國內(nèi)外再生粗骨料研究新進(jìn)展

張玉秀

混凝土材料是人類文明進(jìn)步過程中不可或缺的重要建筑材料,隨著人類生活空間的不斷擴(kuò)大,其人均消耗量越來越大,已成為最大宗的消耗品。骨料是混凝土材料中體積比重最大的組分(60%～70%),長期以來,由于砂石料的來源廣泛和價(jià)格低廉,人們對(duì)其的濫采濫用造成了嚴(yán)重的資源枯竭和環(huán)境污染。另一方面,隨著建筑業(yè)的蓬勃發(fā)展而產(chǎn)生的建筑垃圾數(shù)量已經(jīng)不容忽視,每年的占地和處理費(fèi)用數(shù)額龐大。這兩方面促使了世界各國不得不加強(qiáng)對(duì)再生骨料和再生混凝土技術(shù)的研究,以期獲得更好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。本文在整理了國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)資料的基礎(chǔ)上就再生骨料與再生混凝土的技術(shù)發(fā)展概況做了綜合評(píng)述。

1 再生骨料

1.1 定義

再生骨料是指將建(構(gòu))筑物拆除、路面翻修、混凝土生產(chǎn)、工程施工或其他狀況下產(chǎn)生的廢混凝土塊經(jīng)過破碎、清洗和分級(jí)等一系列加工后,按一定的比例相互配合,所得到的粒徑在40 mm以下的骨料。其中粒徑在5 mm～40 mm范圍內(nèi)的為再生粗骨料,粒徑在0.5 mm～5 mm范圍內(nèi)的為再生細(xì)骨料。將再生骨料作為部分或全部骨料代替天然骨料配制的混凝土即為再生混凝土,也稱再生骨料混凝土(Recycled Aggregate Concrete)[1,2]。用來生產(chǎn)再生骨料的混凝土稱為原生混凝土或基體混凝土。

1.2 再生粗骨料的性能指標(biāo)

1)表觀密度、堆積密度。國內(nèi)外眾多學(xué)者研究表明,再生粗骨料的表觀密度、堆積密度均低于天然骨料。廈門大學(xué)的許岳周對(duì)眾多學(xué)者的試驗(yàn)數(shù)據(jù)做了統(tǒng)計(jì),得出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 kg/m3～2.62 kg/m3和 1.29 kg/m3～1.47 kg/m3之間[3]。然而,目前文獻(xiàn)中顯示的再生粗骨料的表觀密度和堆積密度離散性較大,主要是因?yàn)楦髯匝芯克褂玫脑偕橇蟻碓床灰?。原生混凝土的?qiáng)度等級(jí)、配合比、齡期、骨料粒徑等都對(duì)結(jié)果有一定影響。同濟(jì)大學(xué)的肖建莊和大連理工大學(xué)的李坤對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)的原生混凝土破碎后得到的再生粗骨料進(jìn)行表觀密度測(cè)定,得出:再生粗骨料的表觀密度隨著原生混凝土強(qiáng)度等級(jí)的增大而增大。這是因?yàn)?強(qiáng)度較高的原生混凝土密實(shí)性較好,骨料表面包裹的硬化水泥砂漿的強(qiáng)度就高,相同硬化水泥砂漿含量的再生骨料的表觀密度就相應(yīng)較高[4,5]。

2)吸水率。日本有學(xué)者認(rèn)為再生骨料的吸水率一般為3.6%～8.0%,實(shí)際試驗(yàn)中,由于再生粗骨料的來源差異,其吸水率往往還要高于這個(gè)范圍,甚至達(dá)到15%[6]。眾多研究表明,再生骨料吸水率隨著骨料粒徑的增大而迅速減小,并隨著浸水時(shí)間的增長而增大。表1為不同粒徑的再生骨料在不同浸泡時(shí)間的吸水率[7]。同為連續(xù)級(jí)配的再生粗骨料吸水率要為天然粗骨料的16倍左右,單級(jí)配[(5～15)∶(15～31.5)=3∶2]的再生粗骨料吸水率則達(dá)到了天然骨料的23倍左右[8]。再生骨料的吸水特性還和骨料的表觀密度、粒徑、原生混凝土強(qiáng)度等級(jí)以及再生骨料的品質(zhì)有關(guān)。Ltker sekir研究表明再生骨料的吸水率隨著再生骨料表觀密度的降低而顯著增大,并有如下關(guān)系式其中,ρ0為再生骨料表觀密度,kg/m3;Wx為再生骨料吸水率。趙偉對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)原生混凝土生產(chǎn)的再生粗骨料的吸水特性做了研究,結(jié)果[10]如表2所示。由此可見,原生混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高,吸水率越小且吸水速率越慢。大連理工大學(xué)的李坤也得到了類似的結(jié)論[5]。

