国内外再生粗骨料研究新进展

张玉秀

混凝土材料是人类文明进步过程中不可或缺的重要建筑材料,随着人类生活空间的不断扩大,其人均消耗量越来越大,已成为最大宗的消耗品。骨料是混凝土材料中体积比重最大的组分(60%～70%),长期以来,由于砂石料的来源广泛和价格低廉,人们对其的滥采滥用造成了严重的资源枯竭和环境污染。另一方面,随着建筑业的蓬勃发展而产生的建筑垃圾数量已经不容忽视,每年的占地和处理费用数额庞大。这两方面促使了世界各国不得不加强对再生骨料和再生混凝土技术的研究,以期获得更好的经济和社会效益。本文在整理了国内外相关技术资料的基础上就再生骨料与再生混凝土的技术发展概况做了综合评述。

1 再生骨料

1.1 定义

再生骨料是指将建(构)筑物拆除、路面翻修、混凝土生产、工程施工或其他状况下产生的废混凝土块经过破碎、清洗和分级等一系列加工后,按一定的比例相互配合,所得到的粒径在40 mm以下的骨料。其中粒径在5 mm～40 mm范围内的为再生粗骨料,粒径在0.5 mm～5 mm范围内的为再生细骨料。将再生骨料作为部分或全部骨料代替天然骨料配制的混凝土即为再生混凝土,也称再生骨料混凝土(Recycled Aggregate Concrete)[1,2]。用来生产再生骨料的混凝土称为原生混凝土或基体混凝土。

1.2 再生粗骨料的性能指标

1)表观密度、堆积密度。国内外众多学者研究表明,再生粗骨料的表观密度、堆积密度均低于天然骨料。厦门大学的许岳周对众多学者的试验数据做了统计,得出再生骨料的表观密度和堆积密度分别为天然骨料的88%～97%和 87%～99%,分别在2.31 kg/m3～2.62 kg/m3和 1.29 kg/m3～1.47 kg/m3之间[3]。然而,目前文献中显示的再生粗骨料的表观密度和堆积密度离散性较大,主要是因为各自研究所使用的再生骨料来源不一。原生混凝土的强度等级、配合比、龄期、骨料粒径等都对结果有一定影响。同济大学的肖建庄和大连理工大学的李坤对不同强度等级的原生混凝土破碎后得到的再生粗骨料进行表观密度测定,得出:再生粗骨料的表观密度随着原生混凝土强度等级的增大而增大。这是因为,强度较高的原生混凝土密实性较好,骨料表面包裹的硬化水泥砂浆的强度就高,相同硬化水泥砂浆含量的再生骨料的表观密度就相应较高[4,5]。

2)吸水率。日本有学者认为再生骨料的吸水率一般为3.6%～8.0%,实际试验中,由于再生粗骨料的来源差异,其吸水率往往还要高于这个范围,甚至达到15%[6]。众多研究表明,再生骨料吸水率随着骨料粒径的增大而迅速减小,并随着浸水时间的增长而增大。表1为不同粒径的再生骨料在不同浸泡时间的吸水率[7]。同为连续级配的再生粗骨料吸水率要为天然粗骨料的16倍左右,单级配[(5～15)∶(15～31.5)=3∶2]的再生粗骨料吸水率则达到了天然骨料的23倍左右[8]。再生骨料的吸水特性还和骨料的表观密度、粒径、原生混凝土强度等级以及再生骨料的品质有关。Ltker sekir研究表明再生骨料的吸水率随着再生骨料表观密度的降低而显著增大,并有如下关系式其中,ρ0为再生骨料表观密度,kg/m3;Wx为再生骨料吸水率。赵伟对不同强度等级原生混凝土生产的再生粗骨料的吸水特性做了研究,结果[10]如表2所示。由此可见,原生混凝土强度等级越高,吸水率越小且吸水速率越慢。大连理工大学的李坤也得到了类似的结论[5]。

