逐級(jí)遞進(jìn)射流沖擊破碎廢棄混凝土分離骨料可行性試驗(yàn)

湯積仁， 姚 奇， 章文峰， 盧義玉， 張洋凱， 汪 壘

(1.重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044； 2.重慶大學(xué)復(fù)雜煤氣層瓦斯抽采國(guó)家地方 聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044； 3.重慶渝湘復(fù)線(xiàn)高速公路有限公司，重慶 408500)

隨著中國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程發(fā)展，拆除、擴(kuò)建等建筑活動(dòng)產(chǎn)生了大量廢棄混凝土，專(zhuān)家預(yù)計(jì)中國(guó)廢棄混凝土年產(chǎn)量將超過(guò)6.38億t[1]。目前廢棄混凝土主要采取運(yùn)往郊外露天堆放或填埋等方式處理，不僅占用土地資源，還產(chǎn)生有害成分造成地下水和土壤污染，嚴(yán)重危害生態(tài)環(huán)境和人民健康。同時(shí)，隨著混凝土用量的逐年增長(zhǎng)，對(duì)骨料的需求也在逐年增加，專(zhuān)家預(yù)計(jì)在未來(lái)20～30 a內(nèi)，全球每年需要消耗400億t骨料[2]。天然骨料屬于不可再生資源，一直以來(lái)被隨意開(kāi)采，導(dǎo)致天然骨料資源枯竭，造成山體滑坡、河床改道等生態(tài)環(huán)境破壞問(wèn)題。Guo等[3]研究表明，利用廢棄混凝土制備再生骨料生產(chǎn)再生混凝土可節(jié)省約60%的石灰石資源，減少15%～20%的CO2排放量。因此將廢棄混凝土制成再生骨料，不僅有助于減少對(duì)天然骨料的開(kāi)采，降低大量開(kāi)采天然骨料對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞，還可以從源頭上解決廢棄混凝土堆放、占地及由此帶來(lái)的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，是提高廢棄混凝土利用層次與利用率的最有效途徑[4-6]。目前，再生骨料主要通過(guò)機(jī)械破碎法得到[7]，但由于機(jī)械破碎法無(wú)法有效分離固化為一體的骨料與砂漿，導(dǎo)致砂漿大量殘留于骨料表面，研究[8-9]表明，再生骨料殘余砂漿含量高達(dá)25%～60%。殘余砂漿的存在導(dǎo)致再生骨料存在吸水率高、表觀密度低等固有缺陷[10-11]，使得大部分再生骨料只能作為道路基層材料或路面填充材料[12]，這大大降低了再生骨料的應(yīng)用價(jià)值，不利于提高廢棄混凝土資源化率。針對(duì)機(jī)械破碎法制備再生骨料的不足，筆者基于廢棄混凝土內(nèi)骨料與砂漿基質(zhì)不同力學(xué)特性，以及扇形射流速度分布均勻、作用面積大等特點(diǎn)，提出逐級(jí)遞進(jìn)射流沖擊破碎廢棄混凝土分離骨料方法，借助逐級(jí)遞進(jìn)射流破碎廢棄混凝土分離骨料試驗(yàn)對(duì)該方法的可行性進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)測(cè)定再生骨料殘余砂漿含量、吸水率及表觀密度等性能驗(yàn)證該方法的可靠性。

1 逐級(jí)遞進(jìn)射流沖擊破碎廢棄混凝土分離骨料方法提出

1.1 廢棄混凝土特點(diǎn)

從細(xì)觀角度來(lái)看，廢棄混凝土是由砂漿基質(zhì)、骨料、孔隙等組成的復(fù)合材料，其組成如圖1所示。砂漿基質(zhì)是一種典型的多孔脆性材料，而骨料則是一種相對(duì)致密的均質(zhì)材料，《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》JGJ 52-2006中規(guī)定，骨料抗壓強(qiáng)度是混凝土強(qiáng)度的1.2倍，因此在宏觀力學(xué)性質(zhì)方面，骨料的抗沖擊破碎能力比砂漿基質(zhì)的強(qiáng)。

圖1 廢棄混凝土組成示意圖Fig.1 Schematic diagram of waste concrete composition

1.2 扇形射流特點(diǎn)

扇形水射流是高壓水經(jīng)扇形噴嘴(圖2(a))噴出之后形成的形態(tài)類(lèi)似于扇形的純水射流，屬于異形水射流，其外部形態(tài)如圖2(b)所示，具有形態(tài)扁平、速度分布均勻、作用面積廣等特點(diǎn)[13-14]。

