废砖和废混凝土粗骨料再生混凝土配合比研究

张鹏 张博 邓宇 陈思远 郝宇茜 郭镇

摘 要：为探究一种以废砖和废混凝土制成粗骨料的再生混凝土配合比，以再生粗骨料完全替代天然粗骨料，通过改变再生粗骨料的取代率，设计了6种再生混凝土配合比；制备了再生粗骨料和36个再生混凝土试块，并测定试块的抗压强度；分析了再生粗骨料的物理性能、新拌混凝土的和易性，以及试块破坏形态及力学性能。试验结果表明：1）再生混凝土在固定水胶比下引入附加用水量可使得新拌混凝土具有较好的和易性，能够满足新拌混凝土的拌制、运输和浇筑要求；2）废砖再生粗骨料占比较高时，主要因废砖再生粗骨料的压溃破坏导致试块破坏，占比较低时，主要因粗骨料与水泥的黏结破坏而破坏；3）再生混凝土试块的抗压强度随着废砖粗骨料取代率的增加呈下降趋势，6种配合比的再生混凝土试块立方体抗压强度在水灰比为0.43的情况下均能达到25 MPa以上。

关键词：再生混凝土；配合比；废砖；废混凝土；再生粗骨料；抗压强度

中图分类号：TU528.04 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2023.02.005

0 引言

我国城镇化改造和新农村建设不断加强，旧建筑物拆除后产生大量建筑废弃物，造成了严重的环境污染[1]。再生混凝土是指采用建筑废弃物为原料，经过筛分和破碎加工后制成再生骨料，替代天然骨料拌制的混凝土。将拆除后的建筑废弃物制作成再生骨料用于再生混凝土的制备，既解决了建筑废弃物的污染问题，又节约了天然骨料，保护资源和环境，对实现可持续发展有重要意义[2-10]。

《混凝土用再生粗骨料》（GB/T 25177—2010）[11]和《混凝土和砂浆用再生细骨料》（GB/T 25176—2010）[12]等的实施规范了再生混凝土骨料的制备。许多学者对再生混凝土的力学性能等方面做了大量的研究。肖倍等[13]制作了以取代率和水灰比为变量的废混凝土粗骨料再生混凝土，表明取代率越大，再生混凝土的力学性能和工作性能越不利，原废混凝土强度越高，再生混凝土力学性能越好。白卫峰等[14]采用废混凝土再生粗骨料取代天然粗骨料开展了單轴压缩动态力学性能试验，表明再生混凝土有较好的变形特性。王成刚等[15]将废混凝土再生粗骨料应用于钢管混凝土构件，表明钢管对再生混凝土有良好的约束作用，同样具有较好的承载力和延性。陶航宇等[16]对不同砖含量的再生粗骨料进行了分类研究，提出了不同砖含量再生粗骨料的适用范围。梁炯丰等[17]对再生废砖粗骨料混凝土进行了研究，表明废砖粗骨料再生混凝土的各项物理力学指标均低于普通混凝土，但制备较低强度的混凝土是可行的。

综上所述，现有研究较多集中于单一再生骨料的再生混凝土研究。目前我国城乡建筑大部分为砖混结构形式，产生的建筑废弃物主要为废弃砖块和混凝土，2种主要废弃物的再生利用同等重要，而关于废砖和废混凝土共同作为再生粗骨料的研究较少，缺乏相关配合比设计，对其开展配合比研究具有重要意义。为设计不同种类再生粗骨料混凝土配合比，以废砖和废混凝土再生粗骨料完全替代天然骨料，改变再生粗骨料的取代率，探究不同配合比对新拌再生混凝土的性能、试块破坏形态和力学性能的影响规律，为相关再生混凝土的配合比研究提供借鉴。

1 试验概况

1.1 试验材料

1）水泥：鱼峰牌普通硅酸盐水泥P·O32.5，28 d抗压强度为35.6 MPa。

2）细骨料：天然河砂，中砂，粒径为0.35～4.75 mm，含水率为5.68%，含泥量为0.92%，泥块含量为0.15%，细度模数为2.65，表观密度为2 689 kg/m3。

