陶航宇，陳 萍，龔亦凡，詹靜芳，章 莉

(1.浙江理工大學建筑工程學院，杭州 310018；2.復旦大學外國語言文學學院，上海 200433)

0 引 言

隨著我國城市化建設的不斷推進，大批不滿足發(fā)展需求的建筑正在或面臨拆遷，由此產生大量的拆除垃圾。據估算，目前我國每年產生拆除垃圾15.5～25.5億t，積存未處理的拆除垃圾也達200多億噸[1]。拆除垃圾通常是廢棄混凝土和廢棄磚的混合物，經機械破碎后能夠作為再生磚混骨料(混凝土骨料和磚骨料混合物的通稱)，可全部或部分代替天然砂石進行資源化利用。

對骨料進行分級分類是實現其工程應用的必要條件，國內外相關分類標準通常按壓碎指標、吸水率和表觀密度三大技術指標或其中某兩項對再生混凝土骨料進行分類。如日本工業(yè)協(xié)會于1994年頒布的《再生混凝土材料質量試行條例》[2]根據壓碎指標、吸水率對再生骨料進行分級。比利時、德國等歐洲國家以吸水率和表觀密度作為分級控制指標，并對各類雜質含量提出了要求[3]。我國于2010年發(fā)布了標準GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》[4]，根據吸水率、表觀密度、壓碎指標將再生混凝土粗骨料分為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類，并對微粉含量、泥塊含量、針片狀顆粒含量、堅固性做出了具體要求。JGJ/T 240—2011《再生骨料應用技術規(guī)程》[5]則對再生骨料在混凝土工程中的應用進行了指導規(guī)定：Ⅰ類再生粗骨料可用于配置各種強度等級的混凝土；Ⅱ類再生骨料宜用于配置C40及以下強度等級的混凝土；Ⅲ類再生骨料可用于配置C25及以下強度等級的混凝土，再生骨料不得用于配置預應力混凝土。

一般來說，磚骨料的吸水率和壓碎指標可達混凝土粗骨料的兩倍左右，表觀密度約為混凝土粗骨料的90%，而我國的再生磚混骨料中磚含量通常在10%～50%(質量分數，下同)[6]，低磚含量的再生骨料一般能夠滿足國家標準GB/T 25177—2010中所規(guī)定Ⅱ類骨料和Ⅲ類骨料范圍的要求[7]，而對于高磚含量的再生骨料則缺乏應用指導，無法進行資源化利用。國內外一些學者先后提出了再生粗骨料的分類標準建議。肖建莊等[8]根據飽和面干表觀密度、吸水率將再生粗骨料劃分為Ⅰ級、Ⅱ級，并對再生骨料的磚含量進行了限制。吳瑾等[9]研究了再生粗骨料吸水率、堆積密度、飽和面干表觀密度和壓碎指標的概率分布特征，提出了以壓碎指標和吸水率作為指標的分級方法。Bonifazi等[10]基于再生骨料表面粘附砂漿會影響骨料密度、吸水率和強度的特點，提出了根據砂漿含量對再生骨料進行分級。為更好實現拆除垃圾的回收利用，提出更加適用于我國再生磚混粗骨料性質的分級分類方法，建立適用于再生磚混粗骨料分級分類標準很有必要。

從研究現狀來看，國內外研究者尚未對磚含量較高的磚混骨料的分類給予重視。因此，本文通過研究磚混再生骨料的磚含量與吸水率、表觀密度、壓碎指標之間的相關性，并統(tǒng)計分析文獻已有的大量試驗數據，對再生磚混骨料分類分級提出建議。

1 實 驗

1.1 原材料

試驗所用再生磚混骨料來源于杭州某建筑拆遷垃圾，經錢江新城市政園林建設有限公司采用機械破碎后篩分而得，粒徑為4.75～37.5 mm，磚含量約為22%。人工去除瓷磚、木片等雜質后，將磚骨料和混凝土骨料分離，烘干備用。

1.2 測試方法

分別研究磚骨料和混凝土骨料的表觀密度、吸水率和壓碎指標，將磚骨料、混凝土骨料分別按0 ∶100、15 ∶85、30 ∶70、50 ∶50、65 ∶35、80 ∶20、100 ∶0的質量比進行摻配，并依據GB/T 14685—2011《建設用卵石、碎石》[11]測試再生混合骨料的表觀密度、吸水率、壓碎指標，研究磚含量與吸水率、表觀密度及壓碎指標之間的關系。

2 結果與討論

2.1 磚骨料與混凝土骨料三大性能

圖1 骨料吸水曲線Fig.1 Water absorption curves of aggregate

圖1顯示了磚骨料和混凝土骨料48 h內的吸水曲線。從吸水曲線中可以看出磚骨料的吸水率遠高于混凝土骨料?；炷凉橇?4 h吸水基本達到飽和，吸水率為6.2%(質量分數，下同)。而磚骨料24 h吸水率為16.3%，之后仍有持續(xù)吸水的趨勢，48 h時吸水基本達到飽和，吸水率為16.8%，增加0.5個百分點。磚骨料與混凝土骨料相比，結構疏松，孔隙率高，大量的滲透路徑是造成磚骨料高吸水率及在較長時間內持續(xù)吸水的原因。由此，混凝土骨料可以采用浸水24 h的吸水率作為吸水率值，而磚骨料吸水率則建議采用浸水48 h的吸水率值。這與ASTM規(guī)范[12]相吻合。為了與其他研究者的數據進行對比，本文磚骨料的吸水率值取24 h的吸水率測試值。

