劉震宇,秦鴻根,劉冠國,馬 彪,張國榮

(1.江蘇省無錫市航道管理處,江蘇 無錫 214031; 2.東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 211189;3.蘇交科集團股份有限公司,江蘇 南京 211000)

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再生混凝土力學(xué)性能提升技術(shù)與應(yīng)用

劉震宇1,秦鴻根2,劉冠國3,馬 彪2,張國榮3

(1.江蘇省無錫市航道管理處,江蘇 無錫 214031; 2.東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 211189;3.蘇交科集團股份有限公司,江蘇 南京 211000)

針對大量混凝土廢棄物造成生態(tài)環(huán)境日益惡化及天然骨料資源日益缺乏的問題,通過配制不同強度等級和不同再生骨料摻量的再生混凝土,并結(jié)合錫澄運河三級航道整治工程對再生混凝土力學(xué)性能及其提升技術(shù)進行試驗研究。結(jié)果表明:再生骨料的摻量對C35及以下中低強度混凝土力學(xué)性能影響較小,而對C40及以上中高強度混凝土有較大影響,隨再生骨料摻量的增加,再生混凝土力學(xué)性能降低;通過合理選用再生骨料級配、與天然骨料復(fù)摻、對再生骨料進行強化以及優(yōu)化配合比參數(shù)等措施能提升混凝土力學(xué)性能;錫澄運河三級航道整治工程實際應(yīng)用取得了很好的技術(shù)經(jīng)濟效益。

再生混凝土;廢棄混凝土;再生骨料;力學(xué)性能;航道整治;錫澄運河

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展,每年的基礎(chǔ)建設(shè)需要消耗大量的混凝土,大量的消耗必然帶來大量廢棄混凝土的產(chǎn)生。據(jù)統(tǒng)計,近幾年我國每年產(chǎn)生的建筑垃圾總量在15.5億～24億t,其主要部分為廢棄混凝土;目前我國城市的存量建筑垃圾已超過30億t,每年至少還有3億t的增量[1]。作為混凝土主要組成材料,天然骨料如天然砂石資源趨于枯竭,其開采成本較高,對自然生態(tài)環(huán)境也有嚴(yán)重的破壞,此外垃圾處理用地不斷減少,不斷增長的垃圾處理費用[2]也凸顯對廢棄混凝土的再生利用進行研究的重要性。日本于1977年就在全國各地建立了處理混凝土廢棄物的加工廠,生產(chǎn)再生骨料和再生混凝土[3]。美國每年在道路維修和重建中回收約20億t的混凝土廢料,據(jù)推測,到2020年,這個數(shù)字將會上升到25億t[4]。目前主要有3種處理廢棄混凝土的方法:①開發(fā)降解廢棄混凝土的技術(shù)以減少固體垃圾量;②將廢棄混凝土作為原材料,進行破碎、粉磨、煅燒來生產(chǎn)制造水泥;③破碎并磨細(xì)廢棄混凝土,使其成為微細(xì)粉摻合料,替代部分水泥來配制混凝土[5]。

Mandal等[6]研究發(fā)現(xiàn)再生混凝土抗壓強度比普通混凝土低,多數(shù)研究者的試驗也證實了這個結(jié)論;但Salem[7]研究表明,再生混凝土的抗壓強度相比普通混凝土是提高的。Ahmad[8]則發(fā)現(xiàn)再生混凝土的抗拉強度與普通混凝土相差無幾。肖建莊[9]經(jīng)試驗研究得出再生混凝土的彈性模量與普通混凝土相比有所下降。

