中建二局第三建筑工程有限公司武汉分公司 湖北武汉 430000
摘要：本文介绍了建筑垃圾的回收利用对环境所产生的积极的影响以及建筑垃圾在商品混凝土中的应用。基于上述，本文研究的内容为不同掺量及种类的外加剂对建筑垃圾在混凝土中应用的力学性能的影响。用不同掺量及种类的外加剂加入到含有建筑垃圾的混凝土后采取人工搅拌，然后将混凝土做成立方体试块，在养护箱内分别标养7天和28天，当到达龄期后用抗压测试机检测试块的力学性能。A减水剂的7天和28天的抗压强度平均低于B减水剂的7天和28天的抗压强度，且掺入了减水剂的试块的抗压强度均高于未掺入减水剂的试块。最后得出来的研究结果是：B减水剂对于掺有建筑垃圾的混凝土的力学性能大于A减水剂，外加剂会提高掺有建筑垃圾的混凝土的力学性能，且合适比例的外加剂会对掺有建筑垃圾的混凝土的力学性能有明显的提高。
关键词：外加剂；力学性能；抗压强度；建筑垃圾
1、概述
建筑垃圾的废弃物与其他的材料相比，它还有增长速度快，利用率极低的特点。因此必须要非常明智的处理建筑物垃圾和自然环境的关系，让建筑垃圾在如此快速发展的中国能够得到可持续的循环再利用[4]。
人们秉持的绿水青山就是我们的金山银山的可持续发展理念，不断增加环保意识，为了将混凝土对环境造成的不必要因素降到最低，现在可以打破传统的混凝土配合材料，将建筑垃圾变废为宝，将建筑垃圾中添加外加剂的方法改善建筑垃圾在混凝土力学性能的方法，这样可以使人类与大自然和谐相处，这也是一个必然趋势，也是混凝土在未来发展必须要思考的问题。
2、实验方法及措施
掺入建筑垃圾的混凝土作为21世纪混凝土的发展方向有不足之处但是也有很多优点，合理的使用绿色混凝土可以发挥出传统混凝土所不具备的优点。掺入建筑垃圾的混凝土具有一定的强度和高抗渗能力，具有良好的工作性、流动性和耐久性。
2.1 理论依据
（1）这个实验主要是通过不同掺量的减水剂来研究对掺入了建筑垃圾的混凝土力学性能的影响，不变混凝土的配合比、流动性、砂石的比率等因素，进行研究不同掺量减水剂对C45混凝土性能的影响规律。
（2）通过将试块放入标养箱养护7天和28天后，依次测定每个混凝土的力学性能，按照不同减水剂的掺量对混凝土进行各项力学性能的测定。
最终通过对掺量等各因素的优化，探索水泥基材料中建筑垃圾混凝土的外加剂的最佳掺量。
2.2 准备工作情况
（1）材料：
水泥：复合硅酸盐水泥，强度为42.5MPa。
粗骨料：粗骨料采用最大粒径不大于31.5mm的卵石及实验室废弃立方体试块。
细骨料：采用细度模数为2.5的中砂；细骨料采用的最大粒径不得大于4.5mm。
水：实验室自来水。
减水剂：树脂系减水剂（A），聚羧酸高性能减水剂（B）。
（2）实验工具
铁锹、电子秤（200g）、天平秤、下口瓶、量筒、滴管、坍落度桶、捣棒、小铲、钢尺、喂料斗、压力试验机（精度为1%）、模板等。
2.3 研究方法
计算出配合比，保持混凝土中其他量不变分别加入不同掺量及种类的外加剂进行对照试验，测量养护7天与28天的混凝土抗压强度。通过实验结果分析，不同物理状态下减水剂对建筑垃圾在混凝土中性能的影响，选用最佳掺量，可以改善混凝土试块的力学强度。
（1）确定C45级混凝土配制强度
fcu,0=fcu,k+1.645σ=45+1.645×5=53.2 (MPa) 2-1
（2）确定水胶比
采用卵石，αa=0.49、αb=0.13；根据（GB 50010-2010），42.5复合硅酸盐水泥，强度富余系数γc=1.16，无掺合料，故：
（W/B）=αaγcfce,k/(fcu,0+αaαbγcfce,k)=0.49×1.16×42.5/（53.2+0.49×0.13×1.16×42.5）=0.43 2-2
则(W/B)计=0.43，根据（GB 50010-2010）可知最大水胶比为0.60。
(W/B)0=min[(W/B)计，(W/B)max] 2-3
故(W/B)0=0.43符合耐久性要求。
（3）确定用水量
