國內外再生粗骨料研究新進展

張玉秀

混凝土材料是人類文明進步過程中不可或缺的重要建筑材料,隨著人類生活空間的不斷擴大,其人均消耗量越來越大,已成為最大宗的消耗品。骨料是混凝土材料中體積比重最大的組分(60%～70%),長期以來,由于砂石料的來源廣泛和價格低廉,人們對其的濫采濫用造成了嚴重的資源枯竭和環境污染。另一方面,隨著建筑業的蓬勃發展而產生的建筑垃圾數量已經不容忽視,每年的占地和處理費用數額龐大。這兩方面促使了世界各國不得不加強對再生骨料和再生混凝土技術的研究,以期獲得更好的經濟和社會效益。本文在整理了國內外相關技術資料的基礎上就再生骨料與再生混凝土的技術發展概況做了綜合評述。

1 再生骨料

1.1 定義

再生骨料是指將建(構)筑物拆除、路面翻修、混凝土生產、工程施工或其他狀況下產生的廢混凝土塊經過破碎、清洗和分級等一系列加工后,按一定的比例相互配合,所得到的粒徑在40 mm以下的骨料。其中粒徑在5 mm～40 mm范圍內的為再生粗骨料,粒徑在0.5 mm～5 mm范圍內的為再生細骨料。將再生骨料作為部分或全部骨料代替天然骨料配制的混凝土即為再生混凝土,也稱再生骨料混凝土(Recycled Aggregate Concrete)[1,2]。用來生產再生骨料的混凝土稱為原生混凝土或基體混凝土。

1.2 再生粗骨料的性能指標

1)表觀密度、堆積密度。國內外眾多學者研究表明,再生粗骨料的表觀密度、堆積密度均低于天然骨料。廈門大學的許岳周對眾多學者的試驗數據做了統計,得出再生骨料的表觀密度和堆積密度分別為天然骨料的88%～97%和 87%～99%,分別在2.31 kg/m3～2.62 kg/m3和 1.29 kg/m3～1.47 kg/m3之間[3]。然而,目前文獻中顯示的再生粗骨料的表觀密度和堆積密度離散性較大,主要是因為各自研究所使用的再生骨料來源不一。原生混凝土的強度等級、配合比、齡期、骨料粒徑等都對結果有一定影響。同濟大學的肖建莊和大連理工大學的李坤對不同強度等級的原生混凝土破碎后得到的再生粗骨料進行表觀密度測定,得出:再生粗骨料的表觀密度隨著原生混凝土強度等級的增大而增大。這是因為,強度較高的原生混凝土密實性較好,骨料表面包裹的硬化水泥砂漿的強度就高,相同硬化水泥砂漿含量的再生骨料的表觀密度就相應較高[4,5]。

2)吸水率。日本有學者認為再生骨料的吸水率一般為3.6%～8.0%,實際試驗中,由于再生粗骨料的來源差異,其吸水率往往還要高于這個范圍,甚至達到15%[6]。眾多研究表明,再生骨料吸水率隨著骨料粒徑的增大而迅速減小,并隨著浸水時間的增長而增大。表1為不同粒徑的再生骨料在不同浸泡時間的吸水率[7]。同為連續級配的再生粗骨料吸水率要為天然粗骨料的16倍左右,單級配[(5～15)∶(15～31.5)=3∶2]的再生粗骨料吸水率則達到了天然骨料的23倍左右[8]。再生骨料的吸水特性還和骨料的表觀密度、粒徑、原生混凝土強度等級以及再生骨料的品質有關。Ltker sekir研究表明再生骨料的吸水率隨著再生骨料表觀密度的降低而顯著增大,并有如下關系式其中,ρ0為再生骨料表觀密度,kg/m3;Wx為再生骨料吸水率。趙偉對不同強度等級原生混凝土生產的再生粗骨料的吸水特性做了研究,結果[10]如表2所示。由此可見,原生混凝土強度等級越高,吸水率越小且吸水速率越慢。大連理工大學的李坤也得到了類似的結論[5]。

