海洋工程再生磚混骨料的性能測試及級(jí)配優(yōu)化

張博，韋華棟，孟濤，趙羽習(xí)，張?jiān)曝?cái)

（1.浙江大學(xué) 舟山海洋研究中心，浙江 舟山 316021；2.浙江大學(xué)，浙江 杭州 310058；3.舟山市金科資源再生有限公司，浙江 舟山 316021）

0 前 言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界范圍內(nèi)建筑業(yè)消耗的粗石、礫石和砂占了40%[1]。與此同時(shí)，目前世界年產(chǎn)建筑垃圾約160億t，其中我國高達(dá)24億t[2]。但是，我國對建筑垃圾的處置和回收利用一直沒有引起足夠重視，建筑垃圾資源化率較低，與歐盟、日本和韓國等國家和地區(qū)相比，還存在較大差距[3]。因此必須加強(qiáng)建筑固廢合理處理和利用方面的相關(guān)研究，減少不可再生資源的消耗，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

我國當(dāng)前拆除的建筑物中，存在許多磚混結(jié)構(gòu)，此類再生骨料中除了混凝土和砂漿的碎塊外，還含有大量的廢棄黏土磚，具有吸水量大、壓碎指標(biāo)高、性能穩(wěn)定性差等特點(diǎn)[4]。利用此類再生磚混骨料生產(chǎn)混凝土的關(guān)鍵在于研究其組成，特別是各組分在混凝土體系中的影響及調(diào)整方法[5-6]，同時(shí)，也要注意磚混再生混凝土與普通再生混凝土在組成、力學(xué)性能等方面的差異[7]。目前，國內(nèi)很多專家學(xué)者已經(jīng)開始針對再生磚混骨料展開研究。趙連地[8]將磚混類再生骨料用于半剛性基層，研究分析其疲勞性能、水穩(wěn)定性等路用性能。高琦等[9]通過對磚混材料再生骨料基本性能的長期分析，采用正交試驗(yàn)進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，分析不同因素對強(qiáng)度的影響機(jī)理。李飛等[10]的研究發(fā)現(xiàn)，再生磚骨料混凝土的強(qiáng)度隨著水膠比增大而降低，砂的細(xì)度模數(shù)對所配制的混凝土影響較大。

海洋工程中的混凝土結(jié)構(gòu)往往會(huì)受海洋環(huán)境的影響。其中，海水中的氯離子和硫酸根離子是影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素[11]。氯離子會(huì)使鋼筋表面發(fā)生脫鈍而引起鋼筋腐蝕，而硫酸根離子會(huì)和水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)，導(dǎo)致混凝土開裂[12]。已有統(tǒng)計(jì)表明，由于海洋工程混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題，如鋼筋銹蝕、結(jié)構(gòu)承載力降低等導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失表現(xiàn)出逐年加劇的趨勢[13]。我國海域廣闊，沿海地區(qū)面積約占國土總面積的14%[14]，許多建筑物及大型工程密集于此。因此通過海洋工程建筑固廢破碎得到的再生骨料，其性能有別于普通的再生骨料，在進(jìn)行可利用性研究時(shí)需特別關(guān)注這些問題。

目前，對磚混類固廢的研究還處于起步階段，而對于海洋磚混類固廢的研究則幾乎為空白。因?yàn)楹Ｑ蟓h(huán)境的特殊性，在應(yīng)用于再生混凝土前，需對此類再生骨料進(jìn)行針對性的研究。本文以海洋工程再生磚混骨料為基礎(chǔ)，對其進(jìn)行分類以及性能測試，并利用骨料自身特點(diǎn)及最緊密堆積密度試驗(yàn)對海洋工程再生磚混骨料的級(jí)配進(jìn)行優(yōu)化。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

再生骨料：來源于舟山市定海區(qū)拆遷工程產(chǎn)生的建筑固廢。將其按粒徑分成3類：粒徑18~32 mm的粗粒徑骨料、粒徑10~18 mm的中粒徑骨料、粒徑＜10 mm的細(xì)粒徑骨料，如圖1所示。

圖1 按粒徑劃分的再生骨料

1.2 組成分類試驗(yàn)

每種粒徑骨料取2個(gè)試樣，通過人工挑選的方法對其中大于4.75 mm的顆粒進(jìn)行組成分類試驗(yàn)，測試各成分含量，如圖2所示。取2次試驗(yàn)結(jié)果的算術(shù)平均值作為測試值。

圖2 組成分類試驗(yàn)

