再生骨料绿色混凝土预制衬砌抗压和抗冻性能试验研究

2021-10-19徐子龑马吉刚

水利建设与管理 2021年9期

韩鹏徐子龑马吉刚

(1.山东省调水工程运行维护中心，山东济南 250100；2.山东水发集团，山东济南 250102)

为了在调水工程建设中贯彻好绿色发展理念，结合引黄济青改扩建渠道衬砌改造工程，开展使用旧衬砌板生产再生骨料、制造绿色混凝土预制衬砌的试验研究，以实现资源的再生利用，达到降低建设项目成本和保护生态环境的目的。为了确保绿色混凝土预制衬砌的性能指标符合设计要求，项目组重点研究了不同替代率再生骨料对绿色混凝土预制衬砌抗压、抗冻等性能的影响，以综合评价绿色混凝土预制衬砌在调水工程中应用的可行性。

1 研究背景

作为当今世界工程领域中使用量最大、范围最广的一种基本材料，混凝土绿色化已经成为一种趋势[1]。使用再生骨料生产再生混凝土实现资源的再生利用以保护生态环境[2]，是绿色混凝土的重要研究方向。

骨料在胶结材料的包裹下，获得了优于自然条件的保护，在混凝土产品因风化、侵蚀等性能降低[3]的过程中，骨料的性能指标没有显著变化。通过破碎、洗选，消除掉基质成分，可以再生为合格的骨料产品,通过合理的配合比生产符合建设要求的绿色混凝土[4-5]。

早在20世纪40年代，国外就已经开始了再生绿色混凝土的研究，并取得了一定的成果[6]。20世纪80年代左右，日本就制定了《资源重新利用促进法》和《再生骨料和再生混凝土使用规范》等法律法规，以保障建筑资源的再生利用[7]。虽然我国对再生混凝土技术的研究和应用开始较晚，但随着人们对环境保护和可持续发展的重视，绿色混凝土研究与应用也迅速展开。2007年，同济大学肖建庄教授主编的上海市地方标准《再生混凝土应用技术规程》(DG/TJ 08—2018—2007)在上海试用。近年来国内对再生混凝土的研究主要集中在再生骨料的的强化方面，以提高骨料和混凝土产品的性能[8]。

调水工程中结合渠道衬砌改造工程开展再生骨料和绿色混凝土的研究和应用仍然较少。调水工程渠道衬砌在工程运行过程中，主要因水流冲刷、冻融剥蚀等产生破坏，因此对混凝土性能的要求较其他行业有显著差异。本研究重点对绿色混凝土预制衬砌的抗压和抗冻性能进行了试验分析和验证。

2 试验方案

根据引黄济青改扩建工程实际情况，试验结合东营段衬砌改造工程开展研究。首先对废旧预制衬砌进行破碎、清洗和筛分，得到再生粗、细骨料；然后进行再生粗细骨料性能测试和不同替代率的绿色混凝土性能室内试验测定；根据室内试验结果选择合适的绿色混凝土配比进行工程现场验证。

2.1 试验设计

通过使用再生骨料对混凝土中骨料进行不同比例的替代，将混凝土制成标准试块，按照《水工混凝土试验规程》(SL 352—2006)测试抗压、抗冻融等性能指标。为充分对照测试再生骨料替代率对绿色混凝土产品的性能影响，试验分为天然细骨料(河砂)和再生细骨料两组，每组再按不同粗骨料替代率进行试验，共设置9组不同配合比进行对照试验，各配合比见表1。

表1 绿色混凝土不同再生骨料替代率试验配合比单位：kg

2.2 再生骨料性能检测

在引黄济青改扩建工程东营段渠道整体取样470块(每块板平均30.1kg，容重为2.14t/m3)废旧预制衬砌进行破碎试验。试验使用锤式破碎设施，破碎清洗后通过筛分设备，分级5～20mm的再生粗骨料和5mm以下的再生细骨料。按《水工混凝土试验规程》(SL 352—2006)对破碎所得骨料进行骨料含水率、表观密度、吸水率和压碎指标等方面的性能检测，结果见表2～表3。

表2 再生细骨料的物理性能

表3 再生粗骨料的物理性能

由表3可见，与天然粗骨料的表观密度2730kg/m3相比，再生粗骨料的表观密度明显降低，为2650kg/m3，降幅达3%。同时，再生粗骨料的饱和面干吸水率为3.6%，高于DL/T 5144—2001要求的2.5%。经分析得出是由于破碎再生过程中部分再生粗骨料表面胶着旧砂浆未完全脱落形成空隙，同时破碎使再生骨料内部产生一定的微裂纹，造成了再生粗骨料的吸水率偏高[9]。

2.3 试验结果

试验对绿色混凝土的含气量、坍落度、强度、抗冻性能等按照《水工混凝土试验规程》(SL 352—2006)进行了测定。再生骨料的使用对混凝土拌和物的含气量影响不大。由于再生细骨料吸水性比较大[10]，因此再生细骨料的使用较为显著地降低了混凝土拌和物的坍落度，与使用天然细骨料对照组相比降低5～10mm。由于本次试验的重点是绿色混凝土产品的强度和抗冻性能，坍落度变化不再赘述。

