摘 要:論述了再生骨料及再生混凝土的概念,對再生骨料的壓碎指標、表觀密度、吸水率及再生混凝土配合比、強度、彈性模量與普通混凝土進行了分析與對比,得出兩者基本性能方面的差異,對今后再生混凝土的研究具有一定的指導意義。
關鍵詞:再生骨料,再生混凝土,基本性能
中圖分類號: TU502 文獻標識碼:A
近年來隨著城市建設的發展,住房建設的加快,新建工程施工和舊建筑物維修、拆除過程中產生大量的廢棄混凝土,同時預計今后混凝土碎塊的產量將更多,如何處理這些廢棄混凝土,就成為一個迫切的問題。另外,天然資源趨于枯竭,針對高品質骨料供給將越來越難,世界上一些國家進行了再生混凝土的開發研究,應重視從混凝土碎塊中回收高品質再生骨料,還應該加大對混凝土結構方面的技術開發力度。文中在查閱國內外相關文獻基礎上分析研究,提供了再生骨料吸水率、表觀密度、壓碎指標及再生混凝土配合比、物理性能、強度、耐久性、彈性模量等數據。希望文中提供的數據能對再生混凝土的研究起到一定作用。
1 再生骨料的基本性能
1. 1 再生骨料的概念及其生產工藝
再生骨料是將廢棄混凝土經破碎、分級并按一定比例混合后形成的骨料。
目前世界上很多國家都有各自的再生骨料生產工藝,下面就再生混凝土骨料生產工藝作一介紹。
該再生骨料生產工藝的優點為:考慮我國勞動力成本較低,且機械不宜處理大塊雜質的實際,采用人工法對廢棄混凝土塊進行分選,除去鋼筋和木塊,將5 mm 以下的再生骨料視為雜質除掉(考慮到對5 mm 以下的骨料未做深入研究) ,設置了磁鐵分離器和分離臺用于除去鐵屑和碎塑料等細微雜質,設置了2 臺破碎機保證骨料粒徑在5 mm～40 mm 的范圍內,設置了沖洗設備保證粘土、淤泥、細屑等雜質的去除。
1. 2 再生骨料的壓碎指標
壓碎指標值表示再生骨料抵抗壓碎的能力,可以間接推算其相應的強度。目前再生骨料的壓碎指標可參照規范對天然骨料壓碎指標的要求,根據J GJ 53-1992 普通混凝土用卵石或碎石質量標準及檢驗方法規定的試驗方法測定。
再生骨料的強度特征取決于它的礦物組成、比重、吸水率及孔隙結構。而且原狀顆粒、廢棄砂漿顆粒以及次生顆粒含量的差異性對再生骨料的壓碎指標也有影響。再生骨料一般為表面包裹有部分砂漿的石子,少部分為與砂漿完全分離的石子,還有很少一部分顆粒為砂漿,加上在破碎過程中,其內部產生大量微裂縫,導致其孔隙率高,吸水性大。所以再生骨料壓碎指標高于天然骨料,且壓碎指標值變異系數較大。
1. 3 再生骨料的表觀密度
所謂表觀密度是指材料在自然狀態下的單位體積質量,其中自然狀態下的體積是指包括材料實體積和內部孔隙的表觀幾何形狀體積,再生骨料的表觀密度可參照天然骨料的測定方法測定。據研究表明,再生骨料面干狀態時的表觀密度明顯小于天然骨料。
影響再生骨料表觀密度的因素很多,主要包括:原生混凝土骨料的密度、強度等級、配合比、齡期、使用環境,再生骨料的級配、顆粒組成和性狀、含水率、表面水泥砂漿等。
文中通過試驗測得再生粗細骨料表觀密度如表1 所示。
1. 4 再生骨料的吸水率
天然巖石由于其孔隙體積含水量很低,所以常用的天然骨料吸水率很小。再生骨料表面包裹的硬化水泥砂漿使其表面粗糙,棱角較多,并且組分中包含有30 %左右的硬化水泥砂漿(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累積內部存在大量微裂縫,使再生骨料的孔含量增大,從而使其吸水率增大。另外從舊建筑物拆除現場取得的再生骨料與天然骨料采集廠的操作環境截然不同,含有較多的泥土和泥塊,這也會增大再生骨料的吸水率。表2 為再生骨料吸水率試驗數據,由表中數據可以看出,再生骨料的吸水率隨再生骨料表觀密度的減小而明顯增大。
由于再生骨料與天然骨料不同,吸水率大和吸水速率大,因此當用其配制混凝土時,攪拌用水要比天然骨料多5 %左右,相應也要多用水泥5 %左右。根據日本再生骨料標準,在配制再生混凝土時不推薦使用吸水率超過7 %的再生粗骨料和吸水率超過13 %的再生細骨料。
