再生混凝土技術(shù)及其配合比設(shè)計(jì)方法

[摘　要] 　使用廢棄混凝土塊代替天然骨料配制再生混凝土技術(shù),因具有明顯的環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,正逐步受到人們的重視。本文闡述了再生混凝土技術(shù)的概念,再生混凝土的基本性質(zhì),并針對(duì)再生骨料吸水率較大而導(dǎo)致再生混凝土強(qiáng)度離散性大的特點(diǎn),提出基于自由水灰比之上的再生混凝土配合比設(shè)計(jì)方法;并同普通混凝土配合比設(shè)計(jì)方法比較,分析了該方法對(duì)發(fā)展混凝土強(qiáng)度的優(yōu)越性及工程上的經(jīng)濟(jì)性,并建議將這種配合比設(shè)計(jì)方法推廣到其它混凝土中去。

[關(guān)鍵詞] 　再生骨料; 再生混凝土; 自由水灰比; 配合比

1 　前言

    混凝土是當(dāng)代用量最大的人造建筑材料,1999年我國混凝土用量約為20 億m³ ,居全球之冠,而混凝土中砂石骨料用量又占總重量的70 %以上,用量十分巨大。長期以來,由于砂石骨料來源廣泛易得,價(jià)格低廉而不受重視,被認(rèn)為是取之不盡的原材料而隨意浪費(fèi),隨著混凝土用量的增大,因開采砂石骨料而造成的資源枯竭和環(huán)境破壞已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。同時(shí),大量混凝土建筑物因達(dá)到使用年限或由于市政建設(shè)的需要而被拆毀,產(chǎn)生越來越多的建筑垃圾,其中含有大量的廢棄混凝土塊,對(duì)城市環(huán)境造成污染。由于廢棄混凝土塊中含有大量砂石骨料,如果能將它們就地回收,經(jīng)過破碎、清洗、分級(jí)后作為骨料再利用,生產(chǎn)再生混凝土,用到新建建筑物上,則不僅能降低成本、節(jié)省天然骨料資源、緩解骨料供求矛盾,還能減輕廢棄混凝土塊對(duì)城市環(huán)境的污染。對(duì)廢棄混凝土進(jìn)行循環(huán)再利用被看作是發(fā)展綠色混凝土的主要措施之一。

    本文論述了再生混凝土技術(shù)的概念、再生混凝土的性質(zhì)并首次提出基于自由水灰比之上的再生混凝土配合比設(shè)計(jì)方法,以促進(jìn)再生混凝土技術(shù)的研究,推廣再生混凝土在工程中的應(yīng)用。

2 　再生混凝土技術(shù)

2. 1 　再生混凝土技術(shù)的概念

    再生混凝土技術(shù)是將廢棄混凝土塊經(jīng)過破碎、清洗、分級(jí)后,按一定的比例混合形成再生骨料,部分或全部代替天然骨料配制新混凝土的技術(shù)。把廢棄混凝土塊經(jīng)過破碎、分級(jí)并按一定的比例混合后形成的骨料稱為再生骨料( recycled aggregate) ,而把利用再生骨料作為部分或全部骨料配制的混凝土,稱為再生骨料混凝土(recycled aggregate concrete) ,簡稱再生混凝土。相對(duì)于再生混凝土而言,把用來生產(chǎn)再生骨料的原始混凝土稱為基體混凝土(original concrete) ,簡稱再生混凝土。

2. 2 　再生骨料的制造過程

    用來生產(chǎn)再生骨料的廢棄混凝土主要有以下幾種來源:1) 建筑物因達(dá)到使用年限或因老化被拆毀,產(chǎn)生廢棄混凝土塊,這是廢棄混凝土塊的主要來源;2) 市政工程的運(yùn)遷以及重大基礎(chǔ)設(shè)施的改造產(chǎn)生廢棄混凝土塊;3) 商品混凝土工廠產(chǎn)生的廢棄混凝土;4) 因意外原因如地震、臺(tái)風(fēng)、洪水等造成建筑物倒塌而產(chǎn)生廢棄混凝土塊。

    用廢棄混凝土塊制造再生骨料的過程和天然碎石骨料的制造過程相似,都是把不同的破碎設(shè)備、篩分設(shè)備、傳送設(shè)備合理的組合在一起的生產(chǎn)工藝過程。實(shí)際的廢棄混凝土塊中,不可避免的存在著鋼筋、木塊、塑料碎片、玻璃、建筑石膏等各種雜質(zhì),為確保再生混凝土的品質(zhì),必須采取一定的措施將這些雜質(zhì)除去。

