高性能绿色预拌混凝土配合比设计与经济效益分析.pdf

139Green ConstructionJournalofBEENo.9:in 2023(Total Vol.51.No.391)绿色建造2023年第9 期（总第51卷第39 1期）建筑节能（中英文）doi:10.3969/j.issn.2096-9422.2023.09.022高性能绿色预拌混凝土配合比设计与经济效益分析孙水智，宋立凯?，曹玉霞（1.北京城乡建设集团有限责任公司，北京100067；2.北京保障房中心有限公司，北京101101)摘要：由于建筑业的快速发展，混凝土细骨料中的石英砂资源日益缺乏，已逐渐成为全球重要战略资源。为研究开发新型高性能绿色预拌混凝土，利用陶瓷颗粒材料替代高性能混凝土中的石英砂材料，制备了掺陶瓷颗粒和钢纤维的高性能绿色混凝土（CSFRC），并对其开展了抗压强度试验、抗折强度试验、微观电镜扫描以及经济性分析。研究发现：利用陶瓷颗粒材料完全替代石英砂制备的CSFRC力学性能优良，且综合成本均低于石英砂高性能混凝土，10 0%陶瓷颗粒混凝土的抗压强度、抗折强度相对石英砂高性能混凝土分别高出17.7 4%和36.12%。石英砂高性能混凝土和10 0%陶瓷颗粒材料替代石英砂组CSFRC试件的内部结构完整性强，而陶瓷颗粒材料50%替代石英砂组试件的内部存在大量的孔洞，结构完整性较差。在不同陶瓷颗粒材料掺量条件下，制备CSFRC的成本分别为32 40.0 4元/m、3135.16 元/m、3029.96元/m、2 9 2 4.7 6 元/m2819.58元/m，利用陶瓷颗粒材料完全替代石英砂制备的CSFRC的综合成本较石英砂高性能混凝土降低了12.9 8%。研究成果为我国建筑废弃材料的资源回收和高性能混凝土的开发应用提供了一定的借鉴作用。关键词：高性能混凝土；陶瓷颗粒；建建筑废弃物；石英砂；微观扫描；经济性分析中图分类号：TU5文献标志码：A文章编号：22096-9422(2023)09-0139-05Mix Proportion Design and Economic Benefit Analysis ofHigh Performance Green Commercial ConcreteSUN Shuizhi,SONG Likai?,CAO Yuxia(1.Beijing Urban Rural Construction Group Co.,Ltd.,Beijing 100067,China;2.Beijing Affordable Housing Center Co.,Ltd.,Beijing 101101,China)Abstract:Due to the rapid development of construction industry,the river sand resources in concretefine aggregate are increasingly scarce,which has gradually become an important strategic resource in theworld.In order to research and develop a new type of high-performance green commercial concrete,ceramic particle materials were used to replace river sand materials in high-performance concrete.High-performance green reinforced concrete mixed with ceramic particles and steel fiber(CSFRC)wasprepared,and its compressive strength,flexural strength test,micro electron microscope scanning andeconomic analysis were carried out.It is found that:OCSFRC samples prepared by completely replacingquartz sand with ceramic particles has excellent mechanical properties,and the comprehensive cost is lowerthan that of ordinary high-performance concrete.The compressive