2.3.1 再生骨料对混凝土抗压强度的影响

试验测定了混凝土试件的7天和28天强度，结果对比见图1。

图1 绿色混凝土试件强度对比

通过对两组混凝土7天、28天抗压强度进行对比，天然细骨料7天抗压强度总体略高于再生细骨料对照组，再生细骨料28天抗压强度总体高于天然细骨料对照组。初步分析认为再生细骨料吸水性较大，参与水泥水化的水相对减少，即水化过程水胶比减小，随着水化的逐步发展，28天的强度就较高。抗压强度的对比基本符合研究预期。

2.3.2 再生骨料对混凝土抗冻融性能的影响

抗冻融性能试验对冻融质量损失和冻融循环前后的动弹模量进行了测定。按照规程，先测定冻融前质量和动弹模量，然后在50、100、150、200次的冻融循环后分别测定质量损失和动弹模量。冻融质量损失对比见图2。

图2 绿色混凝土冻融循环质量损失对比

通过对两组混凝土50、100、150、200冻融循环后的质量损失进行对比，经50次循环后，各组再生混凝土试块的质量均有不同程度的增加。分析原因是抗冻融循环过程中，由抗冻损失造成的内部裂纹可以成为水分的通道。不论全部天然细骨料还是全部再生细骨料，粗骨料替代率由小到大，质量损失率逐渐增大。但天然细骨料搭配再生骨料时，冻融损失较小。使用天然细骨料搭配40%天然粗骨料经200次冻融循环后，质量损失率也仅有1.29%，表明混凝土结构致密，抗冻性能较好，与程亮[11]研究结论基本相符。粗骨料替代率为30%～100%，使用天然细骨料比使用再生细骨料冻融质量损失率下降相对较小。

动弹模量对比结果见图3。

图3 绿色混凝土冻融后动弹模量对比

通过对比可以得知，不论全部天然细骨料还是全部再生细骨料，粗骨料替代率由小到大，相对动弹模量损失逐渐增大。当使用再生细骨料，粗骨料替代率为100%时，冻融循环F200次相对动弹模量下降到小于60%，但是冻融循环F150仍然高于60%，能满足引黄济青设计需要。

对比可见，再生细骨料的使用对混凝土抗冻融性能影响较大，主要原因是再生细骨料表面粗糙、附着砂浆较多，破碎再生时产生较多的裂纹，增大了混凝土的孔隙率，存积了较多的游离水，更容易造成冻融破坏[12]。

2.4 现场试验

衬砌改造过程中不满足直接复用的旧混凝土板，按照破碎试验的流程进行破碎、清洗筛分。使用再生粗骨料100%替代率结合天然细骨料的配合比(9号试验配比)生产绿色混凝土预制衬砌板(60cm×40cm×6cm)，养护28天后用于引黄济青改扩建工程广饶段64+778～65+178渠坡衬砌。另使用5号试验配比(全天然骨料)生产同规格的预制衬砌板，养护28天后用于桩号广饶段65+178～65+578渠坡衬砌。

400m试验段共铺设绿色混凝土预制衬砌板约32000块，使用再生骨料约520t，经检测，衬砌板平均抗压强度为35MPa，F150冻融循环后相对动弹模量为86%，质量损失1.7%，均高于设计C30要求。

该段衬砌改造工程于2019年11月完工验收，12月开始通水运行，至2021年3月已经两个冬季冰期输水，运行平稳。现场观察，衬砌板面平整，无冻融剥蚀、断裂等现象，特别是2020年冬季极端低温情况下未见冻融剥蚀。停水期间，对两段衬砌水下、水位变幅区及水上衬砌板分别进行随机回弹检测，每段测试衬砌板30块以上，其中绿色混凝土预制衬砌回弹平均值为36.8(角度修正后)，各部位无明显差距；天然骨料对照段预制衬砌回弹平均值为38.8(角度修正后)，各部位无明显差距。室内、外试验均表明绿色混凝土预制衬砌的产品性能满足设计和调水运行要求。

3 应用效益分析

3.1 经济效益

a.通过对破碎混凝土旧板生产再生骨料过程中使用的机械、材料等进行计算，全部再生骨料的生产费用约为13.6元/m3。同期工程周边的天然粗骨料单价约110元/m3，细骨料80元/m3。按照引黄济青改扩建渠道衬砌改造典型断面设计计算，每千米渠道预制衬砌使用粗骨料约930m3。仅粗骨料利用一项，全部渠道256km就节约资金约2700万元。细骨料可用于垫层，破碎产生的水泥石粉也可用于生产空心砖[13]。若在做好环境保护、生态保护措施的前提下，在改扩建工程的渠道弃土区进行破碎生产，结合利用渠道水源、占地等，成本还可进一步下降。因此，使用废旧衬砌板生产再生骨料、绿色混凝土预制衬砌本身就具有较好的经济价值。

b.旧板破碎生产再生骨料后，全部产物均可用于工程建设，在渠道衬砌修复改建中减少了废旧混凝土衬砌板处置所需的经济成本。

3.2 生态效益

a.使用旧衬砌板生产再生骨料、制造绿色混凝土预制衬砌降低了天然骨料的开采利用，减少了因石材的开采产生的损坏山体植被、造成水土流失及生态破坏。

b.使用再生骨料制造绿色混凝土预制衬砌减少了处置废旧衬砌板所需的土地资源。废旧混凝土预制板如作为建筑垃圾进行处填埋处置，占用土地资源，污染环境。按照我国当前建筑垃圾处理现状计算，每万吨建筑垃圾占地2.5亩[14]，处置引黄济青改扩建产生的废旧衬砌板需占用土地150亩。通过再生骨料生产结合旧板复用可以减少占用该部分土地，保护了生态环境。