廢棄建筑材料的循環(huán)利用技術(shù)探討

朱 蕾，侯志杰

(濰坊工程職業(yè)學(xué)院 建筑工程系，山東 濰坊 262500)

目前，中國(guó)廢棄混凝土的年產(chǎn)生量約為600萬(wàn)m3，除少量廢棄混凝土用于填海外，其他主要用于填埋處理，不僅占用大量土地，而且污染環(huán)境[1]。若是能夠?qū)U棄混凝土材料進(jìn)行粉碎和篩分等流程處理，然后作為粗、細(xì)骨料再次用于配制混凝土，這對(duì)減少天然骨料的使用、節(jié)約和循環(huán)利用天然礦產(chǎn)資源具有十分重要的意義[2-3]。

再生混凝土是對(duì)廢棄混凝土的再次利用，其具備抗壓強(qiáng)度高、抗裂性能強(qiáng)、保溫性能好等特點(diǎn)，對(duì)廢棄混凝土進(jìn)行處理后，可以配制出中低強(qiáng)度混凝土，能夠起到節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境的作用[4]。本研究以利用再生粗骨料全部或部分取代天然骨料的方式研究混凝土的配合比設(shè)計(jì)，并且在低等級(jí)水泥混凝土路面的底基層或基層上使用，對(duì)再生粗骨料混凝土力學(xué)性能進(jìn)行研究，并將試驗(yàn)測(cè)定出的彈性模量與理論預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比[5]，結(jié)果表明再生粗骨料替代率范圍控制在40%～100%之間是合理的；并發(fā)現(xiàn)再生粗骨料的替代率與再生混凝土彈性模量E之間的線性關(guān)系受E水泥砂漿的影響。此研究結(jié)果為進(jìn)一步提升廢棄建筑材料循環(huán)利用水平提供了理論依據(jù)[6-7]。

1 試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)計(jì)

再生粗骨料混凝土的力學(xué)性能受多種因素影響，粗骨料的替代率是其中一個(gè)重要影響因素[8]。本試驗(yàn)以再生粗骨料混凝土C30作為再生混凝土的強(qiáng)度指標(biāo)，參照《公路工程骨料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42-2005)、《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2006)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑用砂》(GB/T 14684-2011)和《建筑用卵石、碎石》(GB/T 1468—2011)等規(guī)定，選擇在坍落度分別為110～160 mm和30～50 mm，水泥用量不小于170 kg/m3的基礎(chǔ)上，對(duì)再生粗骨料混凝土配合比參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。再生粗骨料混凝土配合比設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 再生粗骨料混凝土配合比設(shè)計(jì)參數(shù)

2 再生粗骨料的處理

試驗(yàn)所用材料均為廢棄的建筑材料，需要對(duì)再生粗骨料表面形狀進(jìn)行處理，具體操作流程如下。

1)從廢棄建筑材料中選出符合破碎機(jī)粒徑要求的混凝土材料，并進(jìn)行稱重。

2)采用小型顎式破碎機(jī)對(duì)混凝土廢料進(jìn)行破碎。

3)為了不影響再生混凝土抗壓強(qiáng)度，從混凝土廢料中選用形狀及棱角合適的碎石作為試驗(yàn)用的再生粗骨料。

4)使用鋼絲刷對(duì)再生粗骨料表面進(jìn)行清洗，以提高再生粗骨料粘結(jié)強(qiáng)度。

5)為降低再生粗骨料含水率，對(duì)再生粗骨料進(jìn)行干燥處理，以保證試驗(yàn)結(jié)果的正確性。

6)再生粗骨料經(jīng)過(guò)干燥處理后，以袋裝形式稱重。

完成以上6個(gè)步驟后即可得到用于再生混凝土試驗(yàn)研究的再生粗骨料，經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，得到的再生粗骨料與新粗骨料表面的形狀和棱角無(wú)太大區(qū)別，但由于再生粗骨料的表面存在大量的孔隙，致使利用率降低了30%左右[9-10]。

3 試驗(yàn)過(guò)程設(shè)計(jì)

