[摘 要] 为实现再生混凝土集料的重复循环使用,尤其是将废弃混凝土破碎过程中产生的碎屑和细粉作为水泥的原料,在研究中,将石灰石作为原生混凝土粗集料和细集料,制备了多种强度等级的原生混凝土。达到预定龄期后破碎、筛分后生成再生混凝土集料,制备不同强度等级的再生集料混凝土。细粉留作烧水泥熟料配料用。试验研究表明,采用石灰石作混凝土可循环使用的集料是可行的,再生循环集料的表观密度、体积密度、吸水率、空隙率及压碎指标等因素均随着原生混凝土强度(包括水灰比的变化) 变化而不同,破碎时产生的缺陷及不同粒径对再生集料混凝土的强度有较大影响。由于再生集料本身的强度不高,因此不宜用于配制C50 以上强度等级的混凝土,本研究还用统计方法分析了全部采用水灰比为0. 36 的原生混凝土制得的再生集料作粗集料的混凝土的粗骨料系数。
[关键词] 原生混凝土;再生骨料;压碎指标;骨料系数
[中图分类号] TU5281041 [文献标识码] A [文章编号] 10012523X(2004) 0420034204
1 前言
随着世界城市人口的不断膨胀,规模空前庞大的土木工程活动几度轰然升起。混凝土是当今建筑工程中用量最大的人造建筑材料, 目前, 全世界混凝土的年产量大约为28 亿m3 ,中国混凝土的年产量为13～14 亿m3 ,约占世界总量的45 %[1 ] 。混凝土为人类构筑了大量舒适、便捷的生活和生产环境,创造了丰富多彩的生活空间。然而混凝土在给人类创造美好生活空间的同时,也给人类的生存环境带来不容忽视负面影响。城镇建筑设计基准期的到达,建筑物及构筑物维修、改造过程中的废弃物,施工过程中散落的混凝土及搅拌站生产过程中产生的废品混凝土等大多数被作为建筑垃圾堆放。这种处理方法不仅占用大量土地资源,还污染了环境。随着砂石骨料的大量开采,我们所面临的是资源枯竭和环境破坏,混凝土的可持续发展与水泥、骨料危机的矛盾逐渐被提上日程。据有关人士统计,废弃混凝土块约占建筑垃圾的34 %[2 ] 左右,而混凝土中骨料是构成其骨架的主要成分,约占混凝土总重量的75 %以上,如何实现对现存废弃混凝土和未来混凝土循环再利用被看作是混凝土可持续发展的重要途径之一,具有既明显又可见的环境效益、经济效益和社会效益。本研究以混凝土材料的循环利用为宗旨,建立了一套合理有效的循环工艺(具体循环工艺如图1) 。通过以石灰石作为粗、细集料配制原生混凝土,通过逐级破碎、筛分即得再生石灰石集料。经过对再生石灰石集料的部分物理及力学性能的研究,得出了再生石灰石骨料性能的一般变化规律,特别是对再生石灰石粗集料参数及小于0.16 mm微粉的生态处理进行了讨论,以促进石灰石可循环混凝土材料的广泛利用。
2 试验原材料
2. 1 再生石灰石骨料的来源
本研究全部采用石灰石作为集料制备原生混凝土(Original Concrete ,简称OC) 或称为基体混凝土,然后采用人工逐级破碎,经过筛分后,即得再生石灰石骨料(RecycledLimestone Aggregate ,简称RLA) 。经综合考虑骨料性能,选用W/ C 为0.36 时原生混凝土制备的石灰石可循环骨料进行试验,粒径(5～20)mm。
2. 1. 1 原生混凝土所用原材料
水泥:采用抚顺水泥厂生产的42. 5 级普通硅酸盐水泥。
骨料:粗骨料为本溪某石场的石灰岩碎石, (5～20) mm ,连续级配,表现密度为2.79 g/ cm3 ,压碎指标为6.2 %;细骨料为沈阳市房产局水泥厂生产水泥用石灰岩碎料经筛分所得,粒径(0.16～5) mm ,表观密度为2.68 g/ cm3 ,细度模数2.78。
