磚混再生細骨料再生砂漿性能及工程應用

馬昆林，莫文波，莫建紅，彭琳娜，申景濤，胡明文，張鑫全，王春娥

(1. 中南大學 土木工程學院，湖南 長沙410075；2. 湖南建工環保有限公司，湖南 長沙410075；3. 湖南建工集團有限公司，湖南 長沙410075；4. 中鐵城建集團有限公司，湖南 長沙410075；5. 長沙市建筑節能與綠色建筑產業技術創新戰略聯盟，湖南 長沙410011)

我國基礎設施與城鎮化進程的飛速發展導致天然砂石等資源正逐漸枯竭[1]，與此同時，早期建設的大量磚混結構物正面臨拆除重建，產生了大量磚混結構拆除建筑垃圾[2]。將建筑垃圾進行破碎、篩分制成再生骨料使用，既可消耗建筑垃圾，又可節約天然砂石資源[3]。建筑垃圾的再生利用已成為國內外研究熱點。劉相陽等[4]研究了廢棄混凝土再生細骨料不同摻量對再生砂漿工作性能和強度的影響，并通過回歸分析，提出再生骨料砂漿抗壓與抗折強度之間的關系。DING 等[5]研究了不同來源廢棄混凝土再生細骨料完全替代天然砂制備的砂漿，測試了再生砂漿工作性和力學性能。DUAN 等[6]研究了不同來源再生骨料的性能，發現了不同來源的再生骨料性能差異較大，質量好的再生骨料可用于生產高強混凝土。CORINALDE‐SI[7]研究了再生細骨料砂漿與砌體之間的黏結強度，并發現再生細骨料砂漿在砂漿與磚的黏結強度和砌體組合抗剪強度方面優于普通砂漿。ZHAO等[8]研究了廢棄混凝土再生細骨料含水狀態和替代率對砂漿性能的影響。RAINI 等[9]研究了磚混再生細骨料摻量對砂漿性能和砂漿微觀結構的影響，研究表明，15%摻量的磚混再生細骨料對砂漿的力學性能和微觀性能沒有負面影響。綜上，研究人員對廢棄混凝土再生細骨料進行了較多研究，相比較廢棄混凝土制備的再生細骨料，磚混再生細骨料中含有黏土磚、舊砂漿、瓦碎粒等，具有空隙率高、吸水率大、壓碎指標大等特點[10?14]，對磚混再生細骨料的性能及其對砂漿性能的影響還需進一步開展。基于此本文對磚混結構拆除建筑垃圾加工生產的再生細骨料基本性能及其對砂漿的影響進行了研究，并結合研究成果進行了工程應用。

1 試驗

1.1 原材料及配合設計

1.1.1 原材料

水泥(Cement，簡稱C)：中聯水泥有限公司出品的42.5 基準硅酸鹽水泥(P·I 42.5 水泥)，符合GB8076—2008 標準，其化學和物理性質如表1 所示。粉煤灰(Fly ash，簡稱FA)：湖南湘潭電廠的F類II 級粉煤灰；砂子(Sand，簡稱S)分別采用中國ISO 標準砂，符合GB/T17671—1999 標準，磚混再生細骨料由湖南建工環保科技有限公司生產，課題組在不同工地進行取樣，分別命名為B和C進行試驗，再生砂性能指標見表2所示，再生砂以破碎磚瓦和砂漿為主，再生砂照片見圖1。水(Water，簡稱W)：試驗拌合用水為可飲用自來水。外加劑：采用課題組自行研發的再生砂漿專用外加劑。

圖1 試驗所用磚混再生細骨料Fig.1 Brick-concrete recycled fine aggregates(BCRFA)

表1 水泥的化學和物理性質Table 1 Chemical and physical properties of cement

表2 天然砂和再生細骨料主要性能指標Table 2 Properties of recycled fine aggregate and natural sand

表2是試驗用標準砂和磚混再生細骨料主要性能指標。由表2可知，與標準砂標相比，磚混再生細骨料(BCRFA)的堆積密度、表觀密度和抗壓強度顯著降低，空隙率、壓碎指標、含泥量、堅固性指標和砂漿的需水量比明顯增大。這是由于磚混再生細骨料中含有碎磚、碎瓦和舊砂漿，從而導致其基本物理性能低于天然砂。

