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废旧混凝土回收与利用
废旧水泥混凝土再生利用技术的研究
成都市城市建设科学研究院陈位祥
摘要:
本文对利用废旧水泥混凝土生产的再生混凝土的性能进行了研究。
通过分析再生集料的性能,采用补偿吸水的方法配制再生混凝土,检测再生混凝土各项性能指标均满足要求,并将再生混凝土应用于工程中。
关键词:
再生集料再生混凝土性能应用
一、前言
近二三十年来,随着世界范围内城市化进程的加快,混凝土作为最大宗的人造材料对自然资源的占用及对环境造成的负面影响也引发了可持续发展问题的讨论。
世界每年拆除的废旧混凝土、新建建筑产生的废弃混凝土以及混凝土工厂、预制构件厂排放的废旧混凝土的数量是巨大的,然而目前世界上对于这些废旧混凝土的处理方法仍显不多。
传统的处理方法主要是运往郊外露天堆放或填埋。
一方面,如此巨量的废弃混凝土除处理费用惊人外,还需要占用大量的空地存放,污染环境,由此引发的环境问题十分突出。
另一方面,由于建筑垃圾的组成特点和它产生于建设工程现场的实际情况,建筑垃圾废料中很多是可以再生利用的,在资源日趋匮乏的今天,简单地遗弃垃圾废料也是资源的极大浪费。
再生混凝土是将废弃混凝土经过清洗、破碎、分级和按一定比例相互配合后得到的再生集料作为部分或全部集料配制的混凝土。
再生混凝土是一种可持续发展的绿色混凝土,它不仅可以节约运走废弃混凝土的费用,还能减少远距离运送新集料的支出,降低混凝土成本。
同时,保护了天然集料资源,节省天然集料开采能源和费用,可解决城市废弃物的堆放、占地和环境污染问题,具有显著的社会、经济和环境效益,因此,对再生水泥混凝土应用技术的研究具有重要的意义。
二、再生集料制备
本试验所采用的废弃混凝土块均来自旧水泥混凝土路面,在工地上已经过初次破碎为长宽约20~50cm、厚度为原路面厚度的大块,运回试验室先人工砸碎成约10
10cm2块状大小后再采用鄂式破碎机按最大粒径40mm控制进行破碎,将破碎后的集料进行筛分,最后得到所需要的再生集料。
在大型碎石厂,一般先采用鄂式破碎机进行初次破碎,再采用滚式或反击式破碎机进行再次破碎,并筛分为不同规格、粒径的集料,经过这样的环节生产再生集料其颗粒形状和粒径大小能得到很好的控制。
所以在大型碎石厂可以生产粒径和级配均符合要求的再生集料。
三、再生集料组成和性能
(一)再生集料的组成
废弃混凝土中含有30%左右的硬化水泥砂浆及70%左右天然集料(卵石)。
这些水泥砂浆在破碎过程中绝大多数独立成块,少量附着在天然集料的表面,还有极少量则成为微细粉。
破碎后的再生集料主要有下列颗粒组成:
粒径小于0.15mm的微细粉,重量约占废弃混凝土块重量的2%左右。
粒径为0.15~5mm的再生细集料,重量约占废弃混凝土块重量的33%左右;
粒径为5~40mm的再生粗集料,重量约占废弃混凝土块重量的65%左右;
再生细集料的粒径尺寸范围为0.15~5mm,再生细集料主要包含有砂浆体破碎后形成的表面粘附着水泥浆的砂粒、表面无水泥浆附着的砂粒、水泥石颗粒以及破碎过程中产生的少量石粉等四种颗粒。
再生粗集料颗粒尺寸为大于5mm的颗粒,大部分为表面包裹有部分砂浆的石子,少部分为与砂浆完全脱离的石子,还有少部分颗粒为砂浆,砂浆、表面包裹有部分砂浆的石子、与砂浆完全脱离的石子这三者的质量比是比较稳定的,基本上维持在14.5%:
65.5%:
20%附近。
(二)再生集料的性能
再生粗集料的性能指标及与天然粗骨料的性能指标比较,见表1。
表1再生粗集料的性能指标及与天然粗骨料的性能指标比较
序号
指标
再生粗集料
天然粗骨料
