建筑垃圾再生粗骨料混凝土性能研究

馬勇

（中鐵建設集團有限公司 基礎設施事業部，北京 100040）

0 引言

目前，建筑垃圾已成為城市垃圾中占比最大的部分，占城市垃圾總量的40%以上。對于如此大量建筑垃圾，如果不進行及時回收利用會對生態環境造成污染，同時也會造成較嚴重的資源浪費。相關人員開展了建筑垃圾再生利用方面的研究［1-5］，特別是建筑垃圾再生骨料混凝土技術已經成為各方關注的焦點。建筑垃圾中的廢棄物在經過必要的分揀、篩除、粉碎之后絕大多數可以作為再生資源重新進行使用。以現澆結構建筑垃圾作為骨原料進行相應的試驗分析，期望能夠為建筑垃圾再生粗骨料制備混凝土提供相應參考依據。

1 原材料試驗

1.1 骨料級配

建筑垃圾存在大量鋼筋、混凝土、磚瓦等材料，先對這些物質實施分揀、破碎以及篩分。通過分揀將建筑垃圾鋼筋分離，通過破碎將較大混凝土垃圾分解成為小塊，之后對其實施篩分［6］。對建筑垃圾人工分揀后，利用小型破碎機進行垃圾破碎以及篩分，以《普通混凝土用碎石或卵石質量標準及檢驗方法》為標準，明確普通小型砌塊混凝土骨料顆粒級配情況（見表1）。

表1 骨料顆粒級配推薦值

由表1 可知，混合骨料中粒徑＜4.75 mm 的細骨料達到60%左右，粒徑＞4.75 mm 的粗骨料達到40%左右，并且粗骨料粒徑在4.75～9.50 mm 砂率達到60%，已超出《普通混凝土配合比設計規程》中規定的最高限值（41%）。出現這種情況是因為建筑垃圾再生骨料更多應用在小型混凝土砌塊和其他塊狀構件材料中，因此粗骨料相對較少，砂率有所提升［7］。

1.2 再生粗骨料及天然粗骨料表觀密度、堆積密度、孔隙率分析

對粒徑＞4.75 mm 的再生粗骨料實施多次檢測，采用簡易法對其進行測量后計算平均值，能夠得到粒徑=4.75 mm 再生粗骨料的表觀密度、堆積密度、孔隙率值。對同樣粒徑的天然、再生粗骨料進行試驗對比，得到表觀密度、堆積密度以及孔隙率的對比結果（見表2）。

表2 天然粗骨料和再生粗骨料試驗對比

由表2可知，相對于天然粗骨料，再生粗骨料的表觀密度及堆積密度均降低，其中表觀密度降低近19%，堆積密度降低近6%，但孔隙率提升近5%。這種現象主要是因為再生粗骨料表面存在一層水泥砂漿，孔隙內部存在素水泥砂漿。從表觀密度看，再生粗骨料達到天然粗骨料的80%以上，符合GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》中有關Ⅱ類再生粗骨料的要求［8］。

1.3 再生粗骨料及天然粗骨料壓碎值分析

壓碎值是判定水泥混凝土用粗骨料質量的重要指標，通過水泥混凝土用粗骨料壓碎值可判定碎石或卵石抵抗壓碎的性能，在此基礎上可以推測其強度。試驗通過壓碎指標值測定儀進行天然、再生粗骨料的測試，通過測試結果可知，再生、天然粗骨料壓碎值分別為20.5%、17.9%。再生粗骨料壓碎值明顯大于天然粗骨料壓碎值，說明再生粗骨料的強度相對較低。產生這種現象的主要原因：

（1）建筑垃圾在進行破碎時需要進行振搗，在一定程度上破壞了再生粗骨料的堅硬程度，從而造成再生粗骨料相對于天然粗骨料更容易破碎。

（2）再生粗骨料表面存在孔隙率相對較大的水泥砂漿并且粘結相對較弱，一旦受到外部影響容易破碎。

1.4 再生粗骨料對混凝土抗壓強度影響

研究表明：再生粗骨料混凝土的抗壓強度和再生粗骨料的替代率密切相關，當再生粗骨料替代率＜30%時，再生、普通粗骨料混凝土抗壓強度差距＜8%，如果再生粗骨料替代率繼續提高，其抗壓強度隨著再生粗骨料替代率的增大而降低。再生粗骨料50%取代天然粗骨料時，再生粗骨料混凝土抗壓強度降低5%～20%；再生粗骨料100%取代天然粗骨料時，再生粗骨料混凝土抗壓強度降低較多，最大降幅達到30%。同時相關試驗表明：由于再生、天然粗骨料混凝土的骨料成分不同，抗壓強度隨齡期的增長變化也不相同，與天然粗骨料混凝土相比，同一水灰比再生粗骨料混凝土的28 d 抗壓強度約低15%，但其相差幅度會隨著齡期的增長而慢慢縮小。

