建筑垃圾应用于再生骨料的试验研究
张秀芳，何更新，赵霄龙
中国建筑科学研究院建材所，北京 100013
摘要：通过分别采用再生粗骨料和再生细骨料取代部分或全部天然砂石骨料，研究再生粗(细)骨料取代率对混凝土性能的影响。试验结果表明，随着再生粗(细)骨料取代率的提高，混凝土用水量呈线性增加，而抗压强度呈线性下降，表观密度也随之下降。
关键词：再生粗骨料;再生细骨料;取代率
我国每年拆除旧建筑所产生的废弃混凝土、废弃碎砖瓦等建筑垃圾数量极其巨大，加上新建建筑施工过程中所产生的废料，建筑垃圾排放量逐年快速增长。据统计，目前我国每年建筑垃圾排放量达数亿吨，仅废弃混凝土一项就高达约1亿吨。全国每年数亿吨的建筑垃圾面临消纳处理问题;而大规模基础设施建设对混凝土骨料的需求巨大，但天然砂石不容继续无度开采，使骨料供应日渐出现短缺危机。在上述双重原因下，利用废弃混凝土等建筑垃圾生产不同用途的再生骨料成为必然，大量实践已经证明，利用建筑垃圾制备再生骨料，不但实现建筑垃圾的无害化、减量化，解决废弃混凝土等建筑垃圾的消纳问题，有利于环境保护;而且可形成“再生骨料生产和应用”新兴行业，大大缓解天然骨料短缺状况，减轻建筑业对天然骨料的过度开采和依赖。
从建筑业消纳的途径看，用建筑垃圾制备的再生骨料可用于配制混凝土、砂浆，用再生骨料配制的混凝土和砂浆已经在建筑工程中得到了应用。但含有较多废弃砖瓦的建筑垃圾制备的再生骨料不适合于配制混凝土，而适合于制备非烧结砌块或非烧结砖，用其制备的再生砌块和再生砖也已应用于很多大型民用建筑工程中。本文仅对用再生骨料配制的混凝土进行试验研究和探讨。
1 研究路线
分别采用再生粗骨料和再生细骨料取代部分或全部天然骨料配制不同强度等级的混凝土，检验混凝土的拌合物性能、力学性能及耐久性能，从而探讨再生骨料的掺量对混凝土性能的影响。选取有代表性的三个掺量：40%、70%、100%，分别等量取代天然骨料，配制混凝土，进行混凝土性能的试验研究。
2 试验用原材料
2.1 水泥：P.O42.5，北京拉法基水泥公司生产;
2.2 天然粗骨料：卵石，性能指标见表1;
2.3 天然细骨料：中砂，性能指标见表2;
2.4 外加剂：FDN萘系高效减水剂，粉剂;
2.5 水：自来水。
3 再生骨料
3.1 再生粗骨料
建筑垃圾中的混凝土、路基
再生粗骨料为北京某厂生产，原料为等，选用两种规格的再生粗骨料：5～31.5mm连续级配和16～31.5mm单粒级，其性能指标见表3。
3.2 再生细骨料
再生细骨料亦为北京该厂用生产再生粗骨料的同批原料生产的，选用二种类型的再生细骨料：1#和2#，其性能指标见表4。
3.3 结果分析
国家标准《混凝土用再生粗骨料》GB/T25177-2010将再生粗骨料按性能分为三类，每类的性能指标应符合表5的要求。
与表5的标准规定值相比较，表3中的再生粗骨料因吸水率、微粉含量较高，因此，1#再生粗骨料所测项目基本满足Ⅲ类再生粗骨料的要求，2#再生粗骨料所测项目基本满足Ⅱ类再生粗骨料的要求。
国家标准《混凝土和砂浆用再生细骨料》GB/T25176-2010将再生细骨料按性能分为三类，每类的性能指标应符合表6的要求。
因再生胶砂需水量比和抗压强度比没有测试，和可再分散乳胶粉相关。从表4已检测的项目看，1#再生细骨料基本满足Ⅲ类再生细骨料的要求，2#再生细骨料基本满足Ⅱ类再生细骨料的要求。
比较表3与表1、表4与表2，可以看到，再生骨料的表观密度和堆积密度值都低于天然骨料的，这主要是由于再生骨料表面含有较多的水泥砂浆，而水泥砂浆的密度远低于天然砂石的，且骨料在破碎过程中会产生一些微裂纹，导致再生骨料的密度低于天然骨料的密度，再生骨料的密度降低将会导致利用其拌制的再生混凝土的密度和弹性模量降低。从表3、表4还可看到，再生骨料的吸水率和微粉含量都远大于天然骨料的。吸水率高的原因是再生骨料表面附着部分水泥砂浆，其孔隙率大，且含有一些微裂纹，导致用水量增大，再生骨料的高吸水率通常被认为是其相对于天然骨料最重要的特征。再生骨料中的微粉主要是由石粉、水泥石粉和泥土组成，为非粘性无机物。
