研究探索：建筑固废再生砂在C30混凝土中应用研究

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本文选自《商品混凝土》杂志2024年第1期

建筑固废再生砂在C30混凝土中应用研究

李微，王双喜，戴蔚，张凯峰，高建，崔岱

［摘 要］本文对再生砂的基本性能及再生砂石粉的形貌及与水泥的适应性进行验证，研究了水胶比、不同掺量再生砂、再生砂石粉对 C30 强度等级再生砂混凝土力学性能的影响，三者对于再生砂混凝土的强度的影响顺序为：水胶比＞再生砂掺量＞再生砂石粉掺量；随着再生砂掺量的增加，再生砂混凝土的抗压强度先升高后降低，再生砂掺量在 40% 时强度最高；再生砂混凝土的抗压强度随着水胶比的增加而降低，但是，再生砂混凝土的强度大于同水胶比的普通混凝土强度；增加再生砂石粉的掺量，混凝土抗压强度先增加后降低，石粉掺量在 15% 强度最高；在相同强度等级下，在混凝土水化硬化初期，再生砂混凝土的干燥收缩率比未掺加再生砂的基准混凝土低，随着龄期的延长，基准混凝土收缩率反而低于再生砂混凝土。

［关键词］再生砂混凝土；再生砂；石粉；水胶比；掺量

0 引言

伴随每年拆除的废弃工业建筑越来越多，再生骨料如何有效的利用成为当今需要解决的问题。混凝土中适量的掺加一定比例的再生骨料，不会影响混凝土的力学性能和耐久性能的稳定。同时，再生骨料的应用有利于大量消纳由于城市建设产生的庞大建筑垃圾废弃物，可有效促进建筑垃圾减量化的推广。近年来，对于再生粗骨料的研究与应用有很多成功的案例，但是对于再生砂骨料的研究比较少。再生细骨料受到自身的细度模数、吸水率、粗糙程度等特性影响，在制备再生混凝土的过程中需要考虑更多的影响因素，本文对再生砂的基本性能、再生砂石粉的形貌及与水泥的适应性进行验证，分析再生砂掺量、水胶比及再生砂石粉掺量对混凝土的力学性能、收缩性能的影响并进行探讨。为再生砂能够大范围应用提供理论支撑和借鉴，进而创造良好的经济效益和环境效益。

1 原材料

（1）水泥：天津山水水泥厂PO42.5水泥，相关基本物理性能检测数据如表1所示。其技术指标均符合国家现行标准要求。

（2）粉煤灰：天津大港电厂生产的优质Ⅱ级粉煤灰，45m方孔筛筛余细度为22.5%，烧失量1.0%，需水量比99%。

（3）矿粉：天津钢铁S95级矿粉，流动度比102%，28d活性97%，比表面积421m/kg。

（4）骨料：遵化5～25mm连续级配碎石、机制砂混合砂，及固废再生砂混合砂，具体性能如表2、表3所示。

2 再生砂

2.1 再生砂物理性能

再生砂具体性能如表4所示。

2.2 再生砂石粉粉体性能检测

收集再生砂石粉进行试验，具体性能如表 5 所示。

2.2.1 SEM 检测

固废再生砂石粉粉体做SEM检测，检测结果如图1～4所示。石粉呈颗粒状，表面疏松多孔，通过放大倍数，可以看到颗粒为层状结构，内部有大量的空隙存在，比表面积大量增加。