减水剂: FDN 高效减水剂, 掺量为1 %时, 减水率为18 %。
水:沈阳市饮用水。
2. 1. 2 实验选用配合比
为了对不同强度等级混凝土所制备的再生骨料的性能进行横向比较,本研究选用了以下配比(表1) 进行试验。
2. 2 水泥
制备再生石灰石混凝土所用的水泥为大连小野田水泥厂生产的华日牌42. 5 级硅酸盐水泥,水泥的强度、初终凝时间及体积安定性均符合国家水泥质量标准GB17521999 的规定。
2. 3 减水剂和水
沈阳市北方外加剂厂生产的FND 型高效减水剂。水:采用沈阳市饮用水。
3 试验方案
本试验重点研究了针对不同强度等级的再生石灰石集料的特征性能及利用再生石灰石集料制备混凝土时, W/ C对可循环再生的混凝土强度的影响。试验间断的选取0.75 ,0.59 ,0.53 ,0.47 ,0.41 ,0.36 ,0.28 等7 个不同水灰比配制再生骨料混凝土,试件采用非标准试件(10 cm ×10 cm ×10 cm) ,进行标准养护28 d 后进行强度试验(考虑尺寸效应,强度乘以系数0.95) 。
4 试验结果与分析
4.1 再生石灰石骨料的特征性能
4. 1. 1 再生石灰石骨料的物理性能
为了反映不同水灰比对再生石灰石骨料的特征物理性能的影响,本研究将基体混凝土经人工逐级破碎、筛分后的再生石灰石骨料的表观密度(重量法) 、堆积密度(标准方法) 、细度模数(筛分析法) 、吸水率(饱和面干状态) 及空隙率进行了测试和计算,具体结果见表2 ,其直观图见图2、图3。
由表2 可以看出:再生石灰石骨料的表观密度、体积密度较天然骨料低,而其吸水率、空隙率均较天然骨料高,这主要是因为天然骨料结构密实,而再生石灰石骨料的组成除了有部分岩石外,表面还包裹部分水泥石(水泥石中存在大量的毛细管和孔隙) 。另外,再生石灰石骨料在破碎过程中不
可避免形成许多微裂缝,并且其表面比天然骨料粗糙,并粘附大量微粉,也是导致以上变化(尤其是吸水率) 的主要因素。随着水灰比的降低,石灰石原生混凝土渐趋密实,因而再生石灰石骨料的表观密度、体积密度有提高趋势,空隙率及吸水率有所减小。由于再生骨料吸水率较大,以及其粒形等因素影响,导致了在相同配比下,再生混凝土的流动性较普通混凝土差,但其粘聚性和保水性较好。据研究,当配制相同坍落度的混凝土,若粗细骨料全部为再生骨料时,用水量需增加15 %左右[3 ] ,则必然导致单方水泥用量增加,从而提高混凝土的造价。因而,再生石灰石骨料不宜生产大流动性混凝土。
4. 1. 2 再生石灰石骨料的压碎指标
为了反映不同水灰比对石灰石再生粗骨料的力学性能的影响,对不同水灰比的石灰石再生粗骨料的压碎指标进行了测定。对普通碎石而言,其母岩强度愈高,压碎指标值越小。同样,对于再生石灰石骨料,随着水灰比的减小,其原生混凝土强度增高,再生石灰石粗骨料的压碎指标值也逐渐减小,但其值远大于天然骨料,主要因为原生混凝土在破碎时,混凝土内部产生大量的微裂纹等缺陷所致。
4. 2 再生石灰石粗集料参数的研究
在进行混凝土配合比计算时. 不同品种的粗集料相应的具有不同的骨料系数,根据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ5522000) ,对于碎石:骨料系数A = 0.46 , B = 0.07 ;而对于卵石:骨料系数A = 0.48 , B = 0.33。然而,对于石灰石混凝土可循环粗集料,它具有独立的骨料系数。我们通过利用水灰比为0. 36 时制备的再生石灰石骨料,采用不同水灰比,对再生石灰石骨料配制混凝土强度进行研究,发现对再生石灰石粗骨料而言,水灰比与强度之间存在着密切的关系,试验配比及结果见表3。
