廢棄混凝土制備再生骨料及其性能研究

許新兵等

摘要：著重進行了廢棄混凝土生產再生粗骨料和再生細骨料的試驗，測定了其相關基本性能，試驗結果表明：再生骨料的基本性能與天然骨料相比存在著一定的差異，這是由于再生骨料的表面有包裹著約為30%左右的水泥砂漿，導致再生骨料的表面粗糙、棱角較多，使得再生骨料的空隙率大、堅固性差、壓碎指標值較高，這些特點會影響再生骨料混凝土的強度和耐久性；但是再生骨料表面粗糙，針片狀含量較小，吸水率大，這些特點會使再生骨料與新的水泥砂漿有良好的黏結性，對于再生混凝土的成型有一定的積極作用。

關鍵詞：混凝土；再生骨料；建筑垃圾

中圖分類號： TU991.2

文獻標識碼： A 文章編號： 16749944（2015）06030105

1 引言

建筑垃圾是城市垃圾的主要組成部分，而廢棄混凝土則是建筑垃圾的主要組成部分，這些廢棄混凝土如果不及時進行回收利用，不僅會污染環境，還會造成資源的浪費。因此研究再生混凝土是將來綠色混凝土技術發展的一個重要方向。再生骨料（Recycled Aggregate，RA）是指廢棄混凝土經特定處理、破碎、分級并按一定的比例混合后，形成的以滿足不同使用要求的粒徑在40mm以下的骨料[1]。有些建筑垃圾生產的再生骨料可能不適于配制混凝土或砂漿，但是可以用來生產再生骨料磚、再生骨料砌塊等[2]。再生骨料一般為表面包裹著部分水泥砂漿的石子，小部分是與砂漿完全脫離的石子，還有極少一部分為水泥石顆粒及少量碎石等組成[1]?，F實生活中，再生骨料多來源于建筑廢料。而廢棄混凝土和廢磚石塊是建筑廢料的主要組分，共約占建筑廢料的80%（以重量計）以上[3]。

在再生混凝土研究利用方面，國內外早已開展了建筑垃圾生產再生骨料制備再生混凝土的新技術研究，并相繼出臺了一些再生混凝土規范，制定了《混凝土用再生粗骨料》（GB/T 25177-2001）、《混凝土和砂漿用再生細骨料》（GB/T 25176-2001）兩部國家標準，中華人民共和國建筑工程行業標準《再生骨料應用技術規程》已經通過專家審定。這些規范標準保證了再生骨料應用的效果和質量，推動再生骨料在建筑工程中的應用，使得再生骨料大量運用于建設之中。再生骨料的來源中廢棄混凝土骨料是目前研究和應用最多的再生骨料，主要應用于再生混凝土的制備[4]。本次試驗就是通過用蘭州市廢棄混凝土制備再生骨料，對再生骨料的基本性能進行試驗研究，得出其與天然骨料的差異，研究如何生產高性能的再生骨料，同時也為再生混凝土性能研究提供理論依據。

2 材料與方法

2.1 再生骨料的制備

2.1.1 試驗加工工藝

對于不同類別的廢棄混凝土，我們可以采用不同的加工工藝[5]考慮到本試驗是在實驗室室內進行，成本相對較低，且不適宜大型機械的處理，而且試驗采用的再生骨料為廢舊建筑混凝土，雜物含量相對較為簡單。所以我們在對各類廢棄混凝土生產再生骨料的加工工藝進行比較分析后，結合我們實驗室的實際情況，制定了一套適合本次試驗的加工工藝，見圖1。

圖1 試驗所采用的加工工藝

2.1.2 試驗原料及儀器

原料：廢棄混凝土生產再生骨料（蘭州市安寧區劉家堡某處廢舊拆除建筑混凝土）；天然碎石（5～31.5 mm連續級配的天然碎石（JGJ52-2006））；天然砂（細度模數為2.8的河沙（JGJ52-2006））；再生粗骨料（粒徑6～10 mm簡單破碎的再生粗骨料）；再生細骨料（粒徑<5 mm簡單粉碎的再生細骨料）。

