再生骨料粒徑對堆石混凝土性能的影響研究

【摘要】為擴大再生骨料應用，采用堆石混凝土技術，將再生粗骨料作為堆石，再生細骨料制備再生自密實砂漿填充堆石，研究不同粒徑再生細骨料對砂漿和堆石混凝土力學性能和耐久性的影響。結果表明，再生自密實砂漿的強度受骨料粒徑影響，標準養護抗壓強度高。含0.15～1.18 mm再生骨料堆石混凝土具有最高強度和抗凍性，再生砂漿強度與再生堆石混凝土強度之間不存在顯著相關性。

【關鍵詞】建筑廢棄物； 再生骨料； 堆石混凝土； 自密實砂漿

【中圖分類號】X799.1A

0 引言

隨著建筑行業的發展和城市化進程的加快，對建筑材料特別是對混凝土的需求巨大，一方面，新建建筑需要消耗大量的砂石骨料；另一方面，老舊建（構）筑物因使用壽命到期而拆除也產生了大量的建筑固體廢棄物。建筑固廢主要包括廢舊混凝土、磚塊、石料等，其中廢舊混凝土占比最多。據統計，每1000 m2建筑施工面積平均可產生55 t建筑垃圾，而拆除相同面積的建筑平均產生800 t建筑垃圾［1］。我國建筑垃圾已超過城市垃圾總量40%，預計到2026年，建筑垃圾將突破40億t［2-3］。目前，我國對建筑垃圾的處置方式局限于簡單堆積與填埋，隨之帶來了一系列的環境問題，并造成了寶貴土地資源的浪費。一些學者研究發現，將建筑垃圾用于制備再生混凝土可以解決建筑固廢資源化利用問題，具有重要的經濟效益和社會效益，降低環境污染，節約天然資源［4-6］。

現階段，將廢舊混凝土進一步破碎分級、粉磨處理制備再生粗骨料/細骨料或再生微粉是對建筑垃圾資源化利用的主要技術手段。但與傳統天然礦物骨料相比，再生骨料存在吸水率高、壓碎指標高、表觀密度小等特性，使得制備的再生混凝土力學性能較低，耐久性差，這主要是由于再生骨料表面黏附部分水泥砂漿，缺陷多，孔隙率高所造成的［7-10］。經多次破碎粉磨的再生骨料暴露了更多的界面，聚集了更多的微裂紋等缺陷，一些用來增強再生骨料品質的物理或化學改性方法被證明是有效的，但增加了額外經濟成本和時間成本［11-13］。

堆石混凝土（Rock-filled concrete， RFC）是一種基于自密實混凝土的新型大體積混凝土施工技術，其特殊之處在于先向模板填/投大尺寸塊石（粒徑大于300 mm），再向堆石體形成的空腔中灌注具有良好流動性和抗離析性的自密實混凝土，最終形成具有低水化熱和高體積穩定性的堆石混凝土［14-16］。與普通混凝土相比，堆石混凝土單位體積水泥用量少，施工工藝簡單，綜合造價低，被廣泛用于大體積水工混凝土，水下混凝土以及水下修補工程。自密實混凝土的填充性能是影響堆石混凝土性能的重要因素，而自密實混凝土中的骨料粒徑對填充性具有直接影響。因此，本文以再生粗骨料為堆石，再生細骨料制備的再生自密實砂漿填充堆石，研究不同粒徑范圍再生細骨料對砂漿力學性能，以及堆石混凝土力學性能與耐久性影響。

1 試驗

1.1 原材料

1.1.1 水泥

試驗所用水泥為廣東南方水泥P·O 42.5R普通硅酸鹽水泥，其粒度分布見圖1，特征粒徑D10， D50， D90分別為3.1 μm、16.4 μm、45.6 μm。粒徑為24.1 μm的顆粒占比最多，達到總量的5.4%。密度為3.03 g/cm3，比表面積為3.8 m2/g。水泥的化學成分分析結果如表1所示。

1.1.2 粉煤灰（Fly ash， FA）

實驗所用粉煤灰來自惠州平海電廠風選Ⅱ級粉煤灰。

1.1.3 再生骨料

再生粗骨料（19～37.5 mm）和再生細骨料（Recycled fine aggregate， RFA）來源于廣東省某處道路拆除破碎后的廢棄混凝土塊見圖2（a），經錘式破碎機見圖2（b）粉碎、篩分得到見圖2（c）。為進一步研究不同粒徑范圍再生細骨料制備的自密實砂漿對堆石混凝土性能的影響，利用搖篩機分別制備了粒徑范圍為0.15～2.36 mm（RFA1），0.15～1.18 mm（RFA2），1.18～4.75 mm（RFA3），2.36～4.75 mm（RFA4）四種再生骨料。

