1、引言

    目前, 我國建筑垃圾的數量已占到城市垃圾總量的30%~40%。絕大部分建筑垃圾未經任何處理, 便被采用露天堆放或填埋的方式進行處理, 造成了嚴重的環境污染。廢棄混凝土作為建筑垃圾的最重要組成部分,經估算2003年我國的混凝土廢料量已經達到了1.8億噸,給環境造成了較大的負面影響。同時,混凝土生產需要大量的砂石骨料,而隨著對天然砂石的不斷開采,天然骨料資源亦將趨于枯竭,且其開采的運輸能耗與費用驚人,對生態環境的破壞也十分嚴重。

    再生骨料混凝土簡稱再生混凝土,廢棄混凝土作為再生骨料的來源又稱母體混凝土。廢棄混凝土塊經過破碎、清洗與分級后形成的骨料簡稱再生骨料;再生骨料部分或全部代替砂石等天然骨料配制而成的混凝土稱為再生骨料混凝土。充分利用再生骨料混凝土,不但能有效降低建筑垃圾的數量,減少建筑垃圾對自然環境的污染,同時利用再生骨料制造再生骨料混凝土還能減少建筑工程中對天然骨料的開采,達到了保護環境的目的。 

    2、再生骨料的基本性能

    2.1、再生骨料的堆積密度和表觀密度

    同天然砂石骨料相比,再生骨料表面包裹著相當數量的水泥砂漿,由于水泥砂漿的孔隙率大,棱角眾多,所以再生骨料的表觀密度和堆積密度比天然骨料低,由表1和表2可知:再生骨料的表觀密度和堆積密度分別為天然骨料的88%-97%和87%-99%,分別在2.31-2.62(Kg/m3)和1.29-1.47(Kg/m3)之間。

    再生骨料表觀密度、堆積密度,還與再生骨料母體混凝土的強度等級、配比、使用時間、使用環境及地域等因素有關。再生骨料的密度隨著母體混凝土強度的降低而減低,降低幅度達到7%,當再生骨料的壓碎指標變大,骨料強度降低時,骨料表觀密度和堆積密度也隨之變小。 

    中華人民共和國建筑用卵石、碎石國家標準GB/T14658-2001規定:骨料的表觀密度應大于2500kg/m3,堆積密度應大于1350kg/m3,由表1和表2可知,再生骨料的表觀密度和堆積密度達不到天然骨料的標準。但由于再生骨料的低密度有利于抗震,降低結構物自重,因此,有關再生骨料的相應規程應充分考慮再生骨料實際性能。

    2.2、再生骨料的吸水率

    再生骨料的吸水率遠高于天然骨料,當骨料的粒徑范圍為5-20mm時,天然骨料的吸水率為2.2%左右,從表3可知再生骨料的吸水率基本處于4%-10%之間。 

    影響再生骨料吸水率的因素很多,主要有以下幾個方面:

  (1)、影響再生骨料吸水率大于天然骨料的最主要原因是再生骨料表面包裹著一層砂漿,這層砂漿使得再生骨料表面比天然骨料表面粗糙、棱角更多;且母體混凝土塊在解體、破碎過程中的損傷累積,使再生骨料表面砂漿內部存在大量微裂紋,這些因素使的再生骨料的吸水率和吸水速率大大提高。

  (2)、再生骨料的吸水隨著骨料粒徑的減小而增大。

  (3)、再生骨料的吸水率還受到母體混凝土材料的強度、組成及使用環境的氣候條件等因素的影響。再生骨料吸水率和壓碎指標有密切聯系,其吸水率隨著壓碎指標的增大而增大。主要原因可以解釋為,再生骨料壓碎指標的增大,骨料表面的水泥砂漿覆蓋的越多,骨料表面的空隙率越大,因此骨料的吸水率越大。同時母體混凝土所出的環境越干燥,使用時間越長,再生骨料的吸水率也相應的越大。

   2.3、再生骨料的壓碎指標

  壓碎指標是表征骨料強度的一個參數。中華人民共和國建筑用卵石、碎石國家標準GB/T14658-2001規定: Ⅰ類骨料的壓碎指標應小于10 % , Ⅱ類應小于20 % , Ⅲ類應小于30%。由表4可見,大多數再生骨料能滿足國標中Ⅱ類骨料對壓碎指標的要求,又根據國標GB/T14658-2001,Ⅱ類骨料宜用于混凝土強度C30-C60,及抗滲、抗凍和其它要求的混凝土。因此再生骨料的壓碎指標性能滿足大多數實際工程的需要。 

