碎磚骨料再生混凝土的抗凍性能試驗(yàn)研究

湯貝貝，王磊，宗蘭，陳龍，張春（南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

碎磚骨料再生混凝土的抗凍性能試驗(yàn)研究

湯貝貝，王磊，宗蘭，陳龍，張春
（南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

試驗(yàn)采用碎磚替代30%的粗骨料石子，制備碎磚骨料再生混凝土，通過與天然混凝土在凍融環(huán)境下的對比試驗(yàn)，研究碎磚骨料再生混凝土的抗凍性。試驗(yàn)結(jié)果表明：按C40強(qiáng)度等級設(shè)計(jì)30%取代率的碎磚骨料再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度基本接近設(shè)計(jì)強(qiáng)度；30%取代率的碎磚骨料再生混凝土的抗凍等級也可以達(dá)到D300。為碎磚骨料再生混凝土在工程中的應(yīng)用提供了參考數(shù)據(jù)。

碎磚骨料；再生混凝土；抗壓強(qiáng)度；耐久性；抗凍性

0　引言

隨著城市化建設(shè)進(jìn)程的加快，建筑不斷更新，市政動(dòng)遷規(guī)模不斷加大，建筑垃圾量急劇增加，占用大量土地對生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞；隨著混凝土需求量的急劇增加，加劇了對有限的天然砂石骨料的開采，資源枯竭和環(huán)境破壞問題日益凸顯。利用廢棄磚塊制備出高品質(zhì)的再生骨料混凝土，既解決了“如何處理建筑廢棄磚塊”和“尋找砂石骨料的替代品”等問題，又保護(hù)了生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)混凝土材料的可持續(xù)發(fā)展，符合 “綠色建筑”的倡導(dǎo)精神。

混凝土的強(qiáng)度和耐久性是其兩大基本特性，然而再生混凝土材料強(qiáng)度的研究結(jié)果顯示基本能夠滿足設(shè)計(jì)使用要求，現(xiàn)在研究更多的是其耐久性。而我國的西北、華北、東北屬寒冷地區(qū)，凍融循環(huán)作用往往是導(dǎo)致混凝土劣化、影響其耐久性的最主要因素之一。由于南京處于冬冷夏熱地區(qū)，因此，再生骨料混凝土的抗凍融性直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的安全和再生混凝土工程應(yīng)用的耐久性。

本課題采用碎磚代替30%的粗骨料石子來制備高強(qiáng)度的碎磚骨料再生混凝土，對碎磚類骨料再生混凝土的配制方法、配合比設(shè)計(jì)和基本的力學(xué)性能進(jìn)行了前期研究，研究結(jié)果顯示：綜合考慮其工作性能和力學(xué)性能，用碎磚取代30%的粗骨料為最佳。本課題在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究碎磚骨料再生混凝土的抗凍性，通過凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)，分析研究30%取代率的碎磚骨料再生混凝土的凍融循環(huán)破壞機(jī)理，實(shí)驗(yàn)測定出其抗凍等級，為碎磚骨料再生混凝土的工程應(yīng)用取得相關(guān)的數(shù)據(jù)支持。

1　試驗(yàn)原材料

水泥：膠凝材料用南京中聯(lián)水泥責(zé)任有限公司生產(chǎn)的中聯(lián)牌42.5普通硅酸鹽水泥。

粉煤灰：采用I級粉煤灰。

減水劑：本試驗(yàn)外加劑為聚羧酸系高效減水劑，減水率為25%。

水：混凝土拌和與養(yǎng)護(hù)用水為南京市江寧區(qū)飲用自來水。

細(xì)骨料：采用天然河沙，該天然河砂為中砂，含水率3%。

粗骨料：天然粗骨料采用碎石，粒徑在5～25 mm。再生粗骨料取自南京市某三層磚混結(jié)構(gòu)的住宅樓中拆除的碎磚。經(jīng)過分揀、破碎、篩分等工藝，采用鄂氏破碎機(jī)破碎，加工制成碎磚再生骨料，粒徑范圍為5～25 mm。其各項(xiàng)性能見表1。

2　配合比設(shè)計(jì)

2.1細(xì)骨料砂的級配設(shè)計(jì)