strength and flexural strength of 100%ceramic particle concrete are 17.74%and 36.12%higher than that of ordinary high-performance concreterespectively.T h e i n t e r n a l s t r u c t u r a l i n t e g r i t y o f CSFR C s p e c i me n s w i t h o r d i n a r y h i g h-p e r f o r ma n c econcrete and 100%ceramic granular materials replacing quartz sand group is strong,while there are alarge number of holes in the specimens with 50%ceramic granular materials replacing quartz sand group,and the structural integrity is poor.The cost of preparing CSFRC with different ceramic particle contentis 3240.04 yuan/m、3135.16 y u a n/m、30 2 9.9 6 y u a n/m、2 9 2 4.7 6 y u a n/m and 2819.58 yuan/m,收稿日期：2 0 2 2-0 5-2 3；修回日期：2 0 2 3-0 9-19140孙水智，性能绿色预拌混凝土配合比设计与经济效益分析respectively.The comprehensive cost of CSFRC prepared by completely replacing quartz sand with ceramicparticles is 12.98%lower than that of ordinary high-performance concrete.It provides a reference for thedevelopment and application of high-performance concrete resources in China.Keywords:high performance concrete;ceramic particles;construction waste;quartz sand;microscanning;economic analysis0引言近年来，全球基建、海洋工程开发以及能源开发等领域快速发展，对高性能混凝土的需求也越来越大1-3。石英砂作为制备高性能混凝土的重要资源已经日益缺乏，逐渐成为全球重要战略资源4.5。因此，研究利用其他材料替代石英砂作为高性能混凝土的细骨料，对于资源的合理分配和使用具有重要意义。目前，我国学者针对高性能混凝土制备石英砂的替代材料方向展开了深人研究。部分学者提出，可以利用海砂部分替代石英砂，以制备适合海洋工程建设的高性能混凝土。研究发现，由于海砂中存在大量氯离子，利用海砂制备的混凝土力学性质劣化；但当海砂掺量为10%时，混凝土的力学性质与石英砂混凝土较为接近6-8 。也有学者指出，可以利用塑料颗粒制备再生混凝土，并指出再生塑料混凝土具有强度较高、质量轻的优势，塑料颗粒适用于制备轻质混凝土9.10 。由上述研究可知，利用海砂替代石英砂制备混凝土能节约的石英砂资源非常有限，而再生塑料颗粒不适用于制备强度高的高性能混凝土，两种材料均存在一定的局限性。我国老旧建筑的拆除产生了大量的建筑废弃物，其中，废弃瓷砖强度高、性质好，具有很好的回收利用前景I-15。为研究开发新型高性能绿色预拌混凝土，室内利用建筑废弃陶瓷制备了陶瓷颗粒材料，部分或全部替代了高性能混凝土中的石英砂材料，制备了掺陶瓷颗粒和钢纤维的高性能绿色混凝土（Ceramicand Steel Fiber Reinforced Concrete,CSFRC),并对其开展了抗压强度试验、抗折强度试验、微观电镜扫描以及经济性分析。研究成果为我国建筑废弃材料的资源回收和高性能混凝土的开发应用提供了一定的借鉴作用。1试验设计1.1原材料本次室内试验的研究对象为掺陶瓷颗粒和钢纤维的高性能绿色混凝土（CSFRC），制备CSFRC试件的主要原材料包括水泥、陶瓷颗粒材料、石英砂、减水剂、硅灰、钢纤维。