廢磚和廢混凝土粗骨料再生混凝土配合比研究

張鵬 張博 鄧宇 陳思遠 郝宇茜 郭鎮

摘 要：為探究一種以廢磚和廢混凝土制成粗骨料的再生混凝土配合比，以再生粗骨料完全替代天然粗骨料，通過改變再生粗骨料的取代率，設計了6種再生混凝土配合比；制備了再生粗骨料和36個再生混凝土試塊，并測定試塊的抗壓強度；分析了再生粗骨料的物理性能、新拌混凝土的和易性，以及試塊破壞形態及力學性能。試驗結果表明：1）再生混凝土在固定水膠比下引入附加用水量可使得新拌混凝土具有較好的和易性，能夠滿足新拌混凝土的拌制、運輸和澆筑要求；2）廢磚再生粗骨料占比較高時，主要因廢磚再生粗骨料的壓潰破壞導致試塊破壞，占比較低時，主要因粗骨料與水泥的黏結破壞而破壞；3）再生混凝土試塊的抗壓強度隨著廢磚粗骨料取代率的增加呈下降趨勢，6種配合比的再生混凝土試塊立方體抗壓強度在水灰比為0.43的情況下均能達到25 MPa以上。

關鍵詞：再生混凝土；配合比；廢磚；廢混凝土；再生粗骨料；抗壓強度

中圖分類號：TU528.04 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2023.02.005

0 引言

我國城鎮化改造和新農村建設不斷加強，舊建筑物拆除后產生大量建筑廢棄物，造成了嚴重的環境污染[1]。再生混凝土是指采用建筑廢棄物為原料，經過篩分和破碎加工后制成再生骨料，替代天然骨料拌制的混凝土。將拆除后的建筑廢棄物制作成再生骨料用于再生混凝土的制備，既解決了建筑廢棄物的污染問題，又節約了天然骨料，保護資源和環境，對實現可持續發展有重要意義[2-10]。

《混凝土用再生粗骨料》（GB/T 25177—2010）[11]和《混凝土和砂漿用再生細骨料》（GB/T 25176—2010）[12]等的實施規范了再生混凝土骨料的制備。許多學者對再生混凝土的力學性能等方面做了大量的研究。肖倍等[13]制作了以取代率和水灰比為變量的廢混凝土粗骨料再生混凝土，表明取代率越大，再生混凝土的力學性能和工作性能越不利，原廢混凝土強度越高，再生混凝土力學性能越好。白衛峰等[14]采用廢混凝土再生粗骨料取代天然粗骨料開展了單軸壓縮動態力學性能試驗，表明再生混凝土有較好的變形特性。王成剛等[15]將廢混凝土再生粗骨料應用于鋼管混凝土構件，表明鋼管對再生混凝土有良好的約束作用，同樣具有較好的承載力和延性。陶航宇等[16]對不同磚含量的再生粗骨料進行了分類研究，提出了不同磚含量再生粗骨料的適用范圍。梁炯豐等[17]對再生廢磚粗骨料混凝土進行了研究，表明廢磚粗骨料再生混凝土的各項物理力學指標均低于普通混凝土，但制備較低強度的混凝土是可行的。

綜上所述，現有研究較多集中于單一再生骨料的再生混凝土研究。目前我國城鄉建筑大部分為磚混結構形式，產生的建筑廢棄物主要為廢棄磚塊和混凝土，2種主要廢棄物的再生利用同等重要，而關于廢磚和廢混凝土共同作為再生粗骨料的研究較少，缺乏相關配合比設計，對其開展配合比研究具有重要意義。為設計不同種類再生粗骨料混凝土配合比，以廢磚和廢混凝土再生粗骨料完全替代天然骨料，改變再生粗骨料的取代率，探究不同配合比對新拌再生混凝土的性能、試塊破壞形態和力學性能的影響規律，為相關再生混凝土的配合比研究提供借鑒。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

1）水泥：魚峰牌普通硅酸鹽水泥P·O32.5，28 d抗壓強度為35.6 MPa。

2）細骨料：天然河砂，中砂，粒徑為0.35～4.75 mm，含水率為5.68%，含泥量為0.92%，泥塊含量為0.15%，細度模數為2.65，表觀密度為2 689 kg/m3。