再生粗集料指标与
天然粗骨料指标的比值:
(范围值)/平均值
范围值
平均值
1
表观密度(Kg/m3)
2635~2676
2655
2670
(0.99~1.00)/0.99
2
吸水率(%)
2.5~4.2
3.3
1.4
(1.79~3.00)/2.34
3
压碎值(%)
10.5~12.0
11.2
10.6
(0.99~1.13)/1.06
4
饱水状态抗压强度(MPa)
38.4~50.9
43.2
60
(0.64~0.85)/0.72
5
针片状颗粒含量(%)
4.0~5.2
4.7
7.6
(0.53~0.68)/0.62
6
磨耗损失率(%)
15.9~22.9
19.3
14.1
(1.13~1.62)/1.37
7
质量损失百分率(%)
15.0~21.0
18.9
11.0
(1.36~1.91)/1.72
8
相对表面粗糙度(%)
21.4~24.2
22.9
15.9
(1.35~1.52)/1.44
1、再生粗集料的表观密度为2635~2676Kg/m3,其略小于天然粗骨料,但满足规范JTGF30-2003的要求;
2、再生粗集料的吸水率在2.5%—4.2%之间,吸水率比较大,是天然骨料的1.8~3.0倍,均大于规范对II级集料的要求。
3、再生粗集料的压碎值在10.5%~12.0%之间(C30旧混凝土),比天然碎石的压碎高5%~20%,但均达到水泥混凝土路面对II级集料的要求及普通混凝土对2类骨料的要求。
4、再生粗集料的饱水状态抗压强度在38.4~50.9MPa之间(C30旧混凝土),不同料源的废弃混凝土抗压强度相差较大。
饱水抗压强度指标更能反映粗骨料的实际受力状态,用饱水抗压强度指标表示再生粗骨料强度更合适。
5、再生粗集料的磨耗损失率为15.9%~22.9%,与采用卵石加工后的碎石相比,再生粗集料的磨耗损失率较大。
6、再生粗骨料的质量损失百分率为15.0%~21.0%,质量损失高于天然粗骨料的11%,也高于III级集料的12%。
7、再生粗集料的相对表面粗糙度为21.4%~24.2%,比天然粗骨料(碎石)的表面粗糙度高。
8、再生粗集料针片状颗粒含量在4.0%~5.2%之间,比天然粗骨料针片状颗粒含量要小31.6%~47.4%。
根据对再生粗集料测试的8项指标,再生粗集料低于天然粗集料性能的指标有5项,分别为吸水率、压碎值、抗压强度、磨耗损失率(坚固性)、质量损失百分率;好的指标有2项,分别为相对表面粗糙度、针片状颗粒含量;相当的指标有1项,即表观密度。
(三)再生集料的分类和质量评价指标
再生集料按尺寸大小可分为再生粗集料、再生细集料。
再生集料按来源可分为道路再生集料、建筑再生集料。
再生集料按用途可分为混凝土再生集料、砂浆再生集料、砌块再生集料。
由于我国目前对再生骨料的研究与应用很少,再生骨料的生产更少,更没有与此相关的技术标准。
参考日本有关标准(冯乃谦,实用混凝土大全,2001)和中国国家标准GB/T14685-2001,把吸水率和压碎指标作为再生骨料的指标,把再生粗骨料分为3类,如表1所示。
根据表2的分类,本试验所用再生粗骨料按吸水率划分,属于第2类,按压碎指标分也属于第2类。
表2再生粗骨料分类
类别
再生粗骨料
1类
2类
3类
吸水率(%)
≤3
≤5
≤7
压碎指标(%)
≤10
≤20
≤30
四、再生混凝土配合比设计
再生混凝土的配合比设计要求混凝土要有符合要求的技术性能,包括工作性能、强度特性以及耐久性等,也要符合经济原则,同时,要考虑再生混凝土的几个主要特点:
吸水率大、抗压强度低、坚固性低、相对表面粗糙度高,综合各方面因素考虑采用补偿吸水法进行配合比设计。
