廢棄混凝土復(fù)雜多樣性的分析與再生利用研究

王常煥

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廢棄混凝土復(fù)雜多樣性的分析與再生利用研究

王常煥

（五邑大學(xué) 土木建筑學(xué)院 廣東 江門 529020）

廢棄混凝土性能的復(fù)雜多樣性分析表明，骨料周圍水泥砂漿被剝離的程度和厚度各不相同，在強化處理后形成的骨料性能有較大差異. 對強化處理的再生骨料需要進行物理和力學(xué)性能試驗，并對再生混凝土進行對比試驗后，可根據(jù)結(jié)果確定再生混凝土的生產(chǎn)使用，從而提高廢棄混凝土的再生資源化利用率.

復(fù)雜多樣性；廢棄混凝土；再生骨料

舊城改造和城鄉(xiāng)一體化等項目的實施，給城市帶來了大量的建筑垃圾. 建筑垃圾無害化、減量化和資源化的處理，是解決建筑垃圾污染問題的好方法. 廢棄混凝土的再資源化利用，是將廢棄混凝土經(jīng)分揀、剔除或破碎、強化后，作為再生骨料重新利用. 目前研究主要集中于廢棄混凝土和廢磚的再生利用[1]，對廢棄混凝土來源、性能、特點關(guān)注不夠，對其骨料性能的研究不足. 本文通過對廢棄混凝土骨料與周圍水泥砂漿粘結(jié)力的形成機理和被剝離程度的分析，指出廢棄混凝土骨料周圍水泥砂漿被剝離的程度和厚度不同，對其再生骨料的影響也不同，并提出相應(yīng)的解決方案.

1 廢棄混凝土復(fù)雜多樣性的分析

廢棄混凝土一般來源于城市建設(shè)、道路、橋梁和拆臨拆違等工程，由于組成材料、配合比、使用環(huán)境和時間不同，其性能也千差萬別，具有復(fù)雜多樣性的特點.

1.1 水泥質(zhì)量差別

上世紀(jì)五十到八十年代，水泥生產(chǎn)以立窯式生產(chǎn)為主，其強度以標(biāo)號（kg/cm2）表示，強度保證率低于現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn). 上世紀(jì)八十年代后均采用回轉(zhuǎn)窯方式生產(chǎn)水泥，水泥強度以強度等級（MPa）表示，具有較高的強度保證率. 立窯方式生產(chǎn)的水泥配制的混凝土，性能差異較大，強度低、彈性模量小、變形能力不穩(wěn)定. 水泥砂漿與粗骨料的粘結(jié)力小，破碎后，由于粗骨料周圍水泥砂漿被剝離的程度和厚度不同，均勻性較差，強化處理的再生骨料性能差別較大，對再生骨料性能影響較大. 采用回轉(zhuǎn)窯方式生產(chǎn)的水泥配制的混凝土，性能差異較小，強度高、彈性模量大、變形能力穩(wěn)定. 水泥砂漿與粗骨料的粘結(jié)力大小相近，破碎后，再生粗骨料周圍水泥砂漿被剝離的程度和厚度基本相同，均勻性較好. 強化處理后，對再生骨料性能影響較小.

1.2 水灰比大小不一

當(dāng)使用同一品種水泥配制混凝土?xí)r，混凝土強度主要取決于水與水泥的質(zhì)量比（水灰比）. 水泥水化所需的結(jié)合水一般只占水泥質(zhì)量的23%左右，而在拌制混凝土?xí)r為獲得流動性，會加入過量水份（水灰比為0.5～0.6），混凝土凝結(jié)硬化后，多余的水份有時殘留在鋼筋或粗骨料下部，蒸發(fā)后形成微細裂隙，混凝土受力時，裂隙端部產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成裂隙擴展、延伸出現(xiàn)裂縫，使混凝土強度、抗?jié)B、抗凍和耐久性降低. 由于水泥砂漿與粗骨料的有效粘結(jié)面積明顯減少，破碎時，造成再生單顆粒粗骨料周圍水泥砂漿被剝離程度和厚度極不均勻，影響再生骨料的整體質(zhì)量和性能，強化處理后，對再生骨料性能影響較大.