試驗儀器：顎式破碎機（出粒粒度：6～10mm 浙江上虞市銀河測試儀器廠）；密封式制樣粉碎機（裝料粒度<5mm 浙江上虞市肖金化驗設備廠）；標準篩。

2.2 再生骨料的基本性能實驗研究

2.2.1 級配

再生骨料的粗細程度和顆粒級配用篩分析方法測定，用級配區表示骨料的級配[5]。將再生骨料由粗到細依次過篩，稱量各篩上的篩余量（g），計算各篩上的分計篩余率（%），再計算累計篩余率 （%）。

試驗步驟：

（1） 把試樣縮分至1100g，放在（105±5）℃烘箱中烘至恒溫。待冷卻至室溫后，篩除大于9.5mm的顆粒（并算出其篩余百分率），分大致相等兩份備用。

（2）稱烘干試樣500g，倒入從大到小的套篩上，放到搖篩機上，搖動10min，取下套篩按篩孔大小順序再逐個用手篩，篩至每分鐘通過量小于試樣總量0.1%為止，通過的試樣倒入下一號篩，再一起過篩，依次篩完為止。

（3）稱出各號篩的篩余量，精確至1g，試樣在各號篩上的篩余量不得超過200g，超過時應該將篩余試樣分成兩份，并以兩次篩余量之和作為該號篩的篩余量。

（4）結果計算與評定：

A計算分計篩余百分率，精確至0.01%；

B計算累計篩余百分率，精確至0.01%；

再生骨料顆粒級配連續，級配曲線是一條光滑連續曲線（圖2），粒徑為5～31.5mm，滿足標準要求。

圖2 再生骨料的級配曲線

2.2.2 表觀密度

（1）主要儀器設備。容量瓶（500mL）、托盤天平、干燥器、淺盤、鋁制料勺、溫度計、烘箱、燒杯等。

（2）試樣制備。將660g左右的試樣在溫度為（105±5）℃的烘箱中烘干至恒重，并在干燥器內冷卻至室溫。

（3）試樣方法及步驟。①稱取烘干的試樣300g（m0），精確至1g，將試樣裝入容量瓶，注入冷開水至接近500mL的刻度處，搖轉容量瓶，使試樣在水中充分攪動，排除氣泡，塞緊瓶塞后靜置24h。②靜置后用滴管添水，使水面與瓶頸500 mL刻度線平齊，再塞緊瓶塞，擦干瓶外水分，稱取其質量（m1），精確至1g。③倒出瓶中的水和試樣，將瓶的內外表面洗凈。再向瓶內注入與前面水溫相差不超過2℃的冷開水至瓶頸500mL刻度線，塞緊瓶塞并擦干瓶外水分，稱取其質量（m2），精確至1g。

（4） 結果計算。按下式計算再生骨料的表觀密度（精確至1kg/ m3）。

ρ0.5=（m0[]m0+m2-m1）×1000（kg/ m3）

由圖3可以直觀地看到，再生骨料的表觀密度小于天然骨料，而且再生細骨料的表觀密度小于再生粗骨料。再生骨料的表觀密度與再生骨料的粒徑、顆粒組成、級配和原混凝土的密度等有關。由于再生骨料的表面包裹著密度相對較小的舊混凝土砂漿，所以導致再生骨料的表觀密度的降低。

圖3 骨料的表觀密度

2.2.3 堆積密度

（1）主要儀器設備。標準容器（金屬圓柱形，容積為1L）、標準漏斗、臺秤、鋁制料勺、烘箱、直尺等。

（2）試樣制備。用四分法縮取再生骨料約3L、試樣放入淺盤中，將淺盤放入溫度為（105±5）℃的烘箱中烘干至恒重，取出冷卻至室溫，篩除大于4.75mm的顆粒，分為大致相等的兩份待用。