在表觀密度方面，磚骨料為2 333 kg/m3，混凝土骨料為2 536 kg/m3；在壓碎指標方面，磚骨料為25.9%，混凝土骨料為18.0%；在吸水率方面，磚骨料為16.3%，混凝土骨料為6.2%。磚骨料較混凝土骨料結構疏松，表面開口及內部連通孔隙多，因此磚骨料性能較低。

2.2 磚含量與磚混骨料三大性能的關系

通過測試不同磚含量情況下再生磚混骨料的表觀密度、吸水率和壓碎指標，發(fā)現磚含量與三個性能指標均有較好的線性關系，并與其他文獻中研究結果進行對比[13-15]，見圖2～圖4。其中Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類粗骨料分界線按照GB/T 25177—2010規(guī)定繪制，即表觀密度大于2 450 kg/m3、吸水率小于3%、壓碎指標小于12%為Ⅰ類；表觀密度大于2 350 kg/m3、吸水率小于5%、壓碎指標小于20%為Ⅱ類；表觀密度大于2 250 kg/m3、吸水率小于8%、壓碎指標小于30%為Ⅲ類。

圖3 吸水率與磚含量的關系Fig.3 Relationship between water absorption and brick content

圖4 壓碎指標與磚含量的關系Fig.4 Relationship between crushing index and brick content

隨著磚含量的增加，再生磚混骨料的表觀密度減小，吸水率增加，壓碎指標增大。由圖2～圖4可見：(1)從表觀密度看，再生磚混骨料均達到Ⅲ類以上骨料的要求，且大部分滿足Ⅰ類骨料要求，只有少部分屬于Ⅲ類骨料；(2)從吸水率看，大部分的磚混骨料超出Ⅲ類骨料限值，只有少量低磚含量的骨料滿足Ⅲ類標準要求；(3)從壓碎指標看，磚混骨料主要位于Ⅲ類區(qū)間，少量屬于Ⅱ類，部分超出Ⅲ類骨料的限值。

由于目前再生磚混骨料中磚含量通常在10%～50%[6]，從表觀密度、吸水率和壓碎指標三個指標綜合來看，GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》并不適用于現有的磚混骨料，主要是由于磚混骨料吸水率過高，其次是壓碎指標偏大。

另外發(fā)現，不同研究者的試驗結果存在明顯差異，主要因為所采用的原材料來源以及破碎工藝不同，磚混骨料的性能差異主要在：(1)與原材料的強度等級有關，原生磚和原生混凝土強度越高，再生骨料表觀密度越大，吸水率越低，壓碎指標越低[16]；(2)與原材料的使用年限有關，使用年限越高，再生骨料表觀密度越小，吸水率越高，壓碎指標越高[17]；(3)與破碎工藝有關，混凝土和磚被機械力粉碎成塊狀的過程中，同時對其產生損傷，如骨料表面或內部產生微裂紋，骨料的損傷度、表面砂漿層的去除度都將影響再生骨料的性能，合適的破碎工藝在一定程度上能提升再生磚混骨料的性能。

根據磚含量與表觀密度、吸水率和壓碎指標的線性關系，已知磚骨料的吸水率ωb、表觀密度ρb、壓碎指標Qb，混凝土骨料的吸水率ωc、表觀密度ρc、壓碎指標Qc，以及磚含量α，則可依據式(1)、(2)、(3)分別計算再生磚混骨料的吸水率ω、表觀密度ρ、壓碎指標Q，該關系式也可用于根據骨料的性能要求計算再生磚混骨料的磚含量，從而滿足工程使用要求。

ω=(ωb-ωc)α+ωc

(1)

ρ=(ρb-ρc)α+ρc

(2)

Q=(Qb-Qc)α+Qc

(3)

3 再生磚混骨料分類研究

3.1 再生磚混粗骨料在標準GB/T 25177—2010中的分類統(tǒng)計情況

圖5 各類再生磚混粗骨料的占比Fig.5 Proportion of recycled brick and concrete coarse aggregate in different classes

目前再生骨料的研究主要針對混凝土骨料和磚骨料，對磚混骨料基本性能的研究不多，為了研究磚混骨料分類的普遍情況，統(tǒng)計了國內外20篇文獻[13-15,18-34]中不同來源的磚骨料和混凝土骨料的吸水率、表觀密度和壓碎指標的測量值，依據再生磚混骨料磚含量與性能指標的線性關系，將不同含量的磚骨料和混凝土骨料兩兩隨機組合，得到165種組合結果。根據式(1)、(2)、(3)計算得到不同磚含量下再生磚混骨料的吸水率、表觀密度和壓碎指標，根據GB/T 25177—2010對所模擬的再生磚混粗骨料進行分類，結果如圖5所示。