表1 再生粗骨料不同粒径吸水率 %

表2 再生粗骨料吸水特性比较

3)压碎指标。压碎指标表示再生粗骨料抵抗压碎的能力,用以表征再生骨料的强度。压碎指标越大,表明骨料的强度越低。再生粗骨料的压碎指标值要高于天然粗骨料,表明再生粗骨料的强度较低,再生粗骨料饱和面干状态的压碎指标要高于同种粗骨料气干状态下的压碎指标值,这是由于再生粗骨料吸水率较大,吸水过多软化而致,因此以再生粗骨料饱和面干状态下的压碎指标值作为其评定标准更为合适[11]。文献资料中的再生骨料压碎指标值一般都在10%以上[5,6,11]。

4)颗粒群特征。再生骨料的颗粒群特征包括其粒形、表面结构、级配等指标。大量试验表明,再生骨料的粒形与天然骨料相近甚至稍好,对混凝土的强度和工作性不会产生不良影响[12]。相比天然粗骨料,再生粗骨料的表面则较为粗糙,孔隙较多,肉眼即可观察到骨料表面附着大量表面粗糙的硬化砂浆。相对表面粗糙度是表征再生粗骨料表面结构的一个重要指标,一般来说,再生粗骨料的表面粗糙度要比一般碎石高10%～15%,因此,用再生粗骨料配制混凝土时,应考虑增大砂率[9]。一般通过人工筛分的方法获取需要的级配。李九苏等人对不同级配再生粗骨料配制的混凝土性能进行了研究,按照公路水泥混凝土路面施工技术规范选用了四种不同最大公称粒径的骨料级配配制混凝土,结果表明,再生粗骨料最大公称粒径影响再生混凝土的抗压强度和抗折强度。较小的最大公称粒径由于增大了总表面积,提高了粘聚力,从而对提高混凝土强度有利,并建议采用4.75 mm～16.00 mm的连续级配[13]。

1.3 再生粗骨料的影响因素

1)界面结构对再生骨料混凝土的影响。与天然骨料相比,再生骨料不仅棱角多,且表面往往包裹着一层(或部分)砂浆(或水泥浆),但会有部分离子可能溶出(被认为部分可溶),则再生骨料溶解释放的粒子其最大密度集中在骨料的表面,溶出的离子可以参与水泥的水化反应。由于靠近再生粗骨料表面的液相浓度最大,所生成的水化产物将会填充在界面区毛细孔隙内,对提高界面粘结强度有利。再生骨料表面包裹着硬化水泥浆体(或砂浆)与新水泥浆体(砂浆)之间弹性模相差较小,有助于改善界面;再生集料表面存在较多微裂缝,这些微裂缝会吸入新的水泥颗粒。这些水泥颗粒水化后对形成致密的界面结构有帮助。由于再生混凝土界面结合存在可以加强的可能性,因而可以弥补再生骨料强度较低的缺陷,对改善再生混凝土强度有一定帮助。但另一方面,由于此界面过渡区的晶体及孔隙等仍较水泥浆本体的大,再加上晶体的定向排列,再生骨料与新浆体之间的界面过渡区仍然会成为再生混凝土的薄弱环节。

2)取代率不同对再生混凝土的影响。对再生混凝土抗压强度,可以归纳为三种不同的试验结果:第一种结果是随再生骨料掺量的增加,混凝土强度降低,降低幅度为0%～30%;第二种结果是随再生骨料掺量的增加,混凝土强度也增加,增加幅度无明显规律;第三种试验结果是随再生骨料掺量的增加,一定再生骨料掺量的混凝土强度增加,而一定再生骨料掺量的混凝土强度会降低,增加和降低幅度无明显规律。本课题组按最佳级配曲线再生骨料(骨料粒径为5 mm～31.5 mm)试验结果为:再生混凝土的抗压强度随着时间的增长而增长,不同再生骨料掺量的混凝土的抗压强度都有相同的趋势。再生混凝土的强度随着再生骨料掺量的不同而变化,总的变化趋势是随着再生骨料掺量的增加,再生混凝土的强度先增加后减少。当再生粗骨料的掺量为30%,50%时,再生混凝土的28 d抗压强度较天然混凝土增加幅度为14%和7.9%。而当再生粗骨料的掺量为70%,100%时,再生混凝土的强度较天然混凝土降低15.9%,18.6%。再生混凝土的抗拉强度随着再生骨料掺入量的增加,劈裂抗拉强度总的趋势是逐渐降低的。当再生骨料取代率为100%时,混凝土的劈裂抗拉强度降低30.4%。