1.3 有害物質(zhì)含量測試

細(xì)粒徑骨料的有害物質(zhì)含量按照GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》進(jìn)行測試。測試硫酸根含量時(shí)，取樣烘干粉磨，篩除大于75 μm的顆粒，稱取粉狀試樣1 g，倒入燒杯，加入20~30 ml水及10 ml稀鹽酸，加熱至沸騰，待試樣充分分解后過濾并洗滌。加入水至200 ml，煮沸后，加10 ml 10%的氯化鋇溶液，繼續(xù)煮沸數(shù)分鐘，靜置至少4 h后，過濾并洗滌至氯離子反應(yīng)消失。將沉淀物及濾紙反復(fù)灼燒直至恒量，然后計(jì)算結(jié)果。測試氯離子含量時(shí)，取樣烘干，稱取500 g倒入磨口瓶，并注入500 ml水，蓋上塞子后搖動(dòng)使氯鹽充分溶解。將上部已澄清的溶液過濾，吸取50 ml濾液注入三角瓶，加入5%鉻酸鉀指示劑1 ml，用硝酸銀標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至呈現(xiàn)磚紅色為止。按相同方法進(jìn)行空白試驗(yàn)作為對照，然后計(jì)算結(jié)果。

粗、中粒徑骨料的有害離子含量按照GB/T 14685—2011《建設(shè)用卵石、碎石》進(jìn)行測試，具體試驗(yàn)方法參照細(xì)粒徑骨料。

1.4 壓碎值測試

粗、中粒徑骨料的壓碎值按照GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》進(jìn)行測試。取樣風(fēng)干后篩除大于19 mm及小于9.5 mm的顆粒以及針、片狀顆粒，裝入圓模，然后置于壓力試驗(yàn)機(jī)上加載。之后取下加壓頭，篩除被壓碎的細(xì)粒，計(jì)算壓碎值，如圖3所示。取3次試驗(yàn)結(jié)果的算術(shù)平均值作為測試值。

圖3 壓碎值測試

細(xì)粒徑骨料的壓碎值按照GB/T 25176—2010《混凝土和砂漿用再生細(xì)骨料》進(jìn)行測試。取樣烘干后，篩除大于4.75 mm及小于300 μm的顆粒，然后篩分成300~600 μm、600 μm~1.18 mm、1.18~2.36 mm及2.36~4.75 mm四個(gè)粒級(jí)，分別測試計(jì)算各粒級(jí)的壓碎值，取3次試驗(yàn)結(jié)果的算術(shù)平均值作為測試值。

1.5 密度測試

1.5.1 表觀密度

粗、中粒徑骨料的表觀密度按照GB/T 25177—2010進(jìn)行測試。取樣風(fēng)干后篩除小于4.75 mm的顆粒，浸水飽和。裝入廣口瓶，然后加滿水，稱量總質(zhì)量。將試樣倒出，并烘干，稱量其質(zhì)量。將廣口瓶重新倒?jié)M水，稱量總質(zhì)量，如圖4所示，然后計(jì)算表觀密度。細(xì)粒徑骨料的表觀密度按照GB/T 25176—2010進(jìn)行測試，測試方法同上。

圖4 粗骨料表觀密度測試

1.5.2 堆積密度與空隙率

（1）松散堆積密度

按照GB/T 25177—2010、GB/T 25176—2010進(jìn)行測試。取樣（細(xì)粒徑骨料要篩除大于4.75 mm的顆粒），倒入容量筒中，除去凸出容量口表面的顆粒，并以合適的顆粒填入凹陷部分，使表面稍凸起部分和凹陷部分的體積大致相等，稱量試樣和容量筒總質(zhì)量，計(jì)算松散堆積密度以及空隙率。

（2）緊密堆積密度

取試樣1份，分3次（細(xì)粒徑骨料分2次）裝入容量筒，每次放完顛實(shí)后再放下一次。裝填完畢后，刮去高出的試樣，并用適合的顆粒填平凹陷部分，使表面稍凸起部分與凹陷部分的體積大致相等。稱取試樣和容量筒的總質(zhì)量，計(jì)算緊密堆積密度以及空隙率。

1.6 顆粒級(jí)配試驗(yàn)

粗、中粒徑骨料的顆粒級(jí)配按照GB/T 25177—2010進(jìn)行測試。取烘干后試樣，采用按孔徑大小從上到下的套篩進(jìn)行篩分，稱出各號(hào)篩的篩余量，計(jì)算分計(jì)篩余和累計(jì)篩余，評定該試樣的顆粒級(jí)配。

細(xì)粒徑骨料的顆粒級(jí)配按照GB/T 25176—2010進(jìn)行測試。取樣后篩除大于9.5 mm的顆粒（并計(jì)算出篩余百分率），用與上述相同的方法進(jìn)行篩分。稱出各號(hào)篩的篩余量，計(jì)算分計(jì)篩余和累計(jì)篩余，評定該試樣的顆粒級(jí)配，并計(jì)算細(xì)度模數(shù)。