2. 3 　再生骨料的性質(zhì)

    同天然砂石骨料相比,再生骨料由于含有30 %左右的硬化水泥砂漿,從而導(dǎo)致其吸水性能、表觀密度等物理性質(zhì)與天然骨料不同。

    再生骨料表面粗糙、棱角較多,并且骨料表面還包裹著相當(dāng)數(shù)量的水泥砂漿(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(nèi)部存在大量微裂紋,這些因素都使再生骨料的吸水率和吸水速率增大,這對(duì)配制再生混凝土是不利的。同樣由于骨料表現(xiàn)的水泥砂漿的存在,使再生骨料的密度和表觀密度比普通骨料低。表1 為比較有代表性的再生骨料的物理性質(zhì)。

3 　再生混凝土的性質(zhì)

3. 1 　再生混凝土的和易性

    再生混凝土的和易性受再生骨料的影響很大。由于再生骨料有較大的吸水率,以及骨料表面粗糙的粒形效應(yīng)、棱角效應(yīng),會(huì)增大再生混凝土拌合物的磨擦阻力,導(dǎo)致在配合比相同的情況下,再生混凝土的流動(dòng)性比普通混凝土差,但粘聚性和保水性較好。若粗細(xì)骨料全部使用再生骨料時(shí),混凝土拌合物需水量增加25kgPm³ ,增加百分?jǐn)?shù)為15%。由于用水量的增多,導(dǎo)致單方水泥用量增多,這是配制再生混凝土不經(jīng)濟(jì)的地方。

3. 2 　再生混凝土的強(qiáng)度

    再生骨料對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響主要在界面。由于再生骨料的親水性較強(qiáng),能很快被水潤濕,而且再生骨料表面有許多微裂紋,會(huì)吸入新的水泥顆粒,使接觸區(qū)的水化更加完全,形成致密的界面結(jié)構(gòu)。這樣,由于界面結(jié)合得到加強(qiáng),再生混凝土的強(qiáng)度可能高于再生骨料的強(qiáng)度。

    再生混凝土強(qiáng)度要受基體混凝土的強(qiáng)度、再生骨料的品質(zhì)、再生骨料替代率以及再生混凝土的配合比等因素影響。一般認(rèn)為,再生混凝土比基體混凝土強(qiáng)度稍低,降低范圍為0%～30%左右。

3. 3 　再生混凝土的其它性質(zhì)

    再生混凝土的彈性模型較低,變形較大,延性較好,這使得再生混凝土具有較好的抗震性能和抵抗動(dòng)荷載的能力。另外,再生骨料的孔隙率較大,表觀密度較小,使再生混凝土具有較好的保溫性能。如水灰比為016 的再生混凝土,當(dāng)粗骨料全部使用再生骨料時(shí),則混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)降低28 %,若再加入引氣劑,再生混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)可降低44%。由此可見再生混凝土適合用于維護(hù)材料和結(jié)構(gòu)保溫材料。但是,再生混凝土由于水泥砂漿含量多,所以其干縮值和徐變較大,這是影響其應(yīng)用的最不利因素。

4 　基于自由水灰比之上的再生混凝土配合比設(shè)計(jì)

4. 1 　再生混凝土強(qiáng)度的離散性

    在混凝土的配合比設(shè)計(jì)中,采用如下的混凝土的試配強(qiáng)度公式: fd = fh + tσ.其中, fd為混凝土的試配強(qiáng)度; fh為混凝土的立方抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值; t 為保證率系數(shù),σ為標(biāo)準(zhǔn)差,反映混凝土強(qiáng)度的波動(dòng)情況,σ越大,說明混凝土強(qiáng)度離散程度越大,混凝土質(zhì)量也越不穩(wěn)定。由此公式可以看出,在一定的混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值和在規(guī)定的強(qiáng)度保證率的情況下,標(biāo)準(zhǔn)差σ越大,要求試配強(qiáng)度越大,導(dǎo)致水泥用量的增大,這在混凝土的配制中是不經(jīng)濟(jì)的。在普通混凝土中,標(biāo)準(zhǔn)差σ通常取4.0～6.0MPa 。但是,如果在再生混凝土中采用普通混凝土配合比設(shè)計(jì)方法,標(biāo)準(zhǔn)差σ可達(dá)到13.0MPa ,這是由于再生骨料吸水率較大且再生骨料的品質(zhì)變化較大,引起再生混凝土的強(qiáng)度離散顯著增大。

