建筑垃圾應(yīng)用于再生骨料的試驗(yàn)研究
張秀芳，何更新，趙霄龍
中國(guó)建筑科學(xué)研究院建材所，北京 100013
摘要：通過分別采用再生粗骨料和再生細(xì)骨料取代部分或全部天然砂石骨料，研究再生粗(細(xì))骨料取代率對(duì)混凝土性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著再生粗(細(xì))骨料取代率的提高，混凝土用水量呈線性增加，而抗壓強(qiáng)度呈線性下降，表觀密度也隨之下降。
關(guān)鍵詞：再生粗骨料;再生細(xì)骨料;取代率
我國(guó)每年拆除舊建筑所產(chǎn)生的廢棄混凝土、廢棄碎磚瓦等建筑垃圾數(shù)量極其巨大，加上新建建筑施工過程中所產(chǎn)生的廢料，建筑垃圾排放量逐年快速增長(zhǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)每年建筑垃圾排放量達(dá)數(shù)億噸，僅廢棄混凝土一項(xiàng)就高達(dá)約1億噸。全國(guó)每年數(shù)億噸的建筑垃圾面臨消納處理問題;而大規(guī)模基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)對(duì)混凝土骨料的需求巨大，但天然砂石不容繼續(xù)無度開采，使骨料供應(yīng)日漸出現(xiàn)短缺危機(jī)。在上述雙重原因下，利用廢棄混凝土等建筑垃圾生產(chǎn)不同用途的再生骨料成為必然，大量實(shí)踐已經(jīng)證明，利用建筑垃圾制備再生骨料，不但實(shí)現(xiàn)建筑垃圾的無害化、減量化，解決廢棄混凝土等建筑垃圾的消納問題，有利于環(huán)境保護(hù);而且可形成“再生骨料生產(chǎn)和應(yīng)用”新興行業(yè)，大大緩解天然骨料短缺狀況，減輕建筑業(yè)對(duì)天然骨料的過度開采和依賴。
從建筑業(yè)消納的途徑看，用建筑垃圾制備的再生骨料可用于配制混凝土、砂漿，用再生骨料配制的混凝土和砂漿已經(jīng)在建筑工程中得到了應(yīng)用。但含有較多廢棄磚瓦的建筑垃圾制備的再生骨料不適合于配制混凝土，而適合于制備非燒結(jié)砌塊或非燒結(jié)磚，用其制備的再生砌塊和再生磚也已應(yīng)用于很多大型民用建筑工程中。本文僅對(duì)用再生骨料配制的混凝土進(jìn)行試驗(yàn)研究和探討。
1 研究路線
分別采用再生粗骨料和再生細(xì)骨料取代部分或全部天然骨料配制不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，檢驗(yàn)混凝土的拌合物性能、力學(xué)性能及耐久性能，從而探討再生骨料的摻量對(duì)混凝土性能的影響。選取有代表性的三個(gè)摻量：40%、70%、100%，分別等量取代天然骨料，配制混凝土，進(jìn)行混凝土性能的試驗(yàn)研究。
2 試驗(yàn)用原材料
2.1 水泥：P.O42.5，北京拉法基水泥公司生產(chǎn);
2.2 天然粗骨料：卵石，性能指標(biāo)見表1;
2.3 天然細(xì)骨料：中砂，性能指標(biāo)見表2;
2.4 外加劑：FDN萘系高效減水劑，粉劑;
2.5 水：自來水。
3 再生骨料
3.1 再生粗骨料
建筑垃圾中的混凝土、路基
再生粗骨料為北京某廠生產(chǎn)，原料為等，選用兩種規(guī)格的再生粗骨料：5～31.5mm連續(xù)級(jí)配和16～31.5mm單粒級(jí)，其性能指標(biāo)見表3。
3.2 再生細(xì)骨料
再生細(xì)骨料亦為北京該廠用生產(chǎn)再生粗骨料的同批原料生產(chǎn)的，選用二種類型的再生細(xì)骨料：1#和2#，其性能指標(biāo)見表4。
3.3 結(jié)果分析
國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土用再生粗骨料》GB/T25177-2010將再生粗骨料按性能分為三類，每類的性能指標(biāo)應(yīng)符合表5的要求。
