张 辉

(天津国土资源和房屋职业学院，天津 300270)

1 引言

近年来，我国城镇改造建设进入高速发展阶段，随之带来了建筑垃圾排放量逐年递增，且大量占用公共空间等突出问题。建筑垃圾的主要成份为碎砖块与碎混凝土块，为使这些建筑固体废弃物得到合理化处理，建筑从业人员设法将此类固体废弃物通过机械加工的方式制成再生骨料，作为拌制混凝土时的粗骨料使用。此类建筑垃圾若能大量用于混凝土伴制，使其能够回收再利用且变废为宝，那么将会对保护自然环境和节约自然资源等方面产生不可估量的有益影响。研究并推广应用再生骨料混凝土必将为我国带来十分重要的经济效益和社会效益[1，2]。

再生骨料的成份组成有别于普通碎石骨料，将其作为拌制混凝土的粗骨料，必然会对混凝土的物理性能产生影响。本文首先分析了再生骨料的宏观组成和部分物理特性，然后通过试验性探究的方式，分析了再生骨料替代率与再生骨料混凝土的力学性能之间的关系。

2 材料与方法

2.1 原材料

本次试验所用的再生骨料由陕西某环保科技公司生产并提供。该公司将建筑固体废弃物制成再生骨料的主要工艺过程为：粗破→除粉→去除杂物→细破→整形。经加工制成的再生粗骨料主要成分为天然石子、水泥砂浆块和砖块，由于水泥砂浆块和砖块与天然石子相比，其在密度、硬度、吸水率、含粉率和颗粒形态等物理性能方面都存在较大差异。可想而知，使用再生骨料拌制的混凝土，其和易性、力学性能和耐久性等必然会与普通混凝土有所差别。

2.2 试验方案

2.2.1 再生骨料宏观组成与形貌

采用8点取样法，对再生骨料进行取样，再通过分拣的方式，确定再生骨料中各类骨料组成比例。首先，在再生骨料料堆中四个面的上部和下部随即确定8个点分别取12.5 kg骨料，并保证8个点取样量相等，再对这8份样品进行混合、缩分，最后再平均分成两份试样。以肉眼进行分辨，人工分拣骨料，将试样分为天然石子、水泥砂浆块、砖块三部分，分拣完成后分析各类骨料的组成比例。再引入三轴形状系数(SF)试验方法，分析再生骨料的形貌特征(图1)。

图1 再生骨料宏观形貌

2.2.2 再生粗骨料微分含量及压碎指标

再生骨料的基本物理指标主要包括有粒径、颗粒级配、表观密度、堆积和紧密堆积密度、空隙率、微粉含量、含水率、压碎指标等，李占印[3]等已对再生骨料的基本物理性质做出了大量的分析。由于混凝土的力学性能与骨料微粉含量和压碎指标之间存在重要关联，本次研究在上述研究成果的基础上，依据《建设用卵石、碎石》GB/T14685-2011标准要求，测定并分析了再生骨料微粉含量和压碎指标，且与天然石子进行对比分析。

2.2.3 再生骨料替代率对混凝土抗压性能的影响

张志波、王社良指出混凝土抗压强度会随着再生骨料掺入量的增加而降低[4]。本研究试验依据《普通混凝土拌合物性能试验方法》GB/T50080-2002及《普通混凝土力学性能试验方法》GB/T50081-2002标准，以再生骨料取代天然碎石配制C25强度等级的混凝土，设置再生骨料替代率分别为：20%、30%、40%、50%、70%，分析不同再生骨料取代率对再生骨料混凝土抗压性能的影响，同时分析再生骨料混凝土抗压强度与混凝土龄期之间的关系。

此外，试验配制砖块含量分别为6%、9%、12%、15%、21%、30%、40%、50%、60%、70%和80%的再生骨料，用于探究砖块含量对再生骨料混凝土抗压强度的影响。