3）粗骨料：废砖和废混凝土取自柳州市城区改建项目拆除的砖混结构建筑，原混凝土设计强度等级为C30，原烧结砖的强度等级为MU10。再生废砖骨料和再生废混凝土骨料分别通过反击式破碎机破碎，经筛分得到再生粗骨料。再生粗骨料制作过程见图1。

4）水：取自柳州市饮用自来水。

1.2 再生骨料物理性能

破碎的再生骨料，其大小、粒径不均匀连续且物理性能未知，需要按照规范进行再生粗骨料级配优化。

1.2.1 颗粒级配优化

废砖和废混凝土经过破碎后骨料大小不均，为保证得到再生粗骨料的良好级配，参照标准统一分拣粒径为4.75～31.50 mm的再生粗骨料，粒径范围分别为4.759.50 mm、9.5019.00 mm、19.00～31.50 mm。对分拣后的再生粗骨料进行清洗、晾干后置于105 ℃的干燥箱中烘干至恒重。对再生骨料进行级配优化，废砖和废混凝土再生粗骨料各粒径分别为4.759.50 mm、9.5019.00 mm、19.00～31.50 mm，级配比例为2∶5∶3，以使得再生粗骨料满足规范对粒径为4.75～31.5 mm粗骨料连续级配的要求。废砖及废混凝土再生粗骨料颗粒级配分别见表1和表2，级配曲线如图2所示。

1.2.2 压碎指标

压碎指标是用于检验再生粗骨料的材料强度以保证再生混凝土试块能够达到强度要求。将废砖和废混凝土再生粗骨料在风干条件下制成气干状态、筛余为9.50～＜19.00 mm的粗骨料试样，并去除针片状骨料。取试样[m0]=3 000 g于圆模内，以1 kN/s的速率加载至200 kN，并稳定5 s后卸载，通过孔径2.36 mm的筛子称剩余质量[m1]。压碎指标[Qc]计算公式如下：

[Qc=m0-m1m0×100%]. （1）

式中：[Qc]为压碎指标；[m0]和[m1]分别为试样质量和压碎后筛余试样质量。

压碎指标值越小则强度越高。经试验得到废砖和废混凝土再生粗骨料的压碎指标分别为29.5%和25.0%，属于三类指标。

1.2.3 吸水率

依据规范分别取废砖和废混凝土再生粗骨料试样各4 L，用筛孔为2.36 mm的筛子筛分后干燥至恒重后称重，再将试样浸没于水中24 h制成饱和面干后称重。再生粗骨料的吸水率[wa]计算公式如下：

[wa=m2-m3m3×100%]. （2）

式中：[wa]为吸水率；[m2]和[m3]分别为浸水和烘干试样质量。

试验测得废砖和废混凝土再生粗骨料的吸水率分别为14.3%和7.3%，在拌制混凝土时由于再生粗骨料的加入，将会降低流动性和黏聚性，甚至会影响胶凝材料的水化反应，从而影响混凝土拌制、运输、施工和工程质量。

1.2.4 表观密度与空隙率

分别取2种再生粗骨料试样4 kg，经过风干处理后用标准筛来筛除粒径小于4.75 mm的颗粒，使之浸水达到吸水饱和状态，放入广口瓶加水至液面凸出瓶口，用玻璃片切去凸出的水分并擦干瓶身，称其总质量。后将试样以（105±5） ℃烘干至恒重，冷却至室温后称重。最后将广口瓶按照上述步骤注满水，称其总质量。再生粗骨料的表观密度[ρ0]计算公式如下：