往扇形水射流中添加一定數(shù)量的磨料后形成的扇形水射流，即為扇形磨料水射流。在扇形磨料水射流內(nèi)，磨料速度的獲取是通過(guò)與水進(jìn)行動(dòng)量交換之后得到的，因此磨料速度應(yīng)該具有與扇形水射流相似的速度分布規(guī)律(圖2(c))[15-16]。經(jīng)過(guò)加速后，磨料顆粒具備較高的動(dòng)能，由于磨料顆粒通常為不規(guī)則、具有棱角、有一定硬度的材料，扇形磨料水射流切割破碎能力主要依靠磨料顆粒的沖蝕作用，因此與扇形水射流相比扇形磨料水射流可在較低壓力下對(duì)材料進(jìn)行高效破碎。

1.3 逐級(jí)遞進(jìn)射流沖擊破碎廢棄混凝土分離骨料方法原理

逐級(jí)遞進(jìn)射流沖擊破碎廢棄混凝土分離骨料方法利用扇形磨料水射流沖蝕固化為一體的砂漿基質(zhì)與骨料，由于骨料較砂漿基質(zhì)抗沖擊特性強(qiáng)，骨料具有更強(qiáng)的抵抗磨料沖蝕能力。基于砂漿基質(zhì)與骨料不同的抗沖擊特性，即可通過(guò)控制壓力，在盡量避免骨料損傷的前提下，利用磨料顆粒的沖蝕作用沖擊破碎砂漿基質(zhì)，通過(guò)剝離大部分包裹骨料的砂漿基質(zhì)，將砂漿基質(zhì)對(duì)骨料的全方位立體黏接作用減弱為部分砂漿基質(zhì)對(duì)骨料黏接作用；利用扇形水射流沖擊被扇形磨料水射流沖蝕后的廢棄混凝土，扇形水射流內(nèi)高壓水的沖擊作用產(chǎn)生的準(zhǔn)靜態(tài)壓力克服剩余部分砂漿基質(zhì)對(duì)骨料的黏接作用，從而實(shí)現(xiàn)骨料與砂漿基質(zhì)有效分離。

逐級(jí)遞進(jìn)射流沖擊破碎廢棄混凝土分離骨料方法分離骨料的過(guò)程如圖3所示，該方法包含兩個(gè)過(guò)程，第一個(gè)過(guò)程是砂漿基質(zhì)在扇形磨料水射流內(nèi)磨料顆粒的沖擊作用下被破碎剝離，骨料與砂漿基質(zhì)黏接面積減少，砂漿基質(zhì)對(duì)骨料黏接作用減弱過(guò)程(圖3(a)、(b)和(c))；第二個(gè)過(guò)程是在扇形水射流沖擊作用下高壓水進(jìn)入廢棄混凝土的孔隙、裂隙內(nèi)，產(chǎn)生準(zhǔn)靜態(tài)壓力，克服剩余砂漿基質(zhì)對(duì)骨料的黏接作用，骨料從砂漿基質(zhì)分離過(guò)程(圖3(d))。

圖3 逐級(jí)遞進(jìn)射流破碎廢棄混凝土分離骨料過(guò)程Fig.3 Process of aggregate separation by progressive jet crushing waste concrete

2 試 驗(yàn)

2.1 逐級(jí)遞進(jìn)射流破碎廢棄混凝土分離骨料試驗(yàn)

本試驗(yàn)是在重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成的，該系統(tǒng)主要由扇形噴嘴(圖4)、高壓泵、高壓磨料罐、電機(jī)、高壓膠管等組成，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖5所示。

圖4 扇形噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.4 Structural parameters of fan-shaped nozzle

圖5 逐級(jí)遞進(jìn)射流破碎混凝土分離骨料試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.5 Experimental system of progressive jet crushing concrete to separate aggregate

廢棄混凝土試件來(lái)自重慶大學(xué)A區(qū)廢棄房屋的混凝土支撐梁，強(qiáng)度約為40 MPa，尺寸約為800 mm×500 mm×150 mm。磨料選用粒徑為0.198～0.350 mm陶粒，磨料密度為2.7×103kg/m3，磨料質(zhì)量濃度約為10%，靶距為200 mm，扇形噴嘴移動(dòng)速度為10 mm/s；扇形磨料射流工作壓力為15 MPa，扇形水射流工作壓力為25 MPa。

2.2 再生骨料性能測(cè)定試驗(yàn)

再生骨料(RA)性能好壞直接決定了再生骨料的使用價(jià)值，在評(píng)價(jià)再生骨料性能方面，殘余砂漿含量被認(rèn)為是影響再生骨料性能的最主要因素[17]，而表觀密度和吸水率是評(píng)價(jià)再生骨料性能的重要指標(biāo)。因此，為了評(píng)價(jià)逐級(jí)遞進(jìn)射流沖擊破碎廢棄混凝土分離骨料方法的可靠性，開(kāi)展再生骨料殘余砂漿含量、表觀密度和吸水率測(cè)定試驗(yàn)。

2.2.1 再生骨料殘余砂漿含量

目前對(duì)于再生骨料砂漿含量的測(cè)量沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法，根據(jù)參考文獻(xiàn)[18]中使用的熱處理方法，可測(cè)得再生骨料殘余砂漿含量。