2.2.2 粒径分析

对固废再生砂石粉粉体做粒径分析检测，检测结果如图5所示。该再生砂石粉粉体粒径主要集中在50m，可以有效提高混凝土的密实性。

2.2.3 硫化物及膨胀率检测

检测结果见表6。检测结果合格表明，该再生砂石粉粉体的硫化物及硫酸盐含量，及碱—硅酸反应膨胀率均合格，可以安全应用于混凝土中。

2.2.4 与水泥的适应性

测试再生砂石粉与水泥的适应性，配合比设计及评价标准及试验结果见表7。由结果可知，该样品与水泥的适应性较好。

3 固废再生砂混凝土力学性能和收缩性能分析

试验以天然碎石和固废再生砂配制C30强度等级混凝土，因为固废再生砂表面附有水泥砂浆很难去除，孔隙率较大，所以吸水率较高，本试验中固废再生砂的吸水率达到11%，该值远远高于普通砂的吸水率。再生混凝土用水量按标准DG/TJ 08-2018-2007《再生混凝土应用技术规程》的要求分为净用水量和附加水量。再生骨料在经过预湿处理后，配合比中可以不再考虑再生骨料所需要的附加用水量，再生混凝土的用水量可以直接按净用水量来确定。所以本试验在预拌混凝土前，使再生砂处于饱和面干的状态，不会对混凝土的和易性产生较大的影响^[1-2]

3.1 再生砂混凝土配合比

选取再生砂掺量分别为：30%、40%、50%、60%，再生砂石粉以再生砂质量占比计算，含量为5%、10%、15%、20%，水胶比分别为0.30、0.40、0.50、0.60，进行正交试验。正交试验设计如表8所示，极差分析结果如表9所示。

由正交试验极差分析结果可以看出，本次试验，水胶比对混凝土的强度影响最大，即A（水胶比）＞C（再生砂掺量）＞B（石灰石粉含量）。再生砂在加工破坏的过程中会形成损伤及微裂缝，且表面较为粗糙，具有较大的吸水率。高吸水性会产生内养护效应。新拌混凝土在初期，由于再生砂的高吸水率会吸收较多的水分，这些水分首先会被储存在损伤的结构中，当混凝土开始水化硬化时，会存在一个湿度差，再生砂和水泥浆体的毛细水会在这个湿度差的影响下进行迁移，再生砂的孔隙大于水泥浆体的毛细孔，所以，在水分迁移的过程中，储存在再生砂中的水分会逐渐的向水泥浆体中迁移，这样使得水泥的水化更加充分，增大了界面的硬度，同时，再生砂中储存的水分由于湿度差的作用，会缓慢的释放出来，这样在后期强度发展的过程中，即使没有外部水分养护的情况，其内部依然存在微养护的环境，混凝土的强度会得到良好的发展^[3]。所以，三者比较，水胶比的作用对于再生砂混凝土强度的影响程度最大。

最佳水平分别是再生砂掺量为30%、再生砂石粉含量为15%、水胶比为0.50，分别选取三个因素的最佳水平做混凝土性能分析试验。配合比如表10所示。

3.2 不同再生砂掺量对混凝土性能影响

试验结果详见表11和图6。表11中JZ为基准配合比，RS1～RS4为水胶比0.40、再生砂石粉掺量15%及不同再生砂掺量系列配合比。由表11和图6可知，随着再生砂掺量的增加，混凝土的抗压强度先升高后又逐渐降低，再生砂掺量在40%以下，再生砂吸水率较高，随其掺量的增加，再生砂吸附部分游离水，使混凝土的水胶比减小，因此，混凝土的抗压强度随之增加。但是，随着再生砂掺量进一步增加，其本身的结构特性占据主导作用，多裂纹，棱角多，砂浆孔隙率增大，导致再生砂混凝土的强度随之降低^[4-6]

3.3 不同水胶比对混凝土性能影响

试验结果详见表12和图7。表12为再生砂掺量40%、再生砂石粉含量15%不同水胶比系列配合比。由表12和图7可知，再生混凝土的强度随着水胶比的增加而减少，由于水胶比的增加，这导致了混凝土的密实度降低。但是，由于再生砂的吸水率较大，再生混凝土中的拌和水被再生砂吸收，导致实际水胶比降低，再生混凝土的强度超过同水灰比的普通混凝土。这里根据DB11/T 803—2011《再生混凝土结构设计规程》规定，再生混凝土净水胶比不宜大于JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》所规定的最大水胶比，所以根据实际施工和经验，水胶比取值范围在0.4～0.6。