当再生骨料混凝土强度低于原混凝土强度时(即剔除水灰比为0.28 那一组) , C/ W 与强度的散点图近似呈一条直线(如图4) ,根据一元线性回归原理,我们可以得到石灰石作基体混凝土集料的再生混凝土强度与C/ W 回归方程为: y = 25.307 CPW – 12.836。而普通混凝土抗压强度f cu与CPW 之间呈线性关系,即f cu = Af ce ( CPW - B) ,由f ce =49.5 MPa ,经计算可以得到可循环粗集料系数为: A = 0.511 ;B = 0.507。
由此可见,就骨料系数而言,再生石灰石粗骨料系数与天然粗骨料系数存在较大差别。另外, 通过试验发现:利用较小水灰比也可以实现再生混凝土较高的强度。当利用水灰比为0.36 的原生混凝土制备的再生集料所配备的混凝土与同配比纯天然骨料混凝土强度比较仅差4 MPa ,强度下降约6.7 %。
由此可见,石灰石可循环骨料拌制的再生混凝土可以用于安全等级要求较低的建筑及构筑物结构中。因此,可循环再生的石灰石混凝土将具有良好的应用前景。
4.3 再生微粉的利用
再生混凝土经逐级破碎、筛分而剩下的粒径小于0.16 mm 微粉,若随意排放,也必然会对城市的空气及地面环境造成严重污染。因而,合理有效地利用有害于人类生存和生活的微粉,同样具有重大意义。水泥是普通混凝土中除水及外加剂、掺合料外用量最小,价格最高的成分,其价格约占混凝土总造价的95 %以上。本研究通过利用W/ C 为0.36 的石灰石混凝土经逐级破碎、筛分(0.16 mm 方孔筛) 后所筛余的粒径小于0.16 mm微粉的成分进行化学分析(如表4) 。因其含钙率较高,含硅率较低,适合用作烧制水泥的石灰质原料。
试验表明,经过重新配料及“两磨一烧”工艺烧成的再生水泥,同样可以很好满足GB17521999 各项指标的规定。因此,可以通过这种微粉生产水泥,从而实现了混凝土材料的循环利用,这从资源再生和循环利用及降低环境负荷的角度出发,为人类与环境共生做出贡献。
5 结论
a) 再生石灰石骨料的表观密度、体积密度均较天然骨料低,空隙率、吸水率较天然骨料高,尤其是吸水率偏高。在相同配比下,若生产流态混凝土会使其成本大大提高,因而不宜拌制大流动性混凝土。我们可以用来拌制干硬性混凝土,如生产混凝土预制构件等。
b) 石灰石可循环粗骨料系数不同于天然碎石的骨料系数,W/ C 为0.36 的石灰石混凝土制备的再生粗骨料,其骨料回归系数为:A = 0.511 ; B = 0.507。
c) 粒径小于0.16 mm 的微粉用作水泥成分,经重新配料、粉磨、锻烧等工艺可以重新激发其活性而烧成水泥,其性能符合GB17521999 规定。
参考文献
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2 史巍,侯景鹏. 再生混凝土技术的研究开发与应用推广[J ] . 建筑技术,2002 , (1) :15217
3 侯景鹏,宋玉普,史巍. 再生混凝土技术研究与应用开发[J ] . 低温建筑技术,2001 , (2) :9210
4 冯乃谦. 实用混凝土大全[M] . 北京:科学技术出版社,2001
5 黑田泰弘等. 高品质再生骨料基本性状.工学年次论文集. 2000 ,22 , (2)
