唐林 謝永雄，2 蔡宇森

（1.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院 廣西 桂林 541004；2.桂林理工大學(xué)廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣西 桂林 541004）

0 引言

近年來(lái)，隨著國(guó)家戰(zhàn)略布局的整體推進(jìn)，基礎(chǔ)設(shè)施和工民建筑等工程建設(shè)得到了快速發(fā)展，由此產(chǎn)生了大量的固體建筑垃圾。現(xiàn)階段建筑垃圾制造總量已趨近于垃圾總量的50%，且其循環(huán)利用率極低，因此如何提高建筑廢棄物的循環(huán)利用已然成為每一座城市迫切解決的問(wèn)題。與普通混凝土相比，再生混凝土具有強(qiáng)度低、坍落度小、流動(dòng)性差的缺點(diǎn)，這是制約其發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)難題。因此，通過(guò)試驗(yàn)研究對(duì)再生混凝土配合比的優(yōu)化、調(diào)整水灰比大小以及添加鋼纖維外加劑等技術(shù)手段是提高再生混凝土強(qiáng)度的有效途徑，對(duì)于推廣再生混凝土在地基處理的應(yīng)用具有重要的意義［1］。

關(guān)于再生混凝土的研究，全球各國(guó)也有各自研究側(cè)重點(diǎn)，例如日本更加關(guān)注再生材料的利用率，研發(fā)出了一種新型的制作工藝，可在施工場(chǎng)地把廢棄混凝土變成再生混凝土，從而降低在運(yùn)輸過(guò)程中的損耗。近年來(lái)，我國(guó)部分發(fā)達(dá)城市的建筑公司對(duì)再生骨料的重復(fù)使用進(jìn)行大膽的嘗試。再生混凝土除了在道路路面應(yīng)用之外，也在其他建筑項(xiàng)目中投入使用——湖南長(zhǎng)沙機(jī)場(chǎng)工程的道面、道肩及平行公路上也使用了再生混凝土技術(shù)，施工總面積逾5 000 m2，投入使用后多次回訪調(diào)查均反饋良好［2］。因此，廢棄混凝土的循環(huán)再利用對(duì)我國(guó)可持續(xù)發(fā)展和綠色環(huán)保戰(zhàn)略的推進(jìn)至關(guān)重要。目前，我國(guó)對(duì)再生混凝土的應(yīng)用研究大多用于裝配式結(jié)構(gòu)工程、道路的路基工程方面，而在巖土工程地基處理方面的研究相對(duì)較少。

鑒于此，本文通過(guò)對(duì)再生混凝土中摻入硅粉，對(duì)不同硅粉摻量的混凝土立方體試塊進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)［3］，得到硅粉摻量與再生混凝土抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律，為當(dāng)?shù)毓腆w建筑廢棄物的處理和再利用提供參考。

1 試驗(yàn)材料準(zhǔn)備

1.1 試驗(yàn)材料的選用

粗骨料：利用試驗(yàn)教學(xué)中的混凝土廢料（設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C10），其粒徑為4.75～31.5 mm的連續(xù)級(jí)配。

膠凝材料：試驗(yàn)中采用的膠凝材料為強(qiáng)度等級(jí)為42.5的普通硅酸鹽水泥和Ⅰ級(jí)粉煤灰。

水：采用生活用水。

外加劑：硅粉（其添加含量分別為0%、5%、

10%）。

1.2 再生混凝土骨料的制備

再生混凝土骨料在制備過(guò)程中需經(jīng)過(guò)破碎加工，將不同的切制破碎設(shè)備、傳送機(jī)械、篩分設(shè)備和清除雜質(zhì)的設(shè)備有機(jī)地組合在一起共同完成破碎、篩分和除去雜質(zhì)等工序最后得到符合質(zhì)量要求的再生細(xì)骨料和再生粗骨料［4］。生產(chǎn)工藝過(guò)程主要有三個(gè)階段：預(yù)處理階段、碾磨階段、篩分階段。