  再生骨料強度下降的主要原因為:

  (1)再生骨料表面包裹著水泥漿、砂漿和泥塊等一些其它的雜物,由于這些包裹骨料表面雜物的較低強度以及破碎加工過程對母體混凝土中的天然骨料造成的損傷,使得再生骨料整體強度降低。

  (2)同時再生骨料的壓碎指標還與再生骨料母體混凝土的強度和加工破碎方法有關。再生骨料母體混凝土的強度越高,再生骨料的壓碎指標越小,加工過程中水泥漿體和砂漿脫落越多,再生骨料的壓碎指標就越小。  

   3、再生骨料混凝土的基本性能

  3.1、抗壓強度

  由圖4可知,眾多的文獻研究表明再生骨料混凝土的抗壓強度和再生骨料的替代率密切相關,當再生骨料替代率在30%以下時,再生骨料混凝土與普通骨料混凝土抗壓強度差距不大,在8%內,如果再生骨料替代率繼續提高,再生骨料混凝土抗壓強度隨著再生骨料替代率的增大而降低,再生骨料50%取代天然粗骨料時,再生骨料混凝土抗壓強度降低5%-20%不等,當再生骨料100%取代天然粗骨料時,再生骨料混凝土抗壓強度降低較多,最大降幅達到30%。同時相關試驗表明:由于再生骨料混凝土和天然骨料混凝土的骨料成分不同,它們抗壓強度隨齡期的增長情況也不相同,與天然骨料混凝土相比,同一水灰比的再生骨料混凝土的28d抗壓強度約低15% ,但其相差的幅度會隨著齡期的增長而慢慢縮小。 

  再生骨料混凝土抗壓強度受水灰比的影響非常大,由圖五可知,再生骨料混凝土隨水灰比增加,抗壓強度急劇降低。水灰比平均增加0.1,抗壓強度下降20%左右。

  因此,本文根據圖4再生骨料混凝土抗壓強度與再生骨料替代率關系的下包絡線為主要依據,并結合圖5再生骨料混凝土抗壓強度與水灰比的關系,回歸分析后提出再生骨料混凝土的抗壓強度計算公式如下 

  其中, fn為再生骨料混凝土抗壓強度,fc為再生骨料所替代的原天然骨料混凝土在水灰比為0.4下的設計強度,α為再生骨料替代率,β 為再生骨料混凝土水灰比。本公式使用的水灰比范圍為0.4-0.7。  

  3.2、抗拉強度

  再生骨料混凝土的抗拉強度和再生骨料的替代率密切相關,再生骨料混凝土的抗拉強度隨再生骨料的替代率的提高而降低,當再生骨料100%替代天然骨料時,再生骨料混凝土對比天然骨料混凝土抗拉強度降低6.9%。眾多研究者對再生骨料混凝土抗拉強度隨再生骨料替代率的提高,強度降低所得的結果雖然離散,但總結眾多研究成果,發現再生骨料混凝土的抗拉強度受再生骨料的替代率影響并沒有抗壓強度大,因此采用抗壓強度的10%作為再生骨料混凝土的抗拉強度是比較保守和偏于安全的。

  3.3、坍落度

  在同一水灰比下,再生骨料混凝土的坍落度與天然骨料混凝土的坍落度之比示于圖7,再生骨料混凝土隨著再生骨料替代率的增高坍落度急劇下降。由于再生骨料比天然骨料的空隙多,吸水率大,所以在相同水灰比的條件下再生骨料的取代率越高,再生骨料混凝土的坍落度就越低。同時再生骨料表面粗糙,棱角眾多,增大了拌和物在攪拌與澆筑時的摩擦力,降低了再生骨料混凝土坍落度。再生骨料混凝土的坍落度隨水灰比的增大而增大,這和普通混凝土是一致的,因此,為了達到再生骨料混凝土工作性能的要求,必然要求提高再生骨料混凝土的水灰比,從而增大了再生骨料混凝土的用水量。同時再生骨料混凝土坍落度問題可以通過在再生骨料混凝土中加入適量的粉煤灰或高效減水劑來提高坍落度的同時可以保證有較好的保水性和粘聚性。 