1.1.4 水和外加劑

實驗用水為自來水，減水劑來自西卡公司聚羧酸粉體減水劑。

1.2 試驗方法

再生自密實砂漿（Recycled self-compacting mortar， RSCM）選用PO42.5R水泥與粉煤灰組成膠凝材料，其中粉煤灰占40%。膠砂比為1∶1，水膠比為0.4。通過調整聚羧酸減水劑的摻量使得砂漿的初始流動度保持一致，配合比見表2。

再生自密實砂漿流動度與抗折抗壓強度按照GB/T 50448-2008 《水泥基灌漿材料應用技術規范》執行，其中養護制度分為水養（20±2） ℃和標準養護箱（20±2） ℃， （95±3） %兩種方式。再生堆石混凝土抗壓強度與抗凍試驗分別按照GB/T 50081-2019 《混凝土物理力學性能試驗方法標準》與GB/T 50082-2009 《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》執行。

2 結果與討論

2.1 再生自密實砂漿力學性能

再生自密實砂漿不同齡期抗折強度如圖3所示，可以看出再生細骨料的粒徑變化造成了砂漿抗折強度的變化，RSCM-3和RSCM-4含有較粗粒徑砂漿的強度明顯低于含較細粒徑砂漿的強度。這可以歸因于粗粒徑再生骨料比細粒徑再生骨料具有更小的比表面積，需要被包裹的漿體量更少，而總的漿體量是固定的，這就使得骨料與漿體間富余漿體更多，弱化了漿體與骨料之間的粘結，最終造成抗折強度的降低［17］。隨著養護齡期的增加，各砂漿的抗折強度均有增加，其中7～28 d齡期增加最顯著，在水養條件下，RSCM-1，RSCM-2，RSCM-3和RSCM-4抗折強度分別增長了22.7%、30.6%、24%和36.3%；標養條件下分別增長了19.5%、41.5%、36.7%和31.3%。砂漿28d～56d齡期強度增長變慢，其中水養和標養條件下抗折強度分別增長了2%～10%和0%～21%。從長期來看，養護制度對砂漿抗折強度的影響不顯著。

再生自密實砂漿不同齡期抗壓強度如圖4所示，與抗折強度不同，養護制度的不同對砂漿的抗壓強度產生了明顯影響，標養條件下砂漿的抗壓強度高于水養條件。其中7 d齡期砂漿標養強度比水養增加了5%～7%（除RFC-2），28 d齡期砂漿標養強度比水養增加了4%～21%（除RFC-3），56 d齡期砂漿標養強度比水養增加了7%～9%（除RFC-4）。這說明在95%相對濕度環境下更有利于水泥熟料的水化［18］。與抗折強度相似，砂漿早期抗壓強度的增長速率也高于后期，這與水泥熟料的水化歷程一致。還可以從圖4看出，含粗粒徑再生骨料的自密實砂漿抗壓強度低于含細粒徑骨料砂漿，這可能與含細粒徑骨料砂漿具有良好的顆粒級配有關。

2.2 再生堆石混凝土性能

堆石混凝土各齡期的抗壓強度如圖5所示，可以發現樣品RFC-2各齡期強度最高，說明含粒徑0.15～1.18 mm再生骨料配置的自密實砂漿澆筑堆石形成的混凝土力學性能最好，28 d強度等級介于C35—C40。同時也說明決定堆石混凝土填充性能的關鍵因素為自密實砂漿骨料的最大粒徑，粒徑越小，可充填能力越大［19］。從圖6來看，RFC-1和RFC-2破壞斷面大部分是堆石內部，而RFC-3和RFC-4破壞斷面大多位于堆石與砂漿界面，這說明前者自密實砂漿與堆石界面具有更好的粘接性能。

圖7展示了再生自密實砂漿與對應堆石混凝土抗壓強度對比，可以看出堆石混凝土強度均低于灌注砂漿的強度，且提高灌注砂漿的強度不一定提升堆石混凝土的強度。其中RSCM-1和RSCM-3養護28天抗壓強度均比RSCM-2高出9%，但是與之對應的堆石混凝土28天強度分別比RFC-2低26%和20%。因此，再生自密實砂漿的強度并不能直接決定堆石混凝土的強度。堆石混凝土與自密實砂漿7天、28天和56天的抗壓強度線性關系如圖8所示，可以看出兩者之間不存在顯著的線性關系，堆石混凝土的強度可能取決于堆石骨料與砂漿之間的界面性質。

