廢棄混凝土再利用的研究

李炳杰

廢棄混凝土再利用的研究

李炳杰

本文采用廢棄混凝土取代天然骨料，以不同的替代比例制備出砂漿和水泥膠砂試樣，研究了廢棄混凝土微細顆粒對干混砂漿和水泥膠砂力學性能和微觀結構的影響。實驗結果表明，隨著廢棄混凝土取代比例的增加，干混砂漿和水泥膠砂的3d、28d的力學強度均呈先增后減趨勢，綜合抗壓強度與工作性考慮，確定廢棄混凝土的適宜取代率為40%。

廢棄混凝土；水泥膠砂；干混砂漿

近年來，隨著我國城市化進程的推進和小城鎮及新農村建設的發展，大量廢舊建筑物拆除和新建工程施工產生了大量的建筑廢棄物。中國建筑廢棄物的年排放量已超過4億噸[1]，其中廢棄混凝土等固體廢棄物約占建筑廢棄物總量的41%[2]。大量建筑廢棄物的產生，帶來了一系列自然資源、能源、環境保護和可持續發展的問題。在我國，不少地區已出現天然砂資源逐步減少，甚至無砂可用的情況，其中混凝土用砂供需矛盾尤為突出，天然砂的資源已趨于匱乏[3-6]。在此類地區經常不得不采用機制砂來代替天然河砂進行土建施工，此種方式雖然已在很多工程上得到應用，但既浪費資源，所得骨料的質量也很難保證。

目前國內外對廢棄混凝土的研究大多集中在粗細骨料的研究和應用上[7-11]。Dae-Jung Moon等[12]將廢棄混凝土破碎得到的粉末用于砂漿和水泥的制備，在抗壓強度測試方面取得了良好的效果。國內對建筑廢棄混凝土的再利用也有較為廣泛的研究，史巍和侯景鵬[13]設計了一套帶有風力分級設備的骨料再生工藝，為循環利用再生細集料奠定了基礎。王惠芬[14]等研究了再生骨料取代率對稠度和分層度的影響。鐘開紅等人[15]利用建筑廢棄物和工業廢渣制備干混砂漿并進行了研究，制備出流動性和保水性能優良的干混砂漿。

本文以南方某混凝土公司抗壓實驗后廢棄的試樣為原料，經手工破碎和球磨破碎后篩分成級配良好的混凝土細顆粒，并分別制成干混砂漿試樣和水泥膠砂試樣，研究其摻量對兩種試樣強度的影響，力求將混凝土替代天然砂應用于實際，為解決建筑固體廢棄物污染和天然砂過度開采問題提供新的依據。

1 實驗

1.1 實驗原料

水泥（某品牌P·O42.5普通硅酸鹽水泥）、天然骨料（當地天然河砂，細度模數為2.446，級配區為Ⅱ區中砂，堆積密度1 400kg/m3，含水率6.0%）、標準砂（細度模數為2.382，級配區為Ⅱ區中砂）、廢棄混凝土細顆粒（粒徑為0～5mm，級配良好）。

1.2 水泥膠砂試樣和干混砂漿試樣制備及測試

（1）水泥膠砂試條的制備

根據ISO法及國標要求，按水泥：標準砂：水=1：3：0.5的比例配方（其中標準砂的被替代量分別為0、10%、20%、30%、40%、50%和60%），采用振動成型法制成40mm×40mm×160mm的長方體。試條成型后立即用不透水的薄膜覆蓋表面，在溫度為20℃±1℃的水泥標準養護箱中靜置24h±2h，然后拆模放入溫度為20℃±1℃的恒溫水養箱養護，養護齡期為3d、28d（從攪拌加水開始計時）。具體的配置比例如表1所示。

表1 水泥膠砂實際配方，kg

（2）干混砂漿試樣的制備

參照《砌筑砂漿配合比的確定與要求》，本文的強度等級設為M10的干混砌筑砂漿，按設計要求將原料以水泥：砂子=2：14的比例混合均勻（廢棄混凝土替代天然河砂的比例為0、10%、，20%、30%和40%），再加入水泥質量1.8倍的水，采用振動成型法，成型試樣規格為70.7mm×70.7mm×70.7mm立方體。試條成型后立即用不透水的薄膜覆蓋表面，在溫度為20℃±1℃的水泥標準養護箱中靜置24h±2h，然后拆模放入溫度為20℃±1℃的恒溫水養箱養護，養護齡期為3d、28d（從攪拌加水開始計時）。具體的配置比例如表2所示。

表2 干混砂漿基礎配方，kg

（3）水泥膠砂試樣和干混砂漿力學強度和微觀結構的測試

以《水泥膠砂強度檢驗方法》（GB/T17671—1999）測定水泥膠砂試樣的抗折強度和抗壓強度。參照《建筑砂漿基本性能試驗方法》（JGJ70-90）對干混砂漿的力學強度進行測試，通過掃描電子顯微鏡觀察試樣的微觀結構。