相反，拌制混凝土?xí)r，在滿足和易性的前提下，加入適量的水（水灰比為0.3～0.5），混凝土凝結(jié)硬化后，殘留在混凝土中的水份較少，蒸發(fā)后形成微細裂隙的機會減少，混凝土受力時，裂隙端部產(chǎn)生較小的應(yīng)力集中，其抵抗裂隙擴展、延伸出現(xiàn)裂縫的能力提高，使混凝土強度、抗?jié)B、抗凍、耐久性也得到提高. 由于水泥砂漿與粗骨料的有效粘結(jié)面積明顯增大，破碎時，再生粗骨料周圍水泥砂漿被剝離程度和厚度基本相同，經(jīng)強化處理，對再生骨料性能影響不大.

1.3 粗細骨料的種類、質(zhì)量不同

混凝土粗骨料一般是碎石和卵石. 碎石表面粗糙，相互間咬合力大，與水泥砂漿粘結(jié)力也較大. 而卵石表面光滑圓潤，相互間咬合力小，與水泥砂漿粘結(jié)力較小. 在條件相同的情況下，碎石配制的混凝土性能優(yōu)于卵石配制的混凝土. 2種混凝土廢棄后應(yīng)分別破碎，碎石配制的混凝土破碎后，粗骨料周圍水泥砂漿被剝離程度很小，經(jīng)強化處理后，對再生骨料性能影響較大. 相反，卵石配制的混凝土破碎后，粗骨料周圍水泥砂漿被剝離程度較高，強化處理對再生骨料性能影響較小.

混凝土細骨料有河砂、海砂、人工砂和山砂等. 其中，河砂最為常用，雜質(zhì)含量少，級配好，表面光滑圓潤，與水泥的粘結(jié)力稍小，砂漿被破碎為砂顆粒、水泥石顆粒和細粉. 海砂的鹽和有機物含量高，使用前需篩去有機物，用淡水清洗，但用水量大，一般不提倡使用，其使用特點與河砂相同. 人工砂是將粗骨料、碎石、或卵石進一步破碎得到的細骨料，能耗大、細粉含量高，一般也不提倡使用，由于其表面粗糙與水泥的粘結(jié)力較大，砂漿需被破碎為砂漿顆粒、水泥石顆粒和細粉. 山砂中植物根莖、泥土等雜質(zhì)含量較多，使用前需篩分、除雜，用水量大，耗時耗能，一般也不提倡使用，由于其顆粒形狀介于河砂與人工砂之間，砂漿需被破碎為砂顆粒、砂漿顆粒和水泥石顆粒.

粗細骨料都有不同程度的泥土和泥塊含量. 骨料含泥量較高（符合混凝土配合比設(shè)計規(guī)范要求的范圍內(nèi)）時，混塊在混凝土拌和時變?yōu)槟酀{，骨料表面會形成一層泥膜，明顯降低水泥漿與骨料的粘結(jié)力. 泥塊在混凝土中會形成空洞，使混凝土體積密度降低、透水性增大、耐溶出性腐蝕能力下降. 此種廢棄混凝土破碎后，再生粗骨料周圍水泥砂漿被剝離的程度和厚度較大. 經(jīng)清洗、強化處理后對再生骨料性能影響較小. 骨料含泥量較低時，拌和形成的泥漿減少，在骨料表面形成的泥膜不完整，對水泥漿與骨料的粘結(jié)力影響不大. 泥塊含量減少，在混凝土中形成的空洞減少，混凝土體積密度無明顯降低、透水性減小、耐溶出性腐蝕能力提高. 粗骨料周圍水泥砂漿被剝離的程度和厚度較小. 稍經(jīng)清洗、強化處理后，對再生骨料性能影響稍大.

1.4 施工質(zhì)量與工藝的差異

混凝土的施工技術(shù)水平與施工機械化程度，對混凝土的質(zhì)量影響非常明顯. 采用機械生產(chǎn)施工的混凝土，性能指標(biāo)均高于人工操作. 混凝土攪拌時，不同的投料次數(shù)、不同振動頻率的振搗器及不同的振搗時間，也會影響到混凝土的強度、體積密度和耐久性. 機械施工生產(chǎn)的混凝土強度高，密實度大，原始裂縫少. 破碎后，再生粗骨料周圍水泥砂漿被剝離的程度和厚度較小，強化處理后，對再生骨料性能影響較大. 而人工生產(chǎn)的再生粗骨料周圍水泥砂漿被剝離的程度和厚度較前者大，廢棄破碎強化處理后，對再生骨料性能影響較小.