3 结果与分析

3.1 再生骨料宏观组成与形貌

本次试验选用的再生骨料经过处理后，骨料颗粒呈现为由小到大的混合体。主要粒径分布在9.5～31.5 mm。再生骨料在这一范围内累计筛余量达到96%，粒径在4.75～9.5 mm的筛余量仅占0.28%。

试样经过分拣后，可分为天然石子、水泥砂浆块、砖块三部分，试样中各类骨料的构成比例可见表1。

表1 再生骨料宏观组分构成

由骨料成份构成可以看出，再生骨料成份以天然石子和水泥砂浆块为主，二者的所占比例分别为41.85%和49.83%，两种骨料所占比例相近，砖块含量则相对较少，仅占8.32%。考虑到目前拆除的建筑物中，结构形式主要以砖混结构为主，所以固体废弃物中应含有大量砖块，然而试样中的砖块含量较低，究其原因在于砖块在再生骨料中属于相对软弱颗粒，在骨料加工过程中砖块内部会产生部分裂纹，为保证骨料强度，生产企业对再生骨料成份进行了优化，剔除了一部分砖块。

通常情况下，混凝土用骨料的理想颗粒形状是多边形，表面光滑，尖锐棱角较少的颗粒。再生骨料颗粒以大粒径颗粒为主，经过机械整形，再生骨料的大小和形状较为均匀，针片状颗粒较少。通过引入三轴形状系数(SF)的方法发现，再生骨料的形状系数为0.73，天然碎石的形状系数为0.77。用三轴形状系数(SF)表达骨料表面特征可视为再生骨料与碎石的表面特征较为相近。

三轴形状系数SF表达粗骨料的表面特征公式：

SF=C/(AB)0.5

(1)

式(1)中：A、B、C分别代表骨料的长轴、中轴、短轴长度。

3.2 再生骨料的微粉含量及压碎指标

与天然骨料相比，再生粗骨料的微粉含量相对较高，这与再生粗骨料的组成成份及再生骨料的加工工艺之间有密切关系。通常情况下，骨料中微分含量过高会对混凝土产生不利影响。有研究指出，微粉含量较高会增加混凝土的需水量，降低混凝土性能且更容易风化，阻碍水泥与骨料胶结作用的发展，进而影响混凝土的质量。

依照《混凝土用再生粗骨料》GB/T25177-2010要求的试验方法，可测定再生骨料中的微粉含量，测定结果见表2。

表2 再生粗骨料微粉含量

由表2可知，通过试验分别测定了两组再生骨料中的微分含量，两组试样中的微分含量较为接近，分别为2.27g和2.18g，对二者取平均值，并计算得出再生粗骨料中微粉含量为2.225%，微粉百分含量处于相对较低的水平，该试验结果符合《混凝土用再生粗骨料》GB/T25177-2010中关于Ⅲ类骨料微粉含量的相关要求。

压碎指标是判别粗骨料抵抗外力压碎能力的重要依据，它可以通过理论计算等方式，间接反映出粗骨料的强度，特别是对于粗骨料中软弱颗粒，有较好的辨识力。再生骨料压碎指标的测定方法，可参照天然碎石压碎指标的要求，依据《建设用卵石、碎石》GB/T14685-2011规定的试验方法测定，试验分别测定了天然碎石、再生骨料、砖块、水泥砂浆快的压碎指标，试验测定结果见表3。

表3 再生粗骨料压碎指标

表3中，ZSGL代表再生骨料，ZSZK代表砖块骨料，ZSFZ代表水泥砂浆块骨料，TRSS代表天然骨料。由表3可知，水泥砂浆块压碎指标与天然碎石压碎指标数值相接近，分别为11.34%、11.32%，再生骨料的压碎指标高于天然碎石。砖块的压碎指标较高，约为25.45%，明显高于天然碎石的压碎指标，因此可将砖块颗粒视为再生骨料中的软弱颗粒。再生骨料中砖块的压碎指标之所以较高，原因在于砖块密实度低于其他两种类型的骨料，其具有较大的孔隙率，同时在骨料加工的过程中，砖块内部产生了一定量的微裂纹，这也进一步导致了其抵抗压碎能力的降低。