[ρ0=（m4m4+m6-m5-αt）×ρ]. （3）

式中：[ρ0]为表观密度；[m4]、[m5]和[m6]分别为试样烘干后质量、在瓶中时的总质量和盛满水的瓶质量；[αt]为修正系数；[ρ]为水的密度。

分别取2种再生粗骨料试样，从容量筒上方50 mm处倒入桶中，当容量筒溢满时停止加入试样，除去筒顶凸出的试样，选择合适的粒径试样填充筒内凹陷部分，使得试样与筒口大致平齐，称其总质量。再生粗骨料的堆积密度[ρ1]计算公式如下：

[ρ1=m7-m8V]. （4）

式中：[ρ1]为堆积密度；[m7]为容量筒和试样的总质量；[m8]为容量筒自身的质量；[V]为容量筒容积。

则再生粗骨料试样的空隙率[V0]计算公式如下：

[V0=（1-ρ1ρ0）×100%]. （5）

试验测得废砖和废混凝土再生粗骨料的表观密度分别为2 415 kg/m3和2 630 kg/m3，骨料空隙率分别为53%和49%，可见再生粗骨料具有一定的密实度。

1.3 再生骨料附加用水量

废砖和废混凝土再生粗骨料经破碎而来，由于再生粗骨料本身具有很多孔隙，导致骨料本身的吸水能力增强。在拌制、运输和浇筑中要求新拌再生混凝土具有一定的和易性，以保证再生粗骨料混凝土的流动性和强度指标，所以拌制用水量较普通混凝土不同。考虑再生粗骨料的吸水性，本试验引入的附加用水量为再生粗骨料从干燥状态到饱和面干状态吸收的水量。在新拌混凝土中加入附加水，使得混凝土有较好的和易性，得以在配置的各个环节满足要求并达到较高的强度。

1.4 再生混凝土配合比设计

本试验以废砖和废混凝土再生粗骨料经颗粒级配优化后完全替代天然粗骨料进行混凝土配合比设计，采用对照试验法，参照《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55—2011）[18]，将废砖和废混凝土再生粗骨料以不同取代率配比再生混凝土试块，选用相同的水胶比和砂率，水胶比为0.43，砂率为31%，废砖和废混凝土粗骨料再生混凝土的配合比具体参数见表3。

1.5 试验方法

本文试验首先测定了废砖和废混凝土再生粗骨料的参数指标，优化了骨料的颗粒级配，通过完全替代天然粗骨料并改变废砖和废混凝土再生粗骨料的替代比例来配置再生混凝土，检测坍落度大小以评判流动性、黏聚性和保水性是否优良，并分析再生混凝土试块的破坏形态和抗压强度大小。

一种配合比制作3个150 mm×150 mm×150 mm立方体和3个150 mm×150 mm×300 mm棱柱体再生混凝土试块，共计36个试块，分别测试再生混凝土的抗压强度和轴心抗压强度。采用SJD-60型强制式单卧轴混凝土搅拌机拌制抗压试块，采用TYE-A数显式电液压力试验机测试混凝土试块的力学性能。

新拌混凝土的性能参照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB/T 50080—2016）[19]，再生混凝土试块的制作、养护和抗压试验加载参照《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T 50081—2019）[20]。

2 试验结果及其分析

2.1 拌合物性能

新拌混凝土需满足和易性，包括流动性、黏聚性和保水性3个方面，新拌混凝土要易于各个工序的拌制操作，最终形成质量均匀和成型密实的混凝土结构，保证混凝土结构的强度和耐久性。以坍落度为评判指标的流动性反映新拌混凝土的流动能力，直接影响混凝土的浇捣和水化、硬化质量；黏聚性是评判新拌混凝土是否离析的标准；保水性决定新拌混凝土是否产生泌水现象。

再生粗骨料的吸水率大会影响新拌再生混凝土的性能。为保证新拌再生混凝土具有良好的和易性，使再生混凝土的强度和密实度达到要求，本试验采用附加用水的设计方法。首先分别向2种再生粗骨料中加入可以使之达到饱和面干状态的附加用水量，拌制时先将砂、水泥与水搅拌成水泥砂浆后，再放入混合均匀的再生粗骨料中进行拌制以保证新拌再生混凝土各组分均匀分布，观察新拌再生混凝土的性能以评判其和易性是否良好。

