廢舊混凝土全組分再利用試驗研究

高 明,曹新葉,張曉東

(廣西新發展交通集團有限公司,廣西 南寧 530029)

0 引言

社會的快速發展對我國交通行業服務能力的要求不斷提高[1-2],工程項目逐漸由設計建造轉為舊路改擴建,高速公路改擴建過程中必將產生大量下役鋼筋混凝土,如何妥善處理這些材料是目前亟待解決的問題。

針對再生集料二次利用的問題[3-4],國內外學者主要關注再生混凝土服役性能。Thai等[5]研究了含水量和細粉對再生混凝土力學性能的影響。劉燦等[6]發現再生粗骨料摻量在40%左右對混凝土的抗滲性能影響不大。侯永利等[7]通過添加玄武巖纖維,加強再生混凝土的抗凍性能,并建立壽命預測模型。邢智巖等[8]發現粉煤灰替換集料比例為4%時,再生混凝土磚的力學性能提升幅度最大。王海成等[9]分析了固廢棄物在道路利用中的影響因素,提出合理的建議和方法。孔亮等[10]使用花崗巖廢料配置再生混凝土,發現凍融損傷的根本原因是微裂縫滲水引起體積膨脹。

綜上所述,現階段已有研究主要關注再生混凝土的性能變化,而在再生混凝土應用方面鮮有研究。因此,本文依托工程項目,提出下役鋼筋混凝土破碎工藝,通過室內試驗驗證再生集料性能,考慮不同應用場景設計再生混凝土配合比,提出再生集料的多場景利用方法,為再生集料的推廣應用提供參考依據。

1 試驗

1.1 廢舊混凝土破碎工藝

合理的破碎工藝決定再生集料針片狀含量、粒形、粒徑等技術參數,更決定了可實現高值化利用的再生集料產出量。結合欽北高速公路改擴建工程實施情況,本文研究的混凝土再生集料的生產工藝流程如圖1所示。

圖1 再生集料生產工藝流程圖

1.2 原材料及試驗方法

1.2.1 原材料

本文使用的原材料來自廣西欽北高速公路改擴建工程,其中再生集料由舊路防護、排水圬工設施與混凝土構造物破碎再生產出;原生集料及水泥均由改擴建工程項目部提供。

1.2.2 再生集料試驗方法

參照規范《混凝土用再生粗骨料》(GB/T 25177-2010)對再生粗集料進行技術指標驗證,包括吸水率、含泥量、壓碎值,均按照《建設用卵石、碎石》(GB/T14685-2022)中規定的試驗方法進行試驗。

參照規范《混凝土和砂漿用再生細骨料》(GB/T 25176-2010)對再生細集料進行技術指標驗證,包括吸水率、含泥量、細度模數、亞甲藍值、壓碎值,均按照《建設用砂》(GB/T14684-2022)中規定的試驗方法進行試驗。

1.2.3 再生混凝土試驗方法

為高效利用再生集料,考慮應用場景分別設計再生混凝土配合比,包括路面基層、路面面層以及附屬設施混凝土構造物。

由于再生細集料篩分試驗不符合規范級配要求,因此路面基層考慮應用10～20 mm再生粗集料,配合比設計見下頁表1;路面面層考慮不同程度利用再生集料替換原生碎石,配合比設計見下頁表2;由于附屬設施混凝土強度要求不同,因此設計C20、C25、C30三種強度等級再生混凝土配合比,不同再生集料摻量配合比設計見下頁表3。

表1 路面基層再生混凝土配合比設計表

表2 路面面層再生混凝土配合比設計表

表3 附屬設施再生混凝土配合比設計表

參照規范《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》(JTG 3420-2020)對再生混凝土進行力學性能試驗,抗壓強度計算見式(1),抗折強度計算見式(2):

(1)

(2)

式中:fcu——混凝土立方體抗壓強度(MPa);

F——極限荷載(N);

A——受壓面積(mm2);

ff——試件彎拉強度(MPa);

F——極限荷載(N);

L——支座間距離(mm);

b——試件寬度(mm);

h——試件高度(mm)。

2 試驗結果與討論

2.1 再生集料

2.1.1 再生粗集料

再生粗集料分5～10 mm和10～20 mm兩檔,各項試驗結果見表4,規范要求見表5。由表4和表5可看出,欽北改擴建項目中5～10 mm粒徑再生粗集料的吸水率、含泥量和壓碎值滿足Ⅲ級標準,表觀密度接近Ⅱ級標準,針片狀含量滿足規范要求;10～20 mm粒徑再生粗集料吸水率滿足Ⅱ級標準,含泥量和壓碎值滿足Ⅲ級標準,表觀密度滿足Ⅰ級標準,針片狀含量滿足規范要求。通過各項技術指標試驗可看出,再生粗集料各項參數所符合的質量等級具備差異性。

