施工現場廢棄混凝土高效回收應用

康 磊

（中鐵十六局集團第五工程有限公司，河北 唐山 064000）

1 背景介紹

目前，我國正處于城市市政路網大建設時期。鄭州市四環線及大河路快速化工程，該段總長92km，預算為378億人民幣，我公司承建西四環5.6km，截止日期為2019年初。項目在施工過程中產生大量的廢棄混凝土，且隨著項目繼續進行將會產生更多的廢棄混凝土。這些廢棄混凝土主要來源于以下方面：

（1）大量強度等級為C25/C30的深基礎素混凝土樁樁頭將被去除。

（2）大量既有鋼筋混凝土結構和基礎設施的拆除。拆除橋混凝土強度等級為C40/C50，服役年限大部分不足一年。

（3）實驗室澆筑的混凝土試件。由于清水混凝土質量要求較高，故在實驗室中預澆筑大量混凝土試件進行測試，以保證混凝土質量。此外，丟棄的預制結構件也是廢棄混凝土部分來源。

（4）施工混凝土過程中遺落在現場和沖洗泵管丟棄的廢料。

在過去的幾十年中，廢棄混凝土研究工作主要集中于廢棄混凝土破碎工藝、再生骨料混凝土配合比技術、再生骨料混凝土力學性能和耐久性能以及結構用再生骨料混凝土設計方面。大量的研究表明，用再生骨料制作再生骨料混凝土是可行的，即使將生產的再生骨料混凝土用于承重結構也能滿足相應要求。此外，該技術還可獲得一定經濟效益，故可廣泛推廣。

盡管技術日趨成熟，但在該項目中應用廢棄混凝土回收再應用的理念仍面臨一些重大挑戰。這些挑戰包括：

（1）在施工現場，沒有專門設計的用于破碎廢棄混凝土的加工廠。

（2）由于廢棄混凝土加工過程中可能產生噪音和灰塵，因此，很難在工地上用移動破碎機進行廢棄混凝土的破碎。

（3）缺乏相應技術與理論，如廢棄混凝土加工、再生混凝土配合比設計和再生粗骨料對混凝土性能的影響等。

（4）工期非常緊張，這意味著廢棄混凝土的回收和再利用不應影響工作計劃，也不應給實驗室技術人員和建筑工人增加太多額外工作。

為克服這些困難，一致決定在一個有經驗的學術機構指導下進行回收和再應用廢棄混凝土工作。為此，聘請魯汶大學建筑材料回收利用研究中心作為技術顧問。根據該研究中心建議，按下列流程開展了研究工作：

（1）在天然石料加工廠破碎廢棄混凝土。

（2）僅以再生粗骨料生產再生骨料混凝土，以保證再生骨料混凝土滿足相應規范要求。

（3）按GB/T 14685-2011《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》測試再生骨料性能。

（4）利用再生骨料生產非承重構件，再考慮將其用于生產結構的再生骨料混凝土。

2 再生骨料的加工及性能

2.1 廢棄混凝土破碎

本課題組選擇了距離廢棄混凝土收集地約10km的天然石料加工廠用以加工破碎廢棄混凝土。

由于破碎過程對再生骨料的性能有重要影響，因此，需對加工廠破碎設備和破碎工藝進行考察。課題組首先對實驗室澆筑混凝土試件在該加工廠破碎所得的再生骨料性質進行了測試。

母混凝土骨料最大粒徑為31.5mm，強度等級為C30/C37～C45/C45。混凝土試件經顎式破碎機初破碎，然后由錘式破碎機二次破碎，整個破碎過程與天然骨料的加工過程完全相同。破碎所得的再生骨料有3種粒徑范圍：5～10mm、10～20mm、16～31.5mm。各種粒徑的再生骨料表面都較粗糙且有棱角。類似于之前相關研究結果，破碎所得再生骨料表面附著有水泥砂漿。

2.2 再生骨料性能

實驗室根據《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》（GB/T 14685-2011）對再生骨料性能進行測試。測試項目包括：粒徑級配、堆積和表觀密度、吸水率、針片狀指數和壓碎指標。

再生骨料級配曲線如圖1所示。由圖1（a）～（c）可見，3種粒徑范圍再生骨料的級配曲線均符合GB/T 14685-2011中規定的最大和最小限值，這意味著再生粗骨料可滿足該規范對混凝土用粗骨料的級配要求。

圖1（d）展示了一個重組骨料的級配曲線，其中5～10mm、10～20mm 和 16～31.5mm 的骨料比例分別為20%、50%和30%，可以看出，重組骨料的級配曲線也符合混凝土粗集料的級配曲線。圖1給出了再生骨料的其他物理和力學性能的測試數據。從圖1中可以看出，在本項目中獲得的再生粗骨料能滿足歐洲標準和中國對混凝土用骨料的應用標準。

圖1 再生骨料級配曲線

3 再生骨料生產混凝土砌塊

如上所述，施工現場廢棄混凝土經天然骨料加工廠破碎所得的再生骨料滿足規范要求。因此，可使用該再生骨料生產混凝土。考慮現場實際情況，決定暫將再生骨料用以配置市政道路護坡用預制混凝土砌塊。由于混凝土砌塊墻體厚度小，僅為5cm，故只選用5～10mm的再生粗骨料用以生產混凝土砌塊。

