建筑廢渣混凝土的海洋工程應用分析*

劉文白 郭秩映

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展,各地城市化進程的推進,大量混凝土建筑物因達到使用年限而被拆毀,或因市政建設需要而被改建、擴建,如上海市2010年世博會,從而產(chǎn)生大量的建筑垃圾,我國每年僅施工建設所產(chǎn)生和排出的建筑廢渣就有4 000萬t[1]。目前,建筑垃圾的處理絕大部分尚采用露天堆放或填埋方式,造成了資源浪費和環(huán)境污染,急需科學的處置方式。同時,伴隨著我國海洋經(jīng)濟的快速發(fā)展,海洋交通運輸業(yè)得到迅猛發(fā)展,沿海眾多港口構筑物的新建、擴建,所需的混凝土構件數(shù)量巨大,考慮到傳統(tǒng)普通混凝土對自然環(huán)境以及工程的巨大壓力,新型海洋工程建筑材料的需求越發(fā)迫切。

若將建筑垃圾中大量存在的硬質(zhì)無機成分經(jīng)破碎、清洗、分級加工成為再生骨料,代替部分或全部天然骨料,配制建筑廢渣混凝土,制作海洋工程構件。這將實現(xiàn)了建筑廢渣的減量化和環(huán)境化,也為海洋工程新型環(huán)保建材改革提供了方向。

長期處于海洋環(huán)境下的海工混凝土結構,外部腐蝕介質(zhì)的影響加上設計、施工或使用方法不當,引起結構開裂損壞,影響建筑物的正常使用。所以,相對于中低強度要求的海工混凝土結構,耐久性要求相對較高。本文將從建筑廢渣混凝土大量耐久性試驗研究出發(fā),分析其與海洋腐蝕環(huán)境的關聯(lián)度問題。

1 建筑廢渣混凝土耐久性試驗研究分析

導致處于海洋環(huán)境下的混凝土腐蝕的因素較多,主要有鋼筋銹蝕、凍害、鹽類結晶壓力、化學腐蝕等。鋼筋腐蝕導致混凝土結構體積膨脹,是結構開裂的主要原因;凍害是指在寒冷氣候中混凝土由于潮差和浪濺影響而遭受的凍融循環(huán)破壞;鹽類結晶壓力是指海水中的鹽分在混凝土的孔隙內(nèi)部或者表面不平部位因過飽和結晶而產(chǎn)生的足以使混凝土開裂和脫落的應力破壞;海洋環(huán)境下的化學腐蝕主要有Cl-侵蝕、碳化作用、鎂鹽侵蝕、硫酸鹽侵蝕及堿骨料反應。

1.1 抗?jié)B性

影響混凝土耐久性的各種破壞過程幾乎均與水有著密切的關系,對于沿江海分布的海工混凝土結構更是如此,因此混凝土的抗?jié)B性是評價混凝土耐久性的重要指標。

混凝土的滲透性反映液體、氣體或離子受壓力、化學式或者電場作用在混凝土中滲透、擴散或遷移的難易程度,其與混凝土的孔隙率或密實度有直接關系。混凝土滲透性的表征主要有抗氯離子滲透性、透水性和透氣性三種;其中,抗氯離子滲透性作為反映混凝土抵抗氯離子侵入和鋼筋侵蝕能力的一個重要參數(shù),與抗?jié)B性的相關性最為密切。大量的試驗研究證明,建筑廢渣混凝土的抗氯離子滲透性較普通混凝土的低。Otsiki等[2]的試驗結果見圖1,試驗結果表明:1)建筑廢渣混凝土的抗氯離子滲透性能略低于或明顯低于同配合比的普通混凝土;2)與普通混凝土相同,建筑廢渣混凝土的抗氯離子滲透性隨著水灰比的增大而明顯降低。另外,肖開濤等[3]的試驗表明建筑廢渣混凝土抗氯離子滲透性隨再生骨料取代率的增加而降低,而且再生細骨料比再生粗骨料對混凝土滲透性影響大。

分析其原因有兩個方面:1)再生骨料表層殘留的大量水泥砂漿,增大了建筑廢渣混凝土的孔隙率;2)再生骨料分選破碎過程中產(chǎn)生的二次裂縫改變了建筑廢渣混凝土的孔結構。

基于大量試驗結果表明,建筑廢渣混凝土的透水性和透氣性與抗氯離子性變化規(guī)律基本相同。

1.2 抗凍融性

混凝土的抗凍融性,是指混凝土在水飽和狀態(tài)下能經(jīng)受多次凍融作用而不破壞,同時也不嚴重降低強度的性能。在海洋環(huán)境中,混凝土完全浸沒于水中或處于高度潮濕條件下,其毛細孔內(nèi)由于滲透擴散作用水分飽和程度高,處于冰凍環(huán)境中時間長,海水比熱大導致熱量變化劇烈,使混凝土所受凍融循環(huán)破壞比普通大氣環(huán)境下嚴重。