4. 试验结果
4.1 再生粗骨料取代部分或全部天然卵石
分别以40%、70%、100%的再生粗骨料等量取代天然卵石配制混凝土，其混凝土的拌合物性能、力学性能及碳化试验结果见表7和图1、图2。
从表7及图1、图2可以看到，随着再生粗骨料取代量的增加，在保持坍落度基本相同的情况下，用水量呈线性增加，这是由于再生粗骨料的吸水率远大于天然骨料。当1#再生粗骨料取代率分别为40%、70%、100%时，用水量分别比纯天然骨料配制的混凝土增加8%、12%、17%。随着用水量的增加，即水灰比增大，抗压强度也呈线性下降，当1#再生粗骨料取代率分别为40%、70%、100%时，28d抗压强度分别下降15.2%、17.2%、26.1%，即再生粗骨料的取代率越高，抗压强度下降的幅度也越大。从表7还可看到，混凝土拌合物的表观密度随着再生粗骨料取代率的增加而降低，这是由于再生粗骨料的表观密度(2500kg/m3左右)小于天然石的表观密度(2840kg/m3)，因此，混凝土拌合物的表观密度随之降低，再生粗骨料取代率越大，表观密度降低的越多。
比较编号为2-1、2-2、2-3这三个配合比，当再生粗骨料取代率分别为40%、70%、100%时，90d强度比28d强度分别增长13.9%、18.9%、33.6%，也即随着再生粗骨料取代率的增加，90d强度的增长幅度也越来越大，均大于普通混凝土;另外，虽然这三个配比的28d强度不同，但90d强度基本相同。分析其原因，可能是再生粗骨料在拌和过程中吸收的一部分拌合水，会随着水泥水化的进行释放出来，保证再生混凝土在较长时间内保持一定的湿度，形成一种“内养护”作用，从而促进再生混凝土的后期强度发展。
再比较1#与2#两种规格的再生粗骨料，前者为5～31.5mm连续粒级，后者为16～31.5mm单粒级。在配合比相同的情况下，当再生粗骨料取代率同为40%时，除7d强度，2#再生粗骨料比1#再生粗骨料配制的混凝土强度低11.1%外，3d、28d、90d强度接近;但当再生粗骨料取代率同为70%时，2#再生粗骨料配制的混凝土(编号为2-5)均比1#再生粗骨料配制的混凝土(编号为2-2)各龄期强度都低，分析其原因，可能是2#再生粗骨料的级配较差，配制出的混凝土孔隙率大，密实度差，因而强度低。
从28d碳化深度看，再生粗骨料取代天然粗骨料后，其碳化深度大部分都大于纯天然骨料配制的混凝土。
4.2 再生细骨料取代部分或全部天然砂
分别以40%、70%、100%的再生细骨料等量取代天然砂配制混凝土，其混凝土的拌合物性能、力学性能及碳化结果见表8和图3、图4。
从表8及图3、图4可以看到，随着再生细骨料取代率的增加，在保持坍落度基本相同的情况下，用水量呈线性增加，这是由于再生细骨料的吸水率大于天然细骨料。当再生细骨料取代率分别为40%、70%、100%时，1#再生细骨料(水泥用量为400kg/m3)的用水量分别比纯天然骨料增加5.6%、13%、16.9%，而2#再生细骨料(水泥用量为300kg/m3)的用水量分别增加7.5%、13.9%、28.3%，可以看出，当再生细骨料取代率为100%时，大水灰比(水泥用量为300kg/m3)情况下的用水量增加的幅度(28.3%)明显高于小水灰比(水泥用量为400kg/m3)的情况(16.9%)。随着用水量的增加，即水灰比增大，抗压强度也呈线性下降，当再生细骨料取代率分别为40%、70%、100%时，28d抗压强度下降的幅度，小水灰比时为10.1%、22.4%、33.7%，大水灰比时为11.8%、19.8%、24%，即再生粗骨料的取代率越高，抗压强度下降的幅度也越大。从表8还可看到，小水灰比时，混凝土拌合物的表观密度随着再生细骨料取代率的增加而降低，这是由于再生细骨料的表观密度(2500kg/m3左右)小于天然砂的表观密度(2630kg/m3)，因此，混凝土拌合物的表观密度降低，再生细骨料取代率越大，表观密度降低的越多;但是，大水灰比时，表观密度相差不大。