根据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011）可知：1m³混凝土的用水量mw0为185kg。
根据减水剂在合理掺量条件下的减水率β=20%，可确定掺加减水剂时混凝土的单位用水量为：
mw0=mwH（1-β）=185×（1-20%）=148kg 2-4
（4）计算胶凝材料用量mb0，水泥用量mc0。
未掺减水剂时：
mb0=mw0/(W/B)=185/0.43=430kg 2-5
根据GB 50010-2010：(W/B)max=0.43时，mb,min=250kg，故mb0=max(430,250) =430kg；因胶凝材料中未掺加掺合料，故mc0=mb0=430kg。
掺减水剂时：
mb0=mw0/(W/B)=148/0.43=344(kg) 2-6
根据GB 50010-2010：(W/B)max=0.43时，mb,min=250kg，故mb0=max(344,250) =344kg；因胶凝材料中未掺加掺合料，故mc0=mb0=344kg。
（5）计算减水剂用量(J)
（6）选取合适的砂率
根据（JGJ55-2011）可知对于最大粒径为31.5mm卵石配制的混凝土，当水胶比为0.58时，其砂率为βs=32%。
（7）计算砂的用量ms0和卵石的用量mg0。
加入减水剂时，假定混凝土湿表观密度为2400kg/m³，则有：
代入数据求解方程组，即得ms0=610.56kg，mg0=1297.44kg。
将25%的卵石替换为建筑垃圾（Z）由此得混凝土初步配合比为
未加减水剂时，假定混凝土湿表观密度为2400kg/m³，根据式2-9则有：
代入数据求解方程组，即得ms0=571.2kg，mg0=1213.8kg。
将25%的卵石替换为建筑垃圾由此得混凝土初步配合比为
C:W:S:G:Z=1:0.43:1.32:2.1:0.7 2-10
本实验研究采用不同掺量的减水剂加入到含有建筑垃圾的混凝土中来制备试块，得出外加剂对混凝土的力学性能的影响；记录并对比分析实验数据得出相关结论。本文的研究内容主要为：
（1）研究相同外加剂不同掺量对建筑垃圾性能激发的作用的影响。
（2）研究不同外加剂对建筑垃圾在混凝土中应用的力学性能的影响。
最终通过对掺量不同的相同外加剂等各因素的优化，探索混凝土中的最佳掺量，并研究不同外加剂对混凝土的力学性能的影响。
3、实验过程
3.1 破碎建筑垃圾
首先用铁锤将准备好的建筑垃圾击打敲碎，然后将敲打好的碎块放入颚式粉碎机入料口，打开颚式粉碎机，然后将得到的建筑垃圾粗骨料倒入筛分机内进行筛分。得到各个粒径在一定范围的粗骨料，然后按照级配分布表进行称重配制得到符合各组实验级配的粗骨料。本课题拟通过试验研究，探讨外加剂对建筑垃圾在混凝土中的应用，以此分析出外加剂掺量和种类对建筑垃圾在混凝土中力学性能的影响。
3.2 混凝土和易性实验
3.2.1 流动性
在测定混凝土和易性实验前，首先用湿抹布将钢板及坍落筒内润湿，并在桶的顶部加漏斗，放在混凝土拌板上，用双脚踩紧，固定住位置。
取拌制好的混凝土分三次装入筒内，每一次的高度在插捣后大约为坍落度筒高的三分之一，每层用捣棒插捣大约25次。在插捣顶层混凝土时应该随时添加混凝土使其不低于筒口。插捣结束后，移去漏斗，刮除多余的混凝土并用抹刀将筒口抹平。
在清理完筒边底板上的混凝土之后，在5到10S内垂直且平稳地提起坍落度筒。再用两钢尺测量筒高与坍落后的混凝土试体最高点之间的高度差值，此差值即为坍落度值，精确至1mm。
实验结果评测：在坍落度筒被提起后，如果拌和物发生崩塌或一边发生剪切破坏，则应重新取样测定，坍落度大于220mm时，扩展度值应取拌合物扩展后最终的最大值与最小值的平均值，两者差值应小于50mm，否则应重做。
3.2.2 黏聚性
使用捣棒在做完坍落度实验的混凝土锥体侧面轻轻击打几下，如果混凝土锥体出现轻微坍落下沉，则说明该混凝土黏聚性比较好，如果混凝土锥体突然倒塌或者部分倒塌或者出现离析的现象，则表示混凝土的黏聚性不好。