1.7 級(jí)配優(yōu)化試驗(yàn)

首先對再生磚混粗粒徑骨料與再生磚混中粒徑骨料進(jìn)行最緊密堆積密度試驗(yàn)，按100∶10的質(zhì)量比分別稱量粗、中粒徑骨料，混合均勻后按1.5.2操作步驟進(jìn)行，記錄該混合比例下的緊密堆積密度。然后逐步增加中粒徑骨料的摻量，重復(fù)上述步驟，直到緊密堆積密度有明顯下降為止，停止試驗(yàn)。緊密堆積密度最大值時(shí)的混合比例即為再生磚混粗粒徑骨料與再生磚混中粒徑骨料的混合比例。

確定粗、中粒徑骨料的混合比例后，再確定再生磚混細(xì)粒徑骨料的摻量。先將再生粗、中粒徑混合骨料與再生細(xì)粒徑骨料按100∶10的質(zhì)量比混合，重復(fù)之前的步驟，直到緊密堆積密度有明顯下降為止，停止試驗(yàn)。緊密堆積密度最大值時(shí)的混合比例即為再生磚混骨料的混合比例。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 分類試驗(yàn)

粗、中、細(xì)粒徑骨料的分類試驗(yàn)結(jié)果見表1~表3。

表1 粗粒徑骨料分類試驗(yàn)結(jié)果

表3 細(xì)粒徑骨料分類試驗(yàn)結(jié)果 %

從表1可以看出，粗粒徑骨料的主要成分為混凝土（包裹著砂漿的石子）、磚、以及少量瓷片，其余雜質(zhì)含量較少。其中混凝土占82.22%，集中在9.75~31.5 mm范圍內(nèi)。

從表2可以看出，中粒徑骨料的主要成分與粗粒徑骨料一致，但是磚含量增加到了21.89%，粒徑集中在9.5~16 mm范圍。

表2 中粒徑骨料分類試驗(yàn)結(jié)果

對于細(xì)粒徑骨料，由于4.75 mm以下顆粒難以區(qū)分，故只對4.75 mm以上顆粒進(jìn)行分類試驗(yàn)。從表3可以看出，細(xì)粒徑骨料中4.75 mm以上顆粒主要成分為混凝土和磚。

2.2 基礎(chǔ)性能試驗(yàn)（見表4）

表4 骨料基礎(chǔ)性能試驗(yàn)結(jié)果

如表4所示，根據(jù)GB/T 25177—2010、GB/T 25176—2010對骨料的要求，可以發(fā)現(xiàn)：

（1）粗粒徑骨料的壓碎值較中、細(xì)粒徑骨料要小，這是因?yàn)榇至焦橇现写u的含量相對較少，而磚的強(qiáng)度較混凝土低，所以粗粒徑骨料的強(qiáng)度較高。按照壓碎值測試結(jié)果，粗、細(xì)粒徑骨料屬于Ⅱ類，中粒徑骨料屬于Ⅲ類。

（2）粗、中粒徑骨料的表觀密度＞2450 kg/m3，屬于Ⅰ類；細(xì)粒徑骨料的表觀密度＞2350 kg/m3，屬于Ⅱ類。

（3）根據(jù)空隙率測試結(jié)果，粗、細(xì)粒徑骨料均屬于Ⅲ類，中粒徑骨料不符合GB/T 25177—2010的要求。3種骨料的空隙率均較大，說明級(jí)配較差，因此需對3種骨料的混合比例進(jìn)行優(yōu)化。

（4）中粒徑骨料的氯離子及硫酸根離子含量均為最高。這可能是因?yàn)橹辛焦橇洗u的含量相對最高，而磚的吸水性較強(qiáng)，導(dǎo)致中粒徑骨料氯離子和硫酸根離子含量較高。但是總體而言，3種骨料氯離子和硫酸根離子含量均符合GB/T 25177—2010、GB/T 25176—2010的要求。

2.3 顆粒級(jí)配試驗(yàn)

粗、中、細(xì)粒徑骨料的顆粒級(jí)配曲線見圖5~圖7。

圖5 粗粒徑骨料的顆粒級(jí)配曲線

圖7 細(xì)粒徑骨料的顆粒級(jí)配曲線

由圖5可見，粗粒徑骨料屬于16~31.5 mm單粒級(jí)骨料。相比于5~31.5 mm連續(xù)粒級(jí)曲線，再生粗骨料中粒徑＞20 mm骨料含量過多，達(dá)到63%左右，超出GB/T 25177—2010中5~31.5mm連續(xù)粒級(jí)建議的15%~45%范圍，導(dǎo)致后半部分級(jí)配曲線整體上移，偏移連續(xù)級(jí)配曲線，處于16~31.5 mm單粒級(jí)級(jí)配曲線范圍。