本试验以坍落度来评判新拌再生混凝土的流动性，通过观察新拌混凝土试样的外观状态来判断黏聚性和保水性是否良好，总体评价新拌再生混凝土的和易性。6种配合比的废砖和废混凝土粗骨料再生混凝土的坍落度和相关数据见表4。

从新拌再生混凝土和易性结果可以得出，因考虑再生粗骨料的吸水性能而引入附加用水量后，坍落度均能达到要求。随着用水量的增大，坍落度增大，这与普通混凝土性质一致。通过附加水量可使新拌再生混凝土具有良好的和易性，可满足新拌再生混凝土在拌制、运输和施工过程中的要求。

新拌再生混凝土的坍落度与再生混凝土配合比的关系如图3所示，由图3可知，随着废混凝土再生粗骨料取代率的提高和废砖再生粗骨料取代率降低，坍落度呈增高趋势，废混凝土再生粗骨料取代率与坍落度正相关，废砖再生粗骨料取代率与坍落度负相关。表明废砖再生粗骨料的增多会降低新拌再生混凝土的流动性，这是因为对于废砖再生粗骨料而言，由于砖块的孔洞较多，导致吸水率较高。通过前期的吸水率试验可知，废砖再生粗骨料吸水率是废再生混凝土粗骨料的2倍，较高的吸水率使得新拌混凝土的坍落度变低。但总体而言，引入附加用水量可使再生混凝土的坍落度达到80 mm以上。100%废砖粗骨料再生混凝土和100%废混凝土粗骨料再生混凝土的坍落度有较大差异，但在拌制时已加入了相应的再生粗骨料的附加用水量，可见再生粗骨料的自身可吸收的水量并不等于在拌制混凝土時吸收的水量，应根据实际试验确定。

2.2 破坏形态

废砖和废混凝土粗骨料再生混凝土立方体和棱柱体试块破坏模式（见图4）与普通混凝土试块破坏相似。将再生混凝土在标准条件下养护28 d后进行加载，加载初期试块处于弹性状态，随着荷载的增加，侧面出现细小的竖向裂缝，待裂缝发展到一定的长度，进而开始沿斜向上下发展，达到试块承载力极限时，试块的破坏形态为对顶的2个较为完整的四棱锥体，是混凝土抗压试块的典型破坏模式。出现2个完整的四棱锥体是由于试块放在压力机的上下钢板受压时，钢板的刚度较大且接触面粗糙产生的摩阻力较大，对试块有着约束作用，且离试块受压中心越近约束力越大，这种现象称之为环箍效应。当再生混凝土试块受压面积相同时，试块高宽比越大则抗压强度越小，环箍效应越小，所以在棱柱体试块的破坏中，四棱锥体较立方体试块不明显。

6种配合比的废砖和废混凝土粗骨料再生混凝土立方体试块的破坏面形态（见图5）与棱柱体试块破坏面形态相似。配合比为RAC1、RAC2和RAC3的再生混凝土主要是由于废砖再生粗骨料的破坏而发生试块抗压破坏，此3种配合比的试块抗压破坏面可见较多的废砖再生粗骨料断面，表明试块破坏是由于压应力超过了废砖再生粗骨料的材料强度，致使废砖再生粗骨料发生断裂，废砖再生粗骨料破断面继续发展累积，进而试块破坏。从配合比为RAC4、RAC5和RAC6的再生混凝土试块破环面上可以观察到因黏结破坏而呈凸出状的废混凝土再生粗骨料，废砖粗骨料断面较少，这3种配合比试块主要是水泥的水化和硬化基体与再生粗骨料之间的黏结面破坏，再生混凝土试块的强度主要取决于水泥与废混凝土再生骨料间的黏结强度。根据两类破坏现象可得再生混凝土抗压强度与再生粗骨料的自身强度有着直接的关系。