由于再生骨料性能的差異,建筑廢渣混凝土抗凍融性的研究差異性較大。部分研究者如王武祥[4]的試驗表明,建筑廢渣混凝土具有良好的抗凍性能,甚至高于同水灰比的普通混凝土。原因可能是再生細骨料或是二次破碎產(chǎn)生的粉末與粗骨料形成良好的級配,導致混凝土內(nèi)部孔隙率降低。但更多研究者如Salem[5]得出,建筑廢渣混凝土的抗凍性能低于甚至明顯低于普通混凝土,再生粗骨料是其抗凍性能的薄弱環(huán)節(jié)。這符合再生骨料的大孔隙率和破碎產(chǎn)生的內(nèi)部微裂縫會使建筑廢渣混凝土結構在經(jīng)受凍融時,所受到的膨脹壓力大于同配合比的普通混凝土的猜想。

1.3 抗碳化性

空氣中的CO2通過混凝土中的毛細孔隙,由表及里地向內(nèi)部擴散,在有水分存在的條件下,與水泥石中的Ca(OH)2反應生成CaCO3,使混凝土中Ca(OH)2濃度下降,并且使其成分、組織和性能發(fā)生變化,稱之為混凝土的碳化,是衡量鋼筋混凝土結構構件耐久性的重要指標。

Otsiki等[2]的試驗發(fā)現(xiàn)再生混凝土的碳化深度較普通混凝土略大,同時隨著水灰比增加,再生混凝土的碳化深度增加。再生混凝土抗碳化性能的基本規(guī)律是:隨新水泥漿體密實度的增大(如減小水灰比、摻加適量礦物摻合料、采用二次攪拌工藝等),再生混凝土的碳化深度減小;對再生粗骨料進行表面改性并不能明顯改善抗碳化性能;隨再生粗骨料的取代率增加,再生混凝土的碳化深度增大。分析原因可能是再生骨料的孔隙率大,導致建筑廢渣混凝土抗?jié)B性差,抗碳化性低;二次破碎造成再生粗骨料內(nèi)部裂縫是影響建筑廢渣混凝土抗碳化性的重要因素。

1.4 鎂鹽及硫酸鹽侵蝕性

海工混凝土結構長期受海水或潮濕空氣的作用,其中的鎂鹽、硫酸鹽會和水泥石中的Ca(OH)2反應生成:

1)Mg(OH)2,一種白色松軟的不定形物質(zhì),使水泥漿體的結構遭到破壞。2)鈣礬石(3CaO?Al2O3?3CaSO4?32H2O),一種針狀結晶體,其絕對體積比鋁酸鈣大,一旦生成可在混凝土內(nèi)引起很大的內(nèi)應力,引起混凝土膨脹和開裂。3)硅酸鎂水化物(4MgO?SiO2?8H2O),對硅酸鈣水化物的取代反應使混凝土強度下降并變脆。4)氯化鈣和石膏可溶于水,使混凝土在海水流動環(huán)境中不斷流失,質(zhì)量損失增加;石膏還會引起混凝土膨脹。這些進一步使混凝土的孔隙率提高,結構被削弱,為其他腐蝕成分的滲入創(chuàng)造了條件,加速了水泥石結構的解體,這種現(xiàn)象在流動的海水中更為嚴重。

對于建筑廢渣混凝土,鎂鹽硫酸鹽侵蝕性的研究較少。由現(xiàn)有的試驗研究可知,建筑廢渣混凝土抗鎂鹽硫酸鹽侵蝕性能低于同水灰比的普通混凝土;隨著再生骨料取代率的增大,其性能的降低越發(fā)明顯;摻加粉煤灰、高效減水劑(減小水灰比)、礦物外加劑以及對骨料進行改性處理均可提高建筑廢渣混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能。

1.5 堿骨料反應

堿骨料反應是混凝土原材料中的水泥、外加劑、混合料、骨料和拌合水中的堿性物質(zhì)(Na2O或K2O)與骨料中活性礦物成分發(fā)生的化學反應,反應后產(chǎn)物吸水嚴重膨脹,混凝土內(nèi)部沿骨料與水泥石界面發(fā)生的體積膨脹不斷加劇,混凝土內(nèi)部逐漸產(chǎn)生自膨脹應力,造成混凝土從內(nèi)向外延伸開裂。當堿骨料反應發(fā)展至膨脹開裂時,混凝土的力學性能明顯降低,其抗壓強度降低40%,彈性模量降低尤為顯著。這種堿骨料反應遍布于混凝土骨料水泥石界面,發(fā)生堿骨料反應所引起的損壞必然是整體性的。堿骨料反應非常緩慢,一旦發(fā)生破壞,是無法修復的。堿骨料反應往往又加劇了鋼筋銹蝕、凍融破壞等,堿骨料反應對混凝土的耐久性及結構安全性具有嚴重影響。

由再生骨料本身引入到建筑廢渣混凝土的堿量不可忽略,而表層包裹著老水泥砂漿的建筑廢渣又增大了堿骨料反應發(fā)生的幾率,Marta等[6]的試驗研究證明了這一點。