3）粗骨料：廢磚和廢混凝土取自柳州市城區改建項目拆除的磚混結構建筑，原混凝土設計強度等級為C30，原燒結磚的強度等級為MU10。再生廢磚骨料和再生廢混凝土骨料分別通過反擊式破碎機破碎，經篩分得到再生粗骨料。再生粗骨料制作過程見圖1。

4）水：取自柳州市飲用自來水。

1.2 再生骨料物理性能

破碎的再生骨料，其大小、粒徑不均勻連續且物理性能未知，需要按照規范進行再生粗骨料級配優化。

1.2.1 顆粒級配優化

廢磚和廢混凝土經過破碎后骨料大小不均，為保證得到再生粗骨料的良好級配，參照標準統一分揀粒徑為4.75～31.50 mm的再生粗骨料，粒徑范圍分別為4.759.50 mm、9.5019.00 mm、19.00～31.50 mm。對分揀后的再生粗骨料進行清洗、晾干后置于105 ℃的干燥箱中烘干至恒重。對再生骨料進行級配優化，廢磚和廢混凝土再生粗骨料各粒徑分別為4.759.50 mm、9.5019.00 mm、19.00～31.50 mm，級配比例為2∶5∶3，以使得再生粗骨料滿足規范對粒徑為4.75～31.5 mm粗骨料連續級配的要求。廢磚及廢混凝土再生粗骨料顆粒級配分別見表1和表2，級配曲線如圖2所示。

1.2.2 壓碎指標

壓碎指標是用于檢驗再生粗骨料的材料強度以保證再生混凝土試塊能夠達到強度要求。將廢磚和廢混凝土再生粗骨料在風干條件下制成氣干狀態、篩余為9.50～＜19.00 mm的粗骨料試樣，并去除針片狀骨料。取試樣[m0]=3 000 g于圓模內，以1 kN/s的速率加載至200 kN，并穩定5 s后卸載，通過孔徑2.36 mm的篩子稱剩余質量[m1]。壓碎指標[Qc]計算公式如下：

[Qc=m0-m1m0×100%]. （1）

式中：[Qc]為壓碎指標；[m0]和[m1]分別為試樣質量和壓碎后篩余試樣質量。

壓碎指標值越小則強度越高。經試驗得到廢磚和廢混凝土再生粗骨料的壓碎指標分別為29.5%和25.0%，屬于三類指標。

1.2.3 吸水率

依據規范分別取廢磚和廢混凝土再生粗骨料試樣各4 L，用篩孔為2.36 mm的篩子篩分后干燥至恒重后稱重，再將試樣浸沒于水中24 h制成飽和面干后稱重。再生粗骨料的吸水率[wa]計算公式如下：

[wa=m2-m3m3×100%]. （2）

式中：[wa]為吸水率；[m2]和[m3]分別為浸水和烘干試樣質量。

試驗測得廢磚和廢混凝土再生粗骨料的吸水率分別為14.3%和7.3%，在拌制混凝土時由于再生粗骨料的加入，將會降低流動性和黏聚性，甚至會影響膠凝材料的水化反應，從而影響混凝土拌制、運輸、施工和工程質量。

1.2.4 表觀密度與空隙率

分別取2種再生粗骨料試樣4 kg，經過風干處理后用標準篩來篩除粒徑小于4.75 mm的顆粒，使之浸水達到吸水飽和狀態，放入廣口瓶加水至液面凸出瓶口，用玻璃片切去凸出的水分并擦干瓶身，稱其總質量。后將試樣以（105±5） ℃烘干至恒重，冷卻至室溫后稱重。最后將廣口瓶按照上述步驟注滿水，稱其總質量。再生粗骨料的表觀密度[ρ0]計算公式如下：