與表5的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值相比較，表3中的再生粗骨料因吸水率、微粉含量較高，因此，1#再生粗骨料所測(cè)項(xiàng)目基本滿足Ⅲ類再生粗骨料的要求，2#再生粗骨料所測(cè)項(xiàng)目基本滿足Ⅱ類再生粗骨料的要求。
國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土和砂漿用再生細(xì)骨料》GB/T25176-2010將再生細(xì)骨料按性能分為三類，每類的性能指標(biāo)應(yīng)符合表6的要求。
因再生膠砂需水量比和抗壓強(qiáng)度比沒有測(cè)試，和可再分散乳膠粉相關(guān)。從表4已檢測(cè)的項(xiàng)目看，1#再生細(xì)骨料基本滿足Ⅲ類再生細(xì)骨料的要求，2#再生細(xì)骨料基本滿足Ⅱ類再生細(xì)骨料的要求。
比較表3與表1、表4與表2，可以看到，再生骨料的表觀密度和堆積密度值都低于天然骨料的，這主要是由于再生骨料表面含有較多的水泥砂漿，而水泥砂漿的密度遠(yuǎn)低于天然砂石的，且骨料在破碎過程中會(huì)產(chǎn)生一些微裂紋，導(dǎo)致再生骨料的密度低于天然骨料的密度，再生骨料的密度降低將會(huì)導(dǎo)致利用其拌制的再生混凝土的密度和彈性模量降低。從表3、表4還可看到，再生骨料的吸水率和微粉含量都遠(yuǎn)大于天然骨料的。吸水率高的原因是再生骨料表面附著部分水泥砂漿，其孔隙率大，且含有一些微裂紋，導(dǎo)致用水量增大，再生骨料的高吸水率通常被認(rèn)為是其相對(duì)于天然骨料最重要的特征。再生骨料中的微粉主要是由石粉、水泥石粉和泥土組成，為非粘性無機(jī)物。
4. 試驗(yàn)結(jié)果
4.1 再生粗骨料取代部分或全部天然卵石
分別以40%、70%、100%的再生粗骨料等量取代天然卵石配制混凝土，其混凝土的拌合物性能、力學(xué)性能及碳化試驗(yàn)結(jié)果見表7和圖1、圖2。
從表7及圖1、圖2可以看到，隨著再生粗骨料取代量的增加，在保持坍落度基本相同的情況下，用水量呈線性增加，這是由于再生粗骨料的吸水率遠(yuǎn)大于天然骨料。當(dāng)1#再生粗骨料取代率分別為40%、70%、100%時(shí)，用水量分別比純天然骨料配制的混凝土增加8%、12%、17%。隨著用水量的增加，即水灰比增大，抗壓強(qiáng)度也呈線性下降，當(dāng)1#再生粗骨料取代率分別為40%、70%、100%時(shí)，28d抗壓強(qiáng)度分別下降15.2%、17.2%、26.1%，即再生粗骨料的取代率越高，抗壓強(qiáng)度下降的幅度也越大。從表7還可看到，混凝土拌合物的表觀密度隨著再生粗骨料取代率的增加而降低，這是由于再生粗骨料的表觀密度(2500kg/m3左右)小于天然石的表觀密度(2840kg/m3)，因此，混凝土拌合物的表觀密度隨之降低，再生粗骨料取代率越大，表觀密度降低的越多。
比較編號(hào)為2-1、2-2、2-3這三個(gè)配合比，當(dāng)再生粗骨料取代率分別為40%、70%、100%時(shí)，90d強(qiáng)度比28d強(qiáng)度分別增長(zhǎng)13.9%、18.9%、33.6%，也即隨著再生粗骨料取代率的增加，90d強(qiáng)度的增長(zhǎng)幅度也越來越大，均大于普通混凝土;另外，雖然這三個(gè)配比的28d強(qiáng)度不同，但90d強(qiáng)度基本相同。分析其原因，可能是再生粗骨料在拌和過程中吸收的一部分拌合水，會(huì)隨著水泥水化的進(jìn)行釋放出來，保證再生混凝土在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持一定的濕度，形成一種“內(nèi)養(yǎng)護(hù)”作用，從而促進(jìn)再生混凝土的后期強(qiáng)度發(fā)展。
再比較1#與2#兩種規(guī)格的再生粗骨料，前者為5～31.5mm連續(xù)粒級(jí)，后者為16～31.5mm單粒級(jí)。在配合比相同的情況下，當(dāng)再生粗骨料取代率同為40%時(shí)，除7d強(qiáng)度，2#再生粗骨料比1#再生粗骨料配制的混凝土強(qiáng)度低11.1%外，3d、28d、90d強(qiáng)度接近;但當(dāng)再生粗骨料取代率同為70%時(shí)，2#再生粗骨料配制的混凝土(編號(hào)為2-5)均比1#再生粗骨料配制的混凝土(編號(hào)為2-2)各齡期強(qiáng)度都低，分析其原因，可能是2#再生粗骨料的級(jí)配較差，配制出的混凝土孔隙率大，密實(shí)度差，因而強(qiáng)度低。