試驗(yàn)中設(shè)計(jì)的天然砂級配見圖1，表2。

2.2粗骨料的級配設(shè)計(jì)

試驗(yàn)中設(shè)計(jì)的粗骨料級配見圖2，表3。

表1　天然粗骨料與再生磚骨料主要性能指標(biāo)

2.3試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

以C40混凝土配合比為基準(zhǔn)，再生粗骨料取代率分別為0%、30%來配置天然骨料混凝土和碎磚骨料再生混凝土，粉煤灰摻量為10%，減水劑摻量為水泥的1.5%，附加水為碎磚質(zhì)量的5%。

3　試驗(yàn)方案

表2　天然河砂配比設(shè)計(jì)

表3　再生碎磚骨料及天然骨料顆粒級配表

圖1　天然砂級配曲線

圖2　天然粗骨料和再生碎磚骨料級配曲線

試驗(yàn)采用《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》（GBT50082-2009）規(guī)范中的快速凍融法。采用100 mm×100 mm×400 mm規(guī)格的試件，每組試件應(yīng)為3塊，每種做兩組。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室28 d齡期時(shí)開始進(jìn)行凍融試驗(yàn)。每25個(gè)循環(huán)測一次混凝土試塊的質(zhì)量和橫向基頻，根據(jù)混凝土試件質(zhì)量損失和相對動(dòng)彈模量變化值及強(qiáng)度下降值來衡量混凝土抗凍性能。普通混凝土和30%取代率的碎磚骨料再生混凝土各預(yù)留兩組試塊，每組3個(gè)，做成150 mm×150 mm×150 mm的立方體抗壓強(qiáng)度試塊；分別測試其7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度。

4　試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1抗壓強(qiáng)度結(jié)果分析

碎磚骨料再生混凝土和普通混凝土7 d、28 d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4，其中強(qiáng)度比值為混凝土的7 d強(qiáng)度與28 d強(qiáng)度的比值。

由表4可知，碎磚骨料再生混凝土和普通混凝土的7 d和28 d抗壓強(qiáng)度比在70%左右，這與普通混凝土的強(qiáng)度增長程度基本上是一致的?；炷猎O(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C40，碎磚骨料再生混凝土的強(qiáng)度接近40 MPa，較普通混凝土28 d的抗壓強(qiáng)度稍低一些。

表4　混凝土7 d和28 d的強(qiáng)度數(shù)據(jù)

4.2凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)或同條件養(yǎng)護(hù)的試件在養(yǎng)護(hù)齡期為24 d時(shí)提前將凍融實(shí)驗(yàn)的試件從養(yǎng)護(hù)地點(diǎn)取出，隨后將凍融試件放在（20±2）℃的水中浸泡4 d后，在將試件裝模入實(shí)驗(yàn)箱之前觀察試件表面情況有：各試件表面光滑，無缺陷。實(shí)驗(yàn)過程中，隨著凍融循環(huán)的次數(shù)上升，碎磚骨料再生混凝土的破壞是由表面、邊角逐漸破壞。碎磚骨料再生混凝土凍融循環(huán)次數(shù)較少的情況下，試件外觀破壞不明顯，但隨著次數(shù)達(dá)到150次以上，破壞開始較為明顯，特別是靠近箱底的部位混凝土表面剝離現(xiàn)象更加明顯。碎磚骨料再生混凝土的凍融循環(huán)和天然骨料的凍融循環(huán)都能夠達(dá)到300次。凍融循環(huán)300次后再生混凝土表面呈現(xiàn)麻狀，塊狀剝落，裸露出磚骨料。普通混凝土表面呈現(xiàn)麻狀，但是骨料裸露情況不明顯。凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后表面見圖3。

圖3　碎磚骨料再生混凝土與普通混凝土凍融循環(huán)試驗(yàn)照片

4.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)分析

凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)過程中30%取代率的碎磚骨料再生混凝土和普通混凝土的相對動(dòng)彈模量和質(zhì)量都在不斷變化著，兩者的相對動(dòng)彈模量變化如圖4所示，兩者的質(zhì)量損失如圖5所示。