3.2.3 保水性
在坍落度筒被提起之后，如果无稀浆或者只有少量的稀浆自底部析出，则表明混凝土的保水性良好。
在坍落度筒被提起之后，如果出现较多的稀浆浊液流出，锥体部分的混凝土也因此而出现孔隙的情况，则表明混凝土的保水性不好。
3.3 成型及养护
试块养护开始前应该先将试块模具擦拭干净，然后用刷子在试模内壁刷上一层薄层（矿物油）。其中，每个模块包含3个混凝土试块。
将拌好的混凝土装入试模，稍微留有富余，用铲子依次插入使其混凝土试模中的气体排出，所有试块的制作在拌和后立即用振动台振实。模具放在振动台上，启动振动级，振动2至3次，每次时长约为10秒。当模块表面变成水泥浆时停止振动，刮去表面多余混凝土。试块成型后最好把它覆盖起来以防止里面的水分蒸发，并在室温为20至25℃的情况下至少静置一天的时间，然后再进行编号和拆模处理。
拆模之后的试块应该立刻放在温度为20至22℃和相对湿度为95%以上的标准养护箱内养护。将试块放在标准箱内的架子上，彼此间隔均为10到20毫米，并避免直接使用冲淋试件。
3.4 混凝土立方体抗压强度试验
将试块从养护箱内取出，然后擦干并量出试件受压面的面积，精确至1毫米，将试块居中放于下压板上，且试块的受压面应与成型时的顶面垂直；开动实验机，按实验机使用要求进行操作。控制好送油阀保证加载速度连续而均匀，当试块开始出现晃动碎裂的时候，停止送油，直至试块破坏，记录下破坏时的终止压力。
按下式计算试块的抗压强度fcu，精确至0.1MPa。
fcu=P/A 2-13
式中：fcu——试块抗压强度，MPa;
P ——破坏荷载,N;
A ——试块承压面积，mm2。
抗压强度取3个试块的算术平均值，精确至0.1MPa。3个测值中如果有1个与中间值的差值超过中间值的15%时。应取中间值作为该组试块的抗压强度值；如有2个测值与中间值的差值超过中间值的15%，则该组试块的实验结果无效。
当混凝土的强度等级低于C60时，边长为100mm的非标准立方体试块抗压强度值需要乘以对应的尺寸换算系数0.95，换算成标准立方体试件抗压强度值。
按上述试验组做试验，将试块放在养护箱中养护7d和28d，按要求测定试块的抗压强度，并记录数据。分析得到的每一组试验数据，对抗压强度进行反复对比后得出结论。每组试件均采用100mm×100mm×100mm立方体模块试件。
3.5 实验过程
查阅相关资料，根据课题要求做出符合条件的配合比。
实验顺序为：
（1）选取所需材料。
（2）将25%的卵石替换为建筑垃圾后对材料称重取用，10L相关用量见表3.1。
（3）搅拌：因为混凝土量比较大，所以采用人工搅拌的方法。首先将砂子倒在混凝土拌板上，然后把水泥与砂子反复翻拌混合均匀。用量筒早已量取好的水少量多次的放入搅拌均匀后的水泥和沙子中，持续搅拌三次。搅拌均匀之后方可加入建筑垃圾和卵石，继续搅拌数次，直至石子和建筑垃圾与灰浆混合均匀且稠度合适。需要注意的是搅拌时动作应当迅速敏捷。从开始加水时算起，全部的操作须在30min内完成。
（4）取得模具，确保模具表面干净没有残留物，将模具接触混凝土拌合物的所有面刷一层薄油，以便日后取出试块的时候更加方便，装好模具，使得模具密实，中间挡板不能活动，将拌合物一次加入模具中，加入混凝土拌合物时用抹刀在内壁插捣，加入的混凝土拌合物适当高出模具上口。
（5）将装满混凝土拌合物的模具放置在振动台上，每组振动3次每次10秒左右，振实直至混凝土表面出现析浆为止，在放置模具时，要注意防止试模在振动台上跳动，振动完毕之后用抹刀将混凝土模具表面抹平，刮除多余的混凝土。
（6）在试块上做好标记后，将模具放入养护箱的水平架上养护。24小时后开始脱模，脱模前对试件进行编号。
（7）取下一组的材料，重复以上步骤，直至三组试块全部制作完毕。
将在养护箱内静置一昼夜的试件取出，根据编号分别做好标记，取出的试件脱模后放入混凝土养护箱中，养护箱是温度在20±2℃，湿度在95%以上的标准养护箱，将试件有序放在养护箱中，间距为20mm左右。放入全部试块后封箱，养护7天和28天后取出。
