雷秀玲1，钟睿曾2，王瑛玮3，马智法1
（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130021；2.宁波市水利水电规划设计研究院，浙江宁波315000；3.吉林大学材料学院，吉林长春130021）
［摘要］中国垃圾存量已超过200亿t，“垃圾围城”越发严重，源化率仅为5%左右。文中针对建筑垃圾成分复杂、性能波动大和分拣困难的特点，研究了利用建筑垃圾做为骨料制备混凝土的性能，为建筑垃圾的低分拣利用做出了有益的探索。
［关键词］建筑垃圾；低分拣；混凝土；制备
1.1 现状
据统计，中国垃圾存量已超过200亿t，“垃圾围城”越发严重。过去的十几年里，中国对建筑垃圾的处理方式主要有2种：一是将建筑垃圾进行轻度分拣，取得有一定残值的部分，而将其他部分丢弃；二是未经任何处理的建筑垃圾被运到郊外或者农村，进行露天堆放或填埋。以500～600 t/万m2的标准推算，2020年中国还将新增建筑面积300亿m2，由此产生建筑垃圾134亿t，若单纯堆存将占地223～333 hm2。
“建筑垃圾资源化”这一概念的提出为建筑垃圾处理提供了一条新的途径。然而，由于种种原因，2005—2014年间，中国建筑垃圾资源化率仅为5%左右，而韩国、欧美发达国家每年建筑垃圾资源化率均已超过90%，形成了鲜明对比。因此，提高建筑垃圾资源化率，使其最大化地转化为再生资源，对实现循环经济和可持续发展具有重要意义。
1.2存在的问题
目前，困扰建筑垃圾利用的最主要问题：一是建筑垃圾不同于生活垃圾，燃烧值很低，无法燃烧发电；二是建筑垃圾成分复杂、不同批次的建筑垃圾成分波动很大，并且分拣困难，给特定方向的利用造成极大困难。
针对建筑垃圾成分复杂、波动大和分拣困难的特点，试验研究了利用建筑垃圾做为骨料制备混凝土的性能，为建筑垃圾的低分拣利用做出了有益的探索。
2.1 实验原料及设备
原料：325号水泥；建筑垃圾，例如砖、混凝土、陶瓷玻璃、石膏，引气减水剂。
实验设备：颚式破碎机；球型粉磨机；水泥胶砂振实台；万能试验机；烘箱；冰柜；2目、4目、10目、20目、40目筛子各1个；40 mm×40 mm×160 mm模具；天平；量筒等。
2.2 配方设计
现阶段拆除的建筑物诞生于多种年代，拆除后的建筑垃圾组成差异较大。一般老式建筑采用砖混结构较多，拆后建筑垃圾红砖的占比较大；而新式建筑多以混凝土框架结构为主，拆后建筑垃圾混凝土的占比较大，而其他组分两类建筑垃圾差异不大，其中的金属、木材和塑料等可以通过破碎后的低度分拣获得更有价值的利用。所以，为了模仿现阶段的建筑垃圾组成，实验共设计3种原料配比的骨料进行对比试验，3组骨料的配比如表1所示。
表1 3种骨料配方中各种原料的比例%
分组砖混凝土陶瓷玻璃石膏甲组50 30 10 7 3乙组40 40 10 7 3丙组30 50 10 7 3
混凝土的配比为粗骨料：细骨料∶水泥=4∶3∶3；水灰比为0.6，其中引气减水剂占水泥的2%。粗骨料分为2种粒径，分别为：筛网2目下4目上和4目下10目上，两种原料比例为1∶1；细骨料取筛网20目下40目上。
由于模具承载量大约为1 800 g，可以制作9个试块，各种原料具体用量见表2。
表2 各组骨料的构成用量g
分组骨料筛网砖混凝土陶瓷玻璃石膏甲组粗骨料2目下4目上180 108 36 25.5 10.8 4目下10目上180 108 36 25.2 10.8细骨料20目上40目下270 162 54 37.8 16.2乙组粗骨料2目下4目上144 144 36 25.2 10.8 4目下10目上144 144 36 25.2 10.8细骨料20目上40目下216 216 54 37.8 16.2丙组粗骨料2目下4目上108 180 36 25.2 10.8 4目下10目上108 180 36 25.2 10.8细骨料20目上40目下162 270 54 37.8 16.2
混凝土其他材料组成：水泥用量为529.2 g，引水剂用量为10.8 g，水用量为324 ml。
2.3 实验过程
将红砖、混凝土、陶瓷等原料用颚式破碎机和球型粉磨机破碎到适当粒径，分别用2目、4目、10目、20目、40目筛子进行筛分，得到实验所需粒径的粗细骨料待用。
2.3.1 试验样块制备
