废弃混凝土复杂多样性的分析与再生利用研究

王常焕



废弃混凝土复杂多样性的分析与再生利用研究

王常焕

（五邑大学 土木建筑学院 广东 江门 529020）

废弃混凝土性能的复杂多样性分析表明，骨料周围水泥砂浆被剥离的程度和厚度各不相同，在强化处理后形成的骨料性能有较大差异. 对强化处理的再生骨料需要进行物理和力学性能试验，并对再生混凝土进行对比试验后，可根据结果确定再生混凝土的生产使用，从而提高废弃混凝土的再生资源化利用率.

复杂多样性；废弃混凝土；再生骨料

旧城改造和城乡一体化等项目的实施，给城市带来了大量的建筑垃圾. 建筑垃圾无害化、减量化和资源化的处理，是解决建筑垃圾污染问题的好方法. 废弃混凝土的再资源化利用，是将废弃混凝土经分拣、剔除或破碎、强化后，作为再生骨料重新利用. 目前研究主要集中于废弃混凝土和废砖的再生利用[1]，对废弃混凝土来源、性能、特点关注不够，对其骨料性能的研究不足. 本文通过对废弃混凝土骨料与周围水泥砂浆粘结力的形成机理和被剥离程度的分析，指出废弃混凝土骨料周围水泥砂浆被剥离的程度和厚度不同，对其再生骨料的影响也不同，并提出相应的解决方案.

1 废弃混凝土复杂多样性的分析

废弃混凝土一般来源于城市建设、道路、桥梁和拆临拆违等工程，由于组成材料、配合比、使用环境和时间不同，其性能也千差万别，具有复杂多样性的特点.

1.1 水泥质量差别

上世纪五十到八十年代，水泥生产以立窑式生产为主，其强度以标号（kg/cm2）表示，强度保证率低于现行标准. 上世纪八十年代后均采用回转窑方式生产水泥，水泥强度以强度等级（MPa）表示，具有较高的强度保证率. 立窑方式生产的水泥配制的混凝土，性能差异较大，强度低、弹性模量小、变形能力不稳定. 水泥砂浆与粗骨料的粘结力小，破碎后，由于粗骨料周围水泥砂浆被剥离的程度和厚度不同，均匀性较差，强化处理的再生骨料性能差别较大，对再生骨料性能影响较大. 采用回转窑方式生产的水泥配制的混凝土，性能差异较小，强度高、弹性模量大、变形能力稳定. 水泥砂浆与粗骨料的粘结力大小相近，破碎后，再生粗骨料周围水泥砂浆被剥离的程度和厚度基本相同，均匀性较好. 强化处理后，对再生骨料性能影响较小.

1.2 水灰比大小不一

当使用同一品种水泥配制混凝土时，混凝土强度主要取决于水与水泥的质量比（水灰比）. 水泥水化所需的结合水一般只占水泥质量的23%左右，而在拌制混凝土时为获得流动性，会加入过量水份（水灰比为0.5～0.6），混凝土凝结硬化后，多余的水份有时残留在钢筋或粗骨料下部，蒸发后形成微细裂隙，混凝土受力时，裂隙端部产生应力集中，造成裂隙扩展、延伸出现裂缝，使混凝土强度、抗渗、抗冻和耐久性降低. 由于水泥砂浆与粗骨料的有效粘结面积明显减少，破碎时，造成再生单颗粒粗骨料周围水泥砂浆被剥离程度和厚度极不均匀，影响再生骨料的整体质量和性能，强化处理后，对再生骨料性能影响较大.

相反，拌制混凝土时，在满足和易性的前提下，加入适量的水（水灰比为0.3～0.5），混凝土凝结硬化后，残留在混凝土中的水份较少，蒸发后形成微细裂隙的机会减少，混凝土受力时，裂隙端部产生较小的应力集中，其抵抗裂隙扩展、延伸出现裂缝的能力提高，使混凝土强度、抗渗、抗冻、耐久性也得到提高. 由于水泥砂浆与粗骨料的有效粘结面积明显增大，破碎时，再生粗骨料周围水泥砂浆被剥离程度和厚度基本相同，经强化处理，对再生骨料性能影响不大.

1.3 粗细骨料的种类、质量不同

混凝土粗骨料一般是碎石和卵石. 碎石表面粗糙，相互间咬合力大，与水泥砂浆粘结力也较大. 而卵石表面光滑圆润，相互间咬合力小，与水泥砂浆粘结力较小. 在条件相同的情况下，碎石配制的混凝土性能优于卵石配制的混凝土. 2种混凝土废弃后应分别破碎，碎石配制的混凝土破碎后，粗骨料周围水泥砂浆被剥离程度很小，经强化处理后，对再生骨料性能影响较大. 相反，卵石配制的混凝土破碎后，粗骨料周围水泥砂浆被剥离程度较高，强化处理对再生骨料性能影响较小.