2 結果與分析

2.1 廢棄混凝土對水泥膠砂抗壓強度的影響

摻雜廢棄混凝土的水泥膠砂的抗壓強度見表3，其變化趨勢如圖1所示。

表3 水泥膠砂抗壓強度

圖1 水泥膠砂抗壓強度

分析發現，隨著水泥膠砂試條中廢棄混凝土替代標準砂比例的增加，其抗壓強度呈現先增大后減小的趨勢，3d抗壓強度在替代含量為50%時達到最大值，28d抗壓強度在替代含量為40%時達到最大值。當替代含量在30%～50%之間時，它的抗壓強度均大于基準水泥膠砂的抗壓強度。這是因為用于替代標準砂的廢棄混凝土表面粗糙、棱角多，具有較好的粘結面和界面粘結強度；同時廢棄混凝土被磨細后有助于提高膠砂試條的密實性，使得水泥膠砂的強度得到了大幅度提高；而且經過破碎產生大量微裂縫，可以吸入新的水泥顆粒，使接觸區的水化作用更加完全，形成致密的界面結構，使得因廢棄混凝土強度較低而導致的水泥膠砂性能的劣化會得到一定程度的補償。但隨著廢棄混凝土摻量的增大，廢棄混凝土在破碎過程中產生的大量微裂縫增加，強度低于天然粗集料，對水泥膠砂強度的劣化效果增大，水泥膠砂的抗壓強度必然有一個下降的趨勢。

2.2 廢棄混凝土對水泥膠砂抗折強度的影響

摻雜廢棄混凝土的水泥膠砂的抗折強度見表4，其變化趨勢如圖2所示。

表4 水泥膠砂抗折強度

圖2 水泥膠砂抗折強度

分析發現，隨著水泥膠砂中標準砂替代比例的增加，其抗折強度呈現先增大后減小的趨勢，且3d抗折強度在替代含量為50%時達到最大值，同時30%、40%和50%這三組的抗折強度基本相等；28d抗折強度在替代含量為40%時達到最大值。這七組試驗數據的抗折強度基本都大于基準的水泥膠砂抗折強度?？拐蹚姸鹊淖兓厔莞箟簭姸鹊淖兓厔菀恢?，這主要也是由于廢棄混凝土在抗壓強度變化中體現的因素也同樣體現在抗折強度的趨勢變化中。

2.3 廢棄混凝土含量對干混砂漿強度影響

摻雜廢棄混凝土的干混砂漿的立方體試件抗壓強度見表5，其變化趨勢如圖3所示。

表5 干混砂漿立方體試件抗壓強度

圖3 干混砂漿立方體試件抗壓強度

分析發現，隨著砂漿試件中廢棄混凝土摻量的增加，砂漿試件抗壓強度的變化規律不是很明顯，28d抗壓強度的起伏性較大，而7d抗壓強度比較接近（除摻量為20%的試件強度偏低外）。砂漿的7d和28d抗壓強度均明顯大于未摻廢棄混凝土的基準砂漿強度，且當廢棄混凝土摻量在30%時，強度達到最大值，是基準砂漿的1.5倍，說明干混砂漿和廢棄混凝土有較好的兼容性。這是因為相對于普通河砂而言，廢棄混凝土細小顆粒表面粗糙不規整，有較好的界面粘結強度；同時廢棄混凝土顆粒具有填充效應，這些細小顆粒通過填充在砂漿水泥水化硬化時所產生的孔隙中，使其孔隙率減小，孔結構和砂漿硬化漿體的密實度得以改善，使得砂漿的強度得到了大幅度提高。

2.4 干混砂漿試樣的微觀結構

圖4是砂漿-3的28d樣品的SEM圖，如圖4a所示，廢棄混泥土顆粒的表面粗糙、棱角較多。由于水泥砂漿孔隙率大、吸水率高，再加上混凝土塊在解體、破碎過程中由于損傷積累使再生骨料內部存在大量微裂紋，所以相對于普通河砂而言，廢棄混凝土顆粒表面粗糙不規整，有較好的界面粘結強度，同時廢棄混凝土顆粒具有填充效應，能夠填充在砂漿水泥水化硬化時所產生的孔隙，使其孔隙率減小。從圖4中可以觀察到干混砂漿試樣的基本形貌特征。如圖4b、圖4c中所示的，其基本形貌是由大量網絡狀和顆粒狀C-S-H包裹著無數鈣礬石（AFt）的針狀晶體和六方板狀Ca（OH）2晶體，以及少量未與無機膠凝材料（水泥）反應的混凝土微細顆粒構成，它們密集交叉結合，從而試樣具有較高的強度?；w中各種形貌的形成與其可能的生長空間有很大關系，在混凝土微細顆粒周圍往往成為高水灰比區域，隨著水泥水化進程水分干涸而留下較多的孔隙，因而混凝土微細顆粒周圍會出現尺寸較大、形貌發展較好的晶體，這些區域成為干混砂漿體中的低密度和低強度區域。圖4d中顯示了基準砂漿大孔隙區的較大尺寸的層狀Ca（OH）2晶體和AFt的交錯富集貫穿在C-S-H凝膠中的形貌。

