廢舊混凝土全組分再利用試驗研究

高 明,曹新葉,張曉東

(廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530029)

0 引言

社會的快速發(fā)展對我國交通行業(yè)服務(wù)能力的要求不斷提高[1-2],工程項目逐漸由設(shè)計建造轉(zhuǎn)為舊路改擴(kuò)建,高速公路改擴(kuò)建過程中必將產(chǎn)生大量下役鋼筋混凝土,如何妥善處理這些材料是目前亟待解決的問題。

針對再生集料二次利用的問題[3-4],國內(nèi)外學(xué)者主要關(guān)注再生混凝土服役性能。Thai等[5]研究了含水量和細(xì)粉對再生混凝土力學(xué)性能的影響。劉燦等[6]發(fā)現(xiàn)再生粗骨料摻量在40%左右對混凝土的抗?jié)B性能影響不大。侯永利等[7]通過添加玄武巖纖維,加強(qiáng)再生混凝土的抗凍性能,并建立壽命預(yù)測模型。邢智巖等[8]發(fā)現(xiàn)粉煤灰替換集料比例為4%時,再生混凝土磚的力學(xué)性能提升幅度最大。王海成等[9]分析了固廢棄物在道路利用中的影響因素,提出合理的建議和方法。孔亮等[10]使用花崗巖廢料配置再生混凝土,發(fā)現(xiàn)凍融損傷的根本原因是微裂縫滲水引起體積膨脹。

綜上所述,現(xiàn)階段已有研究主要關(guān)注再生混凝土的性能變化,而在再生混凝土應(yīng)用方面鮮有研究。因此,本文依托工程項目,提出下役鋼筋混凝土破碎工藝,通過室內(nèi)試驗驗證再生集料性能,考慮不同應(yīng)用場景設(shè)計再生混凝土配合比,提出再生集料的多場景利用方法,為再生集料的推廣應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 試驗

1.1 廢舊混凝土破碎工藝

合理的破碎工藝決定再生集料針片狀含量、粒形、粒徑等技術(shù)參數(shù),更決定了可實現(xiàn)高值化利用的再生集料產(chǎn)出量。結(jié)合欽北高速公路改擴(kuò)建工程實施情況,本文研究的混凝土再生集料的生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

圖1 再生集料生產(chǎn)工藝流程圖

1.2 原材料及試驗方法

1.2.1 原材料

本文使用的原材料來自廣西欽北高速公路改擴(kuò)建工程,其中再生集料由舊路防護(hù)、排水圬工設(shè)施與混凝土構(gòu)造物破碎再生產(chǎn)出;原生集料及水泥均由改擴(kuò)建工程項目部提供。

1.2.2 再生集料試驗方法

參照規(guī)范《混凝土用再生粗骨料》(GB/T 25177-2010)對再生粗集料進(jìn)行技術(shù)指標(biāo)驗證,包括吸水率、含泥量、壓碎值,均按照《建設(shè)用卵石、碎石》(GB/T14685-2022)中規(guī)定的試驗方法進(jìn)行試驗。

參照規(guī)范《混凝土和砂漿用再生細(xì)骨料》(GB/T 25176-2010)對再生細(xì)集料進(jìn)行技術(shù)指標(biāo)驗證,包括吸水率、含泥量、細(xì)度模數(shù)、亞甲藍(lán)值、壓碎值,均按照《建設(shè)用砂》(GB/T14684-2022)中規(guī)定的試驗方法進(jìn)行試驗。

1.2.3 再生混凝土試驗方法

為高效利用再生集料,考慮應(yīng)用場景分別設(shè)計再生混凝土配合比,包括路面基層、路面面層以及附屬設(shè)施混凝土構(gòu)造物。

由于再生細(xì)集料篩分試驗不符合規(guī)范級配要求,因此路面基層考慮應(yīng)用10～20 mm再生粗集料,配合比設(shè)計見下頁表1;路面面層考慮不同程度利用再生集料替換原生碎石,配合比設(shè)計見下頁表2;由于附屬設(shè)施混凝土強(qiáng)度要求不同,因此設(shè)計C20、C25、C30三種強(qiáng)度等級再生混凝土配合比,不同再生集料摻量配合比設(shè)計見下頁表3。