混凝土细骨料有河砂、海砂、人工砂和山砂等. 其中，河砂最为常用，杂质含量少，级配好，表面光滑圆润，与水泥的粘结力稍小，砂浆被破碎为砂颗粒、水泥石颗粒和细粉. 海砂的盐和有机物含量高，使用前需筛去有机物，用淡水清洗，但用水量大，一般不提倡使用，其使用特点与河砂相同. 人工砂是将粗骨料、碎石、或卵石进一步破碎得到的细骨料，能耗大、细粉含量高，一般也不提倡使用，由于其表面粗糙与水泥的粘结力较大，砂浆需被破碎为砂浆颗粒、水泥石颗粒和细粉. 山砂中植物根茎、泥土等杂质含量较多，使用前需筛分、除杂，用水量大，耗时耗能，一般也不提倡使用，由于其颗粒形状介于河砂与人工砂之间，砂浆需被破碎为砂颗粒、砂浆颗粒和水泥石颗粒.

粗细骨料都有不同程度的泥土和泥块含量. 骨料含泥量较高（符合混凝土配合比设计规范要求的范围内）时，混块在混凝土拌和时变为泥浆，骨料表面会形成一层泥膜，明显降低水泥浆与骨料的粘结力. 泥块在混凝土中会形成空洞，使混凝土体积密度降低、透水性增大、耐溶出性腐蚀能力下降. 此种废弃混凝土破碎后，再生粗骨料周围水泥砂浆被剥离的程度和厚度较大. 经清洗、强化处理后对再生骨料性能影响较小. 骨料含泥量较低时，拌和形成的泥浆减少，在骨料表面形成的泥膜不完整，对水泥浆与骨料的粘结力影响不大. 泥块含量减少，在混凝土中形成的空洞减少，混凝土体积密度无明显降低、透水性减小、耐溶出性腐蚀能力提高. 粗骨料周围水泥砂浆被剥离的程度和厚度较小. 稍经清洗、强化处理后，对再生骨料性能影响稍大.

1.4 施工质量与工艺的差异

混凝土的施工技术水平与施工机械化程度，对混凝土的质量影响非常明显. 采用机械生产施工的混凝土，性能指标均高于人工操作. 混凝土搅拌时，不同的投料次数、不同振动频率的振捣器及不同的振捣时间，也会影响到混凝土的强度、体积密度和耐久性. 机械施工生产的混凝土强度高，密实度大，原始裂缝少. 破碎后，再生粗骨料周围水泥砂浆被剥离的程度和厚度较小，强化处理后，对再生骨料性能影响较大. 而人工生产的再生粗骨料周围水泥砂浆被剥离的程度和厚度较前者大，废弃破碎强化处理后，对再生骨料性能影响较小.

1.5 养护条件

混凝土构件成型后，其强度增加与环境温、湿度有很大关系. 在适当的温、湿度养护条件下，未水化的水泥颗粒继续水化，强度增大，且在前期增长（28天内）较快[2]，之后逐渐减缓. 此种条件下混凝土的强度大，密实度高，凝胶体多，黏性流动和徐变均增大. 破碎后，再生粗骨料周围水泥砂浆被剥离的程度和厚度不大，经强化处理，对再生骨料性能影响较大. 在较差的温、湿度养护条件下，前期强度增长缓慢，甚至出现干缩开裂现象，其强度小，密实度低，凝胶体少，黏性流动和徐变均变小. 破碎后，再生粗骨料周围水泥砂浆被剥离的程度和厚度非常大，对再生骨料性能影响很小.

1.6 碳化情况

碳化现象是混凝土在湿度适宜的条件下发生了化学反应，生成了CaCO3和H2O，也称之为混凝土中性化. 在南方地区, 由于空气湿度较大，混凝土易碳化，混凝土碳化会引起收缩，也即碳化收缩. 对此种混凝土而言，由于碳化收缩，水泥砂浆与骨料的粘结力被削弱，废弃混凝土破碎后，粗骨料周围水泥砂浆剥离的程度和厚度较大. 经强化处理，对再生骨料性能影响较小.由于碳化是水泥的化学反应，而细骨料大多是砂颗粒、水泥砂浆颗粒和水泥石颗粒、细粉，故再生细骨料的情况比较复杂. 采用掺混合材料的硅酸盐水泥生产的混凝土，其水化生成的Ca(OH)2较少，抗碳化能力较强，提高了水泥砂浆与骨料的粘结力，破碎后粗骨料周围水泥砂浆被剥离的程度和厚度较小，经强化处理，对再生骨料性能影响较大.