陳宗平等[10-12]研究發(fā)現(xiàn)再生與天然粗骨料的配比問題是再生混凝土與普通混凝土的最大區(qū)別,即再生粗骨料摻量的變化是導(dǎo)致再生混凝土力學(xué)性能發(fā)生改變的原因。季天劍等[13]研究表明，采用再生混凝土骨料等量取代70%天然骨料配制的粉煤灰再生混凝土，其抗疲勞性能與普通混凝土相當(dāng)，可用于水泥混凝土路面建設(shè)。Kong等[14]采用新型攪拌工藝,先在再生骨料表面包裹一層火山灰材料再澆注,以提高再生混凝土的力學(xué)性能。為合理使用不同強度的再生骨料,同時提升再生混凝土力學(xué)性能,本文結(jié)合無錫市錫澄運河三級航道整治工程,將廢棄構(gòu)造物混凝土作為再生集料配制再生混凝土用于河道工程的改造,進行了再生混凝土力學(xué)性能提升技術(shù)與應(yīng)用研究。

1 原材料與試驗方法

1.1 試驗原材料

a. 水泥、粉煤灰和礦渣微粉:水泥為中國水泥廠海螺牌P·O42.5水泥,依據(jù)GB175—2007《通用硅酸鹽水泥》來檢測水泥的化學(xué)成分;粉煤灰為鎮(zhèn)江諫壁電廠蘇源公司產(chǎn)的Ⅰ級粉煤灰;礦渣微粉采用江南粉磨公司生產(chǎn)的S95級礦渣微粉。膠凝材料化學(xué)成分測試結(jié)果見表1。

表1 膠凝材料化學(xué)成分各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

b. 減水劑:采用江蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)的高性能聚羧酸減水劑,含固量20%,減水率30%,28 d抗壓強度比145%。

c. 天然骨料:細(xì)骨料為贛江中砂,細(xì)度模數(shù)為2.7;粗骨料為石灰?guī)r碎石,壓碎指標(biāo)值為7.4%,由5～16 mm和5～31.5 mm的碎石配制而成,干表觀密度為2 710 kg/m3,堆積密度為1 490 kg/m3,吸水率為1.9%。

d. 再生粗骨料:為現(xiàn)場河道整治廢棄的C30混凝土經(jīng)過顎式破碎機破碎、清洗與分級處理后,再篩分出5～16 mm和16～31.5 mm這兩個粒級,然后混合復(fù)配成5～31.5 mm連續(xù)級配的再生粗骨料。壓碎指標(biāo)值為14.4%,洛杉磯磨耗率為24.5%,干表觀密度為2 460 kg/m3,堆積密度為1 310 kg/m3,吸水率為5.1%。

e. 水:為自來水。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗方案設(shè)計

采用再生骨料等量取代天然骨料來進行對比試驗,礦物摻合料采用Ⅰ級粉煤灰與S95礦渣微粉按1∶1等量取代30%水泥。試驗配制了C20、C30和C50共3個不同強度等級的基準(zhǔn)混凝土,設(shè)計的試驗配合比如表2所示。再生粗骨料以0%、20%、40%和60%的摻量等量取代天然骨料,共制備出不同強度等級和不同再生骨料取代率的12組混凝土,通過測試混凝土工作性能、表觀密度、抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度以及靜彈性模量等性能,研究不同再生骨料摻量對不同強度等級混凝土性能的影響規(guī)律。

表2 混凝土試驗配合比

注:試驗中各等級配合比分4組,分別對應(yīng)再生骨料4種摻量。

1.2.2 力學(xué)性能試驗

混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度依據(jù)GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進行。按標(biāo)準(zhǔn)方法成型混凝土試件,拆模后進行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護,在規(guī)定的齡期進行混凝土的力學(xué)性能測試。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 再生骨料摻量對再生混凝土力學(xué)性能的影響

2.1.1 對抗壓強度的影響

圖1 再生混凝土28 d抗壓強度

圖1為抗壓強度試驗結(jié)果,可以看出,再生骨料摻量對混凝土抗壓強度的影響較大,但不同強度等級的再生混凝土抗壓強度發(fā)展規(guī)律是不同的,對C20混凝土,隨著再生骨料摻量的增加,再生混凝土抗壓強度變化幅度不大,甚至有一定的增幅;對C35混凝土,摻量在40%以下時,再生混凝土抗壓強度變化不大,而在60%摻量時抗壓強度明顯下降;而再生骨料摻量對C50強度等級的再生混凝土影響更為明顯,隨著再生骨料摻量的增加,混凝土抗壓強度減小。