[ρ0=（m4m4+m6-m5-αt）×ρ]. （3）

式中：[ρ0]為表觀密度；[m4]、[m5]和[m6]分別為試樣烘干后質量、在瓶中時的總質量和盛滿水的瓶質量；[αt]為修正系數；[ρ]為水的密度。

分別取2種再生粗骨料試樣，從容量筒上方50 mm處倒入桶中，當容量筒溢滿時停止加入試樣，除去筒頂凸出的試樣，選擇合適的粒徑試樣填充筒內凹陷部分，使得試樣與筒口大致平齊，稱其總質量。再生粗骨料的堆積密度[ρ1]計算公式如下：

[ρ1=m7-m8V]. （4）

式中：[ρ1]為堆積密度；[m7]為容量筒和試樣的總質量；[m8]為容量筒自身的質量；[V]為容量筒容積。

則再生粗骨料試樣的空隙率[V0]計算公式如下：

[V0=（1-ρ1ρ0）×100%]. （5）

試驗測得廢磚和廢混凝土再生粗骨料的表觀密度分別為2 415 kg/m3和2 630 kg/m3，骨料空隙率分別為53%和49%，可見再生粗骨料具有一定的密實度。

1.3 再生骨料附加用水量

廢磚和廢混凝土再生粗骨料經破碎而來，由于再生粗骨料本身具有很多孔隙，導致骨料本身的吸水能力增強。在拌制、運輸和澆筑中要求新拌再生混凝土具有一定的和易性，以保證再生粗骨料混凝土的流動性和強度指標，所以拌制用水量較普通混凝土不同?？紤]再生粗骨料的吸水性，本試驗引入的附加用水量為再生粗骨料從干燥狀態到飽和面干狀態吸收的水量。在新拌混凝土中加入附加水，使得混凝土有較好的和易性，得以在配置的各個環節滿足要求并達到較高的強度。

1.4 再生混凝土配合比設計

本試驗以廢磚和廢混凝土再生粗骨料經顆粒級配優化后完全替代天然粗骨料進行混凝土配合比設計，采用對照試驗法，參照《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ 55—2011）[18]，將廢磚和廢混凝土再生粗骨料以不同取代率配比再生混凝土試塊，選用相同的水膠比和砂率，水膠比為0.43，砂率為31%，廢磚和廢混凝土粗骨料再生混凝土的配合比具體參數見表3。

1.5 試驗方法

本文試驗首先測定了廢磚和廢混凝土再生粗骨料的參數指標，優化了骨料的顆粒級配，通過完全替代天然粗骨料并改變廢磚和廢混凝土再生粗骨料的替代比例來配置再生混凝土，檢測坍落度大小以評判流動性、黏聚性和保水性是否優良，并分析再生混凝土試塊的破壞形態和抗壓強度大小。

一種配合比制作3個150 mm×150 mm×150 mm立方體和3個150 mm×150 mm×300 mm棱柱體再生混凝土試塊，共計36個試塊，分別測試再生混凝土的抗壓強度和軸心抗壓強度。采用SJD-60型強制式單臥軸混凝土攪拌機拌制抗壓試塊，采用TYE-A數顯式電液壓力試驗機測試混凝土試塊的力學性能。

新拌混凝土的性能參照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》（GB/T 50080—2016）[19]，再生混凝土試塊的制作、養護和抗壓試驗加載參照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2019）[20]。

2 試驗結果及其分析

2.1 拌合物性能

新拌混凝土需滿足和易性，包括流動性、黏聚性和保水性3個方面，新拌混凝土要易于各個工序的拌制操作，最終形成質量均勻和成型密實的混凝土結構，保證混凝土結構的強度和耐久性。以坍落度為評判指標的流動性反映新拌混凝土的流動能力，直接影響混凝土的澆搗和水化、硬化質量；黏聚性是評判新拌混凝土是否離析的標準；保水性決定新拌混凝土是否產生泌水現象。

再生粗骨料的吸水率大會影響新拌再生混凝土的性能。為保證新拌再生混凝土具有良好的和易性，使再生混凝土的強度和密實度達到要求，本試驗采用附加用水的設計方法。首先分別向2種再生粗骨料中加入可以使之達到飽和面干狀態的附加用水量，拌制時先將砂、水泥與水攪拌成水泥砂漿后，再放入混合均勻的再生粗骨料中進行拌制以保證新拌再生混凝土各組分均勻分布，觀察新拌再生混凝土的性能以評判其和易性是否良好。