1.5 養(yǎng)護條件

混凝土構(gòu)件成型后，其強度增加與環(huán)境溫、濕度有很大關(guān)系. 在適當(dāng)?shù)臏亍穸瑞B(yǎng)護條件下，未水化的水泥顆粒繼續(xù)水化，強度增大，且在前期增長（28天內(nèi)）較快[2]，之后逐漸減緩. 此種條件下混凝土的強度大，密實度高，凝膠體多，黏性流動和徐變均增大. 破碎后，再生粗骨料周圍水泥砂漿被剝離的程度和厚度不大，經(jīng)強化處理，對再生骨料性能影響較大. 在較差的溫、濕度養(yǎng)護條件下，前期強度增長緩慢，甚至出現(xiàn)干縮開裂現(xiàn)象，其強度小，密實度低，凝膠體少，黏性流動和徐變均變小. 破碎后，再生粗骨料周圍水泥砂漿被剝離的程度和厚度非常大，對再生骨料性能影響很小.

1.6 碳化情況

碳化現(xiàn)象是混凝土在濕度適宜的條件下發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，生成了CaCO3和H2O，也稱之為混凝土中性化. 在南方地區(qū), 由于空氣濕度較大，混凝土易碳化，混凝土碳化會引起收縮，也即碳化收縮. 對此種混凝土而言，由于碳化收縮，水泥砂漿與骨料的粘結(jié)力被削弱，廢棄混凝土破碎后，粗骨料周圍水泥砂漿剝離的程度和厚度較大. 經(jīng)強化處理，對再生骨料性能影響較小.由于碳化是水泥的化學(xué)反應(yīng)，而細骨料大多是砂顆粒、水泥砂漿顆粒和水泥石顆粒、細粉，故再生細骨料的情況比較復(fù)雜. 采用摻混合材料的硅酸鹽水泥生產(chǎn)的混凝土，其水化生成的Ca(OH)2較少，抗碳化能力較強，提高了水泥砂漿與骨料的粘結(jié)力，破碎后粗骨料周圍水泥砂漿被剝離的程度和厚度較小，經(jīng)強化處理，對再生骨料性能影響較大.

2 廢棄混凝土再生利用的解決方案

2.1 廢棄混凝土情況調(diào)查

為方便廢棄混凝土的破碎和強化處理，需對混凝土的來源（如房屋、道路、橋梁等），使用年數(shù)，設(shè)計強度等級（或標(biāo)號）、所用水泥強度等級（或標(biāo)號）、用粗細骨料種類（碎石或卵石；人工砂或天然砂）、施工方法（機械或人工）和實際養(yǎng)護條件等內(nèi)容進行調(diào)查.

2.2 廢棄混凝土破碎后性能試驗內(nèi)容

廢棄混凝土破碎狀況除與上述分析原因有關(guān)外，也與破碎機械和破碎方式有關(guān). 廢棄混凝土破碎后有粗骨料顆粒、砂顆粒、水泥砂漿顆粒、水泥石顆粒、細粉等. 對強化后的再生骨料應(yīng)進行基本的物理、力學(xué)性能的試驗測試，項目有：粗骨料最大粒徑、級配形式、篩分析、表觀密度、松散堆積密度、空隙率、壓碎指標(biāo)、堅固性和堿骨料反應(yīng)等[3]. 粗骨料周圍被剝離的水泥砂漿部分，試驗測試項目同上. 細骨料中除砂顆粒、水泥砂漿顆粒外，還有相當(dāng)部分的水泥石顆粒和細粉，其粒徑在4.950～0.160 mm之間，它們的試驗項目除最大粒徑、壓碎指標(biāo)和堿骨料反應(yīng)試驗項目以外，還有細度模數(shù)和吸水率試驗. 細粉粒徑在0.160～0.074 mm之間，應(yīng)剔除或再進一步研磨，使粒徑在0.074 mm以下，能在混凝土配合比設(shè)計時作為摻合料使用（根據(jù)設(shè)計的混凝土強度等級、性能和細粉顆粒的組成成分，摻配比例按占水泥質(zhì)量的5%，以5%幅度增至30%，按以上摻配比例制成混凝土標(biāo)準(zhǔn)試樣試驗對比，找出最佳摻配比例）.