取出在养护箱内的混凝土试块，根据标号放在桌面上，相同组的试块放在一起以便测强度，试压机采用实验室所配置的试压机，在使用前检查机器是否清洁完好。
测试步骤为：
1.将养护完毕的试块放置于试压机中心。
2.转动试压机顶部的螺旋，使得试压机快要接触试块。
3.启动试压机，给油，使得加压速度稳定到5~8左右。观察显示数据，当数据趋向稳定后适当减缓加压速度，直至数据不再变化，记录下所显示的数据，转动松油阀门、转动顶部螺旋使得试压机与试块分离。
4.取出碎裂的试块，清洁试压机，放入下一个试块。
5.重复以上步骤。
3.6 实验结果
根据上述实验方法，将养护完毕的试块测得7天及28天的抗压强度如表3.2，表3.3所示。其中A组为添加了树脂系减水剂的混凝土试块，B组为添加了聚羧酸高性能减水剂的混凝土试块，C组为空白实验对照组。
根据表3.2，表3.3可以看出加入了树脂系减水剂的混凝土试块的抗压强度值，随着减水剂掺量的增加，试块的抗压强度值也随之增加，在减水剂掺量为1.5%时，抗压强度值最高，树脂系减水剂掺量在达到1.5%后，试块的抗压强度值出现了下降，且养护7天的抗压强度值低于7天的空白对照组的抗压强度值。为了更直观的反应出混凝土在以减水剂为变量的条件下，抗压强度值的变化趋势，得出下图。
根据表3.4表3.5可以看出加入了聚羧酸高性能减水剂的混凝土试块的7天抗压强度值，随着减水剂掺量的增加，试块的抗压强度值也随之增加，在减水剂掺量为1.5%时，抗压强度值最高，聚羧酸高性能减水剂掺量在达到1.5%后，试块的抗压强度值出现了下降。为了更直观的反应出混凝土在以减水剂为变量的条件下，抗压强度值的变化趋势，得出下图。
为了反应两种减水剂在相同掺量下，哪种减水剂对混凝土试块的抗压强度作用更为明显，不同减水剂相同掺量下，养护7天的混凝土试块抗压强度见下表。
结合表3.6和图3.8可以看出在保证水灰比及材料用量不变的条件下，以不同减水剂相同掺量为变量，对养护7天的掺有建筑垃圾的混凝土试块强度均有较高程度的提升，且聚羧酸高性能减水剂对该组试块的力学性能影响大于树脂系减水剂。
结合表3.7和图3.9可以看出在保证水灰比及材料用量不变的条件下，以不同减水剂相同掺量为变量，对养护7天的掺有建筑垃圾的混凝土试块强度均有较高程度的提升。
结合表3.8和图3.10可以看出在保证水灰比及材料用量不变的条件下，以不同减水剂相同掺量为变量，聚羧酸高性能减水剂对养护7天的掺有建筑垃圾的混凝土试块强度有较高程度的提升，树脂系减水剂对养护7天的掺有建筑垃圾的混凝土试块强度低于C组空白对照组，其原因可能是试验组过少或试验过程中出现操作失误，出现误差。
结合表3.9和图3.11可以看出在保证水灰比及材料用量不变的条件下，以不同减水剂相同掺量为变量，聚羧酸高性能减水剂与树脂系减水剂对养护28天的掺有建筑垃圾的混凝土试块强度有一定程度的提升，且聚羧酸高性能减水剂对该混凝土试块的力学性能影响大于树脂系减水剂。
结合表3.10和图3.12可以看出在保证水灰比及材料用量不变的条件下，以不同减水剂相同掺量为变量，聚羧酸高性能减水剂与树脂系减水剂对养护28天的掺有建筑垃圾的混凝土试块强度有一定程度的提升，且聚羧酸高性能减水剂对该混凝土试块的力学性能影响大于树脂系减水剂。
结合表3.11和图3.13可以看出在保证水灰比及材料用量不变的条件下，以不同减水剂相同掺量为变量，聚羧酸高性能减水剂与树脂系减水剂对养护28天的掺有建筑垃圾的混凝土试块强度有一定程度的提升，且聚羧酸高性能减水剂对该混凝土试块的力学性能影响大于树脂系减水剂。
综上可以看出在加入了减水剂的混凝土试块强度相比C组空白对照组有明显提高，且B组整体强度均高于A组，说明聚羧酸高性能减水剂对掺入了建筑垃圾的混凝土性能的提升更大。
4 结论与展望
4.1 结论
通过实验所记录的数据分析来看：
本次实验发现1.5%的聚羧酸高性能减水剂和树脂系减水剂掺量对混凝土的抗压强度提升最大，且聚羧酸高性能减水剂对混凝土的抗压强度提升优于树脂系减水剂。
