再生混凝土技术及其配合比设计方法

[摘　要] 　使用废弃混凝土块代替天然骨料配制再生混凝土技术,因具有明显的环境效益、经济效益和社会效益,正逐步受到人们的重视。本文阐述了再生混凝土技术的概念,再生混凝土的基本性质,并针对再生骨料吸水率较大而导致再生混凝土强度离散性大的特点,提出基于自由水灰比之上的再生混凝土配合比设计方法;并同普通混凝土配合比设计方法比较,分析了该方法对发展混凝土强度的优越性及工程上的经济性,并建议将这种配合比设计方法推广到其它混凝土中去。

[关键词] 　再生骨料; 再生混凝土; 自由水灰比; 配合比

1 　前言

    混凝土是当代用量最大的人造建筑材料,1999年我国混凝土用量约为20 亿m³ ,居全球之冠,而混凝土中砂石骨料用量又占总重量的70 %以上,用量十分巨大。长期以来,由于砂石骨料来源广泛易得,价格低廉而不受重视,被认为是取之不尽的原材料而随意浪费,随着混凝土用量的增大,因开采砂石骨料而造成的资源枯竭和环境破坏已成为人们关注的焦点。同时,大量混凝土建筑物因达到使用年限或由于市政建设的需要而被拆毁,产生越来越多的建筑垃圾,其中含有大量的废弃混凝土块,对城市环境造成污染。由于废弃混凝土块中含有大量砂石骨料,如果能将它们就地回收,经过破碎、清洗、分级后作为骨料再利用,生产再生混凝土,用到新建建筑物上,则不仅能降低成本、节省天然骨料资源、缓解骨料供求矛盾,还能减轻废弃混凝土块对城市环境的污染。对废弃混凝土进行循环再利用被看作是发展绿色混凝土的主要措施之一。

    本文论述了再生混凝土技术的概念、再生混凝土的性质并首次提出基于自由水灰比之上的再生混凝土配合比设计方法,以促进再生混凝土技术的研究,推广再生混凝土在工程中的应用。

2 　再生混凝土技术

2. 1 　再生混凝土技术的概念

    再生混凝土技术是将废弃混凝土块经过破碎、清洗、分级后,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术。把废弃混凝土块经过破碎、分级并按一定的比例混合后形成的骨料称为再生骨料( recycled aggregate) ,而把利用再生骨料作为部分或全部骨料配制的混凝土,称为再生骨料混凝土(recycled aggregate concrete) ,简称再生混凝土。相对于再生混凝土而言,把用来生产再生骨料的原始混凝土称为基体混凝土(original concrete) ,简称再生混凝土。

2. 2 　再生骨料的制造过程

    用来生产再生骨料的废弃混凝土主要有以下几种来源:1) 建筑物因达到使用年限或因老化被拆毁,产生废弃混凝土块,这是废弃混凝土块的主要来源;2) 市政工程的运迁以及重大基础设施的改造产生废弃混凝土块;3) 商品混凝土工厂产生的废弃混凝土;4) 因意外原因如地震、台风、洪水等造成建筑物倒塌而产生废弃混凝土块。

    用废弃混凝土块制造再生骨料的过程和天然碎石骨料的制造过程相似,都是把不同的破碎设备、筛分设备、传送设备合理的组合在一起的生产工艺过程。实际的废弃混凝土块中,不可避免的存在着钢筋、木块、塑料碎片、玻璃、建筑石膏等各种杂质,为确保再生混凝土的品质,必须采取一定的措施将这些杂质除去。

2. 3 　再生骨料的性质

    同天然砂石骨料相比,再生骨料由于含有30 %左右的硬化水泥砂浆,从而导致其吸水性能、表观密度等物理性质与天然骨料不同。

    再生骨料表面粗糙、棱角较多,并且骨料表面还包裹着相当数量的水泥砂浆(水泥砂浆孔隙率大、吸水率高) ,再加上混凝土块在解体、破碎过程中由于损伤积累使再生骨料内部存在大量微裂纹,这些因素都使再生骨料的吸水率和吸水速率增大,这对配制再生混凝土是不利的。同样由于骨料表现的水泥砂浆的存在,使再生骨料的密度和表观密度比普通骨料低。表1 为比较有代表性的再生骨料的物理性质。

3 　再生混凝土的性质

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响很大。由于再生骨料有较大的吸水率,以及骨料表面粗糙的粒形效应、棱角效应,会增大再生混凝土拌合物的磨擦阻力,导致在配合比相同的情况下,再生混凝土的流动性比普通混凝土差,但粘聚性和保水性较好。若粗细骨料全部使用再生骨料时,混凝土拌合物需水量增加25kgPm³ ,增加百分数为15%。由于用水量的增多,导致单方水泥用量增多,这是配制再生混凝土不经济的地方。

3. 2 　再生混凝土的强度

    再生骨料对混凝土强度的影响主要在界面。由于再生骨料的亲水性较强,能很快被水润湿,而且再生骨料表面有许多微裂纹,会吸入新的水泥颗粒,使接触区的水化更加完全,形成致密的界面结构。这样,由于界面结合得到加强,再生混凝土的强度可能高于再生骨料的强度。