從28d碳化深度看，再生粗骨料取代天然粗骨料后，其碳化深度大部分都大于純天然骨料配制的混凝土。
4.2 再生細(xì)骨料取代部分或全部天然砂
分別以40%、70%、100%的再生細(xì)骨料等量取代天然砂配制混凝土，其混凝土的拌合物性能、力學(xué)性能及碳化結(jié)果見表8和圖3、圖4。
從表8及圖3、圖4可以看到，隨著再生細(xì)骨料取代率的增加，在保持坍落度基本相同的情況下，用水量呈線性增加，這是由于再生細(xì)骨料的吸水率大于天然細(xì)骨料。當(dāng)再生細(xì)骨料取代率分別為40%、70%、100%時(shí)，1#再生細(xì)骨料(水泥用量為400kg/m3)的用水量分別比純天然骨料增加5.6%、13%、16.9%，而2#再生細(xì)骨料(水泥用量為300kg/m3)的用水量分別增加7.5%、13.9%、28.3%，可以看出，當(dāng)再生細(xì)骨料取代率為100%時(shí)，大水灰比(水泥用量為300kg/m3)情況下的用水量增加的幅度(28.3%)明顯高于小水灰比(水泥用量為400kg/m3)的情況(16.9%)。隨著用水量的增加，即水灰比增大，抗壓強(qiáng)度也呈線性下降，當(dāng)再生細(xì)骨料取代率分別為40%、70%、100%時(shí)，28d抗壓強(qiáng)度下降的幅度，小水灰比時(shí)為10.1%、22.4%、33.7%，大水灰比時(shí)為11.8%、19.8%、24%，即再生粗骨料的取代率越高，抗壓強(qiáng)度下降的幅度也越大。從表8還可看到，小水灰比時(shí)，混凝土拌合物的表觀密度隨著再生細(xì)骨料取代率的增加而降低，這是由于再生細(xì)骨料的表觀密度(2500kg/m3左右)小于天然砂的表觀密度(2630kg/m3)，因此，混凝土拌合物的表觀密度降低，再生細(xì)骨料取代率越大，表觀密度降低的越多;但是，大水灰比時(shí)，表觀密度相差不大。
只有編號(hào)為3-3、3-4的二個(gè)配合比留有90d強(qiáng)度，從結(jié)果看，90d強(qiáng)度分別比28d強(qiáng)度增長(zhǎng)15.5%(再生細(xì)骨料取代率為70%)、4.3%(再生細(xì)骨料取代率為100%)。與再生粗骨料相比，90d強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度小于再生粗骨料配制的混凝土。
從表8的28d碳化深度看，再生細(xì)骨料各取代率下的碳化深度基本都小于純天然砂，只有2#再生細(xì)骨料取代率為100%時(shí)的情況例外，其28d碳化深度高達(dá)17.6mm，差不多為純天然砂的二倍，再生細(xì)骨料的這一碳化特性與再生粗骨料的情況差別較大。
比較表7和表8，用再生粗骨料或再生細(xì)骨料取代天然骨料后，隨著再生骨料取代率的增加，用水量都是顯著增加，二者增加的幅度差不多，而抗壓強(qiáng)度隨再生骨料取代率的增加而下降，取代率越大，強(qiáng)度下降的幅度也越大。
5 標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)
隨著再生骨料在建筑工程中的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，迫切需要制訂相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。2010年10月發(fā)布了兩部產(chǎn)品國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)：《混凝土用再生粗骨料》GB/T25177-2010和《混凝土和砂漿用再生細(xì)骨料》GB/T25176-2010。這兩部標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了再生粗骨料和再生細(xì)骨料的質(zhì)量要求，有利于推進(jìn)再生骨料的應(yīng)用。2011年5月發(fā)布了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《再生骨料應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》JGJ/T240-2011，自2011年12月1日起實(shí)施。