表1 路面基層再生混凝土配合比設(shè)計表

表2 路面面層再生混凝土配合比設(shè)計表

表3 附屬設(shè)施再生混凝土配合比設(shè)計表

參照規(guī)范《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》(JTG 3420-2020)對再生混凝土進(jìn)行力學(xué)性能試驗,抗壓強(qiáng)度計算見式(1),抗折強(qiáng)度計算見式(2):

(1)

(2)

式中:fcu——混凝土立方體抗壓強(qiáng)度(MPa);

F——極限荷載(N);

A——受壓面積(mm2);

ff——試件彎拉強(qiáng)度(MPa);

F——極限荷載(N);

L——支座間距離(mm);

b——試件寬度(mm);

h——試件高度(mm)。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 再生集料

2.1.1 再生粗集料

再生粗集料分5～10 mm和10～20 mm兩檔,各項試驗結(jié)果見表4,規(guī)范要求見表5。由表4和表5可看出,欽北改擴(kuò)建項目中5～10 mm粒徑再生粗集料的吸水率、含泥量和壓碎值滿足Ⅲ級標(biāo)準(zhǔn),表觀密度接近Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn),針片狀含量滿足規(guī)范要求;10～20 mm粒徑再生粗集料吸水率滿足Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn),含泥量和壓碎值滿足Ⅲ級標(biāo)準(zhǔn),表觀密度滿足Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn),針片狀含量滿足規(guī)范要求。通過各項技術(shù)指標(biāo)試驗可看出,再生粗集料各項參數(shù)所符合的質(zhì)量等級具備差異性。

表4 再生粗集料技術(shù)參數(shù)表

表5 再生粗集料規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)表

2.1.2 再生細(xì)集料

再生細(xì)集料各項試驗結(jié)果見表6,規(guī)范要求見表7。由表6和表7可看出,欽北改擴(kuò)建項目中的再生細(xì)集料按規(guī)格分類,細(xì)度模數(shù)為2.83,屬于中砂范疇。再生細(xì)集料的含泥量、表觀密度、壓碎值滿足Ⅲ級標(biāo)準(zhǔn),亞甲藍(lán)值為0.2,微粉含量也滿足Ⅲ級標(biāo)準(zhǔn)。再生細(xì)集料的質(zhì)量等級與再生粗集料質(zhì)量等級大體一致。

表6 再生細(xì)集料技術(shù)參數(shù)表

表7 再生細(xì)集料規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)表

綜上所述,再生集料的魯棒性較差,各項技術(shù)參數(shù)具有明顯的分散性,不同技術(shù)指標(biāo)在標(biāo)準(zhǔn)等級分類中存在明顯差異,導(dǎo)致實際應(yīng)用中難以精準(zhǔn)標(biāo)定再生集料標(biāo)準(zhǔn)等級,影響再生集料的高效利用,因此需要依據(jù)不同應(yīng)用場景設(shè)計方案。

2.2 再生混凝土

2.2.1 路面基層再生混凝土

路面基層再生混凝土強(qiáng)度試驗結(jié)果見表8。由表8可看出,兩組配合比的再生混凝土試件7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均滿足設(shè)計指標(biāo),兩種配合比均可運(yùn)用于路面水泥穩(wěn)定碎石底基層或基層。其中,1#配合比可用于水泥穩(wěn)定碎石底基層,2#配合比可用于水泥穩(wěn)定碎石基層。

表8 路面基層再生混凝土試驗結(jié)果表

2.2.2 路面面層再生混凝土

路面面層再生混凝土28 d抗折強(qiáng)度試驗結(jié)果如圖2所示。由圖2可發(fā)現(xiàn),1#配合比與3#配合比相比,增加20%再生細(xì)集料,28 d抗折強(qiáng)度下降10.2%,說明再生細(xì)集料對路面抗折強(qiáng)度具有較強(qiáng)負(fù)面影響,路面面層應(yīng)用中需盡量減少再生細(xì)集料的使用;2#配合比與3#配合比相比,再生粗集料用量由30%增加到50%,28 d抗折強(qiáng)度僅下降3.9%,說明再生粗集料對路面抗折強(qiáng)度影響較小。因此,在路面面層應(yīng)用中,建議減少再生細(xì)集料的使用,可適當(dāng)增加再生粗集料。