根據(jù)表1的設(shè)計(jì)參數(shù)確定初步配合比，再通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證尋找最適合的配合比。發(fā)現(xiàn)表1中坍落為110～160 mm的再生混凝土適合應(yīng)用在農(nóng)村部分低等級(jí)公路工程中。

3.1 初步配合比

坍落度為110～160 mm時(shí)的初步配合比見(jiàn)表2。使用表2中A0組配合比進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中拌合的再生混凝土未能達(dá)到坍落度110～160 mm的要求。經(jīng)過(guò)分析、查找資料，發(fā)現(xiàn)需調(diào)整再生粗骨料、新粗骨料及減水劑的用量以滿足試驗(yàn)要求。表2中減水劑是常用的混凝土外加劑，在混凝土和易性及膠凝材料質(zhì)量不變的情況下，能夠起到減少用水量和提高強(qiáng)度的作用[11]。

表2 坍落度為110～160 mm時(shí)的初步配合比

3.2 調(diào)整后110～160 mm坍落度的配合比

由于再生粗骨料表面存在大量孔隙，在用水量不變的條件下，若要得到較大坍落度，可加大減水劑的用量。調(diào)整后110～160 mm坍落度的配合比見(jiàn)表3。調(diào)整后的配合比能滿足坍落度和抗壓強(qiáng)度要求。

表3 調(diào)整后110～160 mm坍落度的配合比

3.3 30～50 mm坍落度配合比試驗(yàn)設(shè)計(jì)流程

參照《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[11](以下簡(jiǎn)稱《規(guī)程》)設(shè)計(jì)30～50 mm坍落度的配合比，具體設(shè)計(jì)流程如下。

1)根據(jù)《規(guī)程》規(guī)定，混凝土的配制強(qiáng)度須按式(1)計(jì)算：

fcu,o≥fcu,k+1.645σ

(1)

式(1)中，fcu,o為混凝土配制強(qiáng)度(MPa);fcu,k為混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(MPa);σ為混凝土的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差(MPa)。

2)當(dāng)水泥28 d膠砂抗壓強(qiáng)度(fce)無(wú)實(shí)測(cè)值時(shí)，fce數(shù)值可根據(jù)式(2)計(jì)算得出：

fce=γc×fce，k

(2)

式(2)中，γc為水泥強(qiáng)度等級(jí)值的富余系數(shù)，可按實(shí)際統(tǒng)計(jì)資料取值為1.08；fce，k為水泥28 d抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(MPa)。

3)試驗(yàn)中所用到的碎石最大粒徑為31.5 mm，參照《規(guī)程》中的規(guī)定，可選取回歸系數(shù)：

A=0.46，B=0.07。

(3)

注意：當(dāng)強(qiáng)度等級(jí)超過(guò)C60時(shí)，式(3)將不再適用。

fcu,o=fcu,k+1.645σ=30+1.645×5=38.225 MPa。

fce=γc×fce,k=42.5×1.08=45.9 MPa。

水膠比在0.4～0.8范圍內(nèi)時(shí)，參考《規(guī)程》中混凝土用水量表，選取用水量mw=185 kg/m3，水泥質(zhì)量mc可按式(4)計(jì)算得出：

(4)

參考《規(guī)程》選取使用的砂率為35%，根據(jù)骨料的粒徑、近似密度、混凝土的配制強(qiáng)度，初步確定每立方米混凝土質(zhì)量m為2 367 kg/m3，其計(jì)算公式如式(5)。

m=mc+mw+ms+mg=2367 kg/m3

(5)

式(5)中，mc為水泥質(zhì)量；mw為用水量；ms為細(xì)骨料質(zhì)量；mg為粗骨料質(zhì)量。

由式(5)可知：

ms+mg=2367-(mc+mw)=2367-534=1833 kg/m3。

ms=(ms+mg)×0.35=1833×0.35=641 kg/m3。

mg=1833-641=1192 kg/m3。

因此，初始混凝土配合比為水泥∶水∶細(xì)骨料∶粗骨料=349∶185∶641∶1192。

6)經(jīng)過(guò)換算可得到30～50 mm坍落度的配合比見(jiàn)表4。

表4 30～50 mm坍落度的配合比

3.4 試配

選擇表4中第1組數(shù)據(jù)作為初步配合比進(jìn)行攪拌試配，試驗(yàn)結(jié)果為表4中混凝土配合比可以使用。

4 抗壓強(qiáng)度和彈性模量的測(cè)定

4.1 試件的養(yǎng)護(hù)