國內行業標準出于該砌塊工作環境和耐久性考慮，要求最低混凝土強度等級C25。此外，為便于砌塊的生產，要求坍落度為180～200mm。

3.1 材料

項目中水泥采用鄭州滎陽天瑞公司生產的低堿硅酸鹽水泥；砂采用項目部工程用砂，砂的粒徑為0～5mm；粗骨料全部采用廢棄混凝土破碎所得的5～10mm再生粗骨料；減水劑為山西產格瑞特高效減水劑；水為項目用普通自來水。

3.2 混凝土配合比

基于試驗數據，課題組為護坡用混凝土砌塊提供了3組配合比，如表1所示。3組配合比具有相同水灰比，即0.6，但水泥漿量不同。應指出的是，表1中所列材料用量為絕干狀態下的用量，在實際拌合混凝土時應考慮砂的含水率。另外，由于再生骨料含水率較高導致了補償水的用量增加，這部分增加的用水量由再生粗骨料的吸水率決定。

表1 混凝土配合比

3.3 試樣制備

施工現場的中心實驗室采用機械攪拌的方式完成了混凝土的拌合工作。經測試，按3種配合比配置的混凝土坍落度均在180～200mm范圍內，滿足和易性要求。

完成坍落度測試后，將3組混凝土拌合物制成150mm×150mm×150mm立方體試塊，每組21個。并將試塊放入20℃、相對濕度為95%（標準養護條件下）的養護室進行養護，在達到相應的養護齡期后，分別測量其1d、2d、3d、7d、14d、21d和28d的抗壓強度。28d養護齡期抗壓強度增長曲線如圖2所示。

圖2 28d養護齡期抗壓強度增長曲線

3.4 混凝土強度測試結果及分析

對混凝土試塊按照國家標準《普通混凝土力學性能試驗方法》（GB 50081-2002）測試抗壓強度。具體實施在同一測試齡期，對每組配合比測試3個試件以取其平均值，測試結果見表2。由表中數據可知，混凝土抗壓強度隨養護齡期增長而增強，其強度主要增長發生在前7d，之后混凝土抗壓強度的增長趨勢變緩。這表明，再生骨料混凝土強度增長趨勢與傳統的天然骨料混凝土強度增長趨勢相吻合。經過28d養護后，3組配合比的混凝土試塊表現出相似性質，且均達到混凝土砌塊的強度要求。

表2 混凝土強度測試結果

中國水電科學院朱伯芳院士提出了以下公式來描述混凝土抗壓強度與時間的關系：

式中，fcu(t)——任意時間t的立方體抗壓強度（MPa）；

fcu, 28——28d混凝土立方體抗壓強度（MPa）；

t——混凝土齡期（d）；

λ——取決于使用的水泥類型的系數，對于普通硅酸鹽水泥，λ=0.172 7。

在目前歐洲混凝土結構設計規范（EC 2）中，公式2用來描述時間與混凝土抗壓強度的關系：

式中，s也是一個取決于水泥類型的系數。對于普通硅酸鹽水泥，s=0.25。

事實上，公式1和公式2具有相似的結果。圖3展示了依據測試數據，運用公式2作出的預測結果比較。數據顯示，依據公式預測的數據與測量數據吻合，這表明該模型也同樣適用于本項目中的再生粗骨料混凝土。

圖3 預制混凝土砌塊

3.5 用再生粗骨料生產預制混凝土砌塊

在確定混凝土配合比后，立即開展用再生粗骨料生產預制混凝土護坡砌塊的工作。在護坡使用再生混凝土砌塊表面未發現任何由于混凝土收縮引起的裂縫，表面質量較好。

4 結語

本文對鄭州市四環線及大河路快速化工程建設中產生的廢棄混凝土展開了于施工現場就地回收應用的研究。將廢棄混凝土破碎得到的再生骨料作為粗骨料，生產用于市政道路護坡的預制混凝土砌塊，實現了對再生粗骨料的高效應用。盡管遇到了一些重大挑戰，但研究結果表明，用再生骨料生產混凝土砌塊的嘗試達到了預期效果。從該研究工作中可得出如下結論：

（1）利用天然石料加工廠可獲得具有良好級配的再生骨料。再生骨料由天然骨料加工廠中顎式破碎機與錘式破碎機搭配破碎廢棄混凝土而成型。

（2）再生骨料的物理和力學性能滿足國內和歐洲標準，即可以使用再生骨料生產再生骨料混凝土。由于生產再生骨料的廢棄混凝土服役年限不足一年且沒有受到污染，因此，再生骨料混凝土的耐久性能滿足要求。

（3）通過優化配合比，再生骨料混凝土能同時滿足工作性能和抗壓強度要求。

（4）再生骨料混凝土的抗壓強度隨養護齡期增加而增加。類似于天然骨料混凝土強度增長趨勢，養護7d后，再生骨料混凝土強度增加趨勢減緩。

（5）目前，在使用再生骨料大規模生產預制混凝土砌塊的過程中未發現問題。