再生磚骨料研究

楊金龍，胡金娣，胡一鳴

(華北水利水電大學土木與交通學院 河南 鄭州 450000)

0 引言

隨著新型城鎮化進程的深入開展，大量的城中村改造工程和新型城鎮建設工程需要拆除或改造大量已有建筑物，與之相對應的是產生巨大量的建筑垃圾。據報道，前瞻保守預計我國建筑拆除面積2022—2026年將保持在5%低速增長，前瞻初步測算到2026年我國建筑拆除中建筑垃圾的產量將達到18億噸以上。我國建筑行業所耗費的骨料每年超過了94億噸，使得國內部分地區的天然砂石不可再生資源逐漸減少，加之各行業對天然砂石的不間斷開采，還會引起山坡水土流失，河道破壞等嚴重的自然災害，隨著這些嚴重的生態環境問題漸漸出現，綠色節能可持續的社會經濟發展模式已成為當代社會的發展主題。通過對建筑垃圾進行歸類分析，其中黏土磚占比14%。將建筑物中拆除的黏土磚破碎成的不同粒徑再生磚骨料（RBA）來代替自然界中的天然骨料，如今已成為一種高效處理和利用建筑垃圾的手段。但是使用RBA材料作為骨料較使用傳統河砂的結構而言，其各方面的性能都有所減弱，還不能進行大規模地推廣和使用，為了改善RBA材料在工程應用中的各項性能，分析其工作、力學及收縮性能，給RBA材料的推廣和工程應用提高支持和參考。黏土磚廢棄物的其中一種處理方式為使用磚骨料替代天然河砂，本文詳細介紹了RBA作為環保材料的研究現狀并分析其應用前景。

1 再生磚骨料的工作性能

當碎磚作為骨料應用于結構時，其帶來的較高吸水性會在極大程度上對再生磚骨料結構的工作性能帶來影響。大多數學者通過使用附加水提前預濕，在一定程度上提升再生磚骨料結構的工作性能。再生磚骨料在實際施工時，其具有的流動性和坍落程度，是確保施工安全的前提。然后當水灰比相同時，再生磚骨料結構的強度卻不及普通結構，再生磚骨料中含有大量的舊水泥砂漿和其他雜質，從而降低了再生磚骨料的活性。對于再生磚骨料，骨料表面的粗糙度越高，其內摩擦和機械咬合力越大。在實際施工中，再生磚骨料結構可以通過提高保水性和附著力來提高再生磚骨料的工作性能。根據配合比規范，坍落度與水灰比的相關性是確定結構質量特性的重要基準指標。在不同水灰比和再生磚骨料替代率的協同作用下，整個再生磚骨料在使用過程中能夠滿足實際工程的要求，提高再生磚骨料作為環保材料的應用性能。例如，在相同水灰比的條件下，再生磚骨料的適當取代，使再生拌合物的坍落度參數幾乎與普通拌合物相同，滿足了實際施工需要。此時，使用再生磚骨料結構可以有效降低施工成本，滿足經濟要求。張明鑫等[1]通過研究碎磚骨料的預處理手段對實際工程工作性能影響時發現，使用附加水法預處理碎磚骨料能夠同時提升再生結構的力學性能和工作性能。Ge[2]和車法等[3]對摻有紅磚粉材料結構的拌和性能與后期性能進行了研究，結果顯示，當紅磚粉摻量超過10%時，能夠明顯降低拌合物的坍落度，而對其表觀密度影響可以忽略。

2 再生磚骨料的力學性能

力學性能參數是結構穩定性的重要指標，也是衡量再生磚骨料材料在使用過程中能否滿足使用的基本參數。從再生磚骨料的材料特性而言，表觀密度低、壓碎指標高、孔隙率高、吸水率高、粗糙度高等先天劣勢將導致再生磚骨料結構產生力學多變的特征，與天然骨料相比，在力學性能方面將呈現出較高的差異性。De Brito等[4]的試驗表明，再生結構力學性能隨著替代率的增加幾乎呈線性降低，特別是100%替代率的廢磚粗骨料結構的抗壓強度和抗折強度分別降低了45%和26%。Martins[5]同樣研究了廢磚粗骨料的力學性能隨著替代率增加的降低規律。由于高替代率的RBA混凝土的力學性能下降較多，所以Gomes等[6]研究了小于50%替代率（6.25%、12.5%、25%和50%）的廢磚粗骨料結構物，發現磚骨料結構的力學性能較普通結構仍有較大差距，嚴重的是當RBA替代率達到50%時，再生結構的抗壓強度、劈裂抗拉強度和彈性模量分別降低了23.6%、20.1%和22.2%，力學性能均出現較大降低。Nepomuceno等[7]首先評價了廢磚粗骨料的物理性能，然后研究了廢磚粗骨料小部分替代天然粗骨料，盡管RBA替代率的增加與結構的力學性能成負相關，其主要原因是廢磚粗骨料自身強度較低，但是采用廢磚粗骨料制備低強度結構物是可行的。而Gonzalez等[8]認為摻入RBA的結構物，其彈性模量會有所降低，但是35%替代率以內的廢磚粗骨料結構可以用來制備符合歐洲標準的預制預應力梁構件。吳春楊等[9]研究得到隨著廢磚粗骨料替代率的增加，再生結構的抗壓強度和彈性模量都有所降低，且其破壞形式與基準結構類似。高丹盈等[10]研究不同的纖維類型對廢磚粗骨料結構進行改性，重點研究了纖維增強再生結構的力學性能。分析得到了纖維有效地提高了廢磚粗骨料結構的抗壓強度和劈裂抗拉強度，尤其是端鉤型的鋼纖維對廢磚粗骨料結構的力學性能提高較為明顯。

