再生混凝土技術及其配合比設計方法

[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,因具有明顯的環(huán)境效益、經(jīng)濟效益和社會效益,正逐步受到人們的重視。本文闡述了再生混凝土技術的概念,再生混凝土的基本性質(zhì),并針對再生骨料吸水率較大而導致再生混凝土強度離散性大的特點,提出基于自由水灰比之上的再生混凝土配合比設計方法;并同普通混凝土配合比設計方法比較,分析了該方法對發(fā)展混凝土強度的優(yōu)越性及工程上的經(jīng)濟性,并建議將這種配合比設計方法推廣到其它混凝土中去。

[關鍵詞] 　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,價格低廉而不受重視,被認為是取之不盡的原材料而隨意浪費,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注的焦點。同時,大量混凝土建筑物因達到使用年限或由于市政建設的需要而被拆毀,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城市環(huán)境的污染。對廢棄混凝土進行循環(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計方法,以促進再生混凝土技術的研究,推廣再生混凝土在工程中的應用。

2 　再生混凝土技術

2. 1 　再生混凝土技術的概念

    再生混凝土技術是將廢棄混凝土塊經(jīng)過破碎、清洗、分級后,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。把廢棄混凝土塊經(jīng)過破碎、分級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) 市政工程的運遷以及重大基礎設施的改造產(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、臺風、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備、篩分設備、傳送設備合理的組合在一起的生產(chǎn)工藝過程。實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、棱角效應,會增大再生混凝土拌合物的磨擦阻力,導致在配合比相同的情況下,再生混凝土的流動性比普通混凝土差,但粘聚性和保水性較好。若粗細骨料全部使用再生骨料時,混凝土拌合物需水量增加25kgPm³ ,增加百分數(shù)為15%。由于用水量的增多,導致單方水泥用量增多,這是配制再生混凝土不經(jīng)濟的地方。

3. 2 　再生混凝土的強度

    再生骨料對混凝土強度的影響主要在界面。由于再生骨料的親水性較強,能很快被水潤濕,而且再生骨料表面有許多微裂紋,會吸入新的水泥顆粒,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,再生混凝土的強度可能高于再生骨料的強度。

    再生混凝土強度要受基體混凝土的強度、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。一般認為,再生混凝土比基體混凝土強度稍低,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,當粗骨料全部使用再生骨料時,則混凝土的導熱系數(shù)降低28 %,若再加入引氣劑,再生混凝土的導熱系數(shù)可降低44%。由此可見再生混凝土適合用于維護材料和結(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計

4. 1 　再生混凝土強度的離散性

    在混凝土的配合比設計中,采用如下的混凝土的試配強度公式: fd = fh + tσ.其中, fd為混凝土的試配強度; fh為混凝土的立方抗壓強度標準值; t 為保證率系數(shù),σ為標準差,反映混凝土強度的波動情況,σ越大,說明混凝土強度離散程度越大,混凝土質(zhì)量也越不穩(wěn)定。由此公式可以看出,在一定的混凝土強度標準值和在規(guī)定的強度保證率的情況下,標準差σ越大,要求試配強度越大,導致水泥用量的增大,這在混凝土的配制中是不經(jīng)濟的。在普通混凝土中,標準差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計方法,標準差σ可達到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度離散顯著增大。

4. 2 　再生骨料對再生混凝土配合比設計的影響

    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)。在計算混凝土各組成材料配比時,若以飽和面干狀態(tài)的骨料為基準,則不會影響混凝土的用水量和骨料的用量,因為飽和面干狀態(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),導致再生混凝土隨著時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計方法

    為解決再生骨料吸水率較大而引起再生混凝土強度波動的問題,提出了基于自由水灰比之上的配合比設計方法。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,提高拌和物的流動性,并且在混凝土凝結(jié)硬化時,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,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計方法的優(yōu)點

    這種基于自由水灰比之上的配合比設計方法,可大大降低標準差σ,節(jié)約水泥用量。同時這部分吸附水存儲在骨料內(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,這對混凝土的強度發(fā)展是非常有利的。隨著水化的進一步進行,當周圍環(huán)境較干燥和自由水分蒸發(fā)時,骨料可以釋放掉內(nèi)部的水分,保證混凝土在較長時間內(nèi)保持一定的濕度,促進混凝土強度的發(fā)展。這種“內(nèi)養(yǎng)護”通常比外部養(yǎng)護作用更大、更均勻,而且更經(jīng)濟。這與目前冰島、荷蘭和澳大利亞的一些研究和應用以吸水飽和的多孔骨料配制高強和高性能混凝土效果類似。

4. 5 　自由水灰比配合比設計在其它混凝土中的應用

    如果將這種基于自由水灰比之上的配合比設計方法應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度確定,吸附水可以在拌和混凝土時,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,應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計方法,而且可以在所有混凝土配合比設計中制定一個統(tǒng)一的標準。

5 　結(jié)束語

    近年來我國工程建設進入高速發(fā)展階段,混凝土作為用量最大的人造建筑材料對自然資源的占用和對環(huán)境造成的負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,節(jié)省了天然砂石骨料,緩解了因開采砂石骨料對環(huán)境造成的破壞,有效的解決了廢物處理、廢物利用的問題,具有明顯的社會效益、經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。