2 再生混凝土的基本性能
2. 1 再生混凝土的配合比
再生骨料各方面性能不同于天然骨料,所以再生混凝土配合比不能簡單地套用普通混凝土配合比設計方法,國內外很多學者對再生混凝土的配合比設計進行了研究。與天然混凝土相比,再生混凝土的配置主要考慮兩個方面:1) 再生骨料強度對新拌再生混凝土各方面性能(主要是力學性能) 的影響;2) 再生骨料大孔隙率引起的高吸水率對再生混凝土配合比中水的用量及新拌混凝土各方面性能的影響。
對第一個方面,彭獻生等的試驗發現,再生骨料強度對再生混凝土強度有一定影響,但并不明顯;Hansen 和Narud 研究了高、中、低三個強度系列中再生混凝土與普通混凝土強度的關系,得出結論:隨著用來加工再生骨料的原生混凝土強度的降低,再生混凝土的強度呈下降趨勢,并且影響的程度也相應減小;Nobuakiotsuki 等發現在水灰比為0. 55 時,再生混凝土的強度幾乎不受再生骨料強度的影響并且與普通混凝土強度相差不大,但當水灰比為0. 25 時再生混凝土強度隨再生骨料強度的降低而降低。再生骨料的顆粒級配對再生混凝土強度也有影響,再生骨料宜采用粗粒級( > 10 mm) ,而采用3 mm～10 mm 的再生骨料,混凝土強度明顯降低,而采用小于3 mm 的再生骨料,則會使混凝土強度急劇降低。
對第二個方面,不少學者從再生骨料的含水狀態入手。C. S.Poon 等研究了自然干、風干、面干飽和三種不同含水狀態的再生粗骨料按同一自由水灰比配制的再生混凝土,結論是:也有不少學者認為將再生混凝土拌合用水量分為兩部分,一部分是再生骨料達到面干飽和狀態所要吸附的水分,不起潤滑和提高流動性作用,稱吸附水。另一部分為自由水,分布在水泥砂漿中,能提高拌合物流動性并在混凝土凝結硬化時參與水化反應。史巍等的基于自由水灰比之上的再生混凝土配合比設計方法以及張亞梅等的再生骨料預吸水法都是在這種思想的基礎上提出的,還有學者通過適當選取因素和水平,進行正交試驗,進行最優配合比設計的探索。文中通過計算所得配合比設計如表3 所示。
2. 2 再生混凝土的抗壓強度
再生混凝土的強度除了受到影響普通混凝土強度的因素(水灰比、減水劑等) 影響外,還與原生混凝土的強度及使用情況、再生骨料破碎工藝、再生骨料級配及含水狀態、再生骨料取代率等因素有關,這導致再生混凝土的強度規律性較差,又由于不同的試驗方法和試驗條件,研究者所得的結論也不同。
再生混凝土強度比普通混凝土低的原因:再生骨料孔隙率較高,在承受軸向應力時容易形成應力集中現象;再生骨料與新舊水泥砂漿之間存在一些結合較弱的區域;再生骨料本身強度較低。蘇南、彭獻生得出結論:當水灰比高于0. 4 時,再生混凝土的抗壓強度隨水灰比減小而增大;但當水灰比低于0. 4 時,再生混凝土的抗壓強度不再隨水灰比的降低而有效增大。原因是當水灰比較高時,再生骨料周圍的水泥砂漿強度降低,混凝土的破壞自水泥漿體開裂,當水灰比較低時,水泥漿的強度相對較高,再生混凝土的強度趨于由再生骨料的強度控制,從而使得再生混凝土的抗壓強度無法隨水泥砂漿強度的提高而提高。
2. 3 再生混凝土的彈性模量
由于再生骨料中有大量的硬化水泥砂漿附著于原骨料顆粒上,再生混凝土的彈性模量通常較低,一般約為基體混凝土的70 %～80 %。刑振賢等的研究結果表明,水灰比對混凝土的彈性模量影響較大,當水灰比從0. 8 降到0. 4 時,再生混凝土的抗壓彈性模量增加了53. 7 %。屈志中報道的俄羅斯混合再生骨料配制的混凝土在摻入10 %的膨脹劑時可提高彈性模量8 %～10 % ,在摻入20 %膨脹劑時混凝土彈性模量提高不多,在2 %左右。
3 結語
1) 再生骨料的壓碎指標和表觀密度低于普通混凝土,吸水率高于普通混凝土。2) 再生混凝土的配合比中用水量要大于普通混凝土,抗壓強度低于普通混凝土且隨水灰比減小而增大,再生混凝土彈性模量低于普通混凝土。
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