建筑固廢機制磚混再生骨料混凝土抗壓強度試驗研究

侯東序, 劉 曉*, 王 兵, 孫全國, 王 剛, 胡 瑞, 袁立灝

(1. 沈陽大學 建筑工程學院, 遼寧 沈陽 110044;2. 沈陽市民用建筑智慧防災減災重點實驗室, 遼寧 沈陽 110044;3. 沈陽市市政工程(質量)檢測中心有限公司, 遼寧 沈陽 110005)

城鎮化進程中所拆遷及改造的對象多為建造于20世紀60—80年代的磚混砌體結構民用建筑,由此產生的磚混類建筑垃圾體量龐大。這些垃圾無論堆積于土地之上還是填埋于土地之下都會對水土環境造成巨大污染。與此同時,建筑結構的新建需要耗費水泥及天然砂石骨料等大量的天然資源,會再次加重環境的負擔。

近年來,將磚混類建筑固廢資源化再利用這一理念引起了學術界及工程界的廣泛關注[1-5]。通過普遍研究發現,相比較天然骨料和廢棄混凝土制備的再生骨料,磚混再生骨料空隙率大、吸水率大、壓碎指標高[6]。且隨著磚骨料質量分數的增加,再生磚混骨料的表觀密度減小,吸水率增加,壓碎指標增大,磚質量分數與吸水率、表觀密度、壓碎指標呈線性關系[7],抗壓強度隨著磚再生骨料質量分數的增大而降低,一般認為質量分數10%為最佳效果[8]。同樣再生混凝土的劈裂抗拉強度也隨著磚骨料置換質量分數增加而降低,摻入適當再生磚骨料,可以滿足道路工程面層的強度要求[9]。黏土磚有較高的吸水率,因此其強度及流動性均會受到影響,采用24 h提前預濕的方法對再生混凝土的抗壓強度及和易性效果顯著,加入粉煤灰等外加劑也會對流動性產生積極影響。但現有很多研究采用人工粉碎及挑選骨料,費時費力,且均勻性差,統一工程操作性較差。另外,現有多數研究僅關注于磚碎骨料置換質量分數對再生混凝土性能的影響,但在建筑垃圾中磚的質量分數通常僅在30%～50%[10]。針對上述問題,本文采用顆粒均勻的磚及磚混機制再生骨料作為替代粗骨料進行試驗,研究不同再生磚及再生磚混骨料置換質量分數對再生混凝土抗壓強度的影響規律。

1 試驗情況

1.1 原材料

配制再生混凝土所用原料為PO 42.5 普通硅酸鹽水泥和細度模數為3.2 的機制砂,采用5～25 mm連續級配碎石和減水率為27%聚羥酸系高性能減水劑,拌合水為普通自來水。再生磚混骨料來源于沈陽地區拆遷磚混類建筑廢料,廢棄燒結磚抗壓強度等級介于MU10～MU25之間,廢棄混凝土抗壓強度等級介于C20～C40。磚混再生骨料取自沈陽市某生態科技公司,其可將建筑固廢進行挑選回收,經機械生產線粉碎并清洗,形成粒徑為10～20 mm的均勻磚混再生骨料。

1.2 試驗準備

試件澆筑前,按照混凝土試驗方法標準對骨料進行了觀察,并經歷篩分、清洗、烘干及壓實等過程,得到了天然骨料和再生磚骨料的基本屬性。如圖1(a)所示,相對于天然骨料,磚骨料表面孔隙較多,上面覆蓋一層較薄的磚粉層。再生混凝土骨料包含覆蓋砂漿的碎石和砂漿碎塊兩部分,從表面看,其孔隙更加明顯。通過篩漏篩分發現,機制再生骨料級配較為均勻。配置再生混凝土所需骨料基本屬性如表1所示,由表1可見,磚混混合骨料吸水率與磚骨料吸水率差異較大。利用吸水率差異,借助紅外熱像方法可以測定抽樣混合骨料中磚骨料體積分數,圖1(b)為烘干冷卻降溫過程中骨料紅外熱像圖片,溫度較高(顏色較深)區域骨料即為磚骨料。紅外測試后,經多樣本挑揀稱重驗證后發現碎磚骨料在廢棄磚混骨料中體積分數約為20%。

表1 混凝土骨料基本屬性Table 1 Basic properties of concrete aggregate

(a) 含磚混再生骨料組成(b) 混合骨料的紅外熱像

1.3 試驗方法

混凝土抗壓強度試驗采用100 mm×100 mm×100 mm標準立方體試塊,試驗方法參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T50081—2016)規定進行。為研究不同質量分數再生骨料對混凝土抗壓強度的影響,在試驗中設計7組試塊,采用不同的再生骨料及質量分數,按照A、B、C、D、E、F、G標注,每組試塊含3件,分別按照1、2、3 標識(圖2(a))。試件詳情如表2所示。試驗設備采用YAW-200B型試驗壓力機,如圖2(b)所示。