預(yù)處理階段是利用錘擊的方法去粉碎再生混凝土，并將其中不符合要求的廢棄物挑選出來(lái)，從而得到滿足試驗(yàn)需求的骨料。經(jīng)人工錘擊破碎處理后的再生混凝土首先通過(guò)振動(dòng)篩將其篩分成4.75～31.5 mm的塊體和4.75 mm以下的粉碎料，其中4.75～31.5 mm的粗骨料收集后可以直接用于C10的混凝土制作，如表1所示。由于人工破碎粗骨料存在著粉碎不均勻現(xiàn)象，會(huì)對(duì)粗骨料的顆粒級(jí)配產(chǎn)生一定的不良影響。

表1 再生骨料篩分結(jié)果

2 試驗(yàn)方案

2.1 材料的選用

2.1.1 再生混凝土的選取

本次試驗(yàn)的再生粗骨料選擇實(shí)驗(yàn)室已廢棄且放置一定時(shí)間的再生混凝土，實(shí)現(xiàn)就地再生利用，可節(jié)省購(gòu)買(mǎi)材料等方面的經(jīng)濟(jì)開(kāi)銷，同時(shí)需對(duì)已使用過(guò)的原生混凝土即再生粗骨料進(jìn)行人工破碎和機(jī)器篩分。由于人工破碎的局限性，再生混凝土破碎顆粒大小分布不均勻，導(dǎo)致后期粗骨料各粒徑等級(jí)質(zhì)量的分配不均，從而使試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在一些不可避免的誤差。

2.1.2 水泥的選取

本次試驗(yàn)選取的再生混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊預(yù)期的抗壓強(qiáng)度是C10。對(duì)于水泥強(qiáng)度等級(jí)的選擇，首先應(yīng)滿足再生混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度規(guī)范準(zhǔn)則。以普通混凝土為例，所選取的水泥強(qiáng)度等級(jí)大約為普通混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)的1.5～2.0倍。相比之下，高強(qiáng)度等級(jí)混凝土對(duì)應(yīng)的水泥強(qiáng)度等級(jí)則有所區(qū)別，可取高強(qiáng)度等級(jí)混凝土的0.9～1.5倍。用高強(qiáng)度等級(jí)水泥與低強(qiáng)度等級(jí)混凝土進(jìn)行配制過(guò)程中，由于強(qiáng)度等級(jí)差異，水泥使用量較少，對(duì)其穩(wěn)定性和和易性造成影響，導(dǎo)致該混凝土耐久性差，故應(yīng)摻入一定量的外加劑。最終選定實(shí)驗(yàn)室中強(qiáng)度等級(jí)為C42.5的普通硅酸鹽水泥。

2.1.3 外加劑的選取

再生混凝土加入外加劑前，首先應(yīng)當(dāng)對(duì)不同種類外加劑的品種與之對(duì)應(yīng)的使用條件有一定程度上的了解。其次應(yīng)注意查閱其產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)，對(duì)外加劑的質(zhì)量要求必須符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)外加劑的摻入量必須嚴(yán)格遵守再生混凝土性現(xiàn)場(chǎng)施工條件、性能要求以及當(dāng)?shù)貧夂驐l件，必須遵循現(xiàn)行建筑行業(yè)執(zhí)行規(guī)范。綜合實(shí)驗(yàn)室施工環(huán)境以及經(jīng)濟(jì)適配性等各種因素，用硅粉作為添加劑是最優(yōu)的選擇。

2.2 配合比的計(jì)算

根據(jù)前人已有的研究成果，再生混凝土配合比設(shè)計(jì)在很多方面與普通混凝土配合比設(shè)計(jì)是不一樣的，因此在按照普通混凝土配合比設(shè)計(jì)公式進(jìn)行計(jì)算時(shí)切忌照搬照抄，如直接套用公式會(huì)因再生混凝土的吸水率等因素導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果異常。