1.1.2 配合比設計

為探究再生磚混細骨料摻量對砂漿流動性(擴展度)、抗壓強度和抗折強度的影響，將B，C 2 種再生細骨料分別以0，20%，40%，60%，80%和100%的摻量取代標準砂，固定水泥用量540 g 和砂子用量1 350 g。B1～B5 和C1～C5 組用水量采用B5 和C5 組砂漿流動度為(130±2) mm 時的用水量，分別為340 g 和390 g，B0 和C0 組用水量為流動度為(130±2) mm 時的用水量，分別為189 g 和195 g。

為研究再生磚混細骨料的工程應用性能，本文采用再生細骨料制備水泥粉煤灰抹灰砂漿，試驗配合比設計膠凝材料290 kg/m3，粉煤灰摻量15%，外加劑用量2.67 kg，將B，C 2 樣本均以15%，30%，45%和60%等質量取代標準砂摻入砂漿中，以B-M-1～B-M-4 和C-M-1～C-M-4 表示，共分為9組，其中天然砂漿標準組作為對照組。將砂漿稠度控制在70～80 mm，以確定拌合需水量，并測定強度。

1.2 試驗方法

1.2.1 砂漿流動度試驗

在實驗之前，對實驗儀器進行檢查。檢查無誤后，按照GB—T7671 規范制備砂漿拌合物，將拌合好的砂漿分2層迅速裝入加模套的試模，壓搗完畢后，取下模套，垂直輕提錐形模，開啟跳桌，結果取垂直方向上的算術平均值。具體操作參照《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》JGJ/T 70—2009測試。

1.2.2 砂漿強度試驗

根據《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO 法)》GB/T 17671—1999 標準以及表3 砂漿配合比, 制備40 mm×40 mm×160 mm 棱柱體試件，每組3 個試件，室內養護24 h 后脫模，進行標準養護，達到28 d齡期后，取出試件。進行抗折和抗壓強度測試。根據表4 抹灰砂漿配合比設計，制備70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 立方體試件，每組試件3 個，試件24 h 后脫模，進行標準養護。達到28 d 齡期后，取出試件在萬能壓力機上進行抗壓強度試驗，直至試件破壞，記錄破壞荷載。具體試驗步驟見JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》。

表3 配合比設計表Table 3 Design of mix proportion

1.2.3 砂漿稠度試驗

稠度試驗按照《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》JGJ/T 70—2009 進行。按表4 抹灰砂漿配合比設計表，配制砂漿拌合物，將適量砂漿裝入試驗容器，人工整平并振搗，調整儀器使試錐尖端與砂漿表面剛接觸，擰松螺絲并計時，10 s時立即擰緊螺絲，讀取下降深度，即為稠度值。

表4 抹灰砂漿配合比設計表Table 4 Design table of plastering mortar mix ratio

1.2.4 砂漿保水性試驗

砂漿保水性試驗按照《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》JGJ/T 70—2009 進行。按照表4 配合比設計表，制備砂漿。為模擬施工條件，砂漿攪拌時間不少180 s。試驗開始，分別稱取干燥試模和不透水片總重、濾紙重量。取適量砂漿放入試模中修整，之后迅速稱量試模、不透水片和砂漿三部分的總重。在砂漿表面覆蓋棉紗，并利用濾紙吸收砂漿中水分，使用2 kg 重物施壓，靜置2min，迅速取出濾紙并稱重。

2 試驗結果與討論

2.1 砂漿流動性

圖2為磚混再生細骨料摻量對膠砂流動度的影響。B0 和C0 組均為摻入100%標準砂，擴展度(130±2) mm 時砂漿的用水量，分別為189 g 和195 g，見表2。B0 和C0 組用水量不同可能因為該2 組試驗間隔了3 d，且原材料有一定波動造成。B1～B5，C1～C5 砂漿水膠比分別為0.63 和0.72，且磚混再生細骨料摻量為20%時，B1組和C1組砂漿流動度均大于300 mm，流動度已經超出實驗儀器的測量范圍，為在圖中表示，流動度超出測量范圍時均以350 代替。由表3 可知，B5 和C5 組分別采用與B0 和C0 組砂漿流動度相同(130±2) mm 時的用水量，隨后保持用水量不變，磚混再生骨料摻量逐漸減小，從而研究再生細骨料摻量對砂漿流動度的影響。