對再生磚骨料結構的力學性能試驗進行測定時，由于測試人員采用的測試方式和儀器的不同，會導致測試的數據有很大的差別。以美國的研究人員為例，將再生磚骨料與標準的河砂進行了比較，發現其強度比一般的結構物要差10%～14%，通過多次試驗，認為再生磚骨料結構的抗壓強度下降的主要因素是由于再生磚骨料混合時出現了老式水泥砂漿，影響了其界面過渡區的顯微硬度；由于其在交界處的受力性能明顯比標準差，從而產生了受壓承載力的缺陷，從而使其無法滿足結構工程的需要。而英國的一些學者也在此基礎上發現，再生磚骨料結構具有較標準結構高6%～8%的抗壓強度。不同種試驗方法、材料組成及環境差異對再生磚骨料物理性能影響較大，導致的測量值差異很大，離散型較大。

3 再生磚骨料的收縮性能

據研究可知，因收縮引起的裂縫占80%左右，其中比較常見的是早期收縮裂縫。普通結構收縮是指在拌合物硬化過程中，由于水泥水化作用造成結構內部水分散失，結構內部孔隙壓力增大，結構受到擠壓體積不斷減小的現象。對于普通結構來說，干燥收縮在收縮中占有較大比例，而對于再生磚骨料結構物來說，自收縮同干燥收縮同樣不容忽略。再生磚骨料對結構的收縮有明顯的不利影響，并且隨著磚骨料替代率的增加，再生磚骨料結構的收縮逐漸增大。郝彤等[11]研究表明，再生磚細骨料結構的收縮機理與普通結構相同，再生結構的干燥收縮率隨骨料替代率的增加而增大，隨齡期增長而逐漸增大。王磊等[12]采用非接觸法試驗對再生碎磚骨料替代率為0%、30%、40%、50%結構物進行了早期收縮測試，研究分析不同骨料替代率，試驗結果顯示：碎磚骨料對結構早期收縮有改善作用，碎磚骨料替代率越高，結構收縮率越低。嚴捍東等[13]研究指出，相比基準結構物，雖然再生磚結構的強度和彈性模量較低，收縮率較大，但是通過增加水泥用量，可以提高廢磚骨料結構的強度、彈性模量和導熱系數，降低收縮率，可適用于墻體材料。劉秦[14]利用破碎黏土磚制備低強度再生結構物并對其收縮性能進行了研究，得出對收縮性能影響最大的因素是齡期，收縮主要發生在28 d左右，在60 d后便趨于穩定；另外環境溫度和濕度也會對再生結構的收縮產生一定的影響，隨著溫度增加，相對濕度降低，收縮增大。

4 再生磚骨料發展中應當關注的重點

4.1 再生磚骨料的制備工藝

由于再生磚骨料制品過程中還可能同時混雜一定的比例較大的老舊水泥砂漿，造成了再生磚骨料在原材料性能特征方面的劣化。例如再生磚骨料壓碎值高、粒型粒貌不均勻、孔隙率高等特點，且原有黏土磚中砂漿無法被全部清除，加大了骨料的間隔孔隙。所以我們需要盡快尋求建立一套較為切實可行有效地從拆除、破碎再到篩分一體化的智能綠色工藝流程，盡可能大的減少老舊砂漿的含量，改進傳統粗放化處理廢料的工藝模式，實現產品精細化再分類，從而最大限度得到安全高品質的再生磚骨料[15]。

4.2 再生磚骨料的強度

要想實現再生磚骨料結構在實際工程中的全面應用，必須保證強度指標符合工程施工基準。但是再生磚骨料在制備期間，廢舊砂漿的殘留和破碎工序的強大外部作用力，導致再生磚骨料雜質較多和內部產生嚴重的裂縫問題。與此同時，廢棄黏土磚經過長時間的使用和不同環境下的受損，可能導致造成廢棄黏土磚自身強度低和輕微碳化現象，從而影響再生磚骨料內部結構的穩定性。為達到正常結構的強度指標，除對技術工藝進行完善，還應選擇較好環境中的砌體結構或磚混結構，減少外界環境的損壞。提高廢棄黏土磚的轉化率，減少后期建筑物使用過程中不穩定問題的出現，真正實現綠色化建筑。

4.3 再生磚骨料的耐久性

由于再生磚骨料對再生磚骨料結構自身的長期使用和性能壽命等有一些直接或間接的負面性影響，還特別需要較為系統完整地分析研究并論證再生磚骨料的各種基本材料性能，仍需今后繼續進一步比較全面科學地分析開展試驗研究其耐久性能。例如在抗硫酸鹽腐蝕的能力試驗、凍融循環試驗和低溫下早期再生結構抗裂變形性能研究等試驗。特別強調的是，需要在高溫環境中進行再生磚骨料結構的高溫耐久性及抗火性試驗，為更加有效地確保再生磚細骨料結構能夠滿足在未來工程中的使用能力和安全性能。

5 結語

綜上所述，再生磚骨料是在砌體結構或磚混結構拆除中，通過逐層破碎技術，根據工程施工需要制備的一種原材料。在一定程度上，它可以緩解工程建設對天然骨料的供求，提高資源利用效率，提高不可再生資源的可持續利用率。而且有效地減少二氧化碳的排放，滿足城市化改建擴建的需求，促進地球資源可持續發展，對推動低碳節能社會建設具有深遠的意義。