二氧化碳強化再生混凝土骨料在路基中的應(yīng)用研究

楊歡 張雪凝 王楠

(陜西服裝工程學(xué)院,陜西 西安 712046)

1 研究的背景和意義

據(jù)研究,我國混凝土產(chǎn)量已超過二十三億立方米,而其中砂礫含量約占72%。因此,我國每年需要開采超過38 億噸的沙子和礫石來配置混凝土。[1]由于沙子和礫石作為短期不可再生資源,開采過度會造成嚴(yán)重的資源枯竭和環(huán)境污染。故而,我們需要開發(fā)節(jié)約資源的混凝土材料,實現(xiàn)資源的循環(huán)再利用。如果可以將日益劇增的大量廢棄混凝土回收,經(jīng)過二氧化碳強化處理后提高混凝土骨料的利用率,使再生混凝土骨料的物理性能得到顯著改善,接近強度較高的原生混凝土,從根本上解決由于缺乏天然骨料而造成的問題,以及由于開采大量沙子和礫石而造成的生態(tài)環(huán)境破壞。也就是說,它保護環(huán)境,節(jié)省工程成本,同時符合我國可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求,這對提高經(jīng)濟效益和社會效益具有極其重要的意義。

2 經(jīng)二氧化碳處理后的混凝土再生骨料和未經(jīng)二氧化碳處理的混凝土骨料物理性質(zhì)對比研究

稱取150g 樣品,并在105°C 的烤箱中干燥到一定重量。經(jīng)冷卻后,在裝有一定量水的Lee 瓶中稱重60g。Lee 瓶中的水在樣品之前和之后的體積差就是樣品,根據(jù)質(zhì)量和體積計算樣品。[2]

表1 再生混凝土骨料經(jīng)CO2 處理和未經(jīng)CO2 處理的物理性質(zhì)

通過調(diào)查試驗數(shù)據(jù)所得,天然混凝土骨料的表觀密度比二氧化碳處理后的混凝土骨料的表觀密度高5.8%至6.7%。原因是在再生混凝土骨料的表面附著了硬化的水泥漿,而水泥漿的密度較低,使再生骨料的表觀密度小于原始天然骨料。此外,再生混凝土骨料的表觀密度降低了4.6%～5.7%,比再生混凝土骨料的密度僅高了1.5%,吸水率增加了22.9%～28.6%,壓碎指標(biāo)值增加了7.5%～9.6%。可以得出結(jié)論,在碳化過程中,二氧化碳可以與所有水合產(chǎn)物和未水合水泥熟料顆粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。反應(yīng)過后,被附著水泥漿的骨料體積增加,生成的CaCO3和硅膠填充了骨料的孔隙并增加密度,它降低了孔隙率并改善了再生混凝土骨料的物理性能。

3 CO2 強化后的混凝土再生骨料在道路中的有限元分析

3.1 建模

本文以二維建模為例,二維道路建模圖如圖1 所示。[3]

圖1 二維道路模型圖

以道路路面的長度和寬度為分析對象,利用ANSYS 瞬態(tài)動力分析模型,得到了在動態(tài)荷載作用下天然混凝土骨料和再生混凝土骨料路面結(jié)構(gòu)的垂直位移變化圖和最大位移。路面被視為彈性的兩層系統(tǒng),即表層和基礎(chǔ)層,厚度分別為0.4m 和0.8m,土壤基礎(chǔ)的厚度為11m。本示例使用4 種類型的單位形成二維實體結(jié)構(gòu)模型。因輪胎和道路之間的截面不是圓形,故而將輪胎接觸的橫截面看為矩形更為合理。因此,在單輪作用下的輪胎足跡模式可以近似為矩形,可以得到以下公式：

Ac= a×b

在公式中,Ac 是單個輪胎的接觸面積。

當(dāng)兩個輪子作用時,接觸面積變?yōu)椋篈c = 2a×b

本研究中的分析是兩輪車。假設(shè)路面負(fù)荷為30t,使用的胎壓為0.8Mpa。劃分網(wǎng)絡(luò)時,將矩形單元的邊長分別設(shè)為0.08m和0.06m。混凝土的彈性模量為：