由圖2可知，水灰比不變時，隨磚混再生細骨料摻量增加，B, C 組砂漿的流動度均逐漸降低，當B，C 組再生細骨料100%取代標準砂后，且水灰比分別為0.63 和0.72 時，B5 和C5 組砂漿的流動度均為130 mm，且呈現較好線性關系，由于C 組再生細骨料的需水量比2.05明顯大于B 組1.79，因此要達到相同的流動度，用水量有所增大。

圖2 磚混再生細骨料摻量對砂漿流動度的影響Fig.2 Influence of BCRFA content on fluidity of mortar

2.2 砂漿強度

2.2.1 抗壓強度

圖4為再生細骨料摻量對膠砂強度的影響。由圖4可知，當摻入再生細骨料后砂漿強度均有一定程度降低，這主要是因為B0 和C0 組采用標準砂，水膠比分別為0.35 和0.36，而B1～B5 和C1～C5分別采用的水膠比是0.63和0.72，而且再生細骨料各項性能均低于標準砂，摻入再生細骨料后，造成了膠砂力學性能有一定的降低。由圖4 還可知，摻量為20%時抗壓強度，分別降低了36.6%和55.1%，而當全部采用再生細骨料，砂漿流動度為130 mm 時，B5 組和C5 組砂漿的強度幾乎相同，相比較B0和C0組強度分別降低了22.1%和35.0%。這說明在本文水膠比條件下，當水膠比不變時，再生砂漿的強度并不是隨著再生細骨料摻量的增加而一直降低。

圖3 流動度試驗Fig.3 Fluidity test

圖4 磚混再生細骨料摻量對砂漿抗壓強度的影響Fig.4 Influence of BCRFA content on compressive strength of mortar

2.2.2 抗折強度

圖5為再生砂摻量對砂漿抗折強度的影響。由圖5 可知，磚混再生細骨料B，C 摻入后，砂漿的抗折強度均有一定程度降低，這是因為B0和C0組砂漿全部采用標準砂，水膠比分別為0.35 和0.36，而B1～B5 與C1～C5 水膠比分別為0.63 和0.72，這說明再生砂漿強度低于標準砂漿，是水膠比增大和磚混再生細骨料自身性能缺陷兩因素共同作用的結果。在取代率為100%時，相比較B0 和C0砂漿抗折強度分別降低了29.0%和15.2%。這說明砂漿的抗折強度并不是隨再生骨料摻量的增加而一直降低。由圖5還可知，在磚混再生細骨料摻量相同時，B0～B5 抗折強度均高于C0～C5，這是因為B組水膠比均低于相對應的C組，這說明采用磚混再生細骨料時，水膠比對砂漿的抗折強度影響較大。在取代率為0 時，C0 抗折強度是B0 的54.5%，在摻量為100%時，C5的抗折強度是B5的65%。

圖5 磚混再生細骨料摻量對砂漿抗折強度的影響Fig.5 Influence of BCRFA content on flexural strength of mortar

2.3 砂漿應用性能

2.3.1 保水性

圖6 為再生砂摻量對抹灰砂漿保水性能的影響。由圖6 可知，隨著磚混再生細骨料摻量的增加，B-M-1～B-M-4 組再生砂漿的保水率逐漸增加，且當再生細骨料摻量60%時，保水率達到了98.3%。當再生細骨料摻量15%時C 組再生砂漿的保水率有一定降低，但隨著再生細骨料摻量的增加，保水率逐漸增加，當再生細骨料摻量為60%時，C-M-4 組再生砂漿的保水率為94.6%。保水性結果中各組再生砂漿的保水率均大于82.0%，達到了《抹灰砂漿技術規程》JGJT 220—2010 對抹灰砂漿保水率的技術指標。隨磚混再生細骨料摻量的增加，各組再生砂漿的保水性均呈現出明顯增加的趨勢，這是因為磚混再生細骨料吸水率高，吸收一定的拌合用水，使砂漿達到相同稠度需水量增大，保水性能有一定的增大。

圖6 磚混再生細骨料摻量對砂漿保水率的影響Fig.6 Influence of BCRFA Content on water retention of mortar