現(xiàn)取40%的砂率為定量，以外加劑取代率（外加總質(zhì)量占外加劑和水泥總質(zhì)量的百分比）作為主要變量，在試驗(yàn)過(guò)程中，不再使用碎石而完全使用由人工破碎產(chǎn)生的再生混凝土塊，首先計(jì)算再生混凝土的配合比，其次進(jìn)行試驗(yàn)材料的準(zhǔn)備階段。該試驗(yàn)滿足再生混凝土在和易性方面的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)對(duì)試驗(yàn)使用的砂子采取部分取樣的試驗(yàn)方式進(jìn)行含水率測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。受桂林當(dāng)?shù)貧夂蛴绊懀囼?yàn)階段天然砂的平均含水率為3.22%，處于合理范圍內(nèi)，對(duì)實(shí)驗(yàn)影響不大。通過(guò)對(duì)再生混凝土的配合比進(jìn)行計(jì)算得到了試驗(yàn)所用的配合比為：水的質(zhì)量∶水泥的質(zhì)量∶細(xì)骨料的質(zhì)量∶粗骨料的質(zhì)量為1∶1.42∶4.2∶6.32，各材料所添加含量如表2所示，表中M1、M2、M3、M4、M5分別為水的質(zhì)量、水泥質(zhì)量、硅粉質(zhì)量、細(xì)骨料質(zhì)量、粗骨料質(zhì)量。

表2 試驗(yàn)過(guò)程中各材料含量

2.3 不同外加劑方案的比選

2.3.1 硅粉

硅粉做外加劑改進(jìn)了混凝土的界面布局與組成，可以對(duì)其硬化功能起到很好作用，提高耐久性以及混凝土的抗腐蝕能力［5］。

2.3.2 鋼纖維

鋼纖維混凝土是目前市面上使用較為廣泛的一種外加劑混凝土，在制造階段通常采用摻入三維亂象分布的鋼纖維在普通混凝土之中的方式得到。這些亂向分布的鋼纖維能夠有效地阻礙混凝土內(nèi)部微裂縫的擴(kuò)展及宏觀裂縫的形成，顯著地改善了混凝土的抗拉、抗彎、抗沖擊及抗疲勞性能，具有較好的延性［6］。

硅粉和鋼纖維都對(duì)混凝土的強(qiáng)度有一定程度的提升，并且兩者的作用原理均不相同，綜合考慮了硅粉和鋼纖維的作用效果、使用成本以及后續(xù)試驗(yàn)的安全性，選擇使用硅粉作為再生混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)的外加劑。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

為了確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可靠性，再生混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)分3組進(jìn)行：①硅粉摻量為0%（普通再生混凝土對(duì)照組）；②硅粉摻量為5%；③硅粉摻量為10%。每組試驗(yàn)分別澆筑了6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)混凝土立方體抗壓試塊（150 mm×150 mm×150 mm）。再生混凝土抗壓試驗(yàn)所用的立方體試塊澆筑和28 d養(yǎng)護(hù)均在試驗(yàn)室內(nèi)完成。

3.1 人工操作粗骨料的篩分誤差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成的影響分析

在試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)于再生混凝土骨料的獲取是采用人工粉碎的方法。人工對(duì)骨料的破碎不可完全控制粗骨料的形狀和粒徑比例，例如在破碎過(guò)程中由于知識(shí)儲(chǔ)備比較匱乏而導(dǎo)致無(wú)法完全掌控對(duì)所得再生混凝土骨料粒徑的大小，同時(shí)在前期破碎過(guò)程中對(duì)骨料的捶打力度以及方法不了解，導(dǎo)致前期的破碎階段中所得到的大多數(shù)產(chǎn)物都是粒徑較小的細(xì)骨料。為了得到粒徑較大的骨料，應(yīng)注意控制敲擊時(shí)的力度和方向，但是所得到的中等粒徑骨料并未滿足試驗(yàn)所需要的用量要求。

在制作再生混凝土的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊時(shí)，忽略了骨料需要完全分配均勻的規(guī)則，導(dǎo)致試驗(yàn)出現(xiàn)誤差。在第二組（硅粉含量為5%）的制配過(guò)程中，粗骨料使用量過(guò)多，導(dǎo)致了該組的再生混凝土試塊抗壓強(qiáng)度變高。