EC=105/[2.2 +(34.4/fcm)] = 105/[2.2 +(34.4/43.8)] ≈3.34 ×104Mpa

3.2 模型的加載和求解

圖2 天然混凝土骨料路面結(jié)構(gòu)的豎直位移的時間歷程曲線

圖3 加載邊界條件后的有限元模型

底部彈簧已完全受約束,并且僅在其自身方向上的位移在X 軸和Z 軸方向上受到約束。有載有界的條件如圖2 所示,有了有限模型。在求解之前,質(zhì)量阻尼系數(shù)和剛性阻尼系數(shù)分別定為2.7 和00009。選擇動態(tài)分析和一系列自動迭代的解決辦法,并使用了與ANSYS 有關(guān)的指令流解決該問題[4],如圖3。

可以通過相關(guān)的指令過程,獲得在垂直載荷作用下路面垂直移動時產(chǎn)生時間曲線,圖4。根據(jù)曲線分析,表面水平位移隨深度的增加而減少,因此移動的最高值是最大的。當(dāng)汽車在開始或結(jié)束,移動接近零,最大移動是當(dāng)汽車接近中點時。這就間接說明了動態(tài)載荷對路面設(shè)計的影響程度。在這種情況下,其他參數(shù)保持不變,使用的是二氧化碳處理后的再生混凝土骨料,且密度為2700kg/m3,抗壓強度43.8mpa,泊松系數(shù)0.21,水灰比0.5,適用于我國建筑規(guī)范,這種混凝土的彈性模數(shù)為：

EC=105/[2.2+(34.4/fcm)]= 105/[2.2+(34.4/43.8)]≈3.34×104Mpa

圖4 再生混凝土骨料路面結(jié)構(gòu)的豎直位移的時間歷程曲線

因此,在加載解決方案和處理之后,路面結(jié)構(gòu)的位移是相同的。當(dāng)車輛位于中點或終點時,位移接近于零,這表明再生骨料道路和天然骨料的動載荷相同。從而滿足天然骨料路面垂直位移的要求。由于骨料再生的性能,從二次骨料中的垂直位移大于天然骨料的垂直位移。但是,通過提高二次骨料路面的耐久性,可以減少混凝土路面的垂直移動。所以滿足自然骨料垂直移動的要求。結(jié)論是,用二氧化碳處理的再生混凝土骨料改變了再生混凝土的水泥砂漿的強度和耐久性,從而改善了路面。

4 混凝土再生骨料的經(jīng)濟環(huán)境效益分析

4.1 再生混凝土骨料的生態(tài)效益分析

目前,全世界共同關(guān)心的一個問題是保護地球環(huán)境,促進與自然的和諧共處,并推動可持續(xù)發(fā)展。因此,混凝土未來的發(fā)展是在滿足現(xiàn)代人類的需要,同時考慮到環(huán)境因素和生態(tài)平衡。混凝土骨料的回收有兩個意義：首先,它節(jié)省了許多混凝土廢物的處理成本,同時解決了許多和廢料相關(guān)的環(huán)境問題。其次,項目效益的混凝土骨料使用不僅可以減少自然資源的消耗,而且可以減少對環(huán)境的重大損害。[5]

4.2 再生混凝土骨料的社會效益分析

混凝土作為最大的人造材料,嚴(yán)重破壞自然資源。而混凝土廢料的處理可以解決我國每年大部分生產(chǎn)的混凝土,對保護人類環(huán)境至關(guān)重要。當(dāng)下,我國共有的自然資源相對稀少。舊混凝土的處理可以節(jié)省大量天然砂的開采,這也將會是解決由于大量開采砂造成的天然骨料短缺和環(huán)境損害問題的主要措施。同時這也有助于保護我們的山區(qū)河流,促進環(huán)境與可持續(xù)社會發(fā)展之間的平衡。

5 結(jié)論

本文分析并比較了二氧化碳處理前后再生混凝土骨料的吸水率,表觀密度和壓碎值,發(fā)現(xiàn)用二氧化碳處理的再生混凝土骨料可以減少水泥漿的孔隙率,增加密度,從而改善再生混凝土骨料的物理性能。在此基礎(chǔ)上,利用ANSYS 中的瞬態(tài)動力模型對道路結(jié)構(gòu)進行建模和分析,得出結(jié)論：二氧化碳處理的再生混凝土骨料改變了再生混凝土水泥砂漿的耐久性,從而改善了再生混凝土的強度。在路面中的應(yīng)用也取得了良好的效果,該措施對今后類似骨料的回收利用具有重要的參考價值。