虽然砖块的压碎指标较高，但鉴于再生骨料中砖块的含量较低，质量比约为8.32%，所以砖块并未对再生骨料的压碎指标产生较大影响。由表3可知，再生骨料的压碎指标约为13.38%，因此该骨料可满足Ⅱ类混凝土用再生骨料对于压碎指标的相关要求。

3.3 再生骨料混凝土抗压性能

目前对于再生骨料混凝土的配合比设计并无统一规范[5，6]。由于再生骨料混凝土与普通混凝土相比仅在骨料类型方面有所差别，混凝土的基本要求相同，因此本次试验的混凝土配合比设计仍依据《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2011标准，原则上依次满足混凝土抗压强度、和易性、耐久性、经济性要求。

图2 再生骨料混凝土抗压试件

本次试验采用再生骨料按不同比例替代天然骨料的方式配制混凝土，测定不同取代率和不同龄期下再生骨料混凝土抗压强度。再生骨料混凝土抗压强度测定方法所依据标准为《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T500811。再生骨料替代天然骨料配制的混凝土在不同取代率和不同龄期条件下的抗压强度值可见表4。

表4 再生骨料替代天然骨料配制混凝土抗压强度(MPa)

由表4可知，各组试件抗压强度均随着龄期增长而增大，随着再生骨料替代率的增加，再生骨料混凝土28天抗压强度呈下降趋势，当再生骨料替代率从20%提高至70%时，再生骨料混凝土28天抗压强度降幅达到25%。此外，比较混凝土3天和28天强度可见，再生骨料混凝土的早期强度较高，各组试件3天抗压强度均达到了试件28天抗压强度的60%以上。考虑造成此现象的原因如下：①再生骨料与新拌水泥浆体之间具有良好的相容性，彼此之间存在物理嵌合，甚至存在发生化学反应的可能。②再生水泥砂浆骨料表面粗糙，自身力学强度高，与新拌水泥浆体具有较强的界面结合力。各组试件抗压强度变化规律见图3。

随着再生骨料替代率的增加，混凝土抗压强度逐渐下降。如果按照强度标准差σ=5.0 MPa估算混凝土配制强度，则C25混凝土28天配制强度约为33.0 MPa。因此当替代率不超过30%时，混凝土28天抗压强度能够满足C25混凝土的要求。进一步提高再生骨料替代率后，混凝土抗压强度将持续下降。

由3.2节可知，天然石子与水泥砂浆块的压碎指标相近，而再生砖块的压碎指标明显高于天然石子和水泥砂浆块。因此有理由认为砖块含量会对再生骨料混凝土抗压强度产生不利影响。表5展示了不同砖块骨料含量下，再生骨料混凝土在不同龄期条件下的抗压强度。

图3 不同取代率再生骨料混凝土抗压强度变化规律表5 不同砖块含量再生骨料混凝土抗压强度(MPa)

砖块含量/%3 d7 d14 d28 d627.0129.7635.0038.47920.8724.7826.2633.081220.2924.8827.6832.721521.7522.7028.2530.952119.4224.0125.3028.963019.5823.2828.7432.864017.0320.6727.0731.575017.2521.2027.0728.576014.5516.8424.2626.917015.9619.0523.7026.38808.0810.7814.9517.35

由表3可知，随着再生砖块骨料含量逐渐增加，各龄期条件下的再生骨料混凝土抗压强度均呈现下降趋势。分析28 d的抗压强度数据可知，持续提高砖块含量后，再生骨料混凝土抗压强度出现了明显下降。当砖块含量由6%提高至80%后，混凝土28 d抗压强度由38.47 MPa下降至17.35 MPa，降幅高达54.9%。依据表5试验数据并结合2.2节的分析内容，可以将再生砖块视为再生骨料中的最薄弱颗粒，增加其在混凝土拌合物中的含量会对混凝土抗压强度产生不利影响。

