紅磚粉末取代率對水泥混凝土路面的影響研究

劉明富，桑偉寧

(1.安徽省交通控股集團有限公司，安徽 合肥 230088；2.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

紅磚制品在我國應(yīng)用廣泛，中國也是一個紅磚生產(chǎn)和使用大國。隨著近年來新建房屋的不斷的增多，以及舊房改造等工程，我國城市產(chǎn)生的垃圾總量隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展也不斷增多。截至到2020年，我國的建筑垃圾規(guī)模已非常巨大，總量已達到驚人的200億噸左右，并且還在以35億噸每年的速度增加，這對我們的社會造成了很大的壓力，占到了城市固體垃圾的40%左右，建筑垃圾不同于其他固體廢棄物，其他固體廢棄物面臨著分散，不好集中處置以及分離開來較為困難的問題，建筑垃圾非常集中，便于收集。而這些建筑廢棄物將對我國的生態(tài)環(huán)境、氣候等造成嚴(yán)重影響。在如此多的建筑垃圾中，紅磚廢棄物產(chǎn)生量占據(jù)很大比重，并且在不斷增多，當(dāng)前國家大力提倡保護生態(tài)環(huán)境，關(guān)閉了很多天然采石場，也限制天然石料的使用，而對于建筑垃圾再生性利用將成為今后的熱點。在此之前，已有學(xué)者對建筑垃圾紅磚進行過研究，在研究紅磚粉末取代率占據(jù)50%以上時，反而會降低混凝土的強度，這很顯然是不利于紅磚粉末的應(yīng)用，此論文將會研究紅磚粉末取代率為50%以下的數(shù)據(jù)，得出較為詳細(xì)的取代率數(shù)據(jù)。

1 原材料與試驗方案

1.1 原材料

(1)細(xì)骨料：取自河砂，細(xì)度模數(shù)為2.79。

(2)粗骨料：取自巢湖的天然玄武巖碎石，級配為5～20 mm，各項主要性能指標(biāo)見表1。

(3)水泥：選用海螺牌42.5級普通硅酸鹽水泥。其主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

(4)紅磚廢料：取自合肥某建筑工地的廢棄紅磚，將其破碎成0～3 mm的紅磚廢料。其各項性能指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，主要性能指標(biāo)如表3所示。

(5)水：城市自來水。

表1 粗集料的性能指標(biāo)

表2 水泥的性能指標(biāo)

表3 紅磚粉末的性能指標(biāo)

紅磚廢料的級配如圖1所示，其中紅磚粉末和天然河沙各取兩組進行篩分，篩分結(jié)果如圖1所示：(A、B為兩組紅磚粉末，C、D為兩組天然河沙)

圖1 細(xì)骨料級配曲線圖

1.2 混凝土配合比設(shè)計

對于試驗紅磚水泥混凝土的配合比設(shè)計，參考不添加紅磚廢料的混凝土配合比，按照紅磚骨料的特性不同，設(shè)計出適宜的紅磚水泥混凝土配合比。本次試驗所采用0.38的水灰比。因為紅磚骨料和天然碎石的吸水率很接近，所以在進行級配設(shè)計的時候，忽略了紅磚粉末吸水對試驗造成的影響。但紅磚粉末的表觀密度比較小，在替代天然河沙上，考慮材料的表觀密度，用表觀密度進行紅磚粉末對天然河沙的線性替換。試驗所采用的廢棄紅磚粉末摻量分別為0、10%、20%、30%、50%、100%，用以替代細(xì)骨料，制成紅磚粉末混凝土研究其各項性能指標(biāo)。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 廢紅磚機制砂取代率對混凝土工作性能的影響

用廢棄紅磚粉末取代天然碎石應(yīng)用于水泥混凝土中，制備成混凝土試件，研究混凝土的坍落度和擴展度的影響。這兩項指標(biāo)反應(yīng)了混凝土的工作性能，是評價混凝土性質(zhì)的重要指標(biāo)。研究不同取代率對這兩項指標(biāo)的影響，其結(jié)果如表4所示。

表4 廢紅磚機制砂取代率對混凝土坍度與擴展度的影響

由表4可知，增加紅磚粉末的取代率，紅磚混凝土的坍落度逐漸減小，超過50%后降低較為顯著，擴展度和坍落度規(guī)律相同，說明摻入紅磚機制砂會讓混凝土的坍落度和擴展度下降，工作性能變差。這是因為廢棄紅磚粉末是經(jīng)過破碎工藝制備，表面較為粗糙，需水量大，而天然河沙表面比紅磚粉末光滑，需水量較小，因此在相同的條件下，廢棄紅磚機制砂取代率越大，混凝土的坍落度和擴展度越小。相比于未摻紅磚粉末的混凝土，在紅磚粉末摻量為20%時，混凝土的坍落度降低了10%、擴展度降低了9%。根據(jù)該實驗結(jié)果可知，廢棄紅磚機粉末表面比天然河沙粗糙，配置混凝土是用水量較大，并且會使混凝土的工作性能變差，但降幅不大，原因是廢棄紅磚經(jīng)高溫煅燒而成，本身結(jié)構(gòu)致密。