表1 再生粗骨料不同粒徑吸水率 %

表2 再生粗骨料吸水特性比較

3)壓碎指標。壓碎指標表示再生粗骨料抵抗壓碎的能力,用以表征再生骨料的強度。壓碎指標越大,表明骨料的強度越低。再生粗骨料的壓碎指標值要高于天然粗骨料,表明再生粗骨料的強度較低,再生粗骨料飽和面干狀態的壓碎指標要高于同種粗骨料氣干狀態下的壓碎指標值,這是由于再生粗骨料吸水率較大,吸水過多軟化而致,因此以再生粗骨料飽和面干狀態下的壓碎指標值作為其評定標準更為合適[11]。文獻資料中的再生骨料壓碎指標值一般都在10%以上[5,6,11]。

4)顆粒群特征。再生骨料的顆粒群特征包括其粒形、表面結構、級配等指標。大量試驗表明,再生骨料的粒形與天然骨料相近甚至稍好,對混凝土的強度和工作性不會產生不良影響[12]。相比天然粗骨料,再生粗骨料的表面則較為粗糙,孔隙較多,肉眼即可觀察到骨料表面附著大量表面粗糙的硬化砂漿。相對表面粗糙度是表征再生粗骨料表面結構的一個重要指標,一般來說,再生粗骨料的表面粗糙度要比一般碎石高10%～15%,因此,用再生粗骨料配制混凝土時,應考慮增大砂率[9]。一般通過人工篩分的方法獲取需要的級配。李九蘇等人對不同級配再生粗骨料配制的混凝土性能進行了研究,按照公路水泥混凝土路面施工技術規范選用了四種不同最大公稱粒徑的骨料級配配制混凝土,結果表明,再生粗骨料最大公稱粒徑影響再生混凝土的抗壓強度和抗折強度。較小的最大公稱粒徑由于增大了總表面積,提高了粘聚力,從而對提高混凝土強度有利,并建議采用4.75 mm～16.00 mm的連續級配[13]。

1.3 再生粗骨料的影響因素

1)界面結構對再生骨料混凝土的影響。與天然骨料相比,再生骨料不僅棱角多,且表面往往包裹著一層(或部分)砂漿(或水泥漿),但會有部分離子可能溶出(被認為部分可溶),則再生骨料溶解釋放的粒子其最大密度集中在骨料的表面,溶出的離子可以參與水泥的水化反應。由于靠近再生粗骨料表面的液相濃度最大,所生成的水化產物將會填充在界面區毛細孔隙內,對提高界面粘結強度有利。再生骨料表面包裹著硬化水泥漿體(或砂漿)與新水泥漿體(砂漿)之間彈性模相差較小,有助于改善界面;再生集料表面存在較多微裂縫,這些微裂縫會吸入新的水泥顆粒。這些水泥顆粒水化后對形成致密的界面結構有幫助。由于再生混凝土界面結合存在可以加強的可能性,因而可以彌補再生骨料強度較低的缺陷,對改善再生混凝土強度有一定幫助。但另一方面,由于此界面過渡區的晶體及孔隙等仍較水泥漿本體的大,再加上晶體的定向排列,再生骨料與新漿體之間的界面過渡區仍然會成為再生混凝土的薄弱環節。

2)取代率不同對再生混凝土的影響。對再生混凝土抗壓強度,可以歸納為三種不同的試驗結果:第一種結果是隨再生骨料摻量的增加,混凝土強度降低,降低幅度為0%～30%;第二種結果是隨再生骨料摻量的增加,混凝土強度也增加,增加幅度無明顯規律;第三種試驗結果是隨再生骨料摻量的增加,一定再生骨料摻量的混凝土強度增加,而一定再生骨料摻量的混凝土強度會降低,增加和降低幅度無明顯規律。本課題組按最佳級配曲線再生骨料(骨料粒徑為5 mm～31.5 mm)試驗結果為:再生混凝土的抗壓強度隨著時間的增長而增長,不同再生骨料摻量的混凝土的抗壓強度都有相同的趨勢。再生混凝土的強度隨著再生骨料摻量的不同而變化,總的變化趨勢是隨著再生骨料摻量的增加,再生混凝土的強度先增加后減少。當再生粗骨料的摻量為30%,50%時,再生混凝土的28 d抗壓強度較天然混凝土增加幅度為14%和7.9%。而當再生粗骨料的摻量為70%,100%時,再生混凝土的強度較天然混凝土降低15.9%,18.6%。再生混凝土的抗拉強度隨著再生骨料摻入量的增加,劈裂抗拉強度總的趨勢是逐漸降低的。當再生骨料取代率為100%時,混凝土的劈裂抗拉強度降低30.4%。

