壓強度和彈性模量，當取代率為100%時，B組和C組28 d抗壓強度分別下降了26.1%和11.9%；彈性模量分別下降了23.9%和22.9%。隨再生骨料取代率的增加，混凝土的峰值應力降低，峰值應變增加。

(4)現場工程實踐表明，結合再生骨料的性質，磚混再生粗骨料可以滿足強度等級為C25及以下混凝土對粗骨料性能的要求。