3.4 不同再生砂石粉掺量对混凝土性能影响

试验结果见表13和图8。表13中RF1～RF4再生砂掺量为40%，水胶比为0.40，不同再生砂石粉掺量系列配合比。由表13和图8可知，随着再生砂石粉的掺加，混凝土抗压强度呈现先增加到最大值后降低的现象。可能是因为，前期的石粉起到一个物理的填充作用，使再生砂混凝土中的损伤裂缝缝隙减少，增加了与水泥砂浆的粘结密实性，适当的提高掺量，强度也随之增加；当石粉含量达到一定值的时候，粉料的粒径分布达到最佳级配，强度达到最大值；若继续提高石灰石粉的掺量，其填充效应减弱，强度不再增加^[7]

3.5 再生砂混凝土干燥收缩性能试验分析

选取再生砂掺量为40%、水胶比为0.50、再生砂石粉掺量为15%的配比，制备强度等级C30混凝土测其干燥收缩率，并与基准普通混凝土做对比分析。结果如图9所示。

在相同强度等级下，在混凝土水化硬化初期，再生砂混凝土的干燥收缩率比未掺加再生砂的基准混凝土低，而随着龄期的延长，基准混凝土收缩率反而低于再生砂混凝土。分析原因，可能是因为再生砂吸水率较高，在水化干燥初期，内部结构中由于湿度差，导致混凝土内部存在微养护现象，延缓了混凝土内部微小孔隙的收缩，此时，再生砂混凝土收缩率相对普通混凝土低，随着时间的延长，再生砂混凝土内部水分蒸发，微养护作用消失，同时再生砂混凝土内部孔隙率较普通混凝土大，自身抵抗外界干燥收缩能力相对较差，所以，再生砂混凝土在后期收缩率高于普通混凝土。

4 结论

（1）水胶比、再生砂石粉、再生砂掺量三者对再生砂混凝土强度影响顺序为：水胶比＞再生砂掺量＞再生砂石粉。

（2）随着再生砂掺量的增加，再生砂混凝土的抗压强度先升高后降低，再生砂掺量在40%强度最高。

（3）再生混凝土的强度随着水胶比的增加而减少，但是，再生砂混凝土的强度超过同水胶比的普通混凝土强度。

（4）随着再生砂石粉的掺加，混凝土抗压强度先增加后降低，石粉掺量在15%强度最高。

（5）在相同强度等级下，在混凝土水化硬化初期，再生砂混凝土的干燥收缩率比未掺加再生砂的基准混凝土低，随着龄期的延长，基准混凝土收缩率反而低于再生砂混凝土。

参考文献

[1] 张学兵，邓寿昌，黄继承，等．再生混凝土单位体积用水量的计算[J]．中南林学院报，2005(05): 105-107.

[2] 张学兵，邓寿昌．再生混凝土单位体积用水量的实验研究[J]．混凝土，2004(10): 38-40+64．

[3]杨青．再生骨料的吸水率对再生混凝土物理力学性能的影响研究[D]．杭州：浙江大学，2011．

[4] 肖建庄，兰阳．再生混凝土梁抗剪性能试验研究[J].结构工程师，2004,20(6): 54-58．

[5] 高策．再生粗骨料混凝土梁受弯性能试验研究[D]．成都：西南交通大学，2007．

[6] 林俊．再生混凝土抗压和梁受弯性能试验研究[D]．南宁：广西大学，2007．

[7] LIU S H, YAN P Y. Effect of Limestone Powder on Microstructure of Concrete[J]. J Wuhan Univ Technol, 2010,25(2): 328–331.

供稿人：李微，王双喜，戴蔚

编辑员：李海亮

审核人：孙继成，宁夏

【标准规范】

《建筑固废再生砂粉应用技术规范》行标

《建筑物绿色拆除与建筑垃圾综合利用技术规程》CECS

《预拌混凝土使用说明书》团标

《砂浆和混凝土用石屑》团标

《预拌混凝土产品质量追溯规范》团标

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