    再生混凝土强度要受基体混凝土的强度、再生骨料的品质、再生骨料替代率以及再生混凝土的配合比等因素影响。一般认为,再生混凝土比基体混凝土强度稍低,降低范围为0%～30%左右。

3. 3 　再生混凝土的其它性质

    再生混凝土的弹性模型较低,变形较大,延性较好,这使得再生混凝土具有较好的抗震性能和抵抗动荷载的能力。另外,再生骨料的孔隙率较大,表观密度较小,使再生混凝土具有较好的保温性能。如水灰比为016 的再生混凝土,当粗骨料全部使用再生骨料时,则混凝土的导热系数降低28 %,若再加入引气剂,再生混凝土的导热系数可降低44%。由此可见再生混凝土适合用于维护材料和结构保温材料。但是,再生混凝土由于水泥砂浆含量多,所以其干缩值和徐变较大,这是影响其应用的最不利因素。

4 　基于自由水灰比之上的再生混凝土配合比设计

4. 1 　再生混凝土强度的离散性

    在混凝土的配合比设计中,采用如下的混凝土的试配强度公式: fd = fh + tσ.其中, fd为混凝土的试配强度; fh为混凝土的立方抗压强度标准值; t 为保证率系数,σ为标准差,反映混凝土强度的波动情况,σ越大,说明混凝土强度离散程度越大,混凝土质量也越不稳定。由此公式可以看出,在一定的混凝土强度标准值和在规定的强度保证率的情况下,标准差σ越大,要求试配强度越大,导致水泥用量的增大,这在混凝土的配制中是不经济的。在普通混凝土中,标准差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设计方法,标准差σ可达到13.0MPa ,这是由于再生骨料吸水率较大且再生骨料的品质变化较大,引起再生混凝土的强度离散显著增大。

4. 2 　再生骨料对再生混凝土配合比设计的影响

    骨料的含水状态通常可分为四种:干燥状态、气干状态、饱和面干状态和湿润状态。在计算混凝土各组成材料配比时,若以饱和面干状态的骨料为基准,则不会影响混凝土的用水量和骨料的用量,因为饱和面干状态的骨料既不从混凝土中吸收水分也不向混凝土中释放水分。对于再生混凝土,再生骨料较大的吸水率和特殊的表面性质,导致再生混凝土随着时间的推移水分不断减少,这将难以保证混凝土正常的凝结硬化。

4.3 　基于自由水灰比之上的配合比设计方法

    为解决再生骨料吸水率较大而引起再生混凝土强度波动的问题,提出了基于自由水灰比之上的配合比设计方法。将再生混凝土的拌和用水量分为两部分,一部分为骨料所吸附的水分,这部分水完全被骨料所吸收,在拌和物中不能起到润滑和提高流动性的作用,把它称为吸附水,吸附水为骨料吸水至饱和面干状态时的用水量;另一部分为拌和用水量,这部分水分布在水泥砂浆中,提高拌和物的流动性,并且在混凝土凝结硬化时,这部分自由水除有一部分蒸发外,其余的要参与水泥的水化反应,称为自由水。其中,自由水与水泥用量之比称为自由水灰比,用W3PC表示。再生混凝土的强度主要取决于自由水灰比。

4. 4 　基于自由水灰比之上的配合比设计方法的优点

    这种基于自由水灰比之上的配合比设计方法,可大大降低标准差σ,节约水泥用量。同时这部分吸附水存储在骨料内部,起到蓄水池作用,为水泥的水化和凝结硬化提供充足的水分,这对混凝土的强度发展是非常有利的。随着水化的进一步进行,当周围环境较干燥和自由水分蒸发时,骨料可以释放掉内部的水分,保证混凝土在较长时间内保持一定的湿度,促进混凝土强度的发展。这种“内养护”通常比外部养护作用更大、更均匀,而且更经济。这与目前冰岛、荷兰和澳大利亚的一些研究和应用以吸水饱和的多孔骨料配制高强和高性能混凝土效果类似。

4. 5 　自由水灰比配合比设计在其它混凝土中的应用

    如果将这种基于自由水灰比之上的配合比设计方法应用在普通混凝土和其它混凝土中,可以不考虑骨料的吸水率和表面性质的不同,自由水灰比均由混凝土的和易性和强度确定,吸附水可以在拌和混凝土时,先将这部分用水量加到再生骨料中,若采用不同品质的再生骨料时,应分别加入各自的所需吸附水,这样,不但可以简化混凝土的配合比设计方法,而且可以在所有混凝土配合比设计中制定一个统一的标准。

5 　结束语

    近年来我国工程建设进入高速发展阶段,混凝土作为用量最大的人造建筑材料对自然资源的占用和对环境造成的负面影响已引起了可持续发展问题的讨论。这种再生混凝土的生产技术,节省了天然砂石骨料,缓解了因开采砂石骨料对环境造成的破坏,有效的解决了废物处理、废物利用的问题,具有明显的社会效益、经济效益和环境效益。