表4 再生粗集料技術參數表

表5 再生粗集料規范標準表

2.1.2 再生細集料

再生細集料各項試驗結果見表6,規范要求見表7。由表6和表7可看出,欽北改擴建項目中的再生細集料按規格分類,細度模數為2.83,屬于中砂范疇。再生細集料的含泥量、表觀密度、壓碎值滿足Ⅲ級標準,亞甲藍值為0.2,微粉含量也滿足Ⅲ級標準。再生細集料的質量等級與再生粗集料質量等級大體一致。

表6 再生細集料技術參數表

表7 再生細集料規范標準表

綜上所述,再生集料的魯棒性較差,各項技術參數具有明顯的分散性,不同技術指標在標準等級分類中存在明顯差異,導致實際應用中難以精準標定再生集料標準等級,影響再生集料的高效利用,因此需要依據不同應用場景設計方案。

2.2 再生混凝土

2.2.1 路面基層再生混凝土

路面基層再生混凝土強度試驗結果見表8。由表8可看出,兩組配合比的再生混凝土試件7 d無側限抗壓強度均滿足設計指標,兩種配合比均可運用于路面水泥穩定碎石底基層或基層。其中,1#配合比可用于水泥穩定碎石底基層,2#配合比可用于水泥穩定碎石基層。

表8 路面基層再生混凝土試驗結果表

2.2.2 路面面層再生混凝土

路面面層再生混凝土28 d抗折強度試驗結果如圖2所示。由圖2可發現,1#配合比與3#配合比相比,增加20%再生細集料,28 d抗折強度下降10.2%,說明再生細集料對路面抗折強度具有較強負面影響,路面面層應用中需盡量減少再生細集料的使用;2#配合比與3#配合比相比,再生粗集料用量由30%增加到50%,28 d抗折強度僅下降3.9%,說明再生粗集料對路面抗折強度影響較小。因此,在路面面層應用中,建議減少再生細集料的使用,可適當增加再生粗集料。

圖2 三種配合比路面面層再生混凝土的抗折強度試驗結果曲線圖

2.2.3 附屬設施再生混凝土

附屬設施再生混凝土強度試驗結果如圖3所示。由圖3可發現,三種強度配合比中,不同再生料摻量下均能滿足設計強度要求,說明本文研究的廢舊混凝土再生技術產出的再生集料質量較高。再生集料替換量增加,對混凝土的抗壓強度具有負面影響,但是高品質再生集料對混凝土的抗壓強度影響較小,可以適當提高摻量。以保證混凝土強度和再生集料利用率為原則,推薦不同強度等級的配合比,見表9。

表9 三種強度等級推薦配合比表

圖3 三種強度配合比附屬設施再生混凝土的抗壓強度試驗結果曲線圖

3 廢舊混凝土全組分再利用方案

3.1 再生粗集料再利用

根據再生粗集料技術指標試驗,本文提出三種再生粗集料應用方案:

(1)作為換填材料。路床采用砂礫、碎石、再生粗集料等水穩性好的粗集料填筑;橋梁臺背處的土方上部采用10～20 mm的再生粗集料填筑;新建橋梁及涵洞、通道臺背采用未篩分碎石及再生粗集料填筑。

(2)替換原生碎石用于路面水泥穩定碎石底基層與基層。再生集料符合《公路路面基層施工技術細則》(JTG/T F20-2015)技術要求,可選用合適的配合比制備再生混凝土,施工時需進行試驗驗證。

(3)替換原生碎石用于低等級水泥混凝土路面。再生集料符合《公路水泥混凝士路面施工技術細則》(JTG/T F30-2014)相關規定時,低等級水泥混凝土路面中可采用再生混凝土。

3.2 再生細集料再利用

根據再生細集料技術指標試驗,發現再生細集料對再生混凝土的力學性能負面影響較大,因此本文提出兩種再生細集料應用方案:

(1)作為換填材料。傳統級配碎石墊層施工工藝屬于粗放式施工,粗糙的施工工藝難以保障施工質量,可將再生細集料用于路面墊層回填以及中分帶滲溝回填碎石。

(2)替換原生碎石用于附屬設施混凝土。可在強度要求不高的區域,利用再生細集料,比如矩形邊溝與排水溝。

4 結語

本文介紹一種廢舊混凝土再生工藝,對再生集料技術指標進行試驗驗證,考慮不同應用場景進行再生混凝土配合比設計,最終提出再生集料的高效應用方法,結論如下:

(1)介紹一種下役鋼筋混凝土破碎工藝,具備自動除鐵、清洗、補強以及分檔歸類的功能,大大提高再生集料利用效率。

(2)再生集料的魯棒性較差,各項技術指標所符合的規范標準有所區別,實際應用中需考慮應用場景。

(3)再生粗集料對混凝土的力學性能影響不大,再生細集料對混凝土的抗折性能存在不利影響,滿足規范要求的情況下可適當增加再生粗集料摻量。

(4)再生粗集料可應用于材料換填、水泥穩定碎石底基層和基層、低等級水泥混凝土路面;再生細集料可運用于材料換填、附屬設施混凝土結構物。