  3.4、彈性模量E問題

  再生骨料混凝土彈性模量隨再生骨料替代率的增大而降低,再生骨料替代率在30%以內是,彈性模量損失基本都在15%以內,當再生骨料替代率達到100%時,最大彈性模量損失達到45%。同時灰比對再生骨料混凝土的強度與彈性模量影響也較大,當水灰比由0.8降到0.4時,彈性模量提高33.7%。本文根據已有的各類文獻數據,綜合考慮再生骨料替代率和水灰比對再生骨料混凝土抗壓彈性模量的影響,并結合我國規范中關于普通混凝土彈性模量的計算公式,回歸分析后提出再生骨料混凝土抗壓彈性模量的計算公式如下: 

  其中En為再生骨料混凝土抗壓彈性模量,fcu為再生骨料所替代的原天然骨料混凝土在水灰比為0.4下的極限抗壓強度,a為再生骨料替代率,β 為再生骨料混凝土水灰比。本公式適用水灰比范圍為0.4-0.7。 

  3.4、收縮性

   采用再生粗骨料取代天然骨料后,再生骨料混凝土的收縮值顯著增大,并且隨著再生骨料取代率的提高,收縮值不斷增大,當再生粗骨料取代100%天然骨料時,再生骨料混凝土的收縮率增大50%,使用再生細骨料取代30%的天然細骨料,再生骨料混凝土的收縮值略有增大,但幅度不明顯。從混凝土結構來看,粗骨料是混凝土的骨架,水泥砂漿則作為結構聯結組分填充于骨架的空隙間,因此在外界條件相同的情況下,混凝土的收縮率取決于粗骨料和砂漿兩者的收縮率。在配合比相同時,由于再生骨料中含有大量的舊砂漿,其收縮率大大高于天然骨料。因此使用再生粗骨料制備的再生骨料混凝土,其收縮率顯然會高于天然骨料混凝土,并且隨再生粗骨料取代量的提高, 收縮率顯著增大。此外為了改善再生骨料混凝土混合料的流動性,增加的部分拌合水也是收縮值增大的原因之一。 
   同時再生骨料混凝土骨料較高干縮值的特性和再生骨料表面的多孔結構有很大的關系。多孔結構將顯著影響水分在骨料和砂漿界面區的傳輸過程, 進而改變界面過渡區水化產物的微觀結構。對于吸水能力較大的再生骨料,當其含水過高或過低時, 這些骨料的周圍可能因為大量失水或因水膜過厚而造成界面區微結構的多孔性,導致干縮加劇。在結構逐漸密實以后, 混凝土收縮特性將會得到改善。

  再生骨料混凝土的收縮性能可以通過改善再生骨料吸水特性而加以改善,例如對再生骨料加以研磨,以改善再生骨料的表面特征,減少再生骨料表面的砂漿含量,采用強度較高的母體混凝土來制作再生骨料或在攪拌再生骨料混凝土時加入適量的減水劑等,改善再生骨料的吸水特性,從而減少再生骨料混凝土的收縮性。   

   3.6、再生骨料混凝土的耐久性

  使用再生粗骨料制備的再生骨料混凝土,其抗凍性與普通混凝土基本相當,不同水灰比的再生骨料混凝土的抗凍融性并不低于普通混凝土,并且再生粗骨料取代率對再生骨料混凝土的抗凍性基本沒有影響。當再生骨料混凝土水灰比為0.5~0.7時,再生骨料混凝土的滲透性為普通混凝土的2~5倍,再生骨料混凝土的滲透性隨水灰比的增大而增加,當水灰比較小時,再生骨料混凝土的滲透性則約為普通混凝土的3倍;當水灰比較高時,再生骨料混凝土的滲透性與普通混凝土差別不大。再生骨料混凝土強度等級為C30和C35時,如果再生取代率低于50%,再生骨料混凝土的碳化速度與普通混凝土相當;隨著再生骨料取代率的進一步增大,再生骨料混凝土的碳化速度略有增加,同時隨著水灰比增加,再生骨料混凝土的碳化深度增加。再生骨料混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性略低于同水灰比的普通混凝土,再生骨料取代率小于30%時,再生骨料混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性與普通混凝土基本相同:隨著再生骨料取代率的增加,再生骨料混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性降低,但差別不大。