对于混凝土而言，其强度与水灰比之间存在密切关联。根据《普通混凝土配合比涉及规程》JGJ55-2011，采用鲍罗米公式来描述混凝土28天强度与水胶比之间的联系。

fcu。0=αafb(B/W-αb)

(2)

式(2)中αa和αb与骨料的种类有关，骨料为碎石时，αa=0.53；αb=0.20，骨料为卵石时，αa=0.49；αb=0.13。由于再生骨料既不属于碎石也不属于卵石，故将两组αa和αb值均采用鲍罗米公式进行计算，并与混凝土28天实测强度进行比较。

表6 混凝土计算强度与实测值

由表6可知，天然石子组、再生非砖块组与鲍罗米公式拟合的效果较好，拟合值与实测值较为接近。而再生骨料组和再生砖块组无论是按碎石拟合还是按卵石拟合，拟合值与实测值都相差较大，这也再次验证了再生骨料中砖块部分是影响再生骨料混凝土抗压强度的主要因素。

图4展示了在不同龄期条件下，再生骨料混凝土抗压强度与再生砖块骨料含量之间的变化规律。如图4所示，混凝土抗压强度下降过程大体可分为三个区间：第一区间砖块含量在6%～30%时，随砖块含量增加，再生骨料混凝土抗压强度快速下降；第二区间砖块含量30%～70%时，再生骨料混凝土抗压强度下降幅度减缓，呈近似线性下降趋势；第三区间砖含量高于70%时，再生骨料混凝土抗压强度再次快速下降。

图4 不同砖块含量再生骨料混凝土抗压强度变化规律

分析上述曲线产生的原因，当砖含量6%～30%范围时，随着砖块含量的增加再生骨料混凝土内部薄弱点也进而增加，从而引起混凝土抗压强度产生较大波动。当砖块含量30%～70%范围时，随着砖含量的增加，再生砖块含量对再生骨料混凝土抗压强度波动性影响减小，再生砖块含量与再生骨料混凝土抗压强度呈线性下降规律。砖含量达70%以上时，再生砖块作为主要粗骨料，成为混凝土的主要骨架，随含量增加再生骨料混凝土抗压强度明显下降。再生砖块含量在30%～70%区间，28天抗压强度降幅变缓。在该范围内，随砖块含量的增加，对再生骨料混凝土抗压强度负面影响变小。

4 结语

(1)再生骨料的主要成分为天然石子、水泥砂浆块、砖块。其中天然石子与水泥砂浆块含量较高，砖块含量较低，约占8%左右。再生骨料与天然石子的表面特征较为相近。

(2)再生骨料的微粉含量为2.225%，微粉含量较低。再生骨料的压碎指标高于天然碎石，其中水泥砂浆块天然石子压碎指标分别为11.34%、11.32%，砖块的压碎指标约为25.45%。由于再生骨料中砖块的含量较低，约占8%，所以砖块并不会对再生骨料的压碎指标产生较大影响。再生骨料的微粉含量和压碎指标均可满足《混凝土用再生粗骨料》GB/T25177-2010标准相关要求

(3)再生骨料混凝土的抗压强度随着再生骨料替代率的增大而降低，强度降低的主要原因在于骨料中砖块含量的提高，可将砖块视为再生骨料中的薄弱颗粒。显著提高砖块骨料含量，会明显降低再生骨料混凝土抗压强度。当再生骨料替代率不超过30%时，再生骨料混凝土28天抗压强度可满足C25混凝土要求。综上分析，再生骨料混凝土若要应用在实际工程领域，则需要严格控制其砖块骨料的含量，使其保持在合理的区间范围内。