2.3 再生骨料混凝土性能試驗內(nèi)容

采用當(dāng)?shù)爻Ｓ玫膸追N強度等級（32.5 MPa、42.5 MPa和52.5 MPa）的水泥、數(shù)個水灰比[4]（0.40～0.60，增幅為0.05）、若干水泥品種（普通硅酸鹽水泥、摻混合材料的硅酸鹽水泥）. 用強化后，經(jīng)物理、力學(xué)性能試驗的再生骨料，依據(jù)文獻[5]分別設(shè)計出C20、C30和C40等低、中強度等級的再生混凝土，試驗內(nèi)容有：立方體、棱柱體、劈裂、抗折強度、彈性模量[6]和耐久性. 再生混凝土標(biāo)準(zhǔn)試件養(yǎng)護28天，依據(jù)文獻[7]進行試驗. 對所得數(shù)據(jù)進行處理，繪出水灰比與再生混凝土強度的關(guān)系曲線，水灰比與再生混凝土棱柱體、劈裂、抗折、彈性模量、耐久性的關(guān)系曲線和水泥強度等級與再生混凝土強度的關(guān)系曲線圖. 在配制某種技術(shù)要求的再生混凝土?xí)r，根據(jù)曲線圖的對應(yīng)關(guān)系，從曲線圖中查找水灰比、水泥強度等級以及再生骨料的配制比例，進行再生混凝土配制.

3 結(jié)論

對廢棄混凝土的充分利用，應(yīng)清楚地認(rèn)識到其復(fù)雜多樣性的特點，它對再生骨料周圍水泥砂漿被剝離程度和厚度的影響明顯. 提高廢棄混凝土分類破碎、強化處理的技術(shù)水平，要特別加強對骨料周圍水泥砂漿性能、特點的研究工作. 對再生混凝土應(yīng)進行基本物理、力學(xué)性能試驗測試，根據(jù)試驗結(jié)果確定進行再生混凝土的生產(chǎn)，提高廢棄混凝土的再生資源化利用率.

[1] 李秋義. 建筑垃圾資源再生利用技術(shù)[M]. 北京：中國建材工業(yè)出版社，2011.

[2] 柯國軍. 土木工程材料[M]. 北京：北京大學(xué)出版社，2012.

[3] 侯偉生. 建筑工程質(zhì)量檢測技術(shù)手冊[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.

[4] 鄧旭華. 水灰比對再生混凝土強度影響的試驗研究[J]. 混凝土，2005，184（2）：46-48.

[5] 中國建筑科學(xué)研究院. JGJ55—2011 普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[6] 金莉. 再生混凝土力學(xué)性能試驗研究[J]. 新型建筑材料，2006, 7: 11-13.

[7] 中華人民共和國建設(shè)部. GB/T50081—2002 普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.

[責(zé)任編輯：韋 韜]

A Study of the Variety and Recycling of Discarded Concrete

WANGChang-huan

(School of Civil Engineering and Architecture, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)

The complexity and diversity of waste concrete were analyzed in the present paper. Because the degree and thickness of peeling of cement mortar around aggregates in waste concrete are not identical, the characteristics of recycled aggregates after strengthening treatment are obviously different. The mechanical and constructional properties of recycled aggregate concrete must be comparatively analyzed by experiments before recycling can be decided according to the experiment results with a view to enhancing the utilization rate of waste concrete.

complexity and diversity; waste concrete; recycled aggregates

1006-7302（2013）03-0074-04

TU528.01

A

2013-05-23

王常煥（1958—），男，山東陽信人，副教授，研究方向為混凝土中微裂縫的形成機理與宏觀力學(xué)行為、混凝土的強度及本構(gòu)關(guān)系.