由圖1可以直觀發(fā)現(xiàn)，第二組（硅粉含量5%）的抗壓強(qiáng)度在試塊1、試塊2、試塊3、試塊4、試塊5以及試塊6上都比第三組（硅粉含量10%）的抗壓強(qiáng)度要小，通過(guò)對(duì)硅粉工作原理的分析得出硅粉含量的提升會(huì)增強(qiáng)混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度，這與試驗(yàn)結(jié)果相符合。各試塊強(qiáng)度均出現(xiàn)分布不均勻的現(xiàn)象，其原因在于再生粗骨料在最開(kāi)始的制配過(guò)程中沒(méi)有分配均勻。

圖1 5%和10%硅粉摻量的抗壓強(qiáng)度

通過(guò)對(duì)硅粉含量為5%和硅粉含量為10%的兩組試塊抗壓強(qiáng)度對(duì)比分析可以得出以下結(jié)論：粗骨料的含量能夠影響再生混凝土的抗壓強(qiáng)度，粗骨料的含量超過(guò)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)的含量會(huì)使再生混凝土的抗壓強(qiáng)度在一定程度上有所提升；粗骨料沒(méi)有達(dá)到要求會(huì)降低再生混凝土的抗壓強(qiáng)度［7］。

3.2 通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析得出外加劑對(duì)再生混凝土強(qiáng)度的影響

由上述試驗(yàn)結(jié)果分析可知，硅粉可通過(guò)對(duì)界面布局與組成的改進(jìn)、凈漿與骨料粘結(jié)強(qiáng)度的升級(jí)，消除混凝土中不一樣復(fù)合組份的“弱銜接”，因此在混凝土中增加硅粉能提高混凝土的強(qiáng)度、耐久性以及抗腐蝕能力［8］。通過(guò)對(duì)第一組（無(wú)硅粉添加的普通再生混凝土）與第二組（硅粉含量為5%）、第一組（普通再生混凝土）與第三組（硅粉含量為10%）試塊抗壓強(qiáng)度的對(duì)比，得到圖2—圖4。

圖4 0%和10%硅粉摻量的抗壓強(qiáng)度

通過(guò)對(duì)圖2的分析可以看出，第二組（硅粉含量為5%）的再生混凝土試塊抗壓強(qiáng)度在試塊1、試塊2、試塊3、試塊4、試塊5以及試塊6的抗壓試驗(yàn)之中都比第一組（普通混凝土）的各個(gè)試塊抗壓強(qiáng)度要大；第三組（硅粉含量為10%）的再生混凝土試塊抗壓強(qiáng)度在試塊1、試塊2、試塊3、試塊4、試塊5以及試塊6的抗壓實(shí)驗(yàn)之中都比第一組（普通混凝土）的各個(gè)試塊抗壓強(qiáng)度要大。

圖2 不同硅粉摻量的抗壓強(qiáng)度

對(duì)比圖3（硅粉摻量0%和5%）和圖4（硅粉摻量0%和10%）可以得出：硅粉可以改善再生混凝土的力學(xué)性能，在未來(lái)的再生混凝土工程建設(shè)之中，可以通過(guò)加入硅粉來(lái)提升再生混凝土的抗壓強(qiáng)度。

圖3 0%和5%硅粉摻量的抗壓強(qiáng)度

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)不同硅粉摻量的低強(qiáng)度再生混凝土進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，驗(yàn)證抗壓強(qiáng)度隨硅粉摻量的變化規(guī)律，由試驗(yàn)結(jié)果分析得出以下結(jié)論：

1）硅粉的含量對(duì)再生混凝土的抗壓性有著顯著的改良，其強(qiáng)度隨硅粉摻量的增加呈現(xiàn)出共同增加的變化規(guī)律。

2）可通過(guò)硅粉顆粒的填充來(lái)減小混凝土之中的空隙，使其孔隙率降低，以此增加了混凝土的密實(shí)度，大大改善混凝土的力學(xué)性能，宏觀表現(xiàn)為抗壓強(qiáng)度隨硅粉摻量的增加而增大。

3）外摻硅粉可提高再生混凝土力學(xué)性能這一結(jié)論為再生混凝土的推廣應(yīng)用提供思路，對(duì)改善環(huán)境和節(jié)約資源有重要意義。