再生混凝土簡述

劉安銘

我國改革開放30年來,建筑業對國民經濟的拉動起到了重大作用,成為國民經濟的重要支柱產業,但同時也消耗了大量的自然資源,排放出大量溫室氣體。

一方面,建筑業隨著城市化進程的不斷加快,作為城市化最主要的物質基礎——混凝土的需求量也在迅速增加;另一方面,城市化進程的加快又不斷的產生出混凝土廢料。

所以,如何充分、高效、經濟的利用廢棄混凝土,是低碳時代中保護環境降低碳排放最有效的好辦法。

1 再生混凝土的強度特征

1.1 抗壓強度

國內外研究表明再生骨料混凝土的抗壓強度和再生骨料的替代率密切相關,當再生骨料替代率在30%以下時,再生骨料混凝土與普通骨料混凝土抗壓強度差距不大,在8%內,如果再生骨料替代率繼續提高,再生骨料混凝土抗壓強度隨著再生骨料替代率的增大而降低,再生骨料50%取代天然粗骨料時,再生骨料混凝土抗壓強度降低5%～20%不等,當再生骨料100%取代天然粗骨料時,再生骨料混凝土抗壓強度降低較多,最大降幅達到30%。

再生混凝土的強度與廢混凝土再生骨料加工工藝、再生骨料的摻量以及再生混凝土的配合比等密切相關。由于廢混凝土的強度等級、使用環境與碳化程度各不相同,解體、破碎的工藝及質量控制措施的差異,導致再生混凝土強度變化有其特殊性。

再生混凝土的抗壓強度隨著再生粗骨料摻量的增加而降低。研究表明當再生粗骨料摻量為30%,70%和100%時,再生混凝土的28 d抗壓強度分別較普通混凝土平均降低 24%,28%和30%左右。但是,當再生粗骨料的摻量為50%時,再生混凝土的強度反而高于普通混凝土。不論再生粗骨料摻量多少,再生混凝土抗壓強度隨齡期的發展規律與普通混凝土類似。廢混凝土的強度對再生混凝土的強度也有一定影響。

1.2 抗壓強度的變異特性

國外試驗發現當使用的再生骨料來源單一時,基于試驗室試驗得到的再生混凝土抗壓強度的變異系數與普通混凝土差別不大。但是,在實際工程中,再生混凝土抗壓強度的變異性可能會有所增大,這是由于再生骨料的吸水率高,很難保證再生混凝土中的各部分能夠獲得相同的水灰比。即使在拌制混凝土前對再生骨料進行預先潤濕,仍可能存在較大的強度變異。

當廢棄混凝土的性能差異較大時,由其加工而成的再生骨料性能的變異性將增加,利用這些不同來源的再生骨料配制的混凝土的抗壓強度變異系數可能會大大高于采用來源單一的再生骨料配制的混凝土。國外試驗證實了這一點,采用的再生骨料由使用期為15年且性能差異較大的廢棄混凝土加工而成,試驗中再生混凝土的配合比完全相同,結果發現再生混凝土抗壓強度在32.0 MPa～49.1 M Pa之間變動,平均值為 41 MPa,強度標準差為5 MPa,變異系數為12%。

1.3 抗拉及抗折強度

再生混凝土的劈裂抗拉強度與普通混凝土差別不大。國外試驗表明再生混凝土的劈裂抗拉強度與普通混凝土幾乎相同,對于抗折強度,也有類似的結論。試驗也證實了上述結論,再生混凝土抗拉強度較普通混凝土約降低6%,而抗折強度卻沒有降低。

另外,日本BCSJ試驗還發現,再生混凝土的抗折強度約為其抗壓強度的1/5～1/8,這與普通混凝土基本類似。但關于普通混凝土抗折強度與抗壓強度的關系式則偏于保守。有試驗發現當水灰比較低時,再生混凝土的抗拉強度與抗折強度低于普通混凝土,而水灰比較高時,再生混凝土的抗拉強度與抗折強度則高于普通混凝土,同時發現再生混凝土抗折強度與抗拉強度隨齡期的增長規律與普通混凝土相同。

