绿色再生轻骨料混凝土制备及力学性能的研究

段国伟 杜希荣 沈键

摘要：利用HC-1胶凝材料替代水泥与陶粒、砖为主的建筑垃圾作为骨料制备成绿色再生轻骨料混凝土，通过研究不同取代率，分析混凝土的工作性能及力学性能;实验结论得出最优配合比，不同取代率的混凝土坍落度、扩展度、干密度、抗压强度、导热系数随取代率的增加而增大，但静弹性模量呈降低趋势，且具有良好的保温效果。

Abstract： Green recycled lightweight aggregate concrete was prepared by using HC-1 cementitious material instead of cement， ceramsite and brick as the main construction waste as the aggregate. The working performance and mechanical properties of the concrete were analyzed by studying different substitution rates. The experimental results showed that the optimal mix ratio was obtained， and the slump， expansion， dry density， compressive strength and thermal conductivity of the concrete with different substitution rates were determined. However， the static modulus of elasticity decreases with the increase of temperature， and it has a good heat preservation effect.

關键词：HC-1胶凝材料;再生轻骨料;最优配合比

Key words： HC-1 cementitious material;recycled lightweight aggregate;optimal mix proportion

中图分类号：TU528                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）02-0274-03

0  引言

近年建筑业的发速发展，在现代工程城市建设中，尤其是结构拆除改造过程中及农村砌体结构房屋拆除过程中，会产生较多的建筑垃圾，这些建筑垃圾主要成分是碎混凝土块、碎砖、砂浆等较复杂的建筑物。这些建筑垃圾不仅占用大量的土地，还会污染环境影响城市建设，如何处理掉这些建筑垃圾，减少对环境的污染，是促进现代社会发展当务之急的问题。

目前我国对建筑垃圾的处理及对混合骨料的混凝土研究较多，如K.K.Sagoe-Crentsil等人[1]研究结论表明，在相同配合比的情况下，再生骨料混凝土的工作性能比普通混凝土优良。推动高性能轻骨料混凝土的研究和应用得到了快速发展，高强轻骨料混凝土、结构轻骨料混凝土已逐步在我国应用[2]。北京建筑大学宋少民等[3]、河北省建筑科学研究院付士峰等[4]也把建筑垃圾作为骨料加入到混凝土中，并取得了较好的效果。国内外对于混合骨料混凝土的研究主要集中在混凝土的配合比设计、力学性能、耐久性能等方面，但没有对建筑废料制备的绿色再生轻骨料混凝土进行综合的研究，在建筑结构领域的应用比较少，用HC-1凝凝材料替代水泥与陶粒、废砖为主的建筑垃圾制备的再生轻骨料研究还不成熟。

本文对绿色再生轻骨料混凝土的配置及力性能研究，研究成果将使绿色再生轻骨料混凝土在建筑工程中的应用更加科学。这种混凝土不但可以减少城乡区域建筑垃圾对环境的污染，还可以减轻建筑物的自重，同时为结构构件试验及工程应用提供理论基础及数据支持，不仅促进建筑材料性能改善，还具有较高的社会价值。

1  试验原材料

1.1 试验原材料

试验所用HC-1高性能混凝土整体胶凝材料，厂家金泰成环境资源股份有限公司。如表1。

河北石家庄天然河砂，经过筛分析法测得的砂子细度模数为2.81，属于二区中砂;河北省廊坊市文安县恒盛陶粒厂的粉煤灰陶粒作为轻粗骨料。如表2。

邯郸全有生态建材公司提供的建筑垃圾，红砖颗粒占90%，其余为废旧混凝土块，废旧建筑装饰材料碎块。如表3。

满足试验要求的实验室自来水;试验所用的减水剂为石家庄长安育才产的高性能聚羧酸减水剂，减水剂的最佳掺量为胶凝材料总量的0.8-1.2%。如表4。

1.2 混凝土配合比设计与性能测试

①轻骨料混凝土的配合比设计应满足抗压强度密度和工作性的要求，并以合理使用材料和节约胶凝材料为原则。根据《轻骨料混凝土技术规程》（JGJ 51-2002）中的规定，轻骨料混凝土的试配强度必须要达到95%的保证率。