采用上海雷云實(shí)驗(yàn)儀器制造有限公司SHBY-60B型的數(shù)控水泥混凝土規(guī)格的養(yǎng)護(hù)箱在試件上實(shí)行養(yǎng)護(hù)操作。進(jìn)行固化時(shí)用濕布覆蓋試樣表面，防止水分蒸發(fā)。樣品在202 ℃溫度下晝夜保存48 h，然后對(duì)樣品進(jìn)行編號(hào)和拆除。

拆卸后，試樣立即保存在標(biāo)準(zhǔn)固化室中，溫度達(dá)到202 ℃，相對(duì)濕度達(dá)到95%以上。在規(guī)范的養(yǎng)護(hù)室里，試樣之間的距離在10～20 mm之間，最后使用清水清洗干凈即可。

4.2 試驗(yàn)參數(shù)與結(jié)果

使用上海三思縱橫機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)的WAW-2000型微機(jī)控制的電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)儀器，將試件放入其中開(kāi)始7 d抗壓力度的試驗(yàn)，并且將28 d抗壓力度推測(cè)出來(lái)，同時(shí)根據(jù)試驗(yàn)應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系推算出再生粗骨料混凝土抗壓強(qiáng)度及彈性模量見(jiàn)表5。

表5 再生粗骨料混凝土抗壓強(qiáng)度及彈性模量表

4.3 抗壓強(qiáng)度推算方法

按照設(shè)計(jì)配合比，每3個(gè)混凝土試件為1組進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，將試驗(yàn)中得到的抗壓強(qiáng)度取平均值，再運(yùn)用式(6)即可推算出28 d抗壓強(qiáng)度值。

(6)

式(6)中，fn為養(yǎng)護(hù)齡期混凝土的抗壓強(qiáng)度(MPa);f28為28 d齡期混凝土的抗壓強(qiáng)度(MPa);n為養(yǎng)護(hù)齡期(d)，n≥3。

4.4 Mori-Tanaka法的基本原理及應(yīng)用

在本研究設(shè)計(jì)的試驗(yàn)中，假設(shè)有限元是無(wú)限小的，但微觀結(jié)構(gòu)完全能夠包含不同類型和數(shù)量的骨料。力學(xué)特性與幾何統(tǒng)計(jì)的結(jié)果具有同樣的特征，那么，根據(jù)夾雜理論的觀點(diǎn)，基體和骨料的平均應(yīng)力可以按照式(7)進(jìn)行推算：

(7)

夾雜的總平均應(yīng)力為：

(8)

按照Mori-Tanaka法的相關(guān)觀點(diǎn)[5]，當(dāng)不含任何骨料時(shí)(如圖1(b)所示)，平均應(yīng)力和平均應(yīng)變之間的關(guān)系可以通過(guò)式(9)來(lái)表征：

(9)

若是將骨料添加到內(nèi)部，參考圖1(a)，這樣在基體上出現(xiàn)的附帶的擾動(dòng)應(yīng)力以及擾動(dòng)應(yīng)變之間的關(guān)系則可以由式(10)來(lái)表征：

(10)

(a) 含骨料

(b) 不含骨料

此外，再依據(jù)Eshelby 等效本征應(yīng)變理論可知[12]，攝動(dòng)應(yīng)變與本征應(yīng)變之間的關(guān)系可以由式(11)來(lái)描述：

(11)

一般認(rèn)為，對(duì)于復(fù)合材料而言，總平均應(yīng)力實(shí)際上是基體和骨料的平均應(yīng)力之和，由此可以推導(dǎo)出：

(12)

(13)

應(yīng)變計(jì)算的通式可表示為:

(14)

5 試驗(yàn)成果和分析

混凝土坍落度為110～160 mm時(shí)再生粗骨料的替代率和混凝土抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系曲線如圖2所示。說(shuō)明：按照表3的配合比試配后，坍落度、黏聚性、保水性均符合試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)結(jié)果表明：