表1 再生粗骨料不同粒徑吸水率 %

表2 再生粗骨料吸水特性比較

3)壓碎指標(biāo)。壓碎指標(biāo)表示再生粗骨料抵抗壓碎的能力,用以表征再生骨料的強(qiáng)度。壓碎指標(biāo)越大,表明骨料的強(qiáng)度越低。再生粗骨料的壓碎指標(biāo)值要高于天然粗骨料,表明再生粗骨料的強(qiáng)度較低,再生粗骨料飽和面干狀態(tài)的壓碎指標(biāo)要高于同種粗骨料氣干狀態(tài)下的壓碎指標(biāo)值,這是由于再生粗骨料吸水率較大,吸水過多軟化而致,因此以再生粗骨料飽和面干狀態(tài)下的壓碎指標(biāo)值作為其評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)更為合適[11]。文獻(xiàn)資料中的再生骨料壓碎指標(biāo)值一般都在10%以上[5,6,11]。

4)顆粒群特征。再生骨料的顆粒群特征包括其粒形、表面結(jié)構(gòu)、級(jí)配等指標(biāo)。大量試驗(yàn)表明,再生骨料的粒形與天然骨料相近甚至稍好,對(duì)混凝土的強(qiáng)度和工作性不會(huì)產(chǎn)生不良影響[12]。相比天然粗骨料,再生粗骨料的表面則較為粗糙,孔隙較多,肉眼即可觀察到骨料表面附著大量表面粗糙的硬化砂漿。相對(duì)表面粗糙度是表征再生粗骨料表面結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要指標(biāo),一般來說,再生粗骨料的表面粗糙度要比一般碎石高10%～15%,因此,用再生粗骨料配制混凝土?xí)r,應(yīng)考慮增大砂率[9]。一般通過人工篩分的方法獲取需要的級(jí)配。李九蘇等人對(duì)不同級(jí)配再生粗骨料配制的混凝土性能進(jìn)行了研究,按照公路水泥混凝土路面施工技術(shù)規(guī)范選用了四種不同最大公稱粒徑的骨料級(jí)配配制混凝土,結(jié)果表明,再生粗骨料最大公稱粒徑影響再生混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。較小的最大公稱粒徑由于增大了總表面積,提高了粘聚力,從而對(duì)提高混凝土強(qiáng)度有利,并建議采用4.75 mm～16.00 mm的連續(xù)級(jí)配[13]。

1.3 再生粗骨料的影響因素

1)界面結(jié)構(gòu)對(duì)再生骨料混凝土的影響。與天然骨料相比,再生骨料不僅棱角多,且表面往往包裹著一層(或部分)砂漿(或水泥漿),但會(huì)有部分離子可能溶出(被認(rèn)為部分可溶),則再生骨料溶解釋放的粒子其最大密度集中在骨料的表面,溶出的離子可以參與水泥的水化反應(yīng)。由于靠近再生粗骨料表面的液相濃度最大,所生成的水化產(chǎn)物將會(huì)填充在界面區(qū)毛細(xì)孔隙內(nèi),對(duì)提高界面粘結(jié)強(qiáng)度有利。再生骨料表面包裹著硬化水泥漿體(或砂漿)與新水泥漿體(砂漿)之間彈性模相差較小,有助于改善界面;再生集料表面存在較多微裂縫,這些微裂縫會(huì)吸入新的水泥顆粒。這些水泥顆粒水化后對(duì)形成致密的界面結(jié)構(gòu)有幫助。由于再生混凝土界面結(jié)合存在可以加強(qiáng)的可能性,因而可以彌補(bǔ)再生骨料強(qiáng)度較低的缺陷,對(duì)改善再生混凝土強(qiáng)度有一定幫助。但另一方面,由于此界面過渡區(qū)的晶體及孔隙等仍較水泥漿本體的大,再加上晶體的定向排列,再生骨料與新漿體之間的界面過渡區(qū)仍然會(huì)成為再生混凝土的薄弱環(huán)節(jié)。