其中，水泥为P.O52.5级的普通硅酸盐水泥；陶瓷颗粒材料（见图1（a）为室内自制材料，是利用建筑废弃瓷砖破碎加工后筛选形成，平均颗粒细度为1.6 5，平均密度为2.58 g/cm；石英砂的细度模数为2.55；减水剂为聚羧酸高效减水剂，减水率在6 0%以上；水为市政自来水；钢纤维（见图1（b）平均直径为0.2 5mm，密度为7.8 2 g/cm，抗拉强度高于8 0 0 MPa；硅灰产自江苏苏州某公司，平均粒径为0.20 m。(a)陶瓷颗粒材料(b)钢纤维(a)Ceramic granular materials(b)Steelfibre图1CSFRC主要原材料Fig.1 Main raw materials of CSFRC1.2试样制备根据现有研究成果显示，高性能混凝土的水胶比在0.14 0.2 0 之间，且利用硅灰部分替代水泥的优选替代掺量为水泥质量的10%2 0%之间，钢纤维材料的体积替代掺量在0.5%3%之间。为制备高性能绿色混凝土，本次试验设定水胶比为0.16，硅灰替代掺量为水泥质量的10%，钢纤维替代掺量为2%的体积替代掺量。参照现有研究成果，得到本次试验制备的CSFRC的基础配比为水泥：骨料：减水剂：水：硅灰：钢纤维=10 15:10 52:16.36:18 0:10 2:150。其中，骨料材料分别为陶瓷颗粒材料和石英砂。本次研究利用废弃建筑瓷砖破碎得到的陶瓷颗粒材料部分或全部替代价格较高的石英砂材料，替代比分别为0%、2 5%、50%、7 5%、10 0%，具体掺人配比如表1所示。按照相关规范制备CSFRC试件，养护龄期分别为3d、7 d 和28d，最后得到150 mm150mm150mm的标准立方体试样和150 mm150mm600mm的标准棱柱体试样，并分别展开立方体抗压强度试验和抗折强度试验。1.3试验方案为全面综合的探讨陶瓷颗粒材料替代石英砂对高性能绿色混凝土性能的影响，室内开展了不同陶瓷141SUNShuizhi,etal.MixProportionDesign and Economic Benefit Analysis of High PerformanceGreenCommercialConcrete表1纤维改良建筑废料再生绿色混凝土配比kg/m3Table 1 Proportion of recycled concrete with fiber-improved construction waste(kg/m)试样组编号水泥陶瓷颗粒石英砂减水剂水硅灰钢纤维CSFRC-110150105216.36180102150CSFRC-2101526378916.36180102150CSFRC-3101552652616.36180102150CSFRC-4101578926316.36180102150CSFRC-510151052016.36190102150颗粒材料替代掺量条件下CSFRC试件的试验研究，分别为立方体抗压强度试验、抗折强度试验以及微观电镜扫描，深人研究了陶瓷颗粒和钢纤维高性能混凝土的宏观力学性质及微观结构。立方体抗压强度试验和抗折强度试验按照普通混凝土力学性能试验方法标准（GB/T500812002）的相关要求开展，试验设备为MTS-150型力学试验设备（见图2（a）。微观电镜扫描采用TescanVega2型扫描电镜，最大扫描精度为3.0 nm(见图2(b)）。(a)MTS-150型力学试验设备(b)TescanVega2型扫描电镜(a)MTS-150Mechanical(b)Tescan Vega2scanningTestingEquipmentelectronmicroscope图2试验设备Fig.2Test equipment2试验结果分析2.1抗压强度分析图3展示了不同养护龄期和陶瓷颗粒材料替代掺量条件下CSFRC试件的立方体抗压强度试验结果。由图3可知,CSFRC试件的立方体抗压强度与养护龄期之间成正相关，不同陶瓷颗粒替代掺量下的CSFRC试件的立方体抗压强度均随养护龄期的增加而增大。以陶瓷颗粒材料替代掺量10 0%试验组为例，当养护龄期为3d时，试件的抗压强度分别为95.32MPa、10 6.11M Pa、139.36 M Pa。养护时间越长，CSFRC试件的承载能力越强。进一步分析陶瓷颗粒材料对CSFRC试件立方体抗压强度的影响。由图3可知，陶瓷颗粒材料替代掺量对CSFRC试件立方体抗压强度的影响较为复杂，随着材料替代掺量的增大，不同养护龄期下CSFRC试件的立方体抗压强度呈现出先减小后增大的变化趋势。以养护龄期为2 8 d的试验组为例，当陶瓷颗粒材料替代掺量为0%时，CSFRC试件的抗压强度为118.36MPa；此后，随着陶瓷颗粒材料含量的增大，CSFRC试件的抗压强度分别为10 8.6 9 MPa、116.25MPa、12 7.6 9 M Pa、139.36 M Pa，强度增量分别为-8.17%、-1.7 8%、7.8 8%、17.7 4%。