以上試驗結果表明,再生混凝土的抗拉強度和抗折強度較普通混凝土降低0%～10%,結合前述關于抗壓強度的試驗結果,可以發現從總體而言,再生混凝土的拉壓比和折壓比要較普通混凝土高。

2 再生混凝土的耐久性

2.1 抗滲性能

混凝土的抗滲性能與其孔隙率或密實度直接相關。因而,提高混凝土密實度的方法均可以起到改善其抗滲性能的作用。試驗表明對摻與未摻粉煤灰的再生混凝土試塊進行掃描電鏡分析,發現未摻加粉煤灰的再生混凝土界面上有明顯裂縫,而摻加粉煤灰的再生混凝土其界面結構則較為密實。

2.2 抗凍性能

許多研究者的試驗均得出,再生混凝土具有良好的抗凍性能,甚至優于同水灰比的普通混凝土。然而更多研究者得出,再生混凝土的抗凍性能低于甚至明顯低于普通混凝土,再生粗集料是再生混凝土抗凍性能的薄弱環節,它很容易吸水飽和。

2.3 收縮和徐變

再生集料本身較大的干縮變形及較低的彈性模量使再生混凝土干燥收縮較大;摻加礦物摻合料(如粉煤灰、礦渣等)、聚丙烯纖維、鋼纖維、膨脹劑以及采用蒸汽養護等可以減小再生混凝土的干縮變形,其中以摻加膨脹劑的效果最好。

再生混凝土的徐變較普通混凝土大,且隨水泥用量、水灰比增加而增大;采用DC-RR攪拌方法可以降低再生混凝土的徐變;正是由于再生混凝土徐變較大,故不宜用于預應力構件。

3 再生混凝土的結構性能

3.1 再生混凝土梁

國外學者K.Ishill通過研究再生混凝土梁的受彎特征,表明再生混凝土梁的承載力與普通混凝土梁差別不大,但變形和裂縫寬度較普通混凝土梁略大。國外學者B.C.Han完成了再生混凝土梁的抗剪承載力試驗,研究表明用普通混凝土的設計方法設計的再生混凝土梁偏于不安全。試驗表明再生混凝土梁在受彎過程中仍具有彈性、開裂、屈服、破壞四個階段,并且截面基本符合平截面假定,隨著再生骨料摻量的增加,梁的開裂彎矩,極限彎矩和剛度降低,變形增大;再生混凝土梁的抗剪承載力隨著再生骨料摻量的增加而降低。采用《混凝土結構設計規范》設計再生混凝土梁時需要進行修正。

3.2 再生混凝土柱

國外學者研究了鋼管再生混凝土柱的軸壓性能,試驗結果發現鋼管再生混凝土柱的剛度降低,破壞過程較普通混凝土快,但仍具有足夠極限承載能力可以利用。試驗結果表明鋼管再生混凝土組合柱與鋼管普通混凝土組合柱的破壞模式相同,有相同的破壞特征,再生混凝土柱的軸壓承載力低于普通混凝土柱,而大偏壓柱的承載力與普通混凝土相差不大。

3.3 再生混凝土磚

國內試驗表明以廢磚粉和廢砂漿為細骨料、廢混凝土為粗骨料制作混凝土空心磚,取代率分別為70%,100%,其強度等級能滿足作為砌筑墻體的承重砌塊要求。而且再生混凝土空心磚導熱系數小,保溫性能好,優于普通混凝土及普通的再生混凝土,是一種有研究前景的建筑節能墻體材料。

4 結語

美國、日本和歐洲等發達國家和地區對廢混凝土的再利用研究得較早。近年來,國內的一些專家學者在這方面也進行了大量的基礎性研究。目前,國內外對再生混凝土材料性能和結構行為的研究成果表明,合理設計的再生混凝土結構能夠達到普通混凝土結構的性能要求,其應用于土木工程中是可行和安全的。再生混凝土作為綠色低碳建筑材料是完全值得去推廣和應用的。

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