低水膠比的再生混凝土抗壓強度低于普通混凝土,這是由于砂漿強度較高,新舊砂漿之間的黏結(jié)較為薄弱,再生骨料表面存在著較多的微裂縫,再生骨料孔隙率較高,在承受軸向應(yīng)力時會形成應(yīng)力集中,這些原因均導(dǎo)致混凝土抗壓強度下降,且隨著摻量的增加,強度逐步降低。摻60%再生骨料的混凝土其抗壓強度降低幅度可達到20%以上。在發(fā)生破壞時,再生骨料內(nèi)部先破壞,或是在新老砂漿界面先破壞,前者主要是由于再生骨料中砂漿與石子間的薄弱環(huán)節(jié)——界面過渡區(qū)發(fā)生破壞,后者主要原因是砂漿與再生骨料間黏結(jié)作用較弱。

C20再生混凝土抗壓強度反而會比普通混凝土抗壓強度略有提高,可能是由于砂漿強度較低,再生骨料粗糙的表面與砂漿有更好的黏結(jié)性,此外,再生骨料吸水導(dǎo)致混凝土局部水灰比降低,同時再生骨料所吸收的水分緩慢釋放促進混凝土的養(yǎng)護,使得再生混凝土后期抗壓強度有所提高。

2.1.2 對抗折強度和劈裂抗拉強度的影響

圖2和圖3分別為抗折強度和劈裂抗拉強度試驗結(jié)果,可以看出,對C20混凝土,再生骨料摻量越高,再生混凝土的抗折強度越高,劈裂抗拉強度也有所提高。但對于C35和C50混凝土,隨著再生骨料摻量的增加,混凝土抗折、劈裂抗拉強度反而明顯下降。由此可見,抗折、劈裂抗拉強度的變化規(guī)律與抗壓強度總體上是一致的。

圖2 再生混凝土28 d抗折強度

圖3 再生混凝土28 d劈裂抗拉強度

圖4 再生混凝土28 d靜壓彈性模量

2.1.3 對靜壓彈性模量的影響

圖4為靜壓彈性模量試驗結(jié)果,可以看出,隨著強度等級的提高,混凝土靜壓彈性模量增大,但再生混凝土靜壓彈性模量要小于普通混凝土。對于C35、C50混凝土,隨著再生骨料摻量的增加,再生混凝土靜壓彈性模量明顯減小,其中再生骨料60%摻量時分別降低13.7%和14.1%。而再生骨料摻量對于C20混凝土的影響則不顯著,靜壓彈性模量呈略下降趨勢。

2.2 再生混凝土力學(xué)性能提升方法

以上試驗結(jié)果表明,用再生粗骨料取代混凝土中的部分天然粗骨料,會對混凝土力學(xué)性能產(chǎn)生不良的影響,應(yīng)根據(jù)混凝土強度選用相應(yīng)強度等級的再生骨料,并采用必要的技術(shù)措施提升再生混凝土力學(xué)性能。為此,結(jié)合無錫市錫澄運河三級航道改造工程,配制了8組不同配合比的水工混凝土進行再生混凝土力學(xué)性能提升試驗研究。試驗分組編號中,R后數(shù)字表示再生骨料摻量百分比,B表示16～31.5 mm粒徑的再生粗骨料與5～16 mm的天然骨料配制成滿足連續(xù)級配要求的粗骨料。試驗通過改變再生骨料摻量、水膠比、粗骨料粒徑來研究再生混凝土性能,試驗結(jié)果如表3所示。

