废弃混凝土再利用的研究

李炳杰

废弃混凝土再利用的研究

李炳杰

本文采用废弃混凝土取代天然骨料，以不同的替代比例制备出砂浆和水泥胶砂试样，研究了废弃混凝土微细颗粒对干混砂浆和水泥胶砂力学性能和微观结构的影响。实验结果表明，随着废弃混凝土取代比例的增加，干混砂浆和水泥胶砂的3d、28d的力学强度均呈先增后减趋势，综合抗压强度与工作性考虑，确定废弃混凝土的适宜取代率为40%。

废弃混凝土；水泥胶砂；干混砂浆

近年来，随着我国城市化进程的推进和小城镇及新农村建设的发展，大量废旧建筑物拆除和新建工程施工产生了大量的建筑废弃物。中国建筑废弃物的年排放量已超过4亿吨[1]，其中废弃混凝土等固体废弃物约占建筑废弃物总量的41%[2]。大量建筑废弃物的产生，带来了一系列自然资源、能源、环境保护和可持续发展的问题。在我国，不少地区已出现天然砂资源逐步减少，甚至无砂可用的情况，其中混凝土用砂供需矛盾尤为突出，天然砂的资源已趋于匮乏[3-6]。在此类地区经常不得不采用机制砂来代替天然河砂进行土建施工，此种方式虽然已在很多工程上得到应用，但既浪费资源，所得骨料的质量也很难保证。

目前国内外对废弃混凝土的研究大多集中在粗细骨料的研究和应用上[7-11]。Dae-Jung Moon等[12]将废弃混凝土破碎得到的粉末用于砂浆和水泥的制备，在抗压强度测试方面取得了良好的效果。国内对建筑废弃混凝土的再利用也有较为广泛的研究，史巍和侯景鹏[13]设计了一套带有风力分级设备的骨料再生工艺，为循环利用再生细集料奠定了基础。王惠芬[14]等研究了再生骨料取代率对稠度和分层度的影响。钟开红等人[15]利用建筑废弃物和工业废渣制备干混砂浆并进行了研究，制备出流动性和保水性能优良的干混砂浆。

本文以南方某混凝土公司抗压实验后废弃的试样为原料，经手工破碎和球磨破碎后筛分成级配良好的混凝土细颗粒，并分别制成干混砂浆试样和水泥胶砂试样，研究其掺量对两种试样强度的影响，力求将混凝土替代天然砂应用于实际，为解决建筑固体废弃物污染和天然砂过度开采问题提供新的依据。

1 实验

1.1 实验原料

水泥（某品牌P·O42.5普通硅酸盐水泥）、天然骨料（当地天然河砂，细度模数为2.446，级配区为Ⅱ区中砂，堆积密度1 400kg/m3，含水率6.0%）、标准砂（细度模数为2.382，级配区为Ⅱ区中砂）、废弃混凝土细颗粒（粒径为0～5mm，级配良好）。

1.2 水泥胶砂试样和干混砂浆试样制备及测试

（1）水泥胶砂试条的制备

根据ISO法及国标要求，按水泥：标准砂：水=1：3：0.5的比例配方（其中标准砂的被替代量分别为0、10%、20%、30%、40%、50%和60%），采用振动成型法制成40mm×40mm×160mm的长方体。试条成型后立即用不透水的薄膜覆盖表面，在温度为20℃±1℃的水泥标准养护箱中静置24h±2h，然后拆模放入温度为20℃±1℃的恒温水养箱养护，养护龄期为3d、28d（从搅拌加水开始计时）。具体的配置比例如表1所示。

表1 水泥胶砂实际配方，kg

（2）干混砂浆试样的制备

参照《砌筑砂浆配合比的确定与要求》，本文的强度等级设为M10的干混砌筑砂浆，按设计要求将原料以水泥：砂子=2：14的比例混合均匀（废弃混凝土替代天然河砂的比例为0、10%、，20%、30%和40%），再加入水泥质量1.8倍的水，采用振动成型法，成型试样规格为70.7mm×70.7mm×70.7mm立方体。试条成型后立即用不透水的薄膜覆盖表面，在温度为20℃±1℃的水泥标准养护箱中静置24h±2h，然后拆模放入温度为20℃±1℃的恒温水养箱养护，养护龄期为3d、28d（从搅拌加水开始计时）。具体的配置比例如表2所示。