堆石混凝土抗凍試驗（快凍法）結果見圖9。可以看出，所以試件在50次凍融循環后，質量損失率均大于5%。其中RFC-2樣品質量損失為6.15%，是所有樣品中最低的。這一結果也說明力學強度與耐久性之間存在一定相關性。圖10展示了50次凍融循環后各試件的形貌，可以看出只有RFC-2保留了比較完整的形貌，其余試件均出現試件缺失。

3 結論

（1）再生自密實砂漿的抗折和抗壓強度受骨料粒徑影響明顯，含粗骨料砂漿強度低于含細骨料砂漿強度。其中標準養護抗壓強度高于水養，早期強度增長速率高于后期。

（2）堆石混凝土的力學強度和耐久性受自密實砂漿骨料粒徑影響。含0.15～1.18 mm粒徑再生骨料配置的混凝土具有最高抗壓強度和抗凍性。再生自密實砂漿強度不能直接決定堆石混凝土強度。

參考文獻

［1］ 曹元輝，王勝杰，王勇，等.我國建筑垃圾綜合利用現狀及未來發展趨勢［J］.中國建材，2021（9）：118-121.

［2］ 王信鴿，何廷樹，張凱峰，等.建筑垃圾資源化利用技術研究現狀［J］.商品混凝土，2018（10）： 34-36.

［3］ 前瞻產業研究院.2021—2026年中國建筑垃圾處理行業發展前景與投資戰略規劃分析報告［R］.深圳：深圳前瞻產業研究院有限公司，2021.

［4］ 杜婷，李惠強，郭太平，等.廢棄混凝土再生骨料應用的經濟性分析［J］.新型建筑材料，2006（6）：30-33.

［5］ 徐亦冬，吳萍，周士瓊.粉煤灰再生混凝土生命周期評價初探［J］.混凝土，2004（6）：29-32.

［6］ 肖建莊，馬旭偉，劉瓊，等.全再生混凝土概念的衍化與研究進展［J］.建筑科學與工程學報，2021，38（2）：1-15.

［7］ 李秋義，李云霞，朱崇績，等.再生混凝土骨料強化技術研究［J］.混凝土，2006（1）：74-77.

［8］ 肖建莊，林壯斌，朱軍.再生骨料級配對混凝土抗壓強度的影響［J］.四川大學學報（工程科學版），2014，46（4）：154-160.

［9］ 朱紅兵，趙耀，雷學文，等.再生混凝土研究現狀及研究建議［J］.公路工程，2013，38（1）：98-102.

［10］ 鮑玖文，于子浩，張鵬，等.再生粗骨料混凝土及其構件抗凍性能研究進展［J］.建筑結構學報，2022，43（4）：142-157.

［11］ 王亞松，覃鈴玲，李松，等.建筑垃圾再生骨料改性技術研究進展［J］.混凝土與水泥制品，2022（9）：99-105.

［12］ 郝小虎，張家廣，李珠，等.基于巴氏芽孢桿菌礦化沉積的再生骨料改性試驗研究［J］.混凝土，2018，0（10）：70-73.

［13］ 王二成，于蓮皓，姜新佩，等.化學溶液預處理再生粗骨料對再生混凝土改性的影響［J］.硅酸鹽通報，2022，41（12）：4310-4317，4323.

［14］ 徐小蓉，金峰，周虎，等.堆石混凝土筑壩技術發展與創新綜述［J］.三峽大學學報：自然科學版，2022，44（2）：1-11.

［15］ 金峰，安雪暉，石建軍，等.堆石混凝土及堆石混凝土大壩［J］.水利學報，2005，36（11）：1347-1352.

［16］ 黃綿松，周虎，安雪暉，等.堆石混凝土綜合性能的試驗研究［J］.建筑材料學報，2008，11（2）：206-211.

［17］ 鄧勇軍， 姚勇， 陳代果， 等. 卵石骨料-砂漿界面黏結強度試驗方法研究［J］. 西南科技大學學報， 2016， 31（2）： 39-43.

［18］ 田麗， 毛永琳， 閻坤. 不同養護條件對混凝土抗壓強度的影響［J］. 工程地質學報， 2007， 15（S1）： 593-596.

［19］ 安雪暉， 金峰， 石建軍. 自密實混凝土充填堆石體試驗研究［J］. 混凝土， 2005 （1）： 3-6.