3)含浆量对再生混凝土的影响。再生骨料表面含浆量的多少对再生混凝土的强度会有影响。本课题组利用含浆量—吸水率的关系来测试再生骨料的含浆量对再生混凝土力学性能的影响。通过大量实验数据我们得出再生骨料的含浆量对再生混凝土抗压强度的影响结论:含浆量占再生骨料的质量10%～15%时再生骨料混凝土强度比同条件下含浆量高的再生混凝土的强度偏高,其原因主要是再生骨料的物理表面凹凸不平容易与水泥石之间形成较大的物理粘结强度,较高的表面活性易于同水泥浆反应形成较高的化学粘结强度。再者,再生骨料与新混凝土水泥石有相近的弹性模量,因而在受力时于界面处将产生较小的应力差,在粘结界面受力产生微裂缝的趋势减小。另一方面,因为再生骨料的高吸水率会降低混凝土水泥浆的有效水灰比,所以也能够导致水泥石的强度增加,并且含浆量少的再生骨料的坚固性较好,压碎指标较小。再生混凝土的经济分析除要考虑其本身的生产成本外,还应当综合考虑城市垃圾处理的有关费用和再生混凝土产生的环保效益以及本地区天然骨料储备。再生混凝土的应用能减少天然矿石资源的开采,保护环境的同时又节约了原材料成本,而且有效解决了城市建筑垃圾的处理问题,是有利的一面;不利之处在于再生骨料的生产能耗不比天然骨料低,并且厂房机械设备配置成本较高,如果把分散的建筑垃圾集中起来再进行回收处理,将进一步增加运输费用。但可以肯定的是,随着再生骨料加工工艺的进一步成熟以及矿物掺合料和化学外加剂在混凝土中的更广泛应用,再生混凝土的性能缺陷将逐步得到弥补。美国、日本和欧洲发达国家对废混凝土的再生利用率能达到90%以上,而我国目前这一指标只有5%,从这一点来看,我国的再生混凝土技术发展潜力巨大。

[1] DIN 4226-100,混凝土和砂浆骨料-100:再生骨料[S].

[2] DG/TJ-2018-2007,再生混凝土应用技术规程(附条文说明)[S].

[3] 许岳周,石建光.再生骨料及再生骨料混凝土的性能分析与评价[J].混凝土,2006(7):41-46.

[4] 肖建庄.再生混凝土[M].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[5] 李 坤.再生骨料及再生混凝土基本性能研究[D].大连:大连理工大学硕士学位论文,2005.

[6] 沈大钦.再生骨料混凝土性能的研究[D].北京:北京交通大学硕士学位论文,2006.

[7] 李云霞,李秋义,赵铁军.再生骨料与再生混凝土研究进展[J].青岛理工大学学报,2005(5):16-19.

[8] 孙跃东,肖建庄.再生混凝土骨料[J].混凝土,2004(6):33-36.

[9] 李占印.再生骨料混凝土性能的试验研究[D].西安:西安建筑科技大学硕士学位论文,2003.

[10] 赵 伟.绿色高强高性能再生混凝土试验研究[D].武汉:武汉大学硕士学位论文,2004.

[11] 刘数华,冷发光.再生混凝土技术[M].北京:中国建材工业出版社,2007.

[12] 李佳彬,肖建庄,孙振平.再生粗骨料特性及其对再生混凝土性能的影响[J].建筑材料学报,2004,4(7):390-395.

[13] 李九苏,肖汉宁,龚建清.再生骨料水泥混凝土的级配优化试验研究[J].建筑材料学报,2008,1(11):105-110.

[14] 吴中伟,廉慧珍.高性能混凝土[M].北京:中国铁道出版社,1999:44-49.