试验室对再生混凝土的配合比设计按照《水泥混凝土路面施工及验收规范》(GBJ97-87)的规定选取设计参数,设计的再生混凝土强度等级为C25、C30,以天然集料混凝土配合比设计方法为基础,采用补偿吸水法进行再生混凝土配合比设计。
粗集料全部采用再生集料,细集料仍采用天然河砂,通过降低水灰比、掺加高效减水剂等手段来改善再生混凝土的工作性能。
1)试验原材料
(1)水泥
42.5MPa普通硅酸盐水泥,密度
。
(2)砂
质量符合《水泥混凝土路面施工及验收规范》(GBJ97-87)的中砂,表观密度
。
(3)拌合用水
拌合用水为饮用自来水。
(4)外加剂
采用成都市安力建材公司生产的Al型高效减水剂,外观为粉状、呈黄褐色。
掺量为水泥用量的0.8%,减水率为10%。
(5)再生粗集料
取自成都市4个工点的废弃水泥混凝土道路路面,加工成5组粗集料(第5组为3#和4#再生粗集料的混合料),粒径为5~40mm,级配符合《水泥混凝土路面施工及验收规范》(GBJ97-87)的要求。
其表观密度和吸水率列出见表3。
表3再生粗集料的表观密度(kg/cm3)及吸水率(%)
料源编号
1#
2#
3#
4#
5#
表观密度(Kg/cm3)
2667
2635
2641
2676
2655
吸水率(%)
2.5
4.2
4.2
2.5
3.0
2)补偿吸水法配合比设计
采用补偿吸水法进行再生混凝土配合比设计其设计步骤与普通混凝土配合比设计步骤相同,只是在计算单位用水量时要考虑再生集料的吸附水,现将补偿吸水法配合比设计的一般步骤归纳如下:
(1)采用不掺减水剂的普通混凝土配合比设计方法计算初步配合比,以确定自由水灰比(W1/C)及混凝土拌合物中水泥(C)、水(W1)、砂(S)及再生粗集料(RCA)的单位(每立方米)用量。
其中,采用绝对体积法计算粗、细集料的单位用量。
(2)根据再生集料吸水率的大小计算每立方米再生混凝土中再生集料所需要的吸附水W2(W2=RCA的重量乘以RCA的吸水率),那么,每立方米再生混凝土所需要的总用水量W/=W1+W2;此时,再生混凝土的真实水灰比为W/C。
如果要掺加减水剂,则要计算所需掺用的减水剂用量JM以及掺减水剂后每立方米再生混凝土所需要的总用水量W(W=W1+W2-ΔW)(ΔW=W/
减水率),以确定真实水灰比(W/C)及再生混凝土拌合物中各组份的单位用量。
(3)试拌调整,提出基准配合比
在进行试拌时,总用水量W应减去集料含水量;若再生集料含水量为至饱和面干,则试拌时只须加入所需要的自由水W1。
配比调整的方法与普通混凝土相同。
(4)强度测定,确定试验室配合比
若有抗折强度要求的再生混凝土,其强度测试包括抗压强度和抗折强度测试,而不能采用普通混凝土抗压强度与抗折强度的关系式进行简单的换算。
只有抗压和抗折强度同时满足设计要求的那组配合比才能作为最终确定的试验室配合比。
(5)换算施工配合比
换算方法与普通混凝土相同。
(6)再生混凝土的配合比
以普通混凝土配合比设计方法为基础,同时考虑再生集料的吸附水,并掺加减水剂,可用再生粗集料配制出的C25、C30再生混凝土强度和工作性均满足设计要求,最终确定的再生混凝土试验室配合比为表4所示。
表4再生混凝土的试验室配合比
设计强度等级
料源编号
真实水灰比
W/C
混凝土配合比(Kg/m3)
水泥
(C)
水
(W)
砂
(S)
再生粗集料(RCA)
减水剂
(JM)
C25
1#
0.53
321
170
647
1313
2.568
2#
0.53
325
172
645
1309
2.600
3#
0.53
312
165
651
1322
2.496
4#
0.48
333
161
626
1331