同一种减水剂不同的掺量会对混凝土力学性能产生不同效果，在我们实践过程中必须要多次试验，找出最佳掺量的减水剂才能使其减水剂得到最大的发挥。
相同掺量的不同种减水剂会对混凝土的力学性能产生影响，这就表明在以后施工过程中要注意，必须选择最佳减水剂，才能对混凝土的各种性能产生最大效果。
在混凝土的制备过程中加入适量的建筑垃圾材料在一定程度上可以缓解传统混凝土对自然资源需求的压力，也在满足了建筑行业对混凝土性能的要求。应该推广在实际应用中，同时应该据此为基础来进一步研究更加合适的掺量，让绿色高性能混凝土具有最佳的使用效率，再度提高绿色高性能混凝土的强度，降低制造成本。
4.2 展望
本实验仅仅对外加剂对建筑垃圾在混凝土中的应用做出了一点点浅显的研究，关于以后的继续研究提出了以下几点想法和建议：
（1）进行下一步研究，研究建筑垃圾混凝土的更多特性。
（2）深入研究应该进行更精确的用料，增加混凝土试块的数量，得出更为精确的结果
（3）研究建筑垃圾混凝土在各种环境或极端条件（高温，低温，潮湿，水下，强酸等）下的工作性能。
（4）研究建筑垃圾混凝土应当用什么骨料或何种添加剂可以加大试块强度，得到更好的实验效果。
结 语
发展绿色混凝土是建筑行业的可持续发展道路的必经的一个阶段，是我们人类生活和生存的必然选择。目前全球各个国家对绿色高性能混凝土的发展都已经慢慢开始重视了起来，但是在生活应用中还不足够成熟，绿色高性能混凝土的一部分性能存在不足，我们还应当加大研究力度，用于开发和应用绿色高性能混凝土。在本次实验中，由实验过程以及最后测出的混凝土试块抗压强度为基础，我们探索适当比例的减水剂可以提高掺入建筑垃圾混凝土的力学性能。在此掺量下，可以很大程度上提升对建筑垃圾的再生利用，既对环境伤害降低，又可以减小生产制作成本，还保障了试块所具有的力学性能和施工要求，对于日常施工可以适当采取此类用矿物掺合料配制绿色混凝土。
参考文献
[1]张红. 建筑垃圾资源化期待“立法、政策、观念”的突破-由北京元泰达建筑垃圾资源化项目引发的思考[J]. 混凝土世界, 2015(6): 12-15.
[2]石坚, 田景松. 建筑垃圾再生骨料在北京轨道交通新机场线中的应用研究[J]. 市政技术, 2018, 36(04): 234-237.
[3]徐海军. 绿色商品混凝土的研究现状及发展趋势[J]. 广州建筑, 2008(6): 17-25
[4]高齐翔. 绿色商品混凝土的研发——综合利用“三废”资源[J]. 辽宁建材, 2009(4) 14-18
[5]刘传忠. 绿色混凝土的发展及其应用[J]. 建材世界, 2008, 29(1): 29-32
[6]韩建国, 闫培渝. 绿色混凝土的研究和应用现状及发展趋势[J]. 混凝土世界, 2016(6): 34-42
[7]何若全. 土木工程材料[M]. 重庆: 重庆大学出版社, 2011
[8]郑德明. 土木工程材料[M]. 北京: 机械工业出版社, 2005
[9]孟巧峰, 冯军强. 混凝土技术的现状和发展[J]. 山西建筑, 2007, 33(25): 180-181
[10]吕学刚. 论混凝土技术的可持续发展[J]. 山西建筑, 2008, 34(27): 194-195
[11]孙丽蕊, 陈家珑. 欧洲建筑垃圾资源化利用现状及效益分析[J]. 建筑技术, 2012, 43(07): 598-600.
[12]高成辉. 掺外加剂再生混凝土抗渗特性研究[D]. 南昌航空大学, 2018.
[13]鲁敏, 熊祖鸿, 林霞, 等. 外加剂对建筑垃圾再生砖早强性能的影响[J]. 新能源进展, 2017, 5(6): 466-471.
论文作者:曹晓伟
论文发表刊物:《城镇建设》2019年第07期
论文发表时间:2019/6/28
标签：混凝土论文; 抗压强度论文; 减水剂论文; 建筑论文; 垃圾论文; 羧酸论文; 力学性能论文; 《城镇建设》2019年第07期论文;