  再生骨料混凝土的各項耐久性較普通混凝土有所降低,其主要原因是再生骨料的表面性能和天然骨料有較大差異,再生骨料的空隙率和吸水率比天然骨料要大,從而影響了再生骨料混凝土的耐久性。  

   4、再生骨料及再生骨料混凝土的應用

  盡管再生骨料、再生骨料混凝土與天然骨料、普通混凝土有著如下的眾多差異:再生骨料的壓碎指標、吸水率大,密度低;再生骨料混凝土的抗壓強度、抗拉強度、彈性模量、坍落度和耐久性較低,收縮量大。但由于廢棄混凝土數量巨大,回收再生骨料,制備再生骨料混凝土具有巨大的環境效益和經濟效益,并節省大量的資源,世界上很多國家都對再生骨料混凝土投入了大量的研究,有些國家還制定了相應的再生骨料規范。

  美國混凝土骨料規范C0033-03明確規定混凝土骨料包括再生骨料。德國鋼筋混凝土委員會頒布《再生骨料混凝土的應用指南》中第二部分給出了再生骨料的質量要求,指出再生骨料混凝土必須符合規范DIN4226中與天然骨料相同的技術要求。日本于1994年4月頒布了《再生骨料混凝土材料的質量試行條例》。試行條例給出了的再生骨料、再生基層材料和填充材料的質量標準,并根據其質量將再生粗骨料劃分成3個等級。

  國外對再生骨料混凝土材料性能的研究成果表明,合理設計的再生骨料混凝土基本上能夠達到普通混凝土的性能要求,在土木工程中的應用是可行的。但由于國內使用的水泥、骨料與國外使用的水泥、骨料在成分和性能上差別較大,因而不能直接使用國外的有關標準。國內對再生骨料在商品混凝土中的應用研究表明:再生骨料混凝土強度符合設計要求;混凝土具有良好的和易性、可泵性,可以滿足現場施工的需要,但由于再生骨料混凝土與普通混凝土在原材料、配合比以及施工工藝等方面存在重要的差別,現行普通混凝土的標準、規程等不適合再生骨料混凝土。因此,為了推廣再生骨料混凝土的應用,迫切需要規范再生骨料的技術規程和應用范圍。 

  5、 結論

  本文經過大量的文獻調查,對再生骨料和再生骨料混凝土的性能進行了歸納分析,總結出了再生骨料和再生骨料混凝土具有如下的性質:

  1、再生骨料的表觀密度和堆積密度比天然骨料有所降低,總體上不滿足我國現行的建筑用卵石、碎石國家標準(GB/T14658-2001)規定。

  2、由于再生骨料表面包裹的著一層砂漿,再生骨料的吸水率遠大于天然骨料,并與再生骨料的粒徑大小以及母體混凝土的使用環境和使用時間有關。

  3、再生骨料的壓碎指標基本滿足我國現行的建筑用卵石、碎石國家標準(GB/T14658-2001)Ⅱ類骨料要求。

  4、再生骨料混凝土的抗壓強度、抗拉強度和彈性模量隨再生骨料替代率的提高和水灰比的增大而降低,本文歸納了眾多學者的研究數據,經回歸分析提出了再生混凝土抗壓強度和彈性模量計算公式。

  5、再生骨料混凝土的收縮性隨著再生骨料替代率的提高而快速增大,當再生骨料100%替代天然骨料是,再生混凝土的收縮性顯著增大。

  6、再生骨料混凝土的各項耐久性指標顯著略低于普通混凝土。

總之,再生骨料、再生骨料混凝土和天然骨料、普通混凝土之間的各項性能差異的歸根原因在于再生骨料的表面性能,改善再生骨料的表面性能,就能改善再生骨料和再生骨料混凝土的性能。同時,再生骨料混凝土技術能夠從根本上解決廢棄混凝土的出路問題,既能減輕廢棄混凝土對環境的污染,又能節省天然骨料資源,減少自然資源和能源的消耗,具有顯著的社會、經濟和環境效益,符合可持續發展的要求,是發展綠色混凝土的主要途徑之一。


2017年02月20日

再生骨料及再生骨料混凝土的性能分析與評價

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