②先前实验成果得到最优配合比及轻骨料配合比设计经验对本文最优配比进行优化设计，本文仅调整胶凝材料掺量，以强度为主要依据，综合考虑工作性、干密度相关指标通过相关试验指标调整了最优配合比。

③混凝土的工作性、力学性能是混凝土材料最具有实际工程的基本性能指标，根据先前实验的配合比来进行试验，分别探究了不同再生骨料取代率（0、20%、30%、40%、50%、60%、100%）对这些性能的影响，为实际工程应用提供参考。如表5。

2  实验结果及其分析

2.1 最优配合比

为探究不同的胶凝材料用量对其抗压强度与干表观密度的影响，在设计绿色再生轻骨料混凝土配合比（见表6）时，将胶凝材料用量以30kg/m3为一梯度从420kg/m3增加至540kg/m3。

每增加30kg/m3的HC-1胶凝材料，轻骨料混凝土的强度能够增加8%左右。根据《轻骨料混凝土技术规程》（JGJ 51-2002）中的规定，计算C30绿色再生轻骨料混凝土的试配强度理论计算值为38.2MPa，试验数据可知，编号3试验结果强度最符合试配强度要求，同時工作性及干密度符合相关设计要求，如表7。

2.2 不同再生骨料取代率对混凝土工作性的影响

从图1中可以看出不同再生骨料取代率对混凝土和易性、坍落度和扩展度的影响。随着再生骨料取代率的逐渐变大，混凝土的坍落度和扩展度不断增大。参照Farid Debieb等人[5]、Topcu等人[6]研究得出再生骨料的吸水性及不同取代率会对再生轻骨料混凝土产生不同影响。本文研究分析得出当绿色再生轻骨料混凝土的坍落度大于200mm时，轻骨料混凝土会产生部分骨料上浮现象，造成混凝土和易性变差，不能较好的满足使用要求。

2.3 不同骨料取代率对混凝土的抗压强度影响

依据李俊等人[7]建立的再生骨料混凝土立方体抗压强度与抗折强度、劈拉强度的相关关系式。本文研究了不同再生骨料取代率对混凝土抗压强度的影响，从图2中分析可得，随着再生骨料颗粒的增加，混凝土的强度逐渐上升。在混凝土中随着再生骨料量的不断提高，混凝土中的陶粒量在降低，陶粒骨料的筒压强度高，有利于提高混凝土的强度，但陶粒由于多孔的结构，容易吸水，导致混凝土水胶比较高，对强度具有一定影响，由于再生骨料颗粒中存在大量的裂缝等薄弱面，骨料强度较陶粒偏低，在混凝土受力时，这些薄弱区中的裂缝，不断扩展，导致混凝土弱化，混凝土强度降低。提高再生骨料取代率，会降低混凝土水胶比，由于水胶比降低提高的强度完全可以弥补骨料强度降低的混凝土强度，因此随着再生骨料颗粒的不断增加，混凝土的强度逐渐上升。

2.4 不同骨料取代率对静弹性模量的影响

陈力[8]研究表明再生粗骨料取代率同弹性模量呈负相关关系，且不同取代率对混凝土弹性模量的影响。如图3表明随着再生骨料颗粒的不断增加，混凝土的静弹性模量呈降低趋势，与抗压强度的增长成反比。分析原因是由于轻骨料的原因，陶粒骨料骨料致密，强度高，弹性模量大，由于再生骨料疏松的结构和内部开放性裂隙较多，造成再生骨料强度与硬度较低，因此用其作为骨料制备的混凝土静弹性模量也降低。