只有编号为3-3、3-4的二个配合比留有90d强度，从结果看，90d强度分别比28d强度增长15.5%(再生细骨料取代率为70%)、4.3%(再生细骨料取代率为100%)。与再生粗骨料相比，90d强度增长幅度小于再生粗骨料配制的混凝土。
从表8的28d碳化深度看，再生细骨料各取代率下的碳化深度基本都小于纯天然砂，只有2#再生细骨料取代率为100%时的情况例外，其28d碳化深度高达17.6mm，差不多为纯天然砂的二倍，再生细骨料的这一碳化特性与再生粗骨料的情况差别较大。
比较表7和表8，用再生粗骨料或再生细骨料取代天然骨料后，随着再生骨料取代率的增加，用水量都是显著增加，二者增加的幅度差不多，而抗压强度随再生骨料取代率的增加而下降，取代率越大，强度下降的幅度也越大。
5 标准动态
随着再生骨料在建筑工程中的应用范围不断扩大，迫切需要制订相关的标准规范。2010年10月发布了两部产品国家标准：《混凝土用再生粗骨料》GB/T25177-2010和《混凝土和砂浆用再生细骨料》GB/T25176-2010。这两部标准规范了再生粗骨料和再生细骨料的质量要求，有利于推进再生骨料的应用。2011年5月发布了行业标准《再生骨料应用技术规程》JGJ/T240-2011，自2011年12月1日起实施。
《再生骨料应用技术规程》JGJ/T240-2011对再生骨料在混凝土、砂浆、砌块及砖中的应用作了详细的规定，其中对再生骨料在混凝土中的应用规定如下：Ⅰ类再生粗骨料可用于配制各强度等级的混凝土;Ⅱ类再生粗骨料宜用于C40及以下强度等级的混凝土;Ⅲ类再生粗骨料可用于C25及以下强度等级的混凝土，但不宜用于有抗冻性要求的混凝土。Ⅰ类再生细骨料可用于C40及以下强度等级的混凝土;Ⅱ类再生细骨料宜用于C25及以下强度等级的混凝土;Ⅲ类再生细骨料不宜用于配制混凝土。
Ⅰ类再生粗骨料的品质较好，可按照常用天然粗骨料来使用，其取代率可不受限制。对于Ⅱ类、Ⅲ类再生粗骨料，近年来各相关企业积累的实践经验表明，对于C30、C40 混凝土，再生粗骨料掺量一般为50 %以内为宜，这样较容易控制混凝土的和易性并保证强度。所以，在缺乏实践经验情况下，Ⅱ类、Ⅲ类再生粗骨料的取代率一般不宜大于50%。
混凝土中掺用再生细骨料的试验研究和工程应用实践较少，所以宜通过充分的验证试验来确定其可行性，且由于再生细骨料中容易引入较多的微粉，可能对混凝土性能尤其是耐久性造成影响，所以再生细骨料取代率也不宜大于50%。
混凝土中不宜同时掺用再生粗骨料和再生细骨料，因为这两者交互影响因素过多，对混凝土配制技术要求较高，且再生细骨料易导致混凝土坍落度损失加快。所以，在目前实践经验较少、没有经过试验验证的情况下，不宜同时掺用再生粗、细骨料，如果同时掺用，必须进行充分的试验验证。
6 结语
(1)无论是再生粗骨料还是再生细骨料，取代天然骨料后，都会导致用水量增加、抗压强度下降、表观密度下降;
(2)随着再生粗(细)骨料取代率的增加，用水量呈线性增加，而抗压强度呈线性下降;
(3)当1#再生粗骨料取代率分别为40%、70%、100%时，用水量分别增加8%、12%、17%，而28d抗压强度分别下降15.2%、17.2%、26.1%。
(4)当再生细骨料取代率分别为40%、70%、100%时，1#再生细骨料(水泥用量为400kg/m3)配制的混凝土用水量分别增加5.6%、13%、16.9%，而28d抗压强度分别下降10.1%、22.4%、33.7%;2#再生细骨料(水泥用量为300kg/m3)配制的混凝土用水量分别增加7.5%、13.9%、28.3%，而28d抗压强度分别下降11.8%、19.8%、24%。