由圖6可見，中粒徑骨料顆粒級(jí)配曲線恰好處于GB/T 25177—2010要求累計(jì)篩余的上下限附近，基本符合5~20 mm連續(xù)粒級(jí)曲線范圍，可以認(rèn)為其屬于5~20 mm連續(xù)粒級(jí)骨料。

圖6 中粒徑骨料的顆粒級(jí)配曲線

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可以計(jì)算出細(xì)粒徑骨料細(xì)度模數(shù)為2.9。由圖7可見，細(xì)粒徑骨料級(jí)配情況總體良好，<1.18 mm的累計(jì)篩余基本落在Ⅱ級(jí)配區(qū)范圍內(nèi)，≥1.18 mm的累計(jì)篩余曲線與Ⅰ級(jí)配區(qū)接近，4.75 mm粒徑以上顆粒占19%，超出GB/T 25176—2010要求，說明了細(xì)粒徑骨料中粗顆粒含量較多。

2.4 級(jí)配優(yōu)化試驗(yàn)

再生磚混粗、中粒徑骨料混合級(jí)配優(yōu)化結(jié)果見表5。

表5 再生磚混粗、中粒徑骨料混合結(jié)果

由表5可見，隨著中粒徑骨料摻量的增加，混合骨料的堆積密度先增大后減小，當(dāng)摻量為15%時(shí)，緊密堆積密度達(dá)到最大，比僅有粗骨料時(shí)的堆積密度增大了1.7%；之后隨著中粒徑骨料摻量增加逐漸減小。這是因?yàn)榇止橇蠟閱瘟＜?jí)骨料，大粒徑骨料較多，添加中粒徑骨料后，剛好填補(bǔ)原先粗骨料之間的空隙，相當(dāng)于對混合骨料的級(jí)配進(jìn)行了優(yōu)化。但當(dāng)中粒徑骨料摻入過多時(shí)，又會(huì)使混合骨料大粒徑骨料相對較少，偏離連續(xù)粒級(jí)曲線。由此確定粗、中粒徑骨料的混合質(zhì)量比為100∶15。

3種粒徑再生磚混骨料混合級(jí)配優(yōu)化結(jié)果見圖8。

圖8 3種粒徑再生磚混骨料混合結(jié)果

由圖8可見，隨著細(xì)粒徑骨料摻量的增加，緊密堆積密度逐漸增大，最大值比沒有添加細(xì)粒徑骨料時(shí)提高了32%。這是因?yàn)榧?xì)粒徑骨料的加入，填補(bǔ)了粗、中混合骨料的空隙，改善了骨料整體的級(jí)配。當(dāng)摻量大于90%后，緊密堆積密度呈現(xiàn)上下波動(dòng)的趨勢。這可能是當(dāng)細(xì)粒徑骨料摻量較高時(shí)，難以對骨料的均勻程度進(jìn)行控制，因此堆積密度表現(xiàn)為上下波動(dòng)。采用函數(shù)擬合的方式確定混合骨料緊密堆積密度達(dá)最大值時(shí)的細(xì)粒徑骨料摻量。根據(jù)擬合結(jié)果可知，當(dāng)細(xì)粒徑骨料摻量在136%左右時(shí)可以使得混合骨料的緊密堆積密度達(dá)到最大值，因此對摻入量取整為140%。據(jù)此，確定再生磚混粗、中和細(xì)粒徑骨料的最佳混合質(zhì)量比為36.2∶5.5∶58.3。

3 結(jié) 論

（1）海洋工程再生磚混骨料成分以廢棄混凝土為主，含有一定比例的碎磚，且骨料粒徑越小碎磚占比越大，其它雜質(zhì)含量較少，可以認(rèn)為其具有再利用的價(jià)值。

（2）海洋工程再生磚混骨料的壓碎值偏高，力學(xué)性能相對一般，建議用于對強(qiáng)度要求較低的工程中。

（3）海洋工程再生磚混骨料的氯離子和硫酸根離子含量均較低，有害離子的影響可忽略不計(jì)。

（4）海洋工程再生磚混骨料的空隙率較大，級(jí)配較差，應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)需要對混合比例進(jìn)行優(yōu)化。

（5）根據(jù)海洋工程再生磚混骨料的性能規(guī)律，采用最緊密堆積密度試驗(yàn)優(yōu)化了骨料的混合比例，確定再生磚混粗、中和細(xì)粒徑骨料的最佳混合質(zhì)量比為36.2∶5.5∶58.3。