表3 再生混凝土力學(xué)性能

2.2.1 與天然骨料的摻配

天然骨料強度高于再生骨料,將再生粗骨料與天然骨料配制成滿足連續(xù)級配要求的粗骨料,此方法有利于再生混凝土力學(xué)性能的提高。由表3可見，對C35混凝土,全再生粗骨料混凝土抗壓強度明顯低于普通混凝土,而當(dāng)摻30%的5～31.5 mm再生骨料時,7 d和28 d抗壓強度與普通混凝土接近,比全再生骨料混凝土提高25.6%和17.8%;當(dāng)再生骨料摻量低于30%時,對再生混凝土抗壓強度影響不大,隨著摻量的提高混凝土抗壓強度逐漸減小,當(dāng)再生骨料摻量達到60%時,已明顯低于普通混凝土。

不同齡期的動彈性模量能較好地反映混凝土力學(xué)性能的變化,圖5為不同再生骨料摻量的再生混凝土動彈性模量隨齡期變化規(guī)律,表明再生混凝土動彈性模量低于普通混凝土,且動彈性模量隨著再生骨料摻量增加而降低。

圖5 C35再生混凝土動彈性模量變化規(guī)律

2.2.2 不同粒徑骨料的復(fù)合

與大粒徑再生骨料相比,小粒徑再生粗骨料砂漿含量高,含氣較高,強度較低。對C30母體混凝土的再生骨料進行洛杉磯磨耗試驗的結(jié)果表明,5～31.5 mm再生骨料的磨耗值為28.5%,而16～31.5 mm再生骨料的磨耗值為25.2%,降低11.6%。天然骨料性能優(yōu)于再生骨料,將二者混合摻加有利于提高再生混凝土力學(xué)性能。對C30R60、C35R60、C30R60B與C40R60B進行再生混凝土抗壓強度試驗,結(jié)果如表3所示。

C30R60組與C30R60B組配合比是相同的,而后者28 d抗壓強度明顯較高,提高約8.1%,甚至與C35R60組抗壓強度相當(dāng),且C40R60B組28 d抗壓強度增長率也較大。表明用16～31.5 mm的再生粗骨料與5～16 mm的天然骨料復(fù)摻,所配制的再生混凝土性能得到明顯改善,抗壓強度提高將近一個等級。

2.2.3 再生骨料化學(xué)強化

對再生骨料的強化可提高其抗壓強度,主要強化方法有物理強化、化學(xué)強化和濕處理3種。本文采用丙乳水泥漿液強化再生骨料,其水膠比為1∶1,丙乳摻量為5%,強化后的C30再生混凝土7 d抗壓強度比為112%,28 d抗壓強度比為107%,抗折強度比為114%,劈裂抗拉強度比為119%,表明化學(xué)強化技術(shù)對再生混凝土的力學(xué)性能提升是有利的。

2.2.4 混凝土配合比優(yōu)化

配合比參數(shù)對再生混凝土力學(xué)性能有重要影響,配制再生混凝土?xí)r,除了改善再生粗骨料性能外,對配合比參數(shù)的設(shè)計和優(yōu)化同樣重要,根據(jù)設(shè)計要求和再生骨料的性能優(yōu)化用水量、水膠比、砂率,選用優(yōu)質(zhì)的摻合料和外加劑品種,可使配制的混凝土具有良好的工作性能、力學(xué)性能和耐久性能。

3 廢棄構(gòu)造物混凝土的再生應(yīng)用

在無錫市錫澄運河三級航道整治工程中,為了充分利用廢棄構(gòu)造物混凝土,節(jié)約天然骨料資源,減少垃圾處理費用,按照工程設(shè)計要求,將經(jīng)破碎強化后的再生混凝土骨料采用優(yōu)化配合比設(shè)計方法制備出滿足工程建設(shè)需要的再生混凝土,應(yīng)用于護岸墻身、導(dǎo)流壩、橋面鋪裝、護欄等中低強度混凝土結(jié)構(gòu)部位,取得了良好的效果,現(xiàn)場施工的2組C25再生混凝土抗壓強度試驗結(jié)果如表4所示。