2 再生粗骨料混凝土試驗

再生粗骨料混凝土是指用再生粗骨料取代天然粗骨料的混凝土，雖然經過必要處理可以一定程度上提升再生粗骨料的性能，但相對于天然粗骨料還有不足，采用再生粗骨料配置的混凝土性能也會下降。為了確保所制混凝土的性能，細骨料全部采用天然砂，粗骨料采用不同取代率來配置混凝土。

2.1 配合比分析

2.1.1 原材料分析

（1）試驗所用水泥為普通硅酸鹽水泥（強度等級為42.5 MPa），相應指標滿足標準規范要求。

（2）試驗所用再生粗骨料顆粒：水泥漿包裹的石子含量為51%、碎磚塊含量為33%、純水泥砂漿含量為11%，其他雜質含量約為5%，再生粗骨料基本性能指標見表3。

表3 再生粗骨料基本性能指標

（3）粉煤灰采用Ⅱ級粉煤灰，細骨料采用較好級配的中砂，碎石采用連續級配的石灰巖碎石，所用水為符合標準的自來水。

2.1.2 試驗內容

為了能夠選出各原材料的最佳摻量，試驗按表4設計摻量，各原材料用量見表5。

表4 正交設計表 %

表5 各原材料用量 kg/m3

因為再生粗骨料表面存在大量孔隙，所以在試驗前先對再生粗骨料進行潤濕，確保其達到飽和狀態，之后按照不同階段投入不同材料。首先投入細骨料、水泥以及粉煤灰等，攪拌均勻之后加水，在砂漿充分攪拌均勻之后再投入粗骨料，將其攪拌均勻。一般情況下每次攪拌時間在90 s以上，以確保其均勻性［9］。

2.1.3 試驗結果分析

按再生粗骨料中不同原材料用量分9組混凝土進行試驗，試驗結果見表6。

表6 試驗結果

（1）上述9組試驗混凝土都具有較好的和易性，符合施工標準規范要求，但是7 組粘聚性相對較差，8 組存在一定的泌水現象。產生這些現象的主要原因在于2組水泥和細骨料用量相對較少，從而造成水泥漿稀釋程度較大，粘結力相對較差，容易產生泌水。

（2）通過極差分析的方式能夠獲得再生粗骨料摻量、粉煤灰摻量、水膠比等因素對混凝土性能的影響（見表7）。

表7 極差分析結果 %

由表7可知，水膠比是影響再生粗骨料混凝土坍落度的主要因素，粉煤灰摻量是影響彈性模量以及強度的主要因素。

2.2 強度分析

試驗主要針對混凝土小型砌塊進行，參照《混凝土用再生粗骨料》設定具體配合比。水泥∶砂子∶石子∶水=160∶703∶894∶119。按照混凝土試驗具體操作流程將拌合之后的混凝土澆筑到100 mm×100 mm×100 mm 的模具中，經過必要的振搗之后對其進行必要養護（確保養護條件達到溫度（20±2）℃、濕度＞95%）。在經過標準養護（28 d）之后測得混凝土試塊抗壓強度達到10.2 MPa。試驗表明：通過建筑垃圾再生粗骨料代替天然粗骨料可以滿足常規混凝土抗壓要求［10］。

2.3 耐久性分析

由于再生粗骨料骨質與天然粗骨料骨質相比稍顯疏松，而且粗骨料在破碎過程中存在微裂縫，這些使再生粗骨料混凝土在冬季惡劣環境條件下，容易遭受到凍害。因此采用摻加外加劑的方法來改善抗凍性，得到了較好的效果。抗凍劑采用YJ-4 型高效防凍劑，對設計強度等級為C30 的再生混凝土，摻加了YJ-4 型高效防凍劑后，其強度能夠在控制溫度為-（10±1）℃的養護環境中得以繼續發展，水泥水化仍可進行，但由于水泥水化的速度與溫度成正比，即溫度越高，水泥水化速度越快，因此在負溫下養護水泥水化速度非常慢，即再生粗骨料混凝土的強度發展比較緩慢，且不存在轉折點，強度發展比較平穩。摻入防凍劑后各項指標見表8。

表8 摻入防凍劑后各項指標

3 結束語

建筑垃圾再生粗骨料混凝土的有效應用能夠大大節約自然資源，并且可以降低建筑垃圾對環境的污染，具有非常好的應用前景。為明確此混凝土的性能，對再生粗骨料混凝土進行相應試驗，明確了此種混凝土具有較好的和易性，明確了水膠比、粉煤灰摻量等對其性能的影響，同時得到了再生粗骨料混凝土強度符合標準的結論，能夠對建筑垃圾再生粗骨料混凝土的推廣應用提供一定參考和幫助。