從圖5可以看出：當磚含量為0%時(即全為混凝土骨料)，骨料均在GB/T 25177—2010規(guī)定的Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類標準要求之內；當磚含量為10%時，約86.1%的骨料屬于Ⅲ類，約12.1%的骨料屬于Ⅱ類，少量骨料不符合標準要求；當磚含量為20%時，約6.7%的磚混粗骨料達到Ⅱ類標準，約有17%的磚混粗骨料不符合標準要求；當磚含量為30%時，達到Ⅱ類標準的磚混粗骨料下降至0.61%，Ⅲ類骨料占比46.7%，不符合標準的磚混粗骨料迅速上升至52.69%；當磚含量為40%和50%時，不符合標準的骨料分別占比82.4%和91.52%。目前磚混骨料中磚含量一般為10%～50%，根據以上統(tǒng)計分析結果，磚含量較高的再生磚混骨料無法依照GB/T 25177—2010進行分類利用，這與2.2節(jié)中分析結果相吻合。

3.2 再生磚混粗骨料分類建議

由于再生磚混骨料的吸水率較高，參照GB/T 25177—2010相關規(guī)定難以作為骨料用于配制混凝土，但一些吸水率稍高、壓碎指標低的再生骨料，其配制的再生混凝土破壞主要是骨料-水泥石界面粘結破壞，而稍高的吸水率使得再生骨料-水泥石界面的水灰比降低，能一定程度上提高混凝土強度[35]。隨著再生骨料再利用技術逐漸成熟，可以適當降低對再生磚混骨料吸水率的要求，并適度調整壓碎指標，進而細化現有的分類標準，以適應磚含量較高再生磚混骨料的資源化利用。

基于2.2節(jié)的研究結果，對本文試驗數據以及已有文獻中數據[13-15,18-34]進行提取、擬合，得到磚含量α與再生磚混骨料吸水率ω和壓碎指標Q的一般線性關系，如圖6和圖7所示，公式見式(4)和式(5)。

ω=0.112 8α+5.316，R2=0.827 3

(4)

Q=0.15α+15.9，R2=0.625

(5)

根據骨料性能與再生混凝土抗壓強度的線性關系[33-34]，利用磚含量與再生磚混骨料吸水率和壓碎指標之間的一般性關系表達式，計算不同磚含量相對應的吸水率和壓碎指標值，參考GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》中骨料吸水率、壓碎指標和表觀密度的界限值(見表1)以及JGJ/T 240—2011《再生骨料應用技術規(guī)程》中各類骨料的應用要求，以磚含量為主要分類控制指標，吸水率、壓碎指標和表觀密度作為技術控制指標，對磚混骨料的分類應用進行建議，見表2。

由于磚含量較吸水率和壓碎指標具有良好的可測定性，使得再生磚混粗骨料分級分類更加便利，可減少人力物力成本。同時，磚含量作為磚混骨料的分類控制指標，具有直觀性的特點，當磚含量出現較大波動時，施工技術人員可通過肉眼觀察發(fā)現，及時取樣檢測并發(fā)現問題，有利于提高施工質量。

圖6 磚含量與吸水率一般線性關系Fig.6 General linear relationship between brick content and water absorption

圖7 磚含量與壓碎指標一般線性關系Fig.7 General linear relationship between brick content and crushing index

表1 GB/T 25177—2010和JGJ/T 240—2011對粗骨料的要求Table 1 Requirements for coarse aggregate in GB/T 25177—2010 and JGJ/T 240—2011

表2 再生磚混骨料分類建議Table 2 Suggestion on classification of recycled brick and concrete aggregate

4 結 論

(1)隨著磚含量的增加，再生磚混骨料的表觀密度減小，吸水率增加，壓碎指標增大，并且磚含量與吸水率、表觀密度、壓碎指標呈較好的線性關系，這種線性關系可以為基于磚含量對再生磚混骨料進行分級分類提供依據。

(2)由于磚骨料表觀密度低，吸水率和壓碎指標高，根據吸水率、表觀密度和壓碎指標三個技術指標，再生磚混骨料沒有包含在GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》三個類別范圍內。基于建立的磚含量與吸水率、壓碎指標的線性關系，并借鑒GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》的分類思想，以磚含量為主要分類控制指標，吸水率、表觀密度和壓碎指標為技術控制指標，將用于混凝土工程的磚混骨料分為三類：Ⅰ類，磚含量小于5%，可以用于C35及以下強度等級的混凝土；Ⅱ類，磚含量小于20%，可以用于C25及以下強度等級的混凝土；Ⅲ類，磚含量小于40%，可以用于C15及以下強度等級的混凝土。由于磚含量與三個技術指標具有較好的相關性，并具有較好的可測定性和直觀性，將磚含量作為分類控制指標，具有良好的工程實踐意義。

(3)本文建議的磚混骨料分類彌補了再生骨料分類標準GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》不適用于再生磚混骨料的缺點，有利于建筑垃圾的資源化利用。需要注意的是，由于再生磚混骨料性能的隨機性很大，該分類建議仍需要在實驗室和工程實踐中進行廣泛的研究和論證。