此外，对于养护龄期为3d和7 d的CSFRC试件，掺人陶瓷颗粒材料后，其立方体抗压强度始终低于不掺陶瓷颗粒材料的对照组试样；而对于养护龄期为2 8 d的CSFRC试件，当陶瓷颗粒材料替代掺量达到7 5%或10 0%时，试件的抗压强度高于对照组。分析认为，相较于石英砂颗粒材料，陶瓷颗粒材料具有一定的吸水性。当养护龄期较短时，掺入陶瓷颗粒材料后，部分水分被其吸收,且掺入的陶瓷颗粒降低了混合物的堆积密度，因此降低了水泥前期的水化程度,CSFRC试件的抗压强度降低。而当养护时间较长时，被陶瓷颗粒材料吸收的水分也会逐渐释放出来参与到水化反应中，因此混凝土强度下降不明显。随着陶瓷颗粒材料替代掺量的逐渐增大，CSFRC混合物的堆积密度会增大，因此试件的抗压强度增大。1603d7d139.3614028d127.69120118.36116.25107.5532108.69104.32105.24102.11103.0510028.2695.4696.8992.3395.32806040200020406080100陶瓷颗粒掺量/%图3CSFRC试件抗压强度Fig.3 Compressive strength of CSFRC specimen2.2抗折强度分析图4展示了不同养护龄期和陶瓷颗粒材料替代掺量条件下CSFRC试件的抗折强度试验结果。由图4可知，CSFRC试件的抗折强度与养护龄期之间成正相关，不同陶瓷颗粒替代掺量下的CSFRC试件的抗折强度均随养护龄期的增加而增大。以陶瓷颗粒材料替代掺量10 0%试验组为例，当养护龄期为3d时，试件的抗折强度分别为7.8 2 MPa、13.0 9 M Pa、18.0 5M Pa。进一步分析陶瓷颗粒材料对CSFRC试件抗折强度的影142孙水智性能绿色预拌混凝土配合与经济效益分析响。由图4可知，陶瓷颗粒材料替代掺量对CSFRC试件抗折强度的影响明显。随着材料替代掺量的增大，不同养护龄期下CSFRC试件的抗折强度呈现出不同的变化趋势。当养护龄期为2 8 d时，CSFRC试件的抗折强度随陶瓷颗粒材料含量的增大而逐渐增大;10 0%替代条件下CSFRC试件的抗折强度最大，达到18.0 5MPa。而对于养护龄期为3d和7 d的CSFRC试件，掺陶瓷颗粒材料后，其抗折强度始终呈现出先减小后增大的变化趋势，且始终低于对照组试样的抗折强度203d18.05187d28d16.281615.0914.131413.2612.6813.0912.3312.141210.95108.6587.667.827.337.156420020406080100陶瓷颗粒掺量/%图4CSFRC试件抗折强度Fig.4Flexural strength of CSFRC specimen2.3微观结构机理分析基于CSFRC试件的抗压强度试验和抗折强度试验，养护龄期越长，则试件的抗压强度、抗折强度越大。对养护龄期为2 8 d的CSFRC试件开展了微观电镜扫描，扫描尺度为10 m，得到试件的微观结构如图5所示。由图5可知，养护成型的CSFRC试件骨料与胶凝材料之间的包裹性较好，混凝土试件的内部结构较为致密；且根据图5（d）可知，混凝土与钢纤维之间紧密结合，也有效增强了混凝土的力学性质。进一步对比分析不同混凝土试件内部结构的差异，分析陶瓷颗粒材料替代掺量对CSFRC混凝土微观结构的影响。石英砂高性能混凝土的结晶面较为光滑，石英砂颗粒与胶凝材料之间的胶结程度高，内部结构非常致密；而利用陶瓷颗粒材料50%替代石英砂后，混凝土内部出现了大量的孔洞，这也导致了混凝土强度的降低。而对于陶瓷颗粒材料10 0%替代石英砂材料制备得到的CSFRC试件，其内部完整性较50%替代组有所升高，仅出现了少量的微裂隙。基于CSFRC试件的微观结构扫描结果可知，石英砂高性能混凝土和100%陶瓷颗粒材料替代石英砂组CSFRC试件的内部结构非常完整，而陶瓷颗粒材料50%替代石英砂组试件的内部存在大量的孔洞，结构完整性较差，孔洞石英砂钢纤维微裂隙陶瓷颗粒(a)0%陶瓷颗粒材料(b)50%陶瓷颗粒材料(c)100%陶瓷颗粒材料(d)钢纤维-混凝土(a)0%ceramic particle material(b)50%ceramic particle material(c)100%ceramic particle material(d)Steel fiberconcrete图5不同CSFRC试件的微观电镜扫描结果Fig.5 SEM results of different CSFRC specimens3经济效益分析根据试验结果可知，利用陶瓷颗粒材料10 0%替代石英砂颗粒制备而得到的高性能绿色预拌混凝土，其力学性能要略微优于石英砂高性能预拌混凝土。