圖4　凍融循環(huán)試驗(yàn)下相對動(dòng)彈模量變化對比曲線圖

圖5　凍融循環(huán)試驗(yàn)下質(zhì)量損失率變化對比曲線圖

由圖4可知，在凍融循環(huán)100次后，30%取代率的碎磚骨料再生混凝土和天然混凝土的相對動(dòng)彈模量均有下降的趨勢，前者下降的較后者稍快些；在凍融循環(huán)250次后，30%取代率的碎磚骨料再生混凝土的相對動(dòng)彈模量較普通混凝土的下降速度增快。達(dá)到300次凍融循環(huán)后，30%取代率的碎磚骨料再生混凝土的相對動(dòng)彈模量降低59%，接近破壞，而普通混凝土的相對動(dòng)彈模量下降40%。破壞的主要原因是磚骨料裸露，混凝土表面空隙較多，吸水凍脹，導(dǎo)致破壞。

由圖5可知，在凍融循環(huán)50次之前，30%取代率的碎磚骨料再生混凝土和普通混凝土的質(zhì)量損失基本相同；在凍融循環(huán)75～225次，30%取代率的碎磚骨料再生混凝土的質(zhì)量損失反而較普通混凝土的要小，在凍融循環(huán)100～200次之間，30%取代率的碎磚骨料再生混凝土的質(zhì)量反而增大，這是由于碎磚骨料再生混凝土表面破壞，磚骨料裸露，空隙增大，吸水量增加，才導(dǎo)致質(zhì)量損失出現(xiàn)負(fù)增長。凍融循環(huán)250次后，30%取代率的碎磚骨料再生混凝土破壞增大，其質(zhì)量損失較普通混凝土開始增大。凍融循環(huán)300次后，碎磚骨料再生混凝土的質(zhì)量損失是天然混凝土質(zhì)量損失的兩倍。

由此可以看出，高強(qiáng)C40，30%取代率的碎磚骨料再生混凝土和普通混凝土的凍融循環(huán)測試結(jié)果顯示：在凍融循環(huán)200次，碎磚骨料再生混凝土與普通混凝土的破壞形式接近。

5　結(jié)論

（1）30%粗骨料取代率的碎磚骨料再生混凝土基本上滿足高強(qiáng)混凝土的設(shè)計(jì)要求，按C40強(qiáng)度等級設(shè)計(jì)的碎磚骨料再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度基本上可以達(dá)到40 MPa。

（2）30%粗骨料取代率的碎磚骨料再生混凝土的抗凍等級可以達(dá)到D300，在凍融循環(huán)過程中，30%粗骨料取代率的碎磚骨料再生混凝土的相對動(dòng)彈模量下降趨勢較普通混凝土稍快些。在達(dá)到300次凍融循環(huán)后，碎磚骨料再生混凝土，達(dá)到破壞的邊緣。

（3）30%粗骨料取代率的碎磚骨料再生混凝土在凍融循環(huán)100次后，其表面開始小范圍剝離，凍融循環(huán)200次后，磚骨料開始裸露，空隙率增加，吸水增加，最終導(dǎo)致凍脹剝離；剝離界面主要是磚骨料破壞，而非磚骨料與膠凝材料的接觸面破壞。

（4）試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，C40，30%粗骨料取代率的碎磚骨料再生混凝土的工程實(shí)際應(yīng)用前景樂觀。

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This experiment adopts the rubble to replace 30%of aggregate stones to prepare brick recycled concrete aggregate.Compared with natural concrete in the freeze-thaw environment test it studies frost resistance of recycled concrete aggregate.Experimental results show that:according to the grades of C40，the cube compressive strength of recycled concrete aggregate with 30%rubble is close to the design strength；The level of antifreeze of recycled concrete brick aggregate with 30%replacement ratio can also achieve D300.It provides reference data for brick recycled concrete aggregate in the engineering application.

brickbat aggregate；recycled concrete；the compressive strength；durability；frost resistance

江蘇省住建廳科技研究項(xiàng)目（2013ZD07）；南京工程學(xué)院大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目（N20140914）；南京工程學(xué)院大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目（N20140901）。

湯貝貝（1992-），男，本科，土木工程專業(yè)。

（編輯：張嵐嶸）（2015-4-19）