圖4 干混砂漿試樣的SEM照片

3 結論

（1）廢棄混凝土取代標準砂制備水泥膠砂時，隨著廢棄混凝土取代比例的增加，3d、28d的抗壓強度和抗折強度呈先增后減的趨勢。從圖表中可知，3d抗壓強度在替代含量為50%時達到最大值；28d抗壓強度在替代含量為40%時達到最大值；3d抗折強度在替代含量為50%時達到最大值，同時30%、40%和50%這三組的抗折強度基本相等；28d抗折強度在替代含量為40%時達到最大值。綜合抗壓強度和抗折強度考慮，確定廢棄混凝土的適宜取代率為40%，該組試樣的3d、28d的抗壓強度分別達到了25.7MPa、45.4MPa，抗折強度分別達到了5.37MPa、8.13MPa，強度值同時優于基準水泥膠砂。

（2）廢棄混凝土取代天然粗集料制備干混砂漿時，隨著廢棄混凝土取代比例的增加，7d、28d抗壓強度呈先增后減的趨勢。綜合抗壓強度與工作性考慮，確定廢棄混凝土的適宜取代率為30%，因為該組試樣的7d、28d強度分別達到6.03MPa、9.65MPa，是所有試驗組中最高的，同時優于基準干混砂漿。

（3）廢棄混泥土的表面粗糙、棱角較多，相對于普通河砂而言，廢棄混凝土表面粗糙不規整，有較好的界面粘結強度，同時廢棄混凝土顆粒具有填充效應，能夠填充在砂漿水泥水化硬化時所產生的孔隙，使其孔隙率減小，孔結構和砂漿硬化漿體的密實度得以改善，使得砂漿的強度得到了大幅度提高。

[1]冷發光，何更新，張仁瑜，等.國內外建筑垃圾資源化現狀及發展趨勢[J].環境衛生工程，2009，17（1）:33-55.

[2]彭小芹，王淑萍，黃滔,等.廢棄混凝土砂漿組分接觸硬化性能研究[J].湖南大學學報，2011，38（12）:9-12.

[3]楚學勇，張瑞.人工砂與天然砂的混合應用研究[J].東北水利水電，2011，（4）：36-37．

[4]余良君.混合砂代替天然中砂在混凝土中的應用研究[J].福建建材，2006，（4）:18-19．

[5]Prakash R D S，Giridhar K．Investigation son．concrete with stone crushed dustas fine aggregate[J]．The Indian Concrete Journal，2004，（6）:22-28．

[6]Hudson B P．Manufaettued sand for conerete[A]．5th ICAR Sym?Posium，E2-2-1．Austin，Texas．1997．

[7]王程，施惠生.廢棄混凝土再生利用技術的研究進展[J].材料導報, 2010，24（1）：120-124.

[8]Chen H J,Yen T,Chen K H.The use of building rubbles in concrete and mortar[J].Journal of the Chinese Institute of Engineers,2003,26（2）:227-236.

[9]Demir L.Investigation ofmechanical properties of concrete produced withwaste granitesaggregates[J].Scientific Research and Essay,2009,4（4）：267-274.

[10]Kumutha R,Vijai K.Strength of concrete incorporating aggregates recycled from demolition waste[J].ARPN Journal of Engineering and Ap?plied Sciences，2010，5（5）:64-71.

[11]劉立，趙順增，曹淑萍，等.高性能再生骨料混凝土力學性能的研究[J].混凝土與水泥制品，2011，（6）：1-4.

[12]Moon D J,Kimb Y B,Ryou JS.An approach for the recycling of waste concrete powder as cementitiousmaterials[J].Journal of Ceramic Processing Research,2008,9（3）:278-281.

[13]史巍，侯景鵬.再生混凝土技術及其配合比設計方法[J]．建筑技術開發，2001，28（2）：18-20．

[14]王惠芬，秦守婉，肖昭然.摻再生骨料干混砂漿試驗研究[J].混凝土，2011，38（7）：112-124.

[15]鐘開紅.利用建筑垃圾和工業廢渣制備干混砂漿的研究[J].廣州建筑，2009，37（6）：20-23.■

Study on Recycling Technology of W aste Concrete

LI Bingjie
(Sinoma Equipment&Engineering Co.,Ltd.,Beijing 100037,China)

The effect on mechanical properties and microstructure of dry-mixed mortar and cement colloidal mortar caused by different proportions ofwaste concrete has been investigated.Experimental results show that mechanical properties(3d and 28d)of dry-mixedmortar and cement colloidalmortar increase firstly and then decrease with the increase of the proportions ofwaste concrete.The appropriate proportion is 40%considering the compression strength and workability.

waste concrete；cement colloidalmortar；dry-mixedmortar

TQ172.8

A

1001-6171（2015）06-0035-04

中國中材國際海外事業發展公司，北京100037；

2015-03-03；編輯：呂光