4. 2 　再生骨料對(duì)再生混凝土配合比設(shè)計(jì)的影響

    骨料的含水狀態(tài)通常可分為四種:干燥狀態(tài)、氣干狀態(tài)、飽和面干狀態(tài)和濕潤狀態(tài)。在計(jì)算混凝土各組成材料配比時(shí),若以飽和面干狀態(tài)的骨料為基準(zhǔn),則不會(huì)影響混凝土的用水量和骨料的用量,因?yàn)轱柡兔娓蔂顟B(tài)的骨料既不從混凝土中吸收水分也不向混凝土中釋放水分。對(duì)于再生混凝土,再生骨料較大的吸水率和特殊的表面性質(zhì),導(dǎo)致再生混凝土隨著時(shí)間的推移水分不斷減少,這將難以保證混凝土正常的凝結(jié)硬化。

4.3 　基于自由水灰比之上的配合比設(shè)計(jì)方法

    為解決再生骨料吸水率較大而引起再生混凝土強(qiáng)度波動(dòng)的問題,提出了基于自由水灰比之上的配合比設(shè)計(jì)方法。將再生混凝土的拌和用水量分為兩部分,一部分為骨料所吸附的水分,這部分水完全被骨料所吸收,在拌和物中不能起到潤滑和提高流動(dòng)性的作用,把它稱為吸附水,吸附水為骨料吸水至飽和面干狀態(tài)時(shí)的用水量;另一部分為拌和用水量,這部分水分布在水泥砂漿中,提高拌和物的流動(dòng)性,并且在混凝土凝結(jié)硬化時(shí),這部分自由水除有一部分蒸發(fā)外,其余的要參與水泥的水化反應(yīng),稱為自由水。其中,自由水與水泥用量之比稱為自由水灰比,用W3PC表示。再生混凝土的強(qiáng)度主要取決于自由水灰比。

4. 4 　基于自由水灰比之上的配合比設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)

    這種基于自由水灰比之上的配合比設(shè)計(jì)方法,可大大降低標(biāo)準(zhǔn)差σ,節(jié)約水泥用量。同時(shí)這部分吸附水存儲(chǔ)在骨料內(nèi)部,起到蓄水池作用,為水泥的水化和凝結(jié)硬化提供充足的水分,這對(duì)混凝土的強(qiáng)度發(fā)展是非常有利的。隨著水化的進(jìn)一步進(jìn)行,當(dāng)周圍環(huán)境較干燥和自由水分蒸發(fā)時(shí),骨料可以釋放掉內(nèi)部的水分,保證混凝土在較長時(shí)間內(nèi)保持一定的濕度,促進(jìn)混凝土強(qiáng)度的發(fā)展。這種“內(nèi)養(yǎng)護(hù)”通常比外部養(yǎng)護(hù)作用更大、更均勻,而且更經(jīng)濟(jì)。這與目前冰島、荷蘭和澳大利亞的一些研究和應(yīng)用以吸水飽和的多孔骨料配制高強(qiáng)和高性能混凝土效果類似。

4. 5 　自由水灰比配合比設(shè)計(jì)在其它混凝土中的應(yīng)用

    如果將這種基于自由水灰比之上的配合比設(shè)計(jì)方法應(yīng)用在普通混凝土和其它混凝土中,可以不考慮骨料的吸水率和表面性質(zhì)的不同,自由水灰比均由混凝土的和易性和強(qiáng)度確定,吸附水可以在拌和混凝土?xí)r,先將這部分用水量加到再生骨料中,若采用不同品質(zhì)的再生骨料時(shí),應(yīng)分別加入各自的所需吸附水,這樣,不但可以簡化混凝土的配合比設(shè)計(jì)方法,而且可以在所有混凝土配合比設(shè)計(jì)中制定一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

5 　結(jié)束語

    近年來我國工程建設(shè)進(jìn)入高速發(fā)展階段,混凝土作為用量最大的人造建筑材料對(duì)自然資源的占用和對(duì)環(huán)境造成的負(fù)面影響已引起了可持續(xù)發(fā)展問題的討論。這種再生混凝土的生產(chǎn)技術(shù),節(jié)省了天然砂石骨料,緩解了因開采砂石骨料對(duì)環(huán)境造成的破壞,有效的解決了廢物處理、廢物利用的問題,具有明顯的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。