表4 現(xiàn)場施工的再生混凝土抗壓強度

從表4可看出,2組再生混凝土各齡期抗壓強度均滿足結(jié)構(gòu)混凝土性能要求,且隨著齡期的增加,混凝土抗壓強度明顯增加,這是膠凝材料繼續(xù)水化的結(jié)果。

廢棄構(gòu)造物混凝土的再利用具有較高的經(jīng)濟效益, 錫澄運河三級航道整治工程中使用再生混凝土10萬m3,按再生骨料摻量為40%(即1 m3混凝土中粗骨料取代量約為500 kg)計算,共節(jié)省造價約125萬元,同時還可節(jié)省廢棄混凝土建筑垃圾填埋處理費用,減少對環(huán)境的污染,取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

4 結(jié) 論

a. 對C35及以下的中低強度混凝土,再生骨料的摻量對混凝土力學(xué)性能影響不大,再生粗骨料取代40%以內(nèi)的天然粗骨料時,再生混凝土抗壓強度未見明顯降低;再生骨料摻量在40%以上時,再生混凝土抗壓強度下降。而對C40及以上的再生混凝土,其力學(xué)性能隨再生骨料摻量的增加而降低。

b. 再生粗骨料性能劣于天然粗骨料,粗粒徑再生骨料性能優(yōu)于細(xì)粒徑再生骨料,采用部分再生粗骨料與天然骨料摻配,且用16～31.5 mm再生粗骨料與5～16 mm天然骨料復(fù)摻,可明顯改善混凝土的力學(xué)性能。

c. 采用優(yōu)化混凝土配比等技術(shù)措施對再生骨料進行強化處理可明顯提高再生混凝土力學(xué)性能。

d. 錫澄運河三級航道整治工程應(yīng)用實踐表明,將廢棄構(gòu)造物混凝土就地加工成再生骨料,配制再生混凝土應(yīng)用于水利工程中具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

[1] 黃蒙,肖林源.建筑垃圾循環(huán)利用現(xiàn)狀的研究[J].資源節(jié)約與環(huán)保,2016(6):100-101.(HUANG meng,XIAO Linyuan.Research on the current situation of recycling utilization of construction waste[J].Resource Saving and Environmental Protection,2016(6):100-101.(in Chinese))

[2] KOU S C,POON C S,ETXEBERRIA M.Influence of recycled aggregates on long term mechanical properties and pore size distribution of concrete[J].Cement & Concrete Composites, 2011, 33(2):286-291.

[3] TOMOSAWA F,NOGUCHI T,TAMURA M.The way concrete recycling should be[J].Journal of Advanced Concrete Technology, 2005, 3(1):3-16.

[4] 張昌波.美國再生混凝土骨料的應(yīng)用[J]. 建筑機械,2008(8):52-53.(ZHANG Changbo.The application of recycled concrete aggregate in the United States[J].Construction Machinery,2008(8):52-53.(in Chinese))

[5] 張金蘭.地震災(zāi)區(qū)廢棄混凝土用于建筑和道路重建的探討[J].施工技術(shù),2008(增刊1):55-57.(ZHANG Jinlan. Discussion on waste concrete for reconstruction of building and road in seismic disastrous area[J].Construction Technology, 2008(Sup1):55-57. (in Chinese))[6] MANDAL S,CHAKARBORTY S,GUPTA A.Some studies on durability of recycled aggregate concrete[J].The Indian Concrete Journal, 2002(7):385-388.

[7] SALEM R M.Resistance to freezing and thawing of recycled aggregate concrete[J].ACI Materials Journal,2003, 100(3):216-221.

[8] AHMAD S H.Properties of concrete made with North Carolina recycled coarse and fine aggregates[R].Raleigh:North Carolina State University,2004.