3)含漿量對再生混凝土的影響。再生骨料表面含漿量的多少對再生混凝土的強度會有影響。本課題組利用含漿量—吸水率的關系來測試再生骨料的含漿量對再生混凝土力學性能的影響。通過大量實驗數據我們得出再生骨料的含漿量對再生混凝土抗壓強度的影響結論:含漿量占再生骨料的質量10%～15%時再生骨料混凝土強度比同條件下含漿量高的再生混凝土的強度偏高,其原因主要是再生骨料的物理表面凹凸不平容易與水泥石之間形成較大的物理粘結強度,較高的表面活性易于同水泥漿反應形成較高的化學粘結強度。再者,再生骨料與新混凝土水泥石有相近的彈性模量,因而在受力時于界面處將產生較小的應力差,在粘結界面受力產生微裂縫的趨勢減小。另一方面,因為再生骨料的高吸水率會降低混凝土水泥漿的有效水灰比,所以也能夠導致水泥石的強度增加,并且含漿量少的再生骨料的堅固性較好,壓碎指標較小。再生混凝土的經濟分析除要考慮其本身的生產成本外,還應當綜合考慮城市垃圾處理的有關費用和再生混凝土產生的環保效益以及本地區天然骨料儲備。再生混凝土的應用能減少天然礦石資源的開采,保護環境的同時又節約了原材料成本,而且有效解決了城市建筑垃圾的處理問題,是有利的一面;不利之處在于再生骨料的生產能耗不比天然骨料低,并且廠房機械設備配置成本較高,如果把分散的建筑垃圾集中起來再進行回收處理,將進一步增加運輸費用。但可以肯定的是,隨著再生骨料加工工藝的進一步成熟以及礦物摻合料和化學外加劑在混凝土中的更廣泛應用,再生混凝土的性能缺陷將逐步得到彌補。美國、日本和歐洲發達國家對廢混凝土的再生利用率能達到90%以上,而我國目前這一指標只有5%,從這一點來看,我國的再生混凝土技術發展潛力巨大。

[1] DIN 4226-100,混凝土和砂漿骨料-100:再生骨料[S].

[2] DG/TJ-2018-2007,再生混凝土應用技術規程(附條文說明)[S].

[3] 許岳周,石建光.再生骨料及再生骨料混凝土的性能分析與評價[J].混凝土,2006(7):41-46.

[4] 肖建莊.再生混凝土[M].北京:中國建筑工業出版社,2008.

[5] 李 坤.再生骨料及再生混凝土基本性能研究[D].大連:大連理工大學碩士學位論文,2005.

[6] 沈大欽.再生骨料混凝土性能的研究[D].北京:北京交通大學碩士學位論文,2006.

[7] 李云霞,李秋義,趙鐵軍.再生骨料與再生混凝土研究進展[J].青島理工大學學報,2005(5):16-19.

[8] 孫躍東,肖建莊.再生混凝土骨料[J].混凝土,2004(6):33-36.

[9] 李占印.再生骨料混凝土性能的試驗研究[D].西安:西安建筑科技大學碩士學位論文,2003.

[10] 趙 偉.綠色高強高性能再生混凝土試驗研究[D].武漢:武漢大學碩士學位論文,2004.

[11] 劉數華,冷發光.再生混凝土技術[M].北京:中國建材工業出版社,2007.

[12] 李佳彬,肖建莊,孫振平.再生粗骨料特性及其對再生混凝土性能的影響[J].建筑材料學報,2004,4(7):390-395.

[13] 李九蘇,肖漢寧,龔建清.再生骨料水泥混凝土的級配優化試驗研究[J].建筑材料學報,2008,1(11):105-110.

[14] 吳中偉,廉慧珍.高性能混凝土[M].北京:中國鐵道出版社,1999:44-49.