改性碎砖骨料大流态混凝土力学性能研究

邬良竹， 孟宏睿

(1.西安工业大学 建筑工程学院， 陕西 西安 710016;2.陕西理工大学 土木工程与建筑学院， 陕西 汉中 723000;3.汉中市南郑区住房和城乡建设管理局， 陕西 南郑 723100)

近年来，随着建筑业的不断发展，对建筑材料的需求量空前巨大且与日俱增，导致了建筑垃圾的产量也越来越大[1-3]，建筑垃圾的循环利用成为亟待研究的课题[4-5]。粘土砖作为传统的建造材料，在全国各地均大量生产，造成在房屋建造和拆除过程中产生大量碎砖废料，为经济和环保造成了巨大压力[6]。国内外众多学者通过强化废弃粘土砖颗粒的性能，使其具备成为混凝土骨料的条件。有学者对碎砖骨料进行了物理研磨强化处理和不同化学试剂浸泡处理，研究发现物理研磨可明显降低碎砖骨料的吸水率，有机硅防水抗油剂对碎砖骨料强化作用最明显[7]，也有学者采用化学浆液浸泡强化法处理再生粗骨料，结果发现水泥外掺硅粉浆液和聚乙烯醇溶液浸泡强化法最为有效[8]。俄罗斯学者采用酸液与超塑化剂对再生骨料进行表面处理，研究证明用盐酸处理再生骨料，不仅能够提高混凝土强度，还可以改善拌合物的和易性[9]。

本文针对碎砖孔隙率大、破碎后微细裂缝多及强度低等特点[10-13]，采用预湿、浸泡[14-16]并裹浆的方式对碎砖进行改性处理，测试表观密度和压碎指标并配制大流态(泛指坍落度大于180 mm的大流动性)混凝土，研究不同改性处理方式对碎砖骨料基本特性的改变和对混凝土抗压强度的影响。

1 试验方案及原材料

1.1 试验方案

试验采用直接裹浆法、预湿裹浆法和水玻璃浸泡裹浆法对碎砖骨料进行改性处理，测定改性处理前后碎砖骨料的表观密度、吸水率和压碎指标，并进行对比分析；利用改性处理前后的碎砖骨料分别配制大流态混凝土，测定坍落度和立方体抗压强度，并通过对比分析优选出本试验范围内的最佳改性处理方法。

1.2 试验材料

碎砖骨料：汉中市棚户区改造项目居民自建房拆除的建筑废弃粘土砖，强度等级评定结果为MU10，经机械破碎并筛分后选取粒径为4.75～19.0 mm的颗粒。天然骨料：汉山山体开采的碎石。细骨料：汉江河天然河砂。水泥：中材汉江水泥股份有限公司生产的中材牌42.5普通硅酸盐水泥。水：自来水。水玻璃：西安蓝翔化工有限公司生产的桶装液态水玻璃。减水剂：汉中增辉新型材料有限公司生产的减水剂，减水率为23%。

2 碎砖骨料改性处理试验

2.1 改性处理及试验结果

试验采取了3种方式对碎砖骨料进行改性处理：直接裹浆法、预湿裹浆法和水玻璃浸泡裹浆法，3种方法的共同点是采用水泥浆液外部裹浆。由于碎砖骨料孔隙多且吸水性大，故水泥浆液的水灰比对试验结果具有至关重要的影响：若水灰比过大，水泥浆液过稀，裹浆层过薄，则改性效果不明显；若水灰比过小，浆液粘稠度增大，碎砖无法完全吸收浆液，导致孔隙和裂缝不能被水泥浆液填充，达不到改性目的。通过调配和观察，试验选取了3种水灰比，分别是1∶1.2、1∶1.6和1∶2。