实验制备样块共3组，为满足统计规律，每组样块制作30个，按照配方设计中所设计的配比分别称取相应质量的各种原料，然后将称量好的材料放入水泥胶砂搅拌机，并加入适量水进行混合搅拌，捣实后在水泥胶砂振实台上振实，表面覆盖后在合适位置静置24 h后拆模，将所有试块放入水中湿养护7 d，7 d后将试块取出放置在空气中养护28 d，称量并记录所称质量。
2.3.2 吸水率测试
在每组试块称量之后，从中取出标号前5号的样块进行吸水率的测试，测试步骤：先将试块放入热水中完全浸泡4 h，浸泡后取出称量质量，得到样块吸水后的质量，并通过公式吸水率=（吸水后质量-吸水前质量）÷吸水前质量×100%，来求得试块的吸水率。
2.3.3 抗压强度测试
在吸水率测试完毕后将所选前5号试块放在烘箱中烘干，同时再取标号为6—15号的试块进行抗压强度测试，从而得到试块在未冻融前的标准28 d抗压强度。
2.3.4 冻融循环实验
根据自身实验条件及相关资料，实验设定冷冻时间为4 h，融化时间为2 h，此为一个冻融循环，首先取其余部样块分组标号进行冻融试验。直至冻融循环次数达到35次时，取出一半试块，在室温下干燥，记录相应的样块质量，计算35次冻融后的质量损失。然后进行抗压强度测试，得到抗压强度数据。剩余一半试块继续进行冻融实验，直到循环次数达到50次时，取出试块干燥后同样进行质量测量和抗压强度测试，得到试块的质量损失及抗压强度数据。
试验混凝土制备过程及抗压试验测试方法按照GB/T50 081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行，抗压测试实验条件为负荷控制1 000 N/s。
3.1 吸水率实验结果与分析
吸水率实验结果见表3。
表3 各组吸水率%
编号甲组1 9.47 9.75 3 10.38 4 9.87 5 10.08平均值9.91 2乙组丙组10.12 8.89 5.99 8.56 10.01 9.34 10.12 8.86 10.13 7.65 9.27 8.86
由于甲组样块砖的比例最高，丙组样块混凝土的比例最高。由此可见，样块的吸水率随着样块中砖的含量提高而提高。说明砖的吸水率大于混凝土，同时也证明砖的孔隙度要大于混凝土的孔隙度。
3.2 抗压强度实验结果与分析
利用万能试验机对3组试样前10号样品进行测试所得数据如表4所示。从表4的对比可以得出：骨料中混凝土与砖的相对含量对抗压强度影响不大。
表4 3组样品抗压强度MPa
样品编号甲组乙组丙组1 2 28.85 27.036 21.017 27.21 3 4 28.458 28.545 25.104 32.675（无效）13.236 5 6 19.482 24.384 26.542 31.383（无效）19.827 27.095 19.106 14.539 17.154 12.822 28.041 9 10 7 8 34.101 21.156 13.968 32.905 23.497 13.374 26.661 20.613平均值25.2918.7 25.61
3.3 冻融循环实验结果与分析
3.3.1 质量损失及分析
试验为了探知冻融循环实验对样块质量的影响程度，并探讨冻融循环实验对骨料配比不同的样块质量影响的规律。
由于抗压强度测试属于破坏性试验，在35次冻融循环后1-10号样品进行抗压强度测试被破坏，冻融试验质量损失=（冻融前质量-冻融后质量）/冻融前质量×100%，其余各组样块冻融循环后质量损失数据如表5所示。
由表5可以得出：35次冻融循环，试样短期抗冻融能力与骨料配方有关，骨料中砖的含量越高，试样短期抗冻融能力越强；50次冻融循环，骨料的配方对试样的抗冻融性存在影响，在短期冻融循环实验中，以砖骨料为主的混凝土抗冻融性较强，在长期冻融循环试验中，以混凝土骨料为主的混凝土抗冻性更强。
3.3.2 抗压强度数据及分析
试样抗压测试，见表6，冻融循环后抗压强度损失，见表7。
对比3组试样抗压强度及冻融循环后抗压强度损失，得出：骨料配方对样块冻融循环后的抗压强度存在影响，骨料中砖的比例越高抗压强度损失越多，骨料中混凝土比例越高，抗压强度损失越小。
1）在其他条件相同时，样块的吸水率跟骨料配方有关。由于砖的吸水率大于混凝土，所以样块中砖的含量越高，相应的样块吸水率也越高；样块中混凝土含量越高，样块吸水率越低。
表5 冻融循环后质量损失%