1)混凝土坍落度為110～160 mm時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度隨著再生骨料替代率的增加而降低。

2)當(dāng)再生骨料替代率達(dá)到100%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度為43.5 MPa，此時(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度能夠滿足低等級(jí)混凝土路面所要求的抗壓強(qiáng)度值。

3)當(dāng)混凝土坍落度為110～160 mm時(shí)，再生骨料替代率和混凝土的抗壓強(qiáng)度值之間存在線性關(guān)系，表明試驗(yàn)結(jié)果有明顯的連續(xù)性。

圖2 混凝土坍落度為110～160 mm時(shí)再生粗骨料的替代率和混凝土抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系曲線

混凝土坍落度為30～50 mm時(shí)，再生粗骨料替代率和混凝土抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系曲線如圖3所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：

1)粗骨料在不同替代率條件下的抗壓強(qiáng)度均能滿足《規(guī)程》中的相關(guān)要求，替代率為60%時(shí)，得到的28 d抗壓強(qiáng)度為36.2 MPa，能夠滿足工程實(shí)際需要。

2)在混凝土坍落度為30～50 mm的試驗(yàn)中，當(dāng)替代率數(shù)值發(fā)生任意變化時(shí)，再生混凝土抗壓強(qiáng)度均沒(méi)有明顯改變。

圖3 混凝土坍落度為30～50 mm時(shí)再生粗骨料的替代率和混凝土抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系曲線

基于Mori-Tanaka方法將再生粗骨料的替代率和混凝土材質(zhì)的彈性模量之間的關(guān)系運(yùn)算出來(lái)，彈性模量試驗(yàn)值與理論計(jì)算值的關(guān)系曲線如圖4所示。此次試驗(yàn)要求以E=25 GPa為基準(zhǔn)，當(dāng)E水泥砂漿=E再生粗骨料時(shí)，增添再生粗骨料對(duì)E再生混凝土基本沒(méi)有影響，即強(qiáng)度不會(huì)提高。而在基準(zhǔn)線下時(shí)，E水泥砂漿E再生粗骨料，隨著再生粗骨料替代率不斷提高，E再生混凝土出現(xiàn)一定幅度的降低，通過(guò)上述分析可知：再生粗骨料的替代率與再生混凝土彈性模量E之間的線性關(guān)系受E水泥砂漿的影響。

圖4 彈性模量試驗(yàn)值與理論計(jì)算值的關(guān)系曲線

6 結(jié)論與展望

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)以不同齡期包容型再生混凝土為試驗(yàn)研究對(duì)象，使其再生粗骨料的替代率在40%～100%之間變化，對(duì)相應(yīng)的軸心抗壓強(qiáng)度和靜力彈性模量的變化情況進(jìn)行了探討。試驗(yàn)研究結(jié)果為，再生粗骨料替代率與大坍落度的強(qiáng)度成反比關(guān)系，小坍落度時(shí)，替代率不會(huì)對(duì)材料強(qiáng)度產(chǎn)生顯著的影響。然而在制備大坍落度再生骨料混凝土?xí)r，對(duì)于試驗(yàn)過(guò)程中減水劑的含量大小、替代率等參數(shù)與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)聯(lián)仍然不太明確，有待后續(xù)進(jìn)行相關(guān)理論和試驗(yàn)研究。同時(shí)以MATLAB為仿真工具，以Mori-Tanaka法和均勻化法作為理論基礎(chǔ)，對(duì)試驗(yàn)和仿真的結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果表明本文提出的再生骨料替代率控制在40%～100%范圍內(nèi)是合理的。實(shí)際上，影響再生混凝土力學(xué)性能的遠(yuǎn)不止替代率和坍落度2個(gè)因素，在將來(lái)，還需要同時(shí)考慮添加劑、用水量、級(jí)配曲線等參數(shù)的影響；另外，再生混凝土的抗折性能、抗劈裂性能、鋼筋與其粘結(jié)性能、耐腐蝕性能等，也將成為未來(lái)研究的重心。