黏土砖再生骨料混凝土性能的试验研究与分析

长期以来，我国建筑物中大量使用黏土砖作为承重或围护结构材料，随着城市建设和城市改造的加快，拆除旧建筑物将产生大量的废黏土砖，据不完全统计，碎砖（砌）块约占建筑垃圾总量的30%～50%[1]。城市建筑垃圾资源化处理是20世纪90年代以来发达国家环境保护和可持续发展的战略目标之一。利用废黏土砖加工再生骨料用于生产水泥混凝土制品是其资源化利用的主要途径之一，在建筑垃圾排放费用很高且天然骨料资源较紧缺的国家（地区），利用附加值会更高。
国外在这方面做了一些研究工作，但研究结果存在较大差异，如有研究结果认为将拆除建筑物形成的废砖用于混凝土中的效果很差[2]；但将砖厂中废砖用作粗骨料时混凝土有较好的性能，某些性能甚至超过了用天然骨料配制的混凝土[3]。国内学者也对再生黏土砖骨料及其所配制混凝土或砂浆的性能进行了试验和分析[4-7]，认为黏土砖再生骨料性能接近于轻质骨料，主要对新拌混凝土和易性产生不利影响，骨料性质及其配合比参数（砂率、水灰比等）对混凝土强度有影响，经适当配合比设计其混凝土强度可达（40～50）MPa[4]，可能具有良好热工性能和耐久性。胡金鸿等[8]专门测试了水灰比变化对碎砖再生混凝土性能的影响。国内学者还进行了利用黏土砖再生骨料制备墙体材料的试验研究[9-10]，秦皇岛开发区开元有限公司则研制成功了利用黏土砖再生骨料生产承重或非承重砌块的技术。
本文主要通过试验研究了在配合比参数不变情况下，水泥用量对黏土砖再生骨料混凝土强度、静弹性模量、泊松比、干缩变形率、导热系数等的影响程度和规律。
2试验原材料和试验方法
2.1试验原材料
水泥采用福建惠安“三德”牌P.O32.5R水泥，3d抗折强度为3.4MPa，3d抗压强度为20.4MPa，28d抗折强度为7.0MPa，28d抗压强度41.4MPa。黏土砖再生骨料：图1所示废弃黏土砖采用实验室鄂式破碎机破碎后（图2所示），按JGJ53－92《普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验方法》和JGJ52－92《普通混凝土用砂质量标准及检验方法》筛分成（5～25）mm粗骨料和（0.15～5）mm细骨料，分别如图3和图4所示。经测试，黏土砖粗骨料的堆积密度832kg/m3，吸水率14.6%；黏土砖细骨料的堆积密度1040kg/m3，吸水率34.1%（筛去〈0.15mm的砖粉）。

2.2试验方法
2.2.1混凝土配合比
从黏土砖粗、细骨料堆积密度可以看出，该再生骨料属于轻质骨料，其混凝土配合比设计可以参照JGJ51-2002《轻骨料混凝土技术规程》进行，试验所用的混凝土配合比如表1所示。
表1黏土砖再生骨料混凝土配合比组成，kg/m3

2.2.2试件成型和性能测试方法
按表1配合比成型150mm×150mm×150mm试件，每个配比6块，室温养护1d后拆模，水养至7d和28d测其抗压强度；150mm×150mm×300mm试件，每个配比7块，室温养护1d后拆模再水养，其中3块试件测其28d轴心抗压强度（为静弹性模量测试提供基础数据），3块测弹性模量和泊松比，1块作为测试时的补偿试件。立方体抗压强度、轴心抗压强度、静力受压弹性模量的测试方法和结果计算按GB50081－2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行，静力受压弹性模量和泊松比采用DH3816静态应变测试系统测试。成型100mm×100mm×515mm试件，每个配比3块，试件两端预埋标准铜质测头，室温养护1d后拆模，置于混凝土标准养护室中养护3d后取出分别测试各试件初始长度值，在标准干缩试验条件下养护，测试试件1d，2d，3d，4d，5d，6d，7d，14d，21d，28d的长度值，按GBJ82－85《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》计算试件的干缩值。成型300mm×300mm×50mm试件，每个配比3块，室温养护1d后拆模，拆摸后水养14d，80℃烘48h，测其重量，用游标卡尺沿试件四边测量8个点，取平均值为平均厚度，采用DRP-4A型导热系数测定仪测其导热系数。

3试验结果与分析
3.1黏土砖再生骨料混凝土抗压强度
图5示出黏土砖再生骨料混凝土7d和28d立方体抗压强度随水泥用量增加时的变化曲线。从图中可以看出，随着水泥用量的增加，黏土砖再生骨料混凝土的抗压强度提高，其中，7d强度提高幅度大于28d强度提高幅度，较低水泥用量时的强度提高幅度大于较高水泥用量时的强度提高幅度。这是由于黏土砖再生骨料属轻质骨料，早期，硬化水泥浆基体强度与骨料强度差异较小，其混凝土早期强度可能更多取决于水泥浆基体强度，28d及后期水泥浆基体的强度将大于骨料的强度，其混凝土后期强度应主要取决于骨料本身强度，从图6可见再生骨料自身破坏明显，当黏土砖再生骨料强度低时，通过增加水泥用量来提高混凝土强度效果不大。在应用黏土砖再生骨料配制混凝土制品时，应根据再生骨料的强度合理选择水泥用量。四组混凝土的轴心抗压强度与其立方体抗压强度较接近，如图5中虚线所示，轴心抗压强度与立方体抗压强度比值大于1.0，统计资料表明[11]，轻集料混凝土的轴心抗压强度与立方体抗压强度比值的变化范围在0.818～1.03之间，平均值为0.987。这可能是因为黏土砖再生骨料本身弹性模量低，造成其混凝土弹性模量低、泊松比大，试件横向变形能力强，试件中部应变滞后于应力，使得轴心抗压强度测试值提高。