本試驗以坍落度來評判新拌再生混凝土的流動性，通過觀察新拌混凝土試樣的外觀狀態來判斷黏聚性和保水性是否良好，總體評價新拌再生混凝土的和易性。6種配合比的廢磚和廢混凝土粗骨料再生混凝土的坍落度和相關數據見表4。

從新拌再生混凝土和易性結果可以得出，因考慮再生粗骨料的吸水性能而引入附加用水量后，坍落度均能達到要求。隨著用水量的增大，坍落度增大，這與普通混凝土性質一致。通過附加水量可使新拌再生混凝土具有良好的和易性，可滿足新拌再生混凝土在拌制、運輸和施工過程中的要求。

新拌再生混凝土的坍落度與再生混凝土配合比的關系如圖3所示，由圖3可知，隨著廢混凝土再生粗骨料取代率的提高和廢磚再生粗骨料取代率降低，坍落度呈增高趨勢，廢混凝土再生粗骨料取代率與坍落度正相關，廢磚再生粗骨料取代率與坍落度負相關。表明廢磚再生粗骨料的增多會降低新拌再生混凝土的流動性，這是因為對于廢磚再生粗骨料而言，由于磚塊的孔洞較多，導致吸水率較高。通過前期的吸水率試驗可知，廢磚再生粗骨料吸水率是廢再生混凝土粗骨料的2倍，較高的吸水率使得新拌混凝土的坍落度變低。但總體而言，引入附加用水量可使再生混凝土的坍落度達到80 mm以上。100%廢磚粗骨料再生混凝土和100%廢混凝土粗骨料再生混凝土的坍落度有較大差異，但在拌制時已加入了相應的再生粗骨料的附加用水量，可見再生粗骨料的自身可吸收的水量并不等于在拌制混凝土時吸收的水量，應根據實際試驗確定。

2.2 破壞形態

廢磚和廢混凝土粗骨料再生混凝土立方體和棱柱體試塊破壞模式（見圖4）與普通混凝土試塊破壞相似。將再生混凝土在標準條件下養護28 d后進行加載，加載初期試塊處于彈性狀態，隨著荷載的增加，側面出現細小的豎向裂縫，待裂縫發展到一定的長度，進而開始沿斜向上下發展，達到試塊承載力極限時，試塊的破壞形態為對頂的2個較為完整的四棱錐體，是混凝土抗壓試塊的典型破壞模式。出現2個完整的四棱錐體是由于試塊放在壓力機的上下鋼板受壓時，鋼板的剛度較大且接觸面粗糙產生的摩阻力較大，對試塊有著約束作用，且離試塊受壓中心越近約束力越大，這種現象稱之為環箍效應。當再生混凝土試塊受壓面積相同時，試塊高寬比越大則抗壓強度越小，環箍效應越小，所以在棱柱體試塊的破壞中，四棱錐體較立方體試塊不明顯。

6種配合比的廢磚和廢混凝土粗骨料再生混凝土立方體試塊的破壞面形態（見圖5）與棱柱體試塊破壞面形態相似。配合比為RAC1、RAC2和RAC3的再生混凝土主要是由于廢磚再生粗骨料的破壞而發生試塊抗壓破壞，此3種配合比的試塊抗壓破壞面可見較多的廢磚再生粗骨料斷面，表明試塊破壞是由于壓應力超過了廢磚再生粗骨料的材料強度，致使廢磚再生粗骨料發生斷裂，廢磚再生粗骨料破斷面繼續發展累積，進而試塊破壞。從配合比為RAC4、RAC5和RAC6的再生混凝土試塊破環面上可以觀察到因黏結破壞而呈凸出狀的廢混凝土再生粗骨料，廢磚粗骨料斷面較少，這3種配合比試塊主要是水泥的水化和硬化基體與再生粗骨料之間的黏結面破壞，再生混凝土試塊的強度主要取決于水泥與廢混凝土再生骨料間的黏結強度。根據兩類破壞現象可得再生混凝土抗壓強度與再生粗骨料的自身強度有著直接的關系。