表2 各組試塊配合比Table 2 Matching ratio of each group of test blocks

(a) 混凝土試件(b) 試驗壓力機

2 試驗結果分析

2.1 試件破壞形態

對7組共計21個試塊進行了軸壓試驗,試驗后將試塊切開,再生混凝土試塊內部骨料分布形態如圖3(a)所示,由圖可見,雖然再生骨料(磚塊或混凝土塊)質量小于天然骨料,但在充分攪拌振搗作用下,混凝土塊內部再生與天然骨料混合分布較為均勻。在軸壓力作用下,試塊破壞形態如圖3(b)所示,基本呈現錐型形態。由此可見,含磚混再生骨料混凝土試塊與普通混凝土破壞形態差異不大。

(a) 試塊內部骨料分布形態( b) 試塊破壞狀態

2.2 含機制再生磚混骨料混凝土強度

通過對試塊進行軸壓試驗,得到了各組試塊極限承載力,進而得到含機制再生磚混骨料混凝土平均抗壓強度和折減率,如表3和表4所示。

表3 各組試塊平均抗壓強度

表4 各組試塊抗壓強度折減率Table 4 Strength reduction rate of each group of test blocks 單位:%

由表3可見,按照原始配比,不置換任何磚混骨料狀態下,混凝土強度可達50 MPa以上,當機制再生磚混粗骨料按部分比例替代后,試塊強度仍可保持較高強度水平。由此可知,僅從強度角度而言,將機制磚混再生骨料按照適當比例置換天然骨料,并將再生混凝土應用于有強度要求的領域是可行的。

由表3、表4可見,未置換再生骨料的天然骨料混凝土平均強度可達到51.2 MPa,而機制再生磚骨料置換率為10%時,強度仍可達到50.9 MPa,平均強度折減率僅為0.6%。而機制再生磚骨料置換率為5%時,試塊平均強度竟略高于天然骨料混凝土。但當機制再生磚骨料置換率達到15%時,試塊平均抗壓強度折減達8%。由此可見,對于磚再生骨料而言,粗骨料置換率在10%以內對混凝土抗壓強度折減影響不大,超過10%置換率混凝土抗壓強度開始迅速折減。

由前期準備試驗已知,建筑固廢中再生磚骨料質量分數約占再生磚混骨料質量分數的20%。因此E、F及G組試塊分別為按等磚骨料質量置換的磚混再生骨料混凝土。由表4可見,當磚混骨料按25%置換天然粗骨料時,其平均抗壓強度即折減3.5%。而當再生磚混骨料按50%和75%置換時,其抗壓強度分別折減10.5%和18.6%。由此可知,再生混凝土骨料的置換會進一步削弱混凝土的抗壓強度,而且其削弱抗壓強度程度較單一磚骨料置換削弱程度更加明顯。磚混再生骨料置換率超過25%,即出現較為明顯的抗壓強度折減。

再生磚混骨料的加入加劇了混凝土強度的折減,按照磚再生骨料等比例置換,在含磚骨料10%置換同時再生混凝土骨料40%置換,即磚混再生骨料50%置換天然粗骨料的工況中,混凝土強度折減開始加劇,對比單一10%磚骨料置換,其抗壓強度折減明顯。由此可知,如采用磚混再生骨料進行天然粗骨料置換,其磚混骨料置換率在25%以內對混凝土抗壓強度影響不大。

因此,含再生骨料的混凝土抗壓強度會隨著再生骨料置換率的增加而降低,而對于機制再生骨料,通常由再生磚骨料和再生混凝土骨料兩部分組成,二者對于混凝土強度的折減均有作用。通過數值擬合,可知再生磚骨料及再生混凝土骨料置換率對再生混凝土抗壓強度的折減率與式(1)相符。

(1)

式中:Rm為混凝土抗壓強度折減率;rb及rm分別為再生磚骨料和再生混凝土骨料的置換率。

再生骨料置換率對混凝土抗壓強度折減率的計算值與試驗值對比如圖4所示,由圖可見,式(1)的計算值與試驗值較吻合。

圖4 再生骨料置換率與混凝土強度折減率關系Fig.4 Relationship between replacement rate of recycled aggregate and reduction rate of concrete strength

3 結 論

1) 機制磚混再生骨料按一定比例置換普通混凝土的天然粗骨料,混凝土立方體抗壓強度會有所折減,折減率隨再生骨料置換率的增大而增大。采用此類機制再生固廢骨料置換天然粗骨料可以實現對較高強度要求混凝土的配制。

2) 磚混再生骨料置換比磚再生骨料單一置換對混凝土強度的折損程度更大。再生磚骨料單一置換粗骨料,置換率在10%以內時,混凝土強度折減幾乎可忽略,但超過10%后混凝土強度可迅速衰減;等比例磚骨料置換下,再置換混凝土再生骨料,發現強度折減率急劇上升,置換磚混兩種再生骨料的混凝土維持抗壓強度的磚臨界比僅為5%,即磚混骨料25%置換率以內才可維持較高抗壓強度。

3) 此類機制再生磚混骨料混凝土強度的折減是機制再生骨料中磚骨料和混凝土再生骨料聯合作用的結果,兩種再生骨料置換率與混凝土強度的折減率存在相關性,可按文中公式依據強度要求確定再生骨料置換率。