3.2黏土砖再生骨料混凝土的物理性能
表2示出了黏土砖再生骨料混凝土的干表观密度、导热系数和24h吸水率。从表2所示结果可以看出，随水泥用量增加，黏土砖再生骨料混凝土的干表观密度和导热系数提高，24h吸水率降低。由于黏土砖再生骨料属轻质骨料，其混凝土干表观密度也属轻质混凝土范畴（ρd<1950kg/m3），导热系数也远低于普通混凝土（碎石混凝土干密度2300kg/m3，导热系数1.51W/（m•k），干密度2100kg/m3，导热系数1.28W/（m•k）），因此，经适当选择骨料和配合比设计，黏土砖再生骨料混凝土可以用于保温轻骨料混凝土制品（如墙材）和结构保温轻骨料混凝土制品（如楼板、剪力墙等）。黏土砖再生骨料本身孔隙率大，吸水能力强，其混凝土吸水率远高于普通混凝土，这对混凝土抗渗及耐久性可能产生不利影响，通过增加水泥用量可以有效降低其吸水能力。
表2黏土砖再生骨料混凝土的物理性能

3.3黏土砖再生骨料混凝土的变形性能
3.3.1静弹性模量和泊松比
表3示出了黏土砖再生骨料混凝土静弹性模量和泊松比的测试值。从表中结果可以看出，随着水泥用量的增加，黏土砖再生骨料混凝土的弹性模量略有提高，泊松比则降低。LC20～LC30普通轻集料混凝土，干表观密度在（1700～1900）kg/m3范围时，其弹性模量在（15.4～21.0）GPa范围[11]，说明黏土砖再生骨料本身的弹性模量比普通人造轻集料低，这是黏土砖再生骨料结构所决定的，一般黏土砖本身结构较疏松，内部开口孔隙多，破碎时又造成一定程度的损伤，进一步降低了骨料的强度和硬度，降低了骨料的弹性模量；而人造轻集料（陶粒）结构特征为（1～2）mm致密坚硬外壳，内部呈多孔结构，笔者曾测试（9.5～19mm）黏土砖再生骨料的筒压强度仅为1.3MPa，这仅相当于密度等级600级碎石型轻集料的筒压强度。
资料表明[11]，不同轻集料配制混凝土的泊松比不同，LC30人造轻集料混凝土的泊松比为0.16～0.26，平均值为0.22，黏土砖再生骨料混凝土泊松比要高于普通轻集料混凝土泊松比，这直接证明了3.1中其轴心抗压强度为什么会高于立方体抗压强度。
表3黏土砖再生骨料混凝土静弹性模量和泊松比

3.3.2干燥收缩率
图7示出了黏土砖再生骨料混凝土干燥收缩率随时间的变化曲线。从图中可以看出，在骨料用量不变时，随水泥用量的增加，混凝土干燥收缩率降低，低水泥用量试件早期干缩率远高于高水泥用量试件，且28d以后的干缩值仍大幅增加，这反映出黏土砖再生骨料干燥收缩可能是由水分丧失和水泥石毛细管收缩形成的，低水泥用量试件早期黏土砖骨料孔隙中水分损失速率更快，也反映出在骨料用量和水灰比相同的情况下，提高水泥用量可能有利于阻止黏土砖骨料孔隙中所吸收水分过快失去，从而起到混凝土减少早期干燥收缩的作用，并进而影响到混凝土后期整体收缩率的大小。资料表明[11]，当初始测试龄期为3d时，普通轻集料混凝土28d时的干燥收缩率为833×10－6，本文仅当水泥用量为440kg/m3时混凝土的干燥收缩率可以达到，其他3组混凝土的干燥收缩率均高于此数值，说明由于黏土砖再生骨料弹性模量低于普通轻集料弹性土砖再生骨料混凝土干燥收缩率更大。

（1）在骨料用量和水灰比相同时，水泥用量的增加可以在一定程度上起到提高黏土砖再生骨料混凝土强度、弹性模量和导热系数，降低其干表观密度、吸水率、干燥收缩率和泊松比。
（2）因试验所用黏土砖再生骨料强度较低，与相当密度等级和强度等级普通轻集料混凝土相比，黏土砖混凝土强度和弹性模量更低，泊松比和干燥损失率更大。
（3）黏土砖再生骨料属轻集料，其混凝土导热系数远低于普通混凝土，适当选择骨料和配合比设计，黏土砖再生骨料混凝土可以用于保温轻骨料混凝土制品（如墙材）和结构保温轻骨料混凝土制品（如楼板、剪力墙等）。
参考文献略