此外，本研究还涉及了高性能绿色预拌混凝土的经济性分析，以全面评价CSFRC材料的应用前景。制备CSFRC试件的主要原材料包括水泥、陶瓷颗粒材料、石英砂、减水剂、硅灰、钢纤维，其中，水泥、硅灰、石英砂、减水剂、钢纤维、水的价格均按照市场价格统计，分别为6 8 0 元/t、2 50 0 元/t、6 0 0 元/t、10 0 0 0 元/t、10000元/t、2 元/t；而陶瓷颗粒材料是通过回收建筑废弃瓷砖破碎加工得到的，在综合考虑回收费用和加工费用的基础上，最终设定单价为2 0 0 元/t。根据上述数据进行计算，最终得到不同陶瓷颗粒材料替代掺量条件下每立方米CSFRC的成本如表2 所示。由表2 可知，不同陶瓷颗粒材料掺量条件下制备CSFRC的成本分别为32 40.0 4元/m、3135.16 元/m、3029.96元/m、2 9 2 4.7 6 元/m、2 8 19.58 元/m。由此可见，利用陶瓷颗粒材料完全替代石英砂制备的CSFRC力学性能和综合成本均低于石英砂高性能混凝土，CSFRC-5试件的抗压强度、抗折强度相对于石英砂高性能混凝土分别高出17.7 4%和36.12%，而成本相对降低了12.9 8%。综上所述，利用陶瓷颗粒材料完全替代石英砂制备陶瓷颗粒和钢纤维高性能绿色预拌混凝土具有较好的应用前景4结论（1）利用陶瓷颗粒材料完全替代石英砂制备的CSFRC力学性能和综合成本均低于石英砂高性能混凝土，CSFRC-5试件的抗压强度、抗折强度相对于石英砂高性能混凝土分别高出17.7 4%和36.12%。对于143SUN Shuizhi,et al.Mix Proportion Design and Economic Benefit Analysis ofofHighPerformanceGreenCommercial Concrete养护龄期为2 8 d的试件，随着陶瓷颗粒材料含量的增大,CSFRC试件的抗压强度分别为118.36 MPa、108.69 MPa、116.2 5 M Pa、12 7.6 9 M Pa、139.36 M Pa,抗折强度分别为13.2 6 MPa、14.13M Pa、15.0 9 M Pa、16.28 MPa、18.0 5 M Pa。表2不同陶瓷材料颗掺量CSFRC制备成本Table 2 Cost of CSFRC with different content of ceramic particle试样编号陶瓷材料颗粒/%成本/（元/m）CSFRC-103240.04CSFRC-2253135.16CSFRC-3503029.96CSFRC-4752924.76CSFRC-51002819.58(2)基于CSFRC试件的微观结构扫描结果可知，石英砂高性能混凝土和10 0%陶瓷颗粒材料替代石英砂组CSFRC试件的内部结构非常完整，而陶瓷颗粒材料50%替代石英砂组试件的内部存在大量的孔洞，结构完整性较差；混凝土与钢纤维之间紧密结合，也有效增强了混凝土的力学性质。（3）根据市场价格统计，在综合考虑回收费用和加工费用的基础上，计算得到不同陶瓷颗粒材料掺量条件下制备CSFRC的成本分别为32 40.0 4元/m、3135.16元/m、30 2 9.9 6 元/m、2 9 2 4.7 6 元/m、2819.58元/m。利用陶瓷颗粒材料完全替代石英砂制备的CSFRC的综合成本较石英砂高性能混凝土降低了 12.9 8%。参考文献：1李雪亚，路红艳.全球基建新动向对我国对外承包工程行业的影响及应对.国际经济合作，2 0 2 2，（3）：44-51.2王胜年，曾俊杰，范志宏.基于长期暴露试验的海工高性能混凝土耐久性分析J.土木工程学报，2 0 2 1,54（10）：8 2-8 9.3姜楠.我国沿海港口建设与国民经济发展的相关性研究D.大连：大连海事大学，2 0 10.【4 王晓婷.我国河砂资源开发利用与保护法律问题研究D.北京：中国地质大学（北京），2 0 2 0.5韩惠山，秦立斌，魏英华.建立河道采砂管理长效机制的初步探索J.山东水利,2 0 0 7，（9）：50-51.6邓雪莲，虞爱平，黄正文.海砂河砂混合砂浆物理及力学性能试验研究与分析J.混凝土,2 0 2 1，（11）：112-116.7李师财.海水海砂混凝土中氯离子迁移与结合研究D.青岛：青岛理工大学,2 0 2 1.8冯博文,刘杰胜，付弯弯，等.海砂水泥砂浆力学性能与耐久性能研究J.武汉：武汉轻工大学学报，2 0 2 0,39（6）：40 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