（3）試驗方法及步驟。①稱取標準容器的質量（m1）精確至1 g；再測定標準容器的體積（V0）將標準容器置于下料漏斗下面，使下料漏斗對正中心。②取試樣一份，用鋁制料勺將試樣裝入下料漏斗，打開活動門，使試樣徐徐落入標準容器（漏斗出料口或料勺距標準容器筒口為5cm），直至試樣裝滿并超出標準容器。上部是錐體后關閉活門。③用直尺將多余的試樣沿筒口中心線向兩個相反的地方刮平，稱其質量（m2），精確至1g。加料及刮平過程中不得觸動標準容器。

（4）結果計算。試樣的堆積密度按下式計算（精確至1kg/m3）：

ρ′0=m2-m1[]V0

堆積密度應用兩份試樣測定，并以兩次結果的算術平均值作為測定結果。

骨料的堆積密度反映了骨料在堆積狀態下單位體積的質量。由于再生骨料在破碎過程中內部產生大量微裂紋，造成骨料表面粗糙、棱角加多，這使得再生骨料的表面粗糙度比天然骨料大，骨料顆粒之間的空隙也要比天然骨料稍大，因此再生骨料的堆積密度就低于天然骨料（圖4）。

圖4 再生骨料的規程密度

2.2.4 空隙率

骨料的堆積體積包含了顆粒之間的空隙，其中空隙體積所占的比例即為骨料的空隙率。材料的空隙率按下式計算：

空隙率的大小反映了散粒骨料的顆?；ハ嗵畛涞闹旅艹潭?，可以作為控制骨料級配的依據。從圖5中可以看出，再生骨料的空隙率相比天然骨料來說較大，再生粗骨料的空隙率大于再生細骨料。這是由于再生骨料在破碎過程中造成表面粗糙、增加了棱角效應，且再生骨料的堆積密度大，這些都是再生骨料空隙率較小的原因。

圖5 再生骨料的空隙

2.2.5 吸水率

（1） 主要儀器設備。天平、烘箱、玻璃盆、游標卡尺等。

（2） 試樣制備。將試樣洗凈置于溫度為（105±5）℃的烘箱中烘至恒重，在放入干燥器內冷卻至室溫待用。

（3） 測試方法與步驟。①從干燥器內取出試樣稱其質量m1。②將試樣放入玻璃盆中，在盆底放置墊條（玻璃管或玻璃棒），使試樣和盆底有一定距離，試樣之間留出1～2cm的間隙，使水能夠自由進入。③加水至試樣高度的1/3處，過24h后再加水至試樣高度的2/3處，再過24h后加滿水，并放置24h。逐次加水的目的是使試樣內的空氣排出。④取出試樣，用擰干的濕毛巾擦去試樣表面水分后稱取質量m2。

為檢驗試樣是否吸水飽和，可將試樣重新滲入水中至試樣高度的3/4處，過24 h后重新稱量，兩次稱量結果之差不超過1%即可認為吸水飽和。

（4） 結果計算。材料的質量吸水率按下式計算：

式中：WW為材料的質量吸水率；m1為試樣的干燥質量；m2為試樣的吸水飽和質量。

按規定，材料的吸水率測試應用三個試樣平行進行，并以三個試樣吸水率的算術平均值作為測試結果。試驗結果精確至0.1%。

由圖6中可以看出，再生骨料的吸水率大于天然骨料，而再生細骨料的吸水率遠遠大于天然砂。這是由于天然碎石和砂子的孔隙很少，孔隙率很低，所以天然骨料的吸水率很低，一般都低于3%。而再生骨料，其顆粒的表面較為粗糙、顆粒的棱角多，而且再生骨料在破碎過程中，其內部往往會損傷積累大量的微裂紋，因此再生骨料的吸水率要比天然骨料大得多。然而對于再生細骨料，顆粒組分中包含相當數量的水泥砂漿，砂漿體中的水泥本身的孔隙就比較大，這造成了再生細骨料的吸水率遠大于天然砂。