表2 干混砂浆基础配方，kg

（3）水泥胶砂试样和干混砂浆力学强度和微观结构的测试

以《水泥胶砂强度检验方法》（GB/T17671—1999）测定水泥胶砂试样的抗折强度和抗压强度。参照《建筑砂浆基本性能试验方法》（JGJ70-90）对干混砂浆的力学强度进行测试，通过扫描电子显微镜观察试样的微观结构。

2 结果与分析

2.1 废弃混凝土对水泥胶砂抗压强度的影响

掺杂废弃混凝土的水泥胶砂的抗压强度见表3，其变化趋势如图1所示。

表3 水泥胶砂抗压强度

图1 水泥胶砂抗压强度

分析发现，随着水泥胶砂试条中废弃混凝土替代标准砂比例的增加，其抗压强度呈现先增大后减小的趋势，3d抗压强度在替代含量为50%时达到最大值，28d抗压强度在替代含量为40%时达到最大值。当替代含量在30%～50%之间时，它的抗压强度均大于基准水泥胶砂的抗压强度。这是因为用于替代标准砂的废弃混凝土表面粗糙、棱角多，具有较好的粘结面和界面粘结强度；同时废弃混凝土被磨细后有助于提高胶砂试条的密实性，使得水泥胶砂的强度得到了大幅度提高；而且经过破碎产生大量微裂缝，可以吸入新的水泥颗粒，使接触区的水化作用更加完全，形成致密的界面结构，使得因废弃混凝土强度较低而导致的水泥胶砂性能的劣化会得到一定程度的补偿。但随着废弃混凝土掺量的增大，废弃混凝土在破碎过程中产生的大量微裂缝增加，强度低于天然粗集料，对水泥胶砂强度的劣化效果增大，水泥胶砂的抗压强度必然有一个下降的趋势。

2.2 废弃混凝土对水泥胶砂抗折强度的影响

掺杂废弃混凝土的水泥胶砂的抗折强度见表4，其变化趋势如图2所示。

表4 水泥胶砂抗折强度

图2 水泥胶砂抗折强度

分析发现，随着水泥胶砂中标准砂替代比例的增加，其抗折强度呈现先增大后减小的趋势，且3d抗折强度在替代含量为50%时达到最大值，同时30%、40%和50%这三组的抗折强度基本相等；28d抗折强度在替代含量为40%时达到最大值。这七组试验数据的抗折强度基本都大于基准的水泥胶砂抗折强度。抗折强度的变化趋势跟抗压强度的变化趋势一致，这主要也是由于废弃混凝土在抗压强度变化中体现的因素也同样体现在抗折强度的趋势变化中。

2.3 废弃混凝土含量对干混砂浆强度影响

掺杂废弃混凝土的干混砂浆的立方体试件抗压强度见表5，其变化趋势如图3所示。

表5 干混砂浆立方体试件抗压强度

图3 干混砂浆立方体试件抗压强度

分析发现，随着砂浆试件中废弃混凝土掺量的增加，砂浆试件抗压强度的变化规律不是很明显，28d抗压强度的起伏性较大，而7d抗压强度比较接近（除掺量为20%的试件强度偏低外）。砂浆的7d和28d抗压强度均明显大于未掺废弃混凝土的基准砂浆强度，且当废弃混凝土掺量在30%时，强度达到最大值，是基准砂浆的1.5倍，说明干混砂浆和废弃混凝土有较好的兼容性。这是因为相对于普通河砂而言，废弃混凝土细小颗粒表面粗糙不规整，有较好的界面粘结强度；同时废弃混凝土颗粒具有填充效应，这些细小颗粒通过填充在砂浆水泥水化硬化时所产生的孔隙中，使其孔隙率减小，孔结构和砂浆硬化浆体的密实度得以改善，使得砂浆的强度得到了大幅度提高。