2 建筑廢渣混凝土用于海洋工程的途徑

2.1 建筑廢渣的綠色應用途徑

目前,我國建筑垃圾的數(shù)量已占到城市垃圾的30%～40%,其中有大量的硬質(zhì)無機成分,如廢磚、廢瓦和廢混凝土,比例高達80%[7]。目前建筑垃圾絕大部分未經(jīng)任何處理,便被露天堆放或填埋,這樣不僅占有大量耕地、耗費垃圾清運等建設費用,更重要的是造成資源嚴重浪費和環(huán)境污染。我國海岸線延綿不斷,隨著海洋運輸?shù)难该桶l(fā)展,可知海工混凝土需求量龐大。若采用建筑廢渣混凝土制造海洋工程構件,大量建筑垃圾被循環(huán)利用,實現(xiàn)建筑垃圾的減量化,有利于建筑廢渣的綠色利用。

2.2 施工周期利于建筑廢渣混凝土的持續(xù)使用

海工建筑物施工時間都比較長,中小型建筑物施工時間一般需要3個～5個月,大型工程施工時間一般在10個月以上。由于施工時間較長,施工地點相對固定,有利于建筑垃圾的堆放,再生骨料的制備生產(chǎn),利于建筑廢渣混凝土的持續(xù)使用。

2.3 節(jié)約天然資源的環(huán)境保護利用

隨著海洋工程規(guī)模的發(fā)展,海工混凝土的需求量急劇增加,天然骨料的開發(fā)利用也越發(fā)緊張。施工單位一般采用就近原則,在建筑物附近的河床內(nèi)開采天然骨料作為施工之用,為了滿足海工建筑物大方量混凝土,必然需要開采大量天然骨料,這可能需要多個供料點,這樣對河床的地質(zhì)及生態(tài)會造成不良的影響。同時,建筑垃圾填埋場一般設在河流附近,占用了大量的耕地,還造成了環(huán)境污染。利用建筑廢渣作為再生骨料,生產(chǎn)建筑廢渣混凝土用于海洋工程,是一個兩全其美的方法。

隨著海工混凝土用量增大,尋求新型建材已成趨勢,為響應生態(tài)建筑,減少碳排量,建筑廢渣混凝土可以緩解天然骨料緊張的行業(yè)需求,為海工環(huán)保建材產(chǎn)品研發(fā)開辟新路。

2.4 材料的力學性能符合海洋工程需要

試驗表明,通過降低水灰比可提高建筑廢渣混凝土的抗?jié)B性和抗凍融性。在海工混凝土中,由于本身建筑物的需要,海工混凝土的水灰比要比普通建筑物的水灰比低,通過降低水灰比來提高建筑廢渣混凝土的抗凍融性,這與對海工混凝土的技術要求相容。

有試驗表明,同普通混凝土相比,再生混凝土極限延伸率增加27.7%。由于建筑廢渣混凝土彈性模量低,抗壓比高,因此建筑廢渣混凝土抗裂性優(yōu)于普通混凝土,這對于大體積海工混凝土結構的抗腐蝕性能和耐久性是非常有利的。

3 結語

建筑廢渣混凝土與普通混凝土相比,耐久性指標較低,抗氯離子滲透性較低、抗凍性能較差、碳化深度略大及抗鎂鹽硫酸鹽侵蝕性。但通過相應技術方法和手段可得到解決,如摻入礦渣、火山灰或降低水灰比能有效提高建筑廢渣混凝土的耐久性。更重要的是建筑廢渣混凝土技術能從根本上解決廢棄混凝土的出路問題,在海洋工程中使用建筑廢渣混凝土既能減輕廢棄混凝土對環(huán)境的污染,又能減小大量開采天然骨料對生態(tài)環(huán)境的影響,緩解海洋工程龐大的骨料供求緊張,為新型環(huán)保建材開辟新路,具有顯著的社會、經(jīng)濟和環(huán)境效益,符合可持續(xù)發(fā)展的要求。

[1] 石 峰,寧利中,劉曉峰,等.建筑固體廢物資源化綜合利用[J].水資源與水工程學報,2007,18(5):39-46.

[2] Otsiki N,Miyazato S,Yodsudjai W.Influence of recycled aggregate on interfacial transition zone,strength,chloride,penetration and carbonation[J].Journal of Materials in Civil Engineering,2003,15(5):443-451.

[3] 肖開濤.再生混凝土氯離子滲透性研究[J].山東建材,2004,25(1):31-33.

[4] 王武祥.再生混凝土集料的研究[J].混凝土與水泥制品,2001(4):9-12.

[5] Salem R.M,Burdette E.G.,Jackson N.M.Resistanceto freezing and thawing of recycled aggregate concrete[J].ACIMaterials Journal,2003,100(3):55-58.

[6] Marta SJ,Pilar AG.Influenceof attached mortar content on the properties of recycled concrete aggregate[C].//Proceedings of the International Conference on Sustainable waste management and recycling:Construction and demolition waste.2004,http://congress.cimne.upc.es/irlem04/admin/Files/FilePaper/p346.pdf.

[7] 張志紅.建筑廢棄物再生利用的調(diào)查與研究[D].濟南:山東科技大學碩士學位論文,2006:5.