2.3 力學性能分析

再生混凝土抗壓強度試驗數值如表5所示?？箟簭姸扰c配合比的關系如圖6所示，通過抗壓強度與配合比曲線可知，再生混凝土RAC1—RAC6的抗壓強度隨著廢磚再生粗骨料的取代率的減小有所提高，100%廢混凝土粗骨料再生混凝土試塊較100%廢磚粗骨料再生混凝土試塊立方體和棱柱體抗壓強度分別提高了21.2%和18.1%。從本試驗觀察到的破壞形態來看，再生粗骨料的強度是影響再生混凝土抗壓力學性能的關鍵。廢磚再生粗骨料取代率較高的試塊的破壞是由于粗骨料的破壞導致試塊達到抗壓極限；廢混凝土再生粗骨料取代率較高的試塊的破壞是由于粗骨料與水泥基體的黏結破壞導致試塊達到抗壓極限。

3 結論

1）廢磚和廢混凝土經破碎和顆粒級配優化后制備的再生粗骨料具有一定的強度，能夠滿足再生骨料的基本要求，但存在吸水率較大和骨料強度有限的情況，這是由于再生骨料本身經破碎產生的孔洞和微裂縫導致的。

2）本試驗的再生混凝土配合比設計添加了附加用水量，附加水量取決于再生混凝土骨料的吸水率，但新拌混凝土坍落度較大，表明再生粗骨料在拌制時的吸水率不等于自身吸水率，附加水量沒有完全被再生骨料吸收，再生混凝土配合比用水量偏大，建議配比應根據實際情況進行試配，但加入附加用水量后，總體和易性較好。

3）廢磚和廢混凝土再生混凝土試塊的破壞形態與普通混凝土典型破壞模式相同，為2個對頂的四棱錐體，這說明2種再生粗骨料制備的混凝土中水泥基體與骨料的黏結性較好，能夠較好地傳遞應力，端板提供的摩阻力能夠通過骨料與水泥傳遞產生環箍效應。

4）采用本試驗的配合比制備的再生混凝土試塊抗壓強度能夠達到25 MPa以上，再生混凝土的強度隨廢磚再生骨料取代率的降低而增加。由于廢磚再生粗骨料強度低，當廢磚再生粗骨料取代率較高時，再生廢磚粗骨料的破壞決定混凝土試塊的破壞。

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Study on the mix proportion of recycled concrete with waste brick and waste concrete coarse aggregate

ZHANG Peng， ZHANG Bo， DENG Yu， CHEN Siyuan， HAO Yuxi， GUO Zhen

（School of Civil Engineering and Architecture， Guangxi University

of Science and Technology， Liuzhou 545006， China）

Abstract： In order to explore the mix proportion of a recycled concrete with coarse aggregate made of waste bricks and waste concrete， and to completely replace natural coarse aggregate with recycled coarse aggregate， six recycled concrete mix proportions were designed by changing the replacement rate of recycled coarse aggregate. The recycled coarse aggregate and 36 recycled concrete test blocks were prepared. And the compressive strength of the test blocks was measured respectively. The physical properties of the recycled coarse aggregate， the workability of the fresh concrete， the failure morphology and mechanical properties of test blocks were analyzed. The test results show that adding water to recycled concrete at a fixed water binder ratio can make fresh concrete have good workability and meet the requirements of mixing， transportation and pouring of fresh concrete; When the proportion of recycled coarse aggregate of waste bricks is high， the crushing failure of recycled coarse aggregate of waste bricks will lead to the destruction of test blocks; when the proportion is low， the bonding failure of coarse aggregate and cement will lead to the destruction; The compressive strength of recycled concrete test block decreases with the increase of replacement rate of coarse aggregate of waste brick; The compressive strength of the cube of recycled concrete test blocks with 6 mix proportions can reach more than 25 MPa when the water cement ratio is 0.43.

Key words： recycled concrete; mix proportion; waste bricks; waste concrete; recycled coarse aggregate; compressive strength

（責任編輯：羅小芬）