2.4 干混砂浆试样的微观结构

图4是砂浆-3的28d样品的SEM图，如图4a所示，废弃混泥土颗粒的表面粗糙、棱角较多。由于水泥砂浆孔隙率大、吸水率高，再加上混凝土块在解体、破碎过程中由于损伤积累使再生骨料内部存在大量微裂纹，所以相对于普通河砂而言，废弃混凝土颗粒表面粗糙不规整，有较好的界面粘结强度，同时废弃混凝土颗粒具有填充效应，能够填充在砂浆水泥水化硬化时所产生的孔隙，使其孔隙率减小。从图4中可以观察到干混砂浆试样的基本形貌特征。如图4b、图4c中所示的，其基本形貌是由大量网络状和颗粒状C-S-H包裹着无数钙矾石（AFt）的针状晶体和六方板状Ca（OH）2晶体，以及少量未与无机胶凝材料（水泥）反应的混凝土微细颗粒构成，它们密集交叉结合，从而试样具有较高的强度。基体中各种形貌的形成与其可能的生长空间有很大关系，在混凝土微细颗粒周围往往成为高水灰比区域，随着水泥水化进程水分干涸而留下较多的孔隙，因而混凝土微细颗粒周围会出现尺寸较大、形貌发展较好的晶体，这些区域成为干混砂浆体中的低密度和低强度区域。图4d中显示了基准砂浆大孔隙区的较大尺寸的层状Ca（OH）2晶体和AFt的交错富集贯穿在C-S-H凝胶中的形貌。

图4 干混砂浆试样的SEM照片

3 结论

（1）废弃混凝土取代标准砂制备水泥胶砂时，随着废弃混凝土取代比例的增加，3d、28d的抗压强度和抗折强度呈先增后减的趋势。从图表中可知，3d抗压强度在替代含量为50%时达到最大值；28d抗压强度在替代含量为40%时达到最大值；3d抗折强度在替代含量为50%时达到最大值，同时30%、40%和50%这三组的抗折强度基本相等；28d抗折强度在替代含量为40%时达到最大值。综合抗压强度和抗折强度考虑，确定废弃混凝土的适宜取代率为40%，该组试样的3d、28d的抗压强度分别达到了25.7MPa、45.4MPa，抗折强度分别达到了5.37MPa、8.13MPa，强度值同时优于基准水泥胶砂。

（2）废弃混凝土取代天然粗集料制备干混砂浆时，随着废弃混凝土取代比例的增加，7d、28d抗压强度呈先增后减的趋势。综合抗压强度与工作性考虑，确定废弃混凝土的适宜取代率为30%，因为该组试样的7d、28d强度分别达到6.03MPa、9.65MPa，是所有试验组中最高的，同时优于基准干混砂浆。

（3）废弃混泥土的表面粗糙、棱角较多，相对于普通河砂而言，废弃混凝土表面粗糙不规整，有较好的界面粘结强度，同时废弃混凝土颗粒具有填充效应，能够填充在砂浆水泥水化硬化时所产生的孔隙，使其孔隙率减小，孔结构和砂浆硬化浆体的密实度得以改善，使得砂浆的强度得到了大幅度提高。

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Study on Recycling Technology of W aste Concrete

LI Bingjie
(Sinoma Equipment&Engineering Co.,Ltd.,Beijing 100037,China)

The effect on mechanical properties and microstructure of dry-mixed mortar and cement colloidal mortar caused by different proportions ofwaste concrete has been investigated.Experimental results show that mechanical properties(3d and 28d)of dry-mixedmortar and cement colloidalmortar increase firstly and then decrease with the increase of the proportions ofwaste concrete.The appropriate proportion is 40%considering the compression strength and workability.

waste concrete；cement colloidalmortar；dry-mixedmortar

TQ172.8

A

1001-6171（2015）06-0035-04

中国中材国际海外事业发展公司，北京100037；

2015-03-03；编辑：吕光