[9] 肖建莊.再生混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€試驗研究[J].同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2007,35(11):1445-1449.(XIAO Jianzhuang.Experimental investigation on complete stress-strain curve of recycled concrete under uniaxial loading[J].Journal of Tongji University(Natural Science),2007,35(11):1445-1449.(in Chinese))

[10] 陳宗平,占東輝,徐金俊.再生粗骨料含量對再生混凝土力學(xué)性能的影響分析[J].工業(yè)建筑, 2015,45(1): 130-135.(CHENG Zhanping,ZHAN Donghui,XU Jinjun.Research on mechanical properties of recycled concrete using different recycled coarse aggregate replacement[J]. Industrial Construction,2015,45(1):130-135.(in Chinese))

[11] 吳瑾,丁東方,張聞.再生骨料混凝土梁抗剪性能試驗研究[J].河海大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2010, 38(1):83-86.(WU Jin, DING Dongfang, ZHANG Wen. Experimental study on shear behavior of recycled aggregate concrete beams[J].Journal of Hohai University(Natural Sciences),2010,38(1):83-86.(in Chinese))

[12] 丁國慶,蔣林華,儲洪強,等.膨潤土種類及摻量對塑性混凝土性能的影響[J].水利水電科技進展,2011,31(2):34-37.(DING Guoqing, JIANG Linhua,CHU Hongqiang, et al.Influence of types and dosage of bentonite on properities of plastic concrete[J]. Advances in Science and Technology of Water Resources,2011,31(2):34-37.(in Chinese))

[13] 季天劍，肖鵬，高玉峰.摻粉煤灰再生混凝土疲勞性能試驗研究[J].河海大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2010,38(3):274-277.( JI Tianjian, XIAO Peng, GAO Yufeng. Fatigue performance of recycling concrete with fly ash[J]. Journal of Hohai University(Natural Sciences), 2010,38(3):274-277.(in Chinese))

[14] KONG D Y,LEI T,ZHENG J J,et al.Effect and mechanism of surface-coating pozzalanics materials around aggregate on properties and ITZ microstructure of recycled aggregate concrete[J].Construction and Building Materials,2010,24(5):701-708.

Technique for improvement of mechanical properties of recycled concrete and its application///

LIU Zhenyu1, QIN Honggen2, LIU Guanguo3, MA Biao2, ZHANG Guorong3

(1.ChannelManagementDepartmentinWuxiCityofJiangsuProvince,Wuxi214031,China; 2.SchoolofMaterialScienceandEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing211189,China; 3.JiangsuTransportationInstituteGroupCo.,Ltd.,Nanjing211000,China)

In view of the ecological deterioration caused by massive concrete wastes and the lack of natural aggregate resources, an experimental study on mechanical properties of recycled concrete and the technique for their improvement was carried out for the Xicheng Canal three-class waterway regulation project through preparation of the recycled concrete with different strength grades and different recycled aggregate contents. The results show that the content of recycled aggregates has a weak effect on the mechanical properties of C35 concrete and concrete with even lower strength, but has a large influence on C40 concrete and concrete with even higher strength. With an increase of the recycled aggregate content, the mechanical properties of the recycled concrete degrade. The mechanical properties of the recycled concrete can be improved by rationally determining the recycled aggregate gradation, mixing in natural aggregates, strengthening the recycled aggregates, and optimizing the mix ratio. The application of the technique to the Xicheng Canal three-class waterway regulation project has achieved large economic benefits.

recycled concrete; waste concrete; recycled aggregate; mechanical property; channel regulation; Xicheng Canal

江蘇省交通科學(xué)研究計劃(2011Z1-5)

劉震宇(1970—),男,高級工程師,主要從事工程建設(shè)管理工作。 E-mail: wxgz101@163.com

秦鴻根(1955—),男,教授級高級工程師，主要從事土木工程材料研究。E-mail:qinhonggen@126.com

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.01.016

TU528.59

A

1006-7647(2017)01-0090-05

2015-11-16 編輯： 熊水斌)