圖2 三種配合比路面面層再生混凝土的抗折強(qiáng)度試驗結(jié)果曲線圖

2.2.3 附屬設(shè)施再生混凝土

附屬設(shè)施再生混凝土強(qiáng)度試驗結(jié)果如圖3所示。由圖3可發(fā)現(xiàn),三種強(qiáng)度配合比中,不同再生料摻量下均能滿足設(shè)計強(qiáng)度要求,說明本文研究的廢舊混凝土再生技術(shù)產(chǎn)出的再生集料質(zhì)量較高。再生集料替換量增加,對混凝土的抗壓強(qiáng)度具有負(fù)面影響,但是高品質(zhì)再生集料對混凝土的抗壓強(qiáng)度影響較小,可以適當(dāng)提高摻量。以保證混凝土強(qiáng)度和再生集料利用率為原則,推薦不同強(qiáng)度等級的配合比,見表9。

表9 三種強(qiáng)度等級推薦配合比表

圖3 三種強(qiáng)度配合比附屬設(shè)施再生混凝土的抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果曲線圖

3 廢舊混凝土全組分再利用方案

3.1 再生粗集料再利用

根據(jù)再生粗集料技術(shù)指標(biāo)試驗,本文提出三種再生粗集料應(yīng)用方案:

(1)作為換填材料。路床采用砂礫、碎石、再生粗集料等水穩(wěn)性好的粗集料填筑;橋梁臺背處的土方上部采用10～20 mm的再生粗集料填筑;新建橋梁及涵洞、通道臺背采用未篩分碎石及再生粗集料填筑。

(2)替換原生碎石用于路面水泥穩(wěn)定碎石底基層與基層。再生集料符合《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20-2015)技術(shù)要求,可選用合適的配合比制備再生混凝土,施工時需進(jìn)行試驗驗證。

(3)替換原生碎石用于低等級水泥混凝土路面。再生集料符合《公路水泥混凝士路面施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F30-2014)相關(guān)規(guī)定時,低等級水泥混凝土路面中可采用再生混凝土。

3.2 再生細(xì)集料再利用

根據(jù)再生細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)試驗,發(fā)現(xiàn)再生細(xì)集料對再生混凝土的力學(xué)性能負(fù)面影響較大,因此本文提出兩種再生細(xì)集料應(yīng)用方案:

(1)作為換填材料。傳統(tǒng)級配碎石墊層施工工藝屬于粗放式施工,粗糙的施工工藝難以保障施工質(zhì)量,可將再生細(xì)集料用于路面墊層回填以及中分帶滲溝回填碎石。

(2)替換原生碎石用于附屬設(shè)施混凝土。可在強(qiáng)度要求不高的區(qū)域,利用再生細(xì)集料,比如矩形邊溝與排水溝。

4 結(jié)語

本文介紹一種廢舊混凝土再生工藝,對再生集料技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行試驗驗證,考慮不同應(yīng)用場景進(jìn)行再生混凝土配合比設(shè)計,最終提出再生集料的高效應(yīng)用方法,結(jié)論如下:

(1)介紹一種下役鋼筋混凝土破碎工藝,具備自動除鐵、清洗、補(bǔ)強(qiáng)以及分檔歸類的功能,大大提高再生集料利用效率。

(2)再生集料的魯棒性較差,各項技術(shù)指標(biāo)所符合的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)有所區(qū)別,實際應(yīng)用中需考慮應(yīng)用場景。

(3)再生粗集料對混凝土的力學(xué)性能影響不大,再生細(xì)集料對混凝土的抗折性能存在不利影響,滿足規(guī)范要求的情況下可適當(dāng)增加再生粗集料摻量。

(4)再生粗集料可應(yīng)用于材料換填、水泥穩(wěn)定碎石底基層和基層、低等級水泥混凝土路面;再生細(xì)集料可運(yùn)用于材料換填、附屬設(shè)施混凝土結(jié)構(gòu)物。