2.3.2 稠度

結合工程對抹灰砂漿的要求，保持砂漿稠度值在70～80 mm 之間，調整砂漿拌合用需水量。圖7 為再生砂摻量對抹灰砂漿拌合需水量的影響。由圖7 可知，當抹灰砂漿稠度保持不變時，B-M，C-M 2種再生砂漿的需水量均隨再生細骨料摻量增加而增加。這是因為相比天然砂磚混再生細骨料吸水量大，使得砂漿有效拌合用水降低。

圖7 再生砂摻量對抹灰砂漿拌合需水量的影響(稠度值70～80 mm)Fig.7 Influence of BCRFA content on water requirement of plaster mortar

2.3.3 抗壓強度

圖8 為再生砂摻量對抹灰砂漿抗壓強度的影響。由圖8 可知，隨取代率由0 至60%增加，砂漿28 d 強度呈現先下降后緩慢增加的趨勢。B-M 和C-M 組砂漿強度均在15%取代率時降低，相較于天然砂漿，抗壓強度分別降低5.4%和19.6%。這是由于，摻入再生骨料后，若要保持砂漿稠度不變，則砂漿的需水率也要增大，砂漿的水膠比增大，因此強度有一定降低。由圖8 還可知，B-M-1～B-M-4 組砂漿，28 d 抗壓強度值均大于5 MPa。再生細骨料C制備的砂漿僅在15%摻量(C-M-1)時，低于5 MPa，其他取代率組均高于5 MPa，可以滿足M5粉煤灰抹灰砂漿的強度要求。由圖8還可知，保持砂漿稠度基本不變時，隨著磚混再生細骨料摻量增加，雖然砂漿的需水量有一定增大，但是28 d抗壓強度并不會降低。

圖8 磚混再生細骨料摻量對砂漿抗壓強度的影響Fig.8 Influence of BCRFA content on compressive strength of plaster mortar

2.4 工程應用

為了進一步對磚混再生砂漿的工程應用性能進行研究，課題組采用再生細骨料100%取代率，再生骨料性能與本文實驗中再生細骨料B一致，性能指標見表2 所示，設計了強度等級為M5 的再生細骨料抹灰砂漿，并于2020 年4 月在長沙市某寫字樓內墻進行了抹灰砂漿施工，其中抹灰砂漿厚度15 mm，施工面積約200 m2。抹灰砂漿凝結硬化后，表面進行噴水霧保濕養護7 d。現場配合比如表5 所示。現場測試稠度75 mm，保水率91.0%，密度1 980 kg/m3，滿足相關規范在抹灰砂漿施工性能的要求。

表5 磚混再生細骨料水泥粉煤灰抹灰配合比Table 5 Mix ratio of brick-concrete recycled fine aggregate cement and fly ash plaster

圖9為抹灰砂漿施工及質量檢驗。施工后經現場檢測，砂漿抹灰層與基層之間黏結牢固，砂漿抹灰層無脫層，無空鼓，面層無爆灰和裂縫，28 d實測拉伸黏結強度為0.26 MPa，28 d 抗壓強度為7.6 MPa，各項性能滿足相關規范中對M5 水泥粉煤灰抹灰砂漿的技術要求，說明再生磚混細骨料可以在抹灰砂漿中使用。

圖9 抹灰砂漿施工及質量檢驗Fig.9 Plastering mortar construction and quality inspection

3 結論

1) 磚混再生細骨料主要由城市舊磚混結構拆除后的建筑垃圾加工而成，主要含有碎磚、碎瓦和舊砂漿，相比較天然砂，磚混再生細骨料的堆積密度、表觀密度和抗壓強度比顯著降低，空隙率、壓碎指標、含泥量、堅固性指標和砂漿的需水量比明顯增大。

2) 隨著磚混再生細骨料摻量的增加，砂漿的強度有一定降低，在相同用水量條件下，磚混再生砂漿的抗壓和抗折強度并不隨再生細骨料摻量的增加而一直降低。

3)保持相同的稠度，隨著再生砂漿摻量增加，砂漿的需水量增大，保水率也增大，強度降低不顯著，有利于砂漿的現場施工。現場工程實踐表明，采用磚混再生細骨料制備的內墻抹灰砂漿可以滿足相關規范中對M5 水泥粉煤灰抹灰砂漿的技術要求。