直接裹浆法即对筛分完成的碎砖骨料直接进行裹浆；预湿裹浆法和水玻璃浸泡裹浆法即先将碎砖分别在水或水玻璃中浸泡24 h，吸足水分或水玻璃后捞出沥干，摊开晾晒1 h至饱和面干状态，用水灰比分别为1∶1.2、1∶1.6和1∶2的水泥浆液裹浆，裹浆完毕的各组骨料需均匀摊在塑料薄膜上，再覆盖一层薄膜保温保湿，静置24 h后标准养护7 d，使外裹水泥浆形成水泥外壳。

按照《GB/T 14685—2011建筑用卵石、碎石》规定的试验步骤，分别测定天然碎石骨料、未处理碎砖骨料和改性处理后骨料的表观密度、吸水率及压碎指标，测定结果见表1。

表1 天然骨料及改性处理前后碎砖骨料基本物理性能

注：G1-1、G1-2和G1-3均为直接裹浆组，裹浆水灰比分别为1∶1.2、1∶1.6和1∶2；其他组以此类推

由表1可知，碎砖骨料改性处理后，表观密度得到不同程度的提高，且各组表观密度最大为G1-1组、G2-1组和G3-1组，表观密度值分别增大16.8%、17.3%和15.7%；除G3组外，各组吸水率都有所增加，每组最大增(降)幅分别为5.0%、3.4%和1.9%；改性处理后，碎砖骨料压碎指标都有不同程度的降低，且各组压碎指标最小为G1-2组、G2-1组和G3-1组，压碎指标分别降低17.4%、22.5%和24.9%。

2.2 试验结果分析

经过改性处理的碎砖骨料表观密度得到不同程度的提高，其中G2-1组(见表1)表观密度最大，为2120 kg/m3，增长率为17.3%，这是由于水灰比为1∶1.2的水泥浆液能够更好地填充碎砖内部的裂纹和微缝，裹浆厚度合适，且碎砖在裹浆前已是饱和面干状态，水分已经填充了碎砖中的缝隙，水泥浆体渗入更深入，致使表观密度较高；碎砖骨料外裹水泥浆后吸水率增大，是由于碎砖本身孔隙率大且内部多有微细裂缝，加之改性处理后碎砖外裹了大量水泥浆，7 d后测试吸水率时，部分未水化水泥继续水化，导致称量质量增加，表现为吸水率更大；经改性处理的碎砖骨料压碎指标低于未处理碎砖，这是由于水泥浆或水玻璃溶液填充了碎砖本身的孔隙和再生产过程中产生的大量裂纹，并且外裹水泥浆有一定的强度，从而提高了碎砖骨料的强度。水玻璃浸泡裹浆组(G3组)压碎指标最低，是因为水玻璃是一种矿物粘合剂，水玻璃硬化后产生了具有较高粘结力的硅凝胶，比表面积较大，且水玻璃溶液浸渍材料后能渗入缝隙和空隙中，固化的硅凝胶能够堵塞材料的毛细孔通道，提高材料了密度和强度，从而起到加固材料、优化材料性能的效果。

由上述分析可得，碎砖骨料经水和水玻璃浸泡后裹1∶1.2水泥浆液的改性效果最佳，故采用G2-1和G3-1组碎砖骨料配制混凝土。

3 改性碎砖骨料大流态混凝土配合比计算及抗压强度试验

配制碎砖混凝土时选取G2-1和G3-1组碎砖骨料，为便于对比，需配制天然骨料组(NA组)和空白组(K组)，空白组即碎砖骨料不经任何处理，直接配制碎砖混凝土。

混凝土的试配强度为C35，水灰比为47%，砂率取43%，减水剂用量为水泥质量的1.8%，碎砖采用等体积替代法替代天然骨料进行人工拌合，碎砖替代率为0、20%、40%和60%。混凝土配合比以坍落度大于180 mm为控制目标进行设计，按照配合比将原材料拌合均匀，测量拌合物的坍落度，并将混凝土拌合物标准养护28 d后测试立方体抗压强度。试验结果见表2。