2.3 力学性能分析

再生混凝土抗压强度试验数值如表5所示。抗压强度与配合比的关系如图6所示，通过抗压强度与配合比曲线可知，再生混凝土RAC1—RAC6的抗压强度随着废砖再生粗骨料的取代率的减小有所提高，100%废混凝土粗骨料再生混凝土试块较100%废砖粗骨料再生混凝土试块立方体和棱柱体抗压强度分别提高了21.2%和18.1%。从本试验观察到的破坏形态来看，再生粗骨料的强度是影响再生混凝土抗压力学性能的关键。废砖再生粗骨料取代率较高的试块的破坏是由于粗骨料的破坏导致试块达到抗压极限；废混凝土再生粗骨料取代率较高的试块的破坏是由于粗骨料与水泥基体的黏结破坏导致试块达到抗压极限。

3 结论

1）废砖和废混凝土经破碎和颗粒级配优化后制备的再生粗骨料具有一定的强度，能够满足再生骨料的基本要求，但存在吸水率较大和骨料强度有限的情况，这是由于再生骨料本身经破碎产生的孔洞和微裂缝导致的。

2）本试验的再生混凝土配合比设计添加了附加用水量，附加水量取决于再生混凝土骨料的吸水率，但新拌混凝土坍落度较大，表明再生粗骨料在拌制时的吸水率不等于自身吸水率，附加水量没有完全被再生骨料吸收，再生混凝土配合比用水量偏大，建议配比应根据实际情况进行试配，但加入附加用水量后，总体和易性较好。

3）废砖和废混凝土再生混凝土试块的破坏形态与普通混凝土典型破坏模式相同，为2个对顶的四棱锥体，这说明2种再生粗骨料制备的混凝土中水泥基体与骨料的黏结性较好，能够较好地传递应力，端板提供的摩阻力能够通过骨料与水泥传递产生环箍效应。

4）采用本试验的配合比制备的再生混凝土试块抗压强度能够达到25 MPa以上，再生混凝土的强度随废砖再生骨料取代率的降低而增加。由于废砖再生粗骨料强度低，当废砖再生粗骨料取代率较高时，再生废砖粗骨料的破坏决定混凝土试块的破坏。

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Study on the mix proportion of recycled concrete with waste brick and waste concrete coarse aggregate

ZHANG Peng， ZHANG Bo， DENG Yu， CHEN Siyuan， HAO Yuxi， GUO Zhen

（School of Civil Engineering and Architecture， Guangxi University

of Science and Technology， Liuzhou 545006， China）

Abstract： In order to explore the mix proportion of a recycled concrete with coarse aggregate made of waste bricks and waste concrete， and to completely replace natural coarse aggregate with recycled coarse aggregate， six recycled concrete mix proportions were designed by changing the replacement rate of recycled coarse aggregate. The recycled coarse aggregate and 36 recycled concrete test blocks were prepared. And the compressive strength of the test blocks was measured respectively. The physical properties of the recycled coarse aggregate， the workability of the fresh concrete， the failure morphology and mechanical properties of test blocks were analyzed. The test results show that adding water to recycled concrete at a fixed water binder ratio can make fresh concrete have good workability and meet the requirements of mixing， transportation and pouring of fresh concrete; When the proportion of recycled coarse aggregate of waste bricks is high， the crushing failure of recycled coarse aggregate of waste bricks will lead to the destruction of test blocks; when the proportion is low， the bonding failure of coarse aggregate and cement will lead to the destruction; The compressive strength of recycled concrete test block decreases with the increase of replacement rate of coarse aggregate of waste brick; The compressive strength of the cube of recycled concrete test blocks with 6 mix proportions can reach more than 25 MPa when the water cement ratio is 0.43.

Key words： recycled concrete; mix proportion; waste bricks; waste concrete; recycled coarse aggregate; compressive strength

（責任编辑：罗小芬）