2 废弃混凝土再生利用的解决方案

2.1 废弃混凝土情况调查

为方便废弃混凝土的破碎和强化处理，需对混凝土的来源（如房屋、道路、桥梁等），使用年数，设计强度等级（或标号）、所用水泥强度等级（或标号）、用粗细骨料种类（碎石或卵石；人工砂或天然砂）、施工方法（机械或人工）和实际养护条件等内容进行调查.

2.2 废弃混凝土破碎后性能试验内容

废弃混凝土破碎状况除与上述分析原因有关外，也与破碎机械和破碎方式有关. 废弃混凝土破碎后有粗骨料颗粒、砂颗粒、水泥砂浆颗粒、水泥石颗粒、细粉等. 对强化后的再生骨料应进行基本的物理、力学性能的试验测试，项目有：粗骨料最大粒径、级配形式、筛分析、表观密度、松散堆积密度、空隙率、压碎指标、坚固性和碱骨料反应等[3]. 粗骨料周围被剥离的水泥砂浆部分，试验测试项目同上. 细骨料中除砂颗粒、水泥砂浆颗粒外，还有相当部分的水泥石颗粒和细粉，其粒径在4.950～0.160 mm之间，它们的试验项目除最大粒径、压碎指标和碱骨料反应试验项目以外，还有细度模数和吸水率试验. 细粉粒径在0.160～0.074 mm之间，应剔除或再进一步研磨，使粒径在0.074 mm以下，能在混凝土配合比设计时作为掺合料使用（根据设计的混凝土强度等级、性能和细粉颗粒的组成成分，掺配比例按占水泥质量的5%，以5%幅度增至30%，按以上掺配比例制成混凝土标准试样试验对比，找出最佳掺配比例）.

2.3 再生骨料混凝土性能试验内容

采用当地常用的几种强度等级（32.5 MPa、42.5 MPa和52.5 MPa）的水泥、数个水灰比[4]（0.40～0.60，增幅为0.05）、若干水泥品种（普通硅酸盐水泥、掺混合材料的硅酸盐水泥）. 用强化后，经物理、力学性能试验的再生骨料，依据文献[5]分别设计出C20、C30和C40等低、中强度等级的再生混凝土，试验内容有：立方体、棱柱体、劈裂、抗折强度、弹性模量[6]和耐久性. 再生混凝土标准试件养护28天，依据文献[7]进行试验. 对所得数据进行处理，绘出水灰比与再生混凝土强度的关系曲线，水灰比与再生混凝土棱柱体、劈裂、抗折、弹性模量、耐久性的关系曲线和水泥强度等级与再生混凝土强度的关系曲线图. 在配制某种技术要求的再生混凝土时，根据曲线图的对应关系，从曲线图中查找水灰比、水泥强度等级以及再生骨料的配制比例，进行再生混凝土配制.

3 结论

对废弃混凝土的充分利用，应清楚地认识到其复杂多样性的特点，它对再生骨料周围水泥砂浆被剥离程度和厚度的影响明显. 提高废弃混凝土分类破碎、强化处理的技术水平，要特别加强对骨料周围水泥砂浆性能、特点的研究工作. 对再生混凝土应进行基本物理、力学性能试验测试，根据试验结果确定进行再生混凝土的生产，提高废弃混凝土的再生资源化利用率.

[1] 李秋义. 建筑垃圾资源再生利用技术[M]. 北京：中国建材工业出版社，2011.

[2] 柯国军. 土木工程材料[M]. 北京：北京大学出版社，2012.

[3] 侯伟生. 建筑工程质量检测技术手册[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2003.

[4] 邓旭华. 水灰比对再生混凝土强度影响的试验研究[J]. 混凝土，2005，184（2）：46-48.

[5] 中国建筑科学研究院. JGJ55—2011 普通混凝土配合比设计规程[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2011.

[6] 金莉. 再生混凝土力学性能试验研究[J]. 新型建筑材料，2006, 7: 11-13.

[7] 中华人民共和国建设部. GB/T50081—2002 普通混凝土力学性能试验方法标准[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2003.

[责任编辑：韦 韬]

A Study of the Variety and Recycling of Discarded Concrete

WANGChang-huan

(School of Civil Engineering and Architecture, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)

The complexity and diversity of waste concrete were analyzed in the present paper. Because the degree and thickness of peeling of cement mortar around aggregates in waste concrete are not identical, the characteristics of recycled aggregates after strengthening treatment are obviously different. The mechanical and constructional properties of recycled aggregate concrete must be comparatively analyzed by experiments before recycling can be decided according to the experiment results with a view to enhancing the utilization rate of waste concrete.

complexity and diversity; waste concrete; recycled aggregates

1006-7302（2013）03-0074-04

TU528.01

A

2013-05-23

王常焕（1958—），男，山东阳信人，副教授，研究方向为混凝土中微裂缝的形成机理与宏观力学行为、混凝土的强度及本构关系.