2.2 廢紅磚機制砂取代率對混凝土抗壓、抗折強度的影響

(1)混凝土立方體抗壓強度測試

使用選用邊長為150 mm的立方體試件，用來測定紅磚混凝土的抗壓強度。先將試件進行進行壓實，然后小心放入實驗室中，并用保鮮膜將其封存，放在室內(nèi)(20±5)℃保存24 h后，進行脫模處理。脫模后將試件放入恒溫箱中分別養(yǎng)護7 d和28 d,恒溫箱的養(yǎng)護條件為：溫度(20±0.5)℃、濕度95%以上。用應(yīng)力控制法測定紅磚水泥混凝土的抗壓強度，加載速率設(shè)定為為0.6 MPa/s。

表5 紅磚粉末取代率對混凝土抗壓強度的影響

從表5可知，在混凝土水灰比為0.38時，紅磚水泥混凝土中摻入紅磚機制砂對抗壓強度有影響;紅磚水泥混凝土隨著紅磚摻量的增加，抗壓強度先是逐漸升高；在紅磚摻量達到20%，混凝土抗壓強度最大；當(dāng)紅磚機制砂摻量超過20%后，混凝土強度開始下降，在超過50%后，下降較為明顯。

(2)混凝土抗折強度測試

本試驗參照規(guī)范要求制備抗折強度試塊，制備的試塊尺寸為150 mm×150 mm×550 mm標(biāo)準(zhǔn)尺寸。試驗結(jié)果如表6所知。水灰比為0.38時，紅磚水泥混凝土隨著紅磚粉末摻量的增加，混凝土的抗折強度先是緩慢增加，紅磚摻量在20%左右時抗折強度達到最大；而后逐漸下降，當(dāng)紅磚摻量超過50%后，混凝土抗折強度下降較為顯著。

表6 紅磚粉末取代率對混凝土抗折強度的影響

2.3 廢紅磚機制砂取代率對混凝土干縮性能的影響

將紅磚粉末作為機制砂加入混凝土中，制備的試塊尺寸為150 mm×150 mm×550 mm標(biāo)準(zhǔn)尺寸，制備六組試件，紅磚粉末取代率從0到100%，按照前文的試驗規(guī)格，將制成的試件放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護箱中養(yǎng)護7 d后分別進行混凝土試塊的干燥收縮性能的試驗，記錄7 d、18 d、28 d、60 d的干燥收縮值，各組試驗數(shù)據(jù)分別如表7所示。

表7 紅磚粉末取代率對混凝土干燥收縮性能的影響

由表7可知，用紅磚粉末取代原河沙對混凝土試件的干縮性能有影響，在取代率50%以下時，干縮值增加并不顯著，但在超過50%后，增加較為顯著，顯然是不利于混凝土試件的使用的，而紅磚粉末取代率在20%～30%的區(qū)間時，混凝土試件的干縮值和原河沙試件差別很小，說明紅磚粉末取代率咋20%左右是相對比較好的一個標(biāo)準(zhǔn)，再將上述表格數(shù)據(jù)繪制成折線圖，以紅磚粉末取代率為橫坐標(biāo)，混凝土試件的干燥收縮值為縱坐標(biāo)，分別繪制7 d、18 d、28 d、60 d的干燥收縮值曲線如圖2所示，從圖中可以看出，隨著取代率的變化，混凝土干縮值的總體上呈現(xiàn)增長的趨勢，紅磚粉末取代率在20%～30%是一個比較好的取代率結(jié)果。

圖2 紅磚粉末取代率對混凝土試件干縮的影響

3 結(jié) 論

(1)隨著廢紅磚粉末取代率的增大，混凝土的坍落度與擴展度都在逐漸減小，但是在取代率不超過20%時，下降的幅度很小，僅為10%、9%，對混凝土應(yīng)用于路面中影響不大。

(2)隨著廢紅磚粉末取代率的增大，混凝土試件的抗壓強度和抗折強度先增后減，最佳取代率約為20%。

(3)隨著紅磚粉末取代率的增加，混凝土試件的干燥收縮之呈先增加后減小的規(guī)律，在20%～30%的區(qū)間時，干縮值和原河沙試件相比，差別不大，說明20%的取代率是可行的。

(4)用廢棄紅磚粉末替代天然河沙制備水泥混凝土可行，但最佳替代率僅為20%，占比太少，不利于此種材料大規(guī)模使用，如何提高紅磚粉末在配置混凝土中的占比，并且不影響混凝土的性能，這將是今后研究的方向。