2.2.2 再生骨料表觀密度及吸水率

再生骨料表觀密度和吸水率可以按照GBT25177-2010《混凝土用再生粗骨料》中的方法測(cè)量得到。

3 結(jié)果與討論

3.1 廢棄混凝土破壞形貌分析

扇形磨料水射流沖蝕后的廢棄混凝土表面形貌如圖6所示。從圖6中可以看出，廢棄混凝土表面的砂漿基質(zhì)被破碎分離，原本被砂漿基質(zhì)完全包裹住的骨料已經(jīng)暴露出來(lái)，而且骨料表面較為光滑，無(wú)砂漿基質(zhì)殘留；同時(shí)骨料完整性較好，未出現(xiàn)斷裂情況。這說(shuō)明逐級(jí)遞進(jìn)射流沖擊破碎廢棄混凝土分離骨料方法對(duì)骨料的損傷較小。

圖6 扇形磨料水射流沖蝕后廢棄混凝土形貌Fig.6 Morphology of waste concrete eroded by fan-shaped abrasive water jet

3.2 再生骨料外觀形貌

利用逐級(jí)遞進(jìn)射流沖擊破碎廢棄混凝土分離骨料方法獲得的再生骨料見(jiàn)圖7。從圖7中可以明顯看出，利用逐級(jí)遞進(jìn)射流沖擊破碎廢棄混凝土分離骨料方法獲得的再生骨料附著砂漿明顯比機(jī)械破碎法制備的再生骨料附著砂漿少。

圖7 再生骨料外觀形貌對(duì)比Fig.7 Comparison of morphology of recycled aggregate

3.3 再生骨料殘余砂漿含量、表觀密度和吸水率

逐級(jí)遞進(jìn)射流沖擊破碎廢棄混凝土分離骨料方法制備的再生骨料殘余砂漿含量測(cè)試結(jié)果如圖8所示。從圖8中可知，與參考文獻(xiàn)[18]～[20]中的再生骨料殘余砂漿含量相比，利用逐級(jí)遞進(jìn)射流沖擊破碎廢棄混凝土分離骨料方法得到的再生骨料殘余砂漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著降低，約為6.53%，分別降低了83.1%、86.2%及74.4%。

圖8 再生骨料殘余砂漿含量對(duì)比Fig.8 Comparison of RA residual mortar content

逐級(jí)遞進(jìn)射流沖擊破碎廢棄混凝土分離骨料方法得到的再生骨料表觀密度如圖9所示。從圖9中可以看出，與參考文獻(xiàn)[20]和[21]中再生骨料表觀密度以及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土用再生粗骨料》(GBT25177-2010)相比，利用逐級(jí)遞進(jìn)射流沖擊破碎廢棄混凝土分離骨料方法得到的再生骨料表觀密度為2 723 kg/m3，分別增加了7.63%和3.78%，表觀密度有所增加，而且明顯高于國(guó)家I類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。

逐級(jí)遞進(jìn)射流沖擊破碎廢棄混凝土分離骨料方法制備的再生骨料吸水率測(cè)試結(jié)果如圖10所示。從圖10中可以看出，與參考文獻(xiàn)[18]、[20]和[21]中的再生骨料吸水率以及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土用再生粗骨料》(GBT25177-2010)相比，利用逐級(jí)遞進(jìn)射流沖擊破碎廢棄混凝土分離骨料方法得到的再生骨料吸水率顯著降低，約為1.13%，分別降低了84.41%、76.46%和74.72%，而且明顯低于國(guó)家I類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。

圖9 再生骨料表觀密度對(duì)比Fig.9 Comparison of RA apparent density

圖10 再生骨料吸水率對(duì)比Fig.10 Comparison of RA water absorption

綜上所述，與機(jī)械破碎制備再生骨料法相比，逐級(jí)遞進(jìn)射流沖擊破碎廢棄混凝土分離骨料方法能夠高效分離骨料與砂漿，而且得到再生骨料殘余砂漿含量明顯減少，再生骨料品質(zhì)明顯提高。由于逐級(jí)遞進(jìn)射流沖擊破碎廢棄混凝土分離骨料方法制備的再生骨料品質(zhì)較高，應(yīng)用該法破碎廢棄混凝土制備再生骨料將有助于再生混凝土技術(shù)的推廣，提高廢棄混凝土資源化率。

4 結(jié) 論

(1)與機(jī)械破碎法相比，逐級(jí)遞進(jìn)射流沖擊破碎廢棄混凝土分離骨料方法能夠高效分離骨料與砂漿，顯著降低再生骨料殘余砂漿含量，提高再生骨料表觀密度，降低再生骨料吸水率。

(3)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了逐級(jí)遞進(jìn)射流沖擊破碎廢棄混凝土分離骨料方法的可行性和可靠性，利用該法能夠獲得高品質(zhì)再生骨料，將有助于提高再生混凝土技術(shù)的推廣，提高廢棄混凝土資源化率。