《再生骨料應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》JGJ/T240-2011對(duì)再生骨料在混凝土、砂漿、砌塊及磚中的應(yīng)用作了詳細(xì)的規(guī)定，其中對(duì)再生骨料在混凝土中的應(yīng)用規(guī)定如下：Ⅰ類再生粗骨料可用于配制各強(qiáng)度等級(jí)的混凝土;Ⅱ類再生粗骨料宜用于C40及以下強(qiáng)度等級(jí)的混凝土;Ⅲ類再生粗骨料可用于C25及以下強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，但不宜用于有抗凍性要求的混凝土。Ⅰ類再生細(xì)骨料可用于C40及以下強(qiáng)度等級(jí)的混凝土;Ⅱ類再生細(xì)骨料宜用于C25及以下強(qiáng)度等級(jí)的混凝土;Ⅲ類再生細(xì)骨料不宜用于配制混凝土。
Ⅰ類再生粗骨料的品質(zhì)較好，可按照常用天然粗骨料來使用，其取代率可不受限制。對(duì)于Ⅱ類、Ⅲ類再生粗骨料，近年來各相關(guān)企業(yè)積累的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)于C30、C40 混凝土，再生粗骨料摻量一般為50 %以內(nèi)為宜，這樣較容易控制混凝土的和易性并保證強(qiáng)度。所以，在缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)情況下，Ⅱ類、Ⅲ類再生粗骨料的取代率一般不宜大于50%。
混凝土中摻用再生細(xì)骨料的試驗(yàn)研究和工程應(yīng)用實(shí)踐較少，所以宜通過充分的驗(yàn)證試驗(yàn)來確定其可行性，且由于再生細(xì)骨料中容易引入較多的微粉，可能對(duì)混凝土性能尤其是耐久性造成影響，所以再生細(xì)骨料取代率也不宜大于50%。
混凝土中不宜同時(shí)摻用再生粗骨料和再生細(xì)骨料，因?yàn)檫@兩者交互影響因素過多，對(duì)混凝土配制技術(shù)要求較高，且再生細(xì)骨料易導(dǎo)致混凝土坍落度損失加快。所以，在目前實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)較少、沒有經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證的情況下，不宜同時(shí)摻用再生粗、細(xì)骨料，如果同時(shí)摻用，必須進(jìn)行充分的試驗(yàn)驗(yàn)證。
6 結(jié)語
(1)無論是再生粗骨料還是再生細(xì)骨料，取代天然骨料后，都會(huì)導(dǎo)致用水量增加、抗壓強(qiáng)度下降、表觀密度下降;
(2)隨著再生粗(細(xì))骨料取代率的增加，用水量呈線性增加，而抗壓強(qiáng)度呈線性下降;
(3)當(dāng)1#再生粗骨料取代率分別為40%、70%、100%時(shí)，用水量分別增加8%、12%、17%，而28d抗壓強(qiáng)度分別下降15.2%、17.2%、26.1%。
(4)當(dāng)再生細(xì)骨料取代率分別為40%、70%、100%時(shí)，1#再生細(xì)骨料(水泥用量為400kg/m3)配制的混凝土用水量分別增加5.6%、13%、16.9%，而28d抗壓強(qiáng)度分別下降10.1%、22.4%、33.7%;2#再生細(xì)骨料(水泥用量為300kg/m3)配制的混凝土用水量分別增加7.5%、13.9%、28.3%，而28d抗壓強(qiáng)度分別下降11.8%、19.8%、24%。