2.664
5#
0.48
333
161
626
1331
2.664
C30
1#
0.50
334
167
643
1306
2.450
2#
0.50
328
164
646
1312
2.624
3#
0.50
334
167
643
1306
2.672
4#
0.44
368
162
614
1305
2.944
5#
0.44
368
162
614
1305
2.944
五、再生混凝土的性能
根据再生混凝土试验结果,表5、表6给出了C25、C30再生混凝土的性能指标及与普通混凝土的性能指标比较。
表5C25再生混凝土与C25普通混凝土的性能指标比较
序号
指标
C25
再生混凝土
C25
普通混凝土
C25再生混凝土指标与C25普通混凝土指标的
比值(范围值)/平均值
C25再生混凝土是否满足C25普通混凝土要求
范围值
平均值
1
坍落度(mm)
26
26
10~40
满足
2
表观密度(Kg/m3)
2290~2350
2325
2400
(0.95~0.98)/0.97
3
吸水率(%)
3.7~7.0
4.9
2.9
(1.28~2.41)/1.69
4
28天抗压强度(MPa)
32.5~43.8
38.0
30.80
(计算值)
(1.06~1.42)/1.23
满足
5
28天抗压强度的变异系数(%)
3.51
≤15
满足
6
28天抗折强度(MPa)
3.86~5.20
4.51
≥4.0
满足
7
温度膨胀系数
(10-5)
0.7~1.2
1.0
1.0
(0.7~1.2)/1.0
8
轴心抗压强度
(MPa)
36.7~37.1
36.9
23.4
(计算值)
(1.57~1.59)/1.58
满足
9
抗压弹性模量(GPa)
27.8
27.8
28
10
抗渗标号
P15~P22
P19
11
冻融后的抗压
强度变化率(%)
0.27~2.37
1.22
<25
满足
12
冻融后的
质量变化率(%)
-0.11~0.02
-0.05
<5
满足
表6C30再生混凝土与C30普通混凝土的性能指标比较
序号
指标
C30
再生混凝土
C30
普通混凝土
C30再生混凝土指标与C30普通混凝土指标的
比值(范围值)/平均值
C30再生混凝土是否满足C30普通混凝土要求
范围值
平均值
1
坍落度(mm)
20
20
10~30
满足
2
表观密度(Kg/m3)
2278~2381
2326
2400
(0.95~0.99)/0.97
3
吸水率(%)
3.8~6.8
4.9
2.9
(1.31~2.34)/1.69
4
28天抗压强度(MPa)
36.1~48.4
41.5
33.18
(计算值)
(1.09~1.46)/1.25
满足
5
28天抗压强度的变异系数(%)
5.69
≤15
满足
6
28天抗折强度(MPa)
4.19~5.30
4.83
≥4.5
满足
7
温度膨胀系数
(10-5)
1.1~1.4
1.3
1.0
(1.1~1.4)/1.3
8
抗压弹性模量(GPa)
29.7~42.1
35.9
30
(0.99~1.40)/1.20
9
轴心抗压强度
(MPa)
41.3~42.1
41.7
25.2
(计算值)
(1.64~1.67)/1.65
10
抗渗标号
P16~P22
P20
11
冻融后的抗压
强度变化率(%)
0.52~2.50
1.64
<25
满足
12
冻融后的
质量变化率(%)
-0.01~0.04
0.02
<5
满足
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- 废旧 混凝土 回收 利用