2.5 不同再生骨料取代率对混凝土密度的影响

依据张绩[9]研究结论表明通过混凝土自密实改变混凝土的工作性能。只有在保证混凝土满足工作性能的基础上，研究不同再生骨料取代率对混凝土性能才有应用价值。本文通过调整用水量使混凝土坍落度在200mm左右的基础上，进一步研究不同再生骨料取代率对混凝土其它性能的影响。通过图4可得随着再生骨料取代率的逐渐变大，混凝土的干密度逐步增大，再生砖-骨料的密度高于陶粒，随着再生骨料取代率的增加，混凝土水灰比逐步减小，硬化水泥浆中的孔隙率也随之减小，孔隙填充的自由水减少，造成了含水率逐渐减小，在干燥过程中，将会有较少的自由水挥发，故干表观密度逐渐增大，从图中得出即使全部为再生轻骨料时，混凝土的干密度仍满足轻骨料混凝土的密度要求。

2.6 不同再生骨料取代率对导热系数的影响

轻骨料混凝土内孔隙密布，且具有很多空腔，孔隙率较普通混凝土大，导热系数较普通混凝土小。因此选用轻骨料混凝土作墙体材料，较普通混凝土或实心粘土砖相比，可节约30-50%的能源。如图5不同取代率混凝土导热系数的影响可得，不同再生骨料取代率随着再生骨料颗粒的不断增加，混凝土的导热系数逐渐增大，由于陶粒骨料表观密度较建筑垃圾废砖小，陶粒骨料内部封闭孔隙多，原本导热系数就小，并且轻骨料混凝土的导热系数随着干密度的增大而增长的，随着再生骨料的取代率的增加，混凝土干密度逐渐增大，导热系数也相应的增大，但即使当再生骨料取代率为100%，混凝土的导热系数仍然大大优于普通混凝土，因此具有良好的保温节能效果。

3  结语

①绿色再生轻骨料混凝土最优配合比：HC-1胶凝材料480kg/m3，陶粒396kg/m3，砂子645kg/m3，建筑垃圾颗粒264kg/m3，减水剂4.8kg/m3，水192kg/m3。

②随着绿色再生轻骨料取代率的增加，配置成的混凝土坍落度、扩展度、密度逐渐增大，再生骨料混凝土的抗压强度逐渐增大，但静弹性模量呈降低趋势。

③再生骨料取代率的增加，再生骨料混凝土的干密度及导热系数逐步增大，但干密度仍属于轻骨料混凝土范畴。即使当再生骨料取代率为100%，混凝土的导热系数仍然优于普通混凝土，具有良好的保温节能效果。

参考文献：

[1]K.K. Sagoe-Crentsil，T. Brown，A.H. Taylor. Performance of concrete made with commercially produced coarse recycled concrete aggregate[J]. Cement and Concrete Research，2001，31（5）.

[2]杨秋玲，马可栓.轻骨料混凝土的现状与发展[J].铁道建筑，2006（06）：104-106.

[3]宋少民.建筑垃圾再生混凝土耐久性能的研究[A].中国硅酸盐学会科普工作委员会、建筑材料工业技术情报研究所.2008中国商品混凝土可持续发展论坛暨第五届全国商品混凝土技术交流大会论文集[C].中国硅酸盐学会科普工作委员会、建筑材料工业技术情报研究所：中国硅酸盐学会，2008：5.

[4]付士峰，张广田，刘娟红.再生轻骨料自密实混凝土力学和耐久性能研究[J].建筑结构，2016，46（12）：41-44.

[5]Farid Debieb，Luc Courard，Said Kenai，Robert Degeimbre. Mechanical and durability properties of concrete using contaminated recycled aggregates[J]. Cement and Concrete Composites，2010，32（6）.

[6]Topcu.I.B，N.F. Gunean. Using waste concrete as aggregate. Cement and Concrete Research [J]. 1995，25（7）：1385-1390.

[7]李俊，尹健，周士琼，李益进，汪冬冬，周敏.粉煤灰与矿渣对再生骨料混凝土力学性能影响的研究[J].混凝土，2005（06）：80-83，86.

[8]陈力.再生粗骨料混凝土梁受弯性能试验研究[D].广西大学，2013.

[9]张绩.自密实再生骨料混凝土性质及力学性能研究[D].大连理工大学，2015.