2)取代率不同對(duì)再生混凝土的影響。對(duì)再生混凝土抗壓強(qiáng)度,可以歸納為三種不同的試驗(yàn)結(jié)果:第一種結(jié)果是隨再生骨料摻量的增加,混凝土強(qiáng)度降低,降低幅度為0%～30%;第二種結(jié)果是隨再生骨料摻量的增加,混凝土強(qiáng)度也增加,增加幅度無明顯規(guī)律;第三種試驗(yàn)結(jié)果是隨再生骨料摻量的增加,一定再生骨料摻量的混凝土強(qiáng)度增加,而一定再生骨料摻量的混凝土強(qiáng)度會(huì)降低,增加和降低幅度無明顯規(guī)律。本課題組按最佳級(jí)配曲線再生骨料(骨料粒徑為5 mm～31.5 mm)試驗(yàn)結(jié)果為:再生混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著時(shí)間的增長而增長,不同再生骨料摻量的混凝土的抗壓強(qiáng)度都有相同的趨勢(shì)。再生混凝土的強(qiáng)度隨著再生骨料摻量的不同而變化,總的變化趨勢(shì)是隨著再生骨料摻量的增加,再生混凝土的強(qiáng)度先增加后減少。當(dāng)再生粗骨料的摻量為30%,50%時(shí),再生混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度較天然混凝土增加幅度為14%和7.9%。而當(dāng)再生粗骨料的摻量為70%,100%時(shí),再生混凝土的強(qiáng)度較天然混凝土降低15.9%,18.6%。再生混凝土的抗拉強(qiáng)度隨著再生骨料摻入量的增加,劈裂抗拉強(qiáng)度總的趨勢(shì)是逐漸降低的。當(dāng)再生骨料取代率為100%時(shí),混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度降低30.4%。

3)含漿量對(duì)再生混凝土的影響。再生骨料表面含漿量的多少對(duì)再生混凝土的強(qiáng)度會(huì)有影響。本課題組利用含漿量—吸水率的關(guān)系來測(cè)試再生骨料的含漿量對(duì)再生混凝土力學(xué)性能的影響。通過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)我們得出再生骨料的含漿量對(duì)再生混凝土抗壓強(qiáng)度的影響結(jié)論:含漿量占再生骨料的質(zhì)量10%～15%時(shí)再生骨料混凝土強(qiáng)度比同條件下含漿量高的再生混凝土的強(qiáng)度偏高,其原因主要是再生骨料的物理表面凹凸不平容易與水泥石之間形成較大的物理粘結(jié)強(qiáng)度,較高的表面活性易于同水泥漿反應(yīng)形成較高的化學(xué)粘結(jié)強(qiáng)度。再者,再生骨料與新混凝土水泥石有相近的彈性模量,因而在受力時(shí)于界面處將產(chǎn)生較小的應(yīng)力差,在粘結(jié)界面受力產(chǎn)生微裂縫的趨勢(shì)減小。另一方面,因?yàn)樵偕橇系母呶蕰?huì)降低混凝土水泥漿的有效水灰比,所以也能夠?qū)е滤嗍膹?qiáng)度增加,并且含漿量少的再生骨料的堅(jiān)固性較好,壓碎指標(biāo)較小。再生混凝土的經(jīng)濟(jì)分析除要考慮其本身的生產(chǎn)成本外,還應(yīng)當(dāng)綜合考慮城市垃圾處理的有關(guān)費(fèi)用和再生混凝土產(chǎn)生的環(huán)保效益以及本地區(qū)天然骨料儲(chǔ)備。再生混凝土的應(yīng)用能減少天然礦石資源的開采,保護(hù)環(huán)境的同時(shí)又節(jié)約了原材料成本,而且有效解決了城市建筑垃圾的處理問題,是有利的一面;不利之處在于再生骨料的生產(chǎn)能耗不比天然骨料低,并且廠房機(jī)械設(shè)備配置成本較高,如果把分散的建筑垃圾集中起來再進(jìn)行回收處理,將進(jìn)一步增加運(yùn)輸費(fèi)用。但可以肯定的是,隨著再生骨料加工工藝的進(jìn)一步成熟以及礦物摻合料和化學(xué)外加劑在混凝土中的更廣泛應(yīng)用,再生混凝土的性能缺陷將逐步得到彌補(bǔ)。美國、日本和歐洲發(fā)達(dá)國家對(duì)廢混凝土的再生利用率能達(dá)到90%以上,而我國目前這一指標(biāo)只有5%,從這一點(diǎn)來看,我國的再生混凝土技術(shù)發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

[1] DIN 4226-100,混凝土和砂漿骨料-100:再生骨料[S].

[2] DG/TJ-2018-2007,再生混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程(附條文說明)[S].

[3] 許岳周,石建光.再生骨料及再生骨料混凝土的性能分析與評(píng)價(jià)[J].混凝土,2006(7):41-46.

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