圖6 再生骨料的吸水率

2.2.6 堅固性

再生骨料的堅固性主要是指骨料在氣候、外力和其他物理因素作用下骨料抗碎裂的能力，本次試驗是通過硫酸鈉飽和溶液滲入碎石或卵石中形成結晶時的裂脹力對碎石或卵石的破壞程度，來間接地判斷骨料的堅固性。

（1）主要儀器設備.烘箱、天平、方孔篩、三角網籃、硫酸鈉溶液、密度計、容器。

（2）試樣制備.將試樣淋洗干凈，放入（105±5）℃烘箱內烘干至恒量，取出冷卻，篩除小于4.75mm的顆粒待用。

（3）測試方法與步驟.①將所稱取的不同骨料的試樣mg裝入三腳網籃后浸入盛有硫酸鈉（1.151～1.174g/cm3）溶液（20～25℃）中（溶液體積應不小于試樣總體積的5倍），上下升降25次，排出氣泡，液面至少高出試樣表面30mm。②浸泡20h后，將試樣提起，在烘箱（105±5）℃中烘4h，至此完成了第一次試驗循環。待試樣冷卻至20～25℃。從第二循環起，浸泡和烘干均為4h。③第五次循環后，用清潔的溫水淋洗試樣，再烘至恒重，冷卻后用下限篩過篩，稱取各粒級試樣試驗后篩余量（my）。

（4）結果計算。骨料的質量損失百分率，精確至0.1%：

由圖7可以看出，再生骨料的質量損失率大于天然骨料，這是由于再生骨料顆粒表面有砂漿附著，導致骨料的吸水率增大，其吸附的飽和硫酸鈉溶液就愈多。再者還因為再生骨科在解體破碎過程中產生大量的微裂紋，使得再生骨料的空隙率增大，更加容易破碎，即再生骨料的堅固性較差。而本次試驗所得的再生粗骨料的空隙率大于再生細骨料，所以其質量損失率也較大。

圖7 再生骨料的質量損失率

2.2.7 壓碎指標

壓碎指標是反映粗骨料的強度和顆粒形狀的綜合指標，一般是用于表示粗骨料的抗壓能力。本次試驗測定粗骨料的壓碎指標我們采用的是YHKC-2A型顆粒強度測定儀直接測定。

YHKC-2A型顆粒強度測定儀是顆粒強度測定儀系列最新產品，采用先進的傳感測量技術，實現數字顯示的最新顆粒強度測定儀。該儀器有體積小、強度值直讀、精度高、使用更方便，是最為理想的新一代顆粒強度測定儀。

（1）測定方法與步驟。①逆時針旋轉手輪，使加力桿上移，接通電源，顯示器顯示儀器最大量程500N，如顯示其它數值，應按清零鍵，清零指示燈亮，數字顯示為 0.0N。②將試驗樣品置于樣品盤中心位置，如樣品過重，顯示數字變化，應再次重復操作，按清零鍵，最后顯示0.0N。再順時針旋轉手輪，將加力桿下移，當加力桿接近樣品時，按一下峰值保持鍵，此時峰值保持指示燈亮，再繼續慢慢旋轉手輪，此時顯示器已有數據顯示，并隨著試驗力的增加而增大，當樣品顆粒破碎時，受力的最大數值即被鎖定，此時數字直接顯示最大強度值。③繼續試驗時，將樣品盤中的殘留物清除，按一下峰值保持鍵，解除峰值保持，數字恢復顯示為 0.0N，同時峰值保持指示燈熄滅，且按一下清零鍵，直到數字顯示為 0.0N。