样品编号甲组乙组丙组35次50次35次50次35次50次11 3.97 2.97 2.19 12 2.86 2.59 3.44 13 4.85 2.12 1.80 14 3.86 5.86 4.22 15 3.41 5.47 9.11 16 2.32 4.41 3.39 17 3.85 4.55 4.51 18 3.33 4.38 3.79 19 4.05 2.98 6.53 20 4.81 5.64 5.19 21 2.47 3.18 0.83 1.00 4.28 5.05 22 1.87 3.85 1.28 1.46 3.67 5.01 23 1.86 11.74 3.07 4.63 1.61 2.67 24 7.88 12.11 15.49 19.84 0.88 3.08 25 1.74 3.40 1.67 2.60 1.60 3.76 26 2.74 3.66 0.18 2.25 0.15 0.39 27 2.03 3.70 2.00 3.34 3.29 4.78 28 1.52 3.88 0.16 1.23 1.38 2.12 29 2.50 3.87 2.93 3.57 3.19 3.77 30 2.42 3.91（破坏）8.19 9.89平均值3.217 5.33 3.609 4.44 3.625 4.05
表6 试样抗压强度MPa
50次强度甲组乙组丙组甲组乙组丙组甲组乙组丙组1 28.850 21.017 25.104 11 23.654 18.344 20.623 21 4.790 15.104 17.144 2 27.036 27.210 32.675 12 10.940 25.454 30.325 22 18.430 18.428 20.078 3 28.458无效27.095 13 11.374 12.953 26.426 23 10.670 32.743 25.884 4 28.545 13.236 19.106 14 23.424 16.711 24.339 24 12.774 18.996 20.236 5 19.482 14.539 26.542 15 10.399 12.123 32.308 25 15.870 5.251 24.676 6 24.384 17.154 31.383 16 8.968 12.443 13.164 26 8.555 10.521 29.136 7 12.822无效13.968 17 12.922 21.485 32.807 27 9.501 15.205 19.055 8 28.041 19.827 32.905 18 27.374 19.501 13.584 28 8.536 21.505 25.158 9 34.101 23.497 26.661 19 20.492 21.489 21.698 29 8.260 16.192 15.129 10 21.156 13.374 20.613 20 7.317 20.147 15.287 30 17.373（无效）24.405平均值25.287 5 18.70 25.605 2平均值15.686 4 18.065 23.056 1平均值11.475 9 17.105 22.090 1样品编号28 d强度样品编号35次强度样品编号
表7 冻融循环后抗压强度损失%
冻融循环甲组35次37.96 50次54.61乙组丙组17.73 9.95 18.70 13.72
2）在其他条件相同时，骨料的配方与试样的抗压强度有关，骨料中混凝土的含量越高，相应的样块抗压强度也越高。
3）在其他条件不变时，试样的抗冻融能力与骨料配方有关。骨料中混凝土比例增加可以提高试样的抗冻融性，骨料中砖比例的增加会降低混凝土抗冻融性。
4）在其他条件不变时，试样在冻融循环之后的抗压强度损失与骨料的配方有关。骨料中砖的含量越高，抗压强度损失越大；骨料中混凝土含量越高，抗压强度损失越小。
5）实验模拟低分拣建筑垃圾设计的3个骨料配方所制备的混凝土28 d强度、35次和50次冻融循环强度均高于15 MPa，满足非承重墙体材料相应标准的要求。
［参考资料］
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［中图分类号］TV525
［文献标识码］B
［文章编号］1002－0624（2017）06－0063－04
[收稿日期] 2016-11-14
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