表2 改性碎砖骨料大流态混凝土各组配合比、坍落度及立方体抗压强度

注：K组试拌时加入碎砖骨料用量的1 h吸水量

图1 改性碎砖骨料大流态混凝土立方体抗压强度

由表2可以看出，各组混凝土坍落度均到达设计标准180 mm，满足大流态要求。通过观察分析表2和图1可知，改性碎砖骨料大流态混凝土立方体抗压强度均低于普通天然碎石骨料混凝土。

水玻璃浸泡裹浆组(B组)强度随碎砖替代率的增大而降低，且降幅越来越大，立方体抗压强度值较其他两组偏高。立方体抗压强度降低是因为改性处理后的碎砖骨料强度仍然较低，随着碎砖替代率的增大，对立方体抗压强度的影响就越明显，故降幅越来越大；立方体抗压强度值高于其他两组是因为水玻璃浸泡裹浆后的碎砖骨料，内部的孔隙和裂缝被水玻璃粘结和填满，碎砖骨料密实度提高，碎砖骨料压碎指标较小，碎砖骨料强度较高，故配制出的混凝土强度值比其他两组较大。

空白组(K组)和预湿裹浆组(Y组)的强度变化基本一致，都在碎砖替代率为40%时有所增大，之后又呈降低趋势，这是碎砖骨料吸水率较大，改变了拌合物水灰比所致。K组的强度大于Y组，这是因为预湿碎砖的吸水率小于干燥碎砖，裹浆后仍是如此，故K组的吸水率大于Y组，能够更大程度减小拌合物水灰比，从而达到提高立方体抗压强度的效果。当碎砖替代率为0～20%时，由于碎砖替代率小，吸水量少，对拌合物水灰比的影响不明显，故这两组混凝土强度降低；当碎砖替代率为20%～40%时，碎砖量增多，吸水量增大，对拌合物水灰比的降低效果明显，在一定程度上提高了碎砖骨料混凝土的立方体抗压强度，故其大于替代率为20%时的强度；当替代率大于40%时，由水灰比引起的强度增大被较大的碎砖替代率部分抵消，这时碎砖替代率成为影响混凝土强度的主导因素，故强度降低、降幅增大。

综合分析可知，水玻璃浸泡裹浆法处理过的碎砖骨料配制出的大流态碎砖骨料混凝土不仅坍落度较大、立方体抗压强度较高，而且立方体抗压强度变化趋势较为平稳，故水玻璃浸泡裹浆法属于本次试验条件范围内最佳的改性处理方式。

4 结 论

对碎砖骨料进行了不同方式的改性处理，挑选出改性效果较好的碎砖骨料配制了大流态混凝土，测试了大流态混凝土的坍落度和立方体抗压强度值，对比分析后得出碎砖骨料的最佳改性方式。结论如下：

(1)对碎砖骨料采用改性处理的方法可以提高表观密度、降低压碎指标，除水玻璃浸泡裹浆组外，其他改性处理后的各组碎砖骨料吸水率均有所增加。

(2)预湿裹浆法虽可以提高碎砖骨料强度，但预湿裹浆组(Y组)的立方体抗压强度不及空白组(K组)，说明骨料强度不是影响混凝土强度的唯一因素，拌合物水灰比也起着重要作用。

(3)水玻璃浸泡裹浆法的改性效果最好。经水玻璃溶液外裹水泥浆改性的碎砖骨料压碎指标降低了24.9%，配制出的大流态混凝土抗压强度均高于其他组。由此可见，提高碎砖骨料表面与水泥浆体间的粘结性，是提高碎砖骨料及碎砖骨料大流态混凝土强度的一种有效措施。

对比各组混凝土的坍落度和立方体28 d抗压强度，可知水玻璃浸泡裹浆法是本次试验条件范围内，降低碎砖骨料压碎指标，提高碎砖骨料表观密度和提高改性碎砖骨料大流态混凝土立方体抗压强度最行之有效的改性处理方法。