（2）結果計算。測定多次求取平均值，測定結果見表1。

測定結果表明，再生粗骨料的壓碎指標值高于天然粗骨料。骨料的壓碎指標與原混凝土的強度有關，原混凝土的強度越高，再生粗骨料的壓碎指標值就會越低。所以再生粗骨料表面包裹著強度較低的水泥砂漿，以及在破碎加工過程中對原混凝土造成的損傷，這些都會導致再生粗骨料的壓碎指標值較大。

2.2.8 針片狀顆粒含量

針片狀骨料含量是粗骨料的重要指標，試驗采用規準儀法測定粗骨料的針片狀含量，以百分率計。本方法測定的針片狀含量，是指使用專用規準儀測定的粗骨料顆粒的最小厚度（或直徑）方向與最大長度（或寬度）方向的尺寸之比小于一定比例的顆粒。

（1）主要儀器設備。針狀規準儀及片狀規準儀、天平或臺秤、標準篩。

（2）試樣制備。將試樣淋洗干凈，放入（105±5）℃烘箱內烘干至恒量，取出冷卻，并用四分法縮分骨料，滿足表2規定的質量和篩分粒徑備用。

（3）測試方法與步驟。①目測挑出接近立方體形狀的規則顆粒，將目測有可能屬于針片狀顆粒的骨料用標準規準儀逐粒進行針狀顆粒鑒定，挑出顆粒長度大于針狀規準儀上相應間距而不能通過者，為針狀顆粒[7]。②將通過針狀規準儀上相應間距的非針狀顆粒用標準片狀規準儀進行逐粒鑒定，挑出厚度小于片狀規準儀上相應孔寬能夠通過者，為片狀顆粒。③稱量由各粒徑挑出的針狀顆粒和片狀顆粒的質量，其總質量為m1。

（4）結果計算。粗骨料的針片狀顆粒含量按下式計算，精確至0.1%：

QC=m1[]m0×100%

式中：QC為試樣的針片狀含量（%）；m1為試樣中所含針狀顆粒與片狀顆粒的總質量（g）；m0為試樣的總質量（g）。

測定結果表明，再生粗骨料的針片狀含量要比天然粗骨料的要小?；炷猎偕止橇隙酁閺脑炷林袆冸x出來的天然卵石、碎石。在剝離破碎過程中，原天然碎石中的部分針片狀顆粒被破碎，再生粗骨料中的針片狀顆粒的含量降低。

3 再生骨料的基本性能試驗結論

（1）再生骨料的基本性能與天然骨料相比存在著一定的差異：由于再生骨料的表面有包裹著水泥砂漿，導致再生骨料的表面粗糙、棱角較多，使得再生骨料的表觀密度較小，再生骨料顆粒間的空隙率較大，堆積密度大；同時再生骨料在破碎過程中從原混凝土中剝離出一些天然碎石，同時內部產生大量微裂紋，所以再生骨料的吸水率較大，堅固性差，壓碎指標值較高，針片狀顆粒含量降低。

（2）再生骨料的空隙率大、堅固性差、壓碎指標值較高這些特點會影響再生骨料混凝土的強度和耐久性[8]；但是再生骨料表面粗糙，針片狀含量較小，吸水率大，這些特點會使再生骨料與新的水泥砂漿有良好的黏結性，對于再生混凝土的成型有一定的積極作用。

（3）根據再生骨料性能的不同，我們可以用來生產滿足不同需要、不同強度的再生混凝土，最大限度地利用廢棄混凝土骨料。

（4）對于再生骨料的加工工藝，可以建議采用本試驗的再生骨料加工方法用于工業大規模實踐生產中，也可以針對再生骨料的不同需求改變加工工藝流程，盡量尋求最經濟合理的加工工藝。

（5）今后可以進一步對再生骨料進行分類處理，提高再生骨料的品質，還可以對其進行改性處理，使再生粗骨料、再生細骨料的性能接近或優于天然骨料，以達到替代的目的。

參考文獻：

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