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(guó)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(zhǎng)期以來(lái),由于砂石骨料來(lái)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(kāi)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)破碎、分級(jí)并按一定的比例混合后形成的骨料稱(chēng)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(chēng)為再生骨料混凝土(recycled aggregate concrete) ,簡(jiǎn)稱(chēng)再生混凝土。相對(duì)于再生混凝土而言,把用來(lái)生產(chǎn)再生骨料的原始混凝土稱(chēng)為基體混凝土(original concrete) ,簡(jiǎn)稱(chēng)再生混凝土。

2. 2 　再生骨料的制造過(guò)程

    用來(lái)生產(chǎn)再生骨料的廢棄混凝土主要有以下幾種來(lái)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(lái)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(guò)程和天然碎石骨料的制造過(guò)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(guò)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(guò)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(rùn)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(jiàn)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(shuō)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?？煞譃樗姆N:干燥狀態(tài)、氣干狀態(tài)、飽和面干狀態(tài)和濕潤(rùn)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(wèn)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(rùn)滑和提高流動(dòng)性的作用,把它稱(chēng)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(chēng)為自由水。其中,自由水與水泥用量之比稱(chēng)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?chē)h(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(zhǎng)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(lèi)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(jiǎn)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(yǔ)

    近年來(lái)我國(guó)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(wèn)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(kāi)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(wèn)題,具有明顯的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。