再生骨料混凝土現(xiàn)狀

再生骨料混凝土現(xiàn)狀、問題與發(fā)展趨勢摘要：通過大量國內(nèi)外文獻分析與研究，本文對再生骨料混凝土現(xiàn)狀、問題與發(fā)展趨勢進行綜述,主要包括再生骨料的性質(zhì)、再生混凝土的配合比設(shè)計及工作性能、再生混凝土的力學(xué)性能、再生混凝土耐久性能、再生混凝土存在的問題與發(fā)展趨勢等。研究表明，再生混凝土的力學(xué)性能和耐久性較普通混凝土差。但是，通過減小水膠比、摻加粉煤灰、減小再生骨料最大粒徑、對再生骨料進行改性等措施可以改善再生混凝土的力學(xué)性質(zhì)和耐久性。最后，結(jié)合環(huán)境保護和建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展，提出了關(guān)于再生混凝土需要進一步研究的問題和發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞：再生骨料；再生混凝土；現(xiàn)狀；問題；發(fā)展趨勢引言近二三十年來，隨著我國城市化進程加快，建筑業(yè)進入高速發(fā)展階段，大量舊建筑物被拆除，產(chǎn)生了大量的建筑垃圾，在建筑垃圾中作為最大宗的建筑材料一一廢棄混凝土所占份額最大。目前，一方面，我國每年澆注混凝土約15—20億立方米，而混凝土中砂石骨料占總重量的70%以上，因此我國每年的開山采石約為11—14億立方米。另一方面，我國每年廢棄混凝土量約為600萬立方米，其中一小部分用于填筑海岸、充當(dāng)?shù)缆泛徒ㄖ锏幕A(chǔ)墊層外，絕大部分作為垃圾填埋，這不僅占用大量的土地（甚至是耕地），而且造成環(huán)境污染。為解決這些問題，我們必須改變傳統(tǒng)的混凝土生產(chǎn)方式，將混凝土的生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變到一個可持續(xù)發(fā)展的軌道上來。再生骨料混凝土技術(shù)可實現(xiàn)對廢棄混凝土的再加工，使其恢復(fù)原有性能，形成新的建材產(chǎn)品，從而既能使有限資源得以利用，又解決了部分環(huán)保問題。這是發(fā)展綠色混凝土，實現(xiàn)建筑資源環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的主要措施之一。再生混凝土的概念再生骨料混凝土(RecycledAggregateConcrete，RAC)簡稱再生混凝土(RecycledConcrete)，它是指將廢棄混凝土塊經(jīng)過破碎、清洗、分級后，按一定比例與級配混合，部分或全部代替砂石等天然骨料(主要是粗骨料)配制而成的新的混凝土。相對于再生混凝土而言，把用來生產(chǎn)再生骨料的原始混凝土稱為基體混凝土(OriginalConcrete)o再生混凝土按骨料的組合形式可以有以下幾種：骨料全部為再生骨料；粗骨料為再生骨料、細骨料為天然砂；粗骨料為天然碎石或卵石、細骨料為再生骨料；再生骨料替代部分粗骨料或細骨料。再生骨料的性質(zhì)3.1再生骨料的物理特性基體混凝土經(jīng)過破碎處理生產(chǎn)的再生骨料含有30%左右的硬化水泥砂漿，這些水泥砂漿大多數(shù)獨立成塊，少量附著在天然骨料的表面，同時由于在破碎的過程中，由于破碎機械使混凝土受到擠壓、沖撞、研磨等外力的影響，造成損傷積累使骨料內(nèi)部存在大量的微裂紋，使得基體混凝土塊中骨料和水泥漿體的原始界面受到影響和破壞，粘結(jié)力下降。導(dǎo)致其相對于天然骨料吸水率高，吸水速度快，表觀密度、堆積密度小，壓碎指標(biāo)大等特點。見表1。表1基體混凝土強度為60Mpa的再生骨料的性能表觀密度/(kg/m3)堆積密度/(kg/m^)空隙率/%含灰量/%壓碎指標(biāo)/%吸水率/%含水率/%lOmin4.830min5.62660139047.73.512.23.2lh6.02h7.1再生骨料的吸水率大和吸水速度快，而且受基體混凝土的影響吸水率的離散性比較大。吸水率隨著再生骨料的最大粒徑的下降而提高，而且隨著基體混凝土強度的提高而下降。一般再生細骨料的吸水率在10%—12%，粗骨料的吸水率在2.5%—12%，遠遠高于天然骨料的吸水率。同時，再生骨料的吸水速率也遠遠大于天然骨料，其中前10分鐘的吸水速率最大，之后吸水速率下降，基本趨于飽和。主要是由于骨料表面附著砂漿，其孔隙率大，在短時間內(nèi)即可吸水飽和，10分鐘即可達到飽和程度的85%左右，30分鐘可達到飽和程度的95%以上，這些特性對再生混凝土的配合比設(shè)計和工作性產(chǎn)生較大的影響。再生骨料的堆積密度和表觀密度均小于天然骨料，從目前的文獻看，其數(shù)值的離散性較大。再生細骨料的堆積密度為天然骨料的75%—85%，再生粗骨料的堆積密度為天然骨料的85%以上；再生細骨料的表觀密度為天然骨料的80%—85%，再生粗骨料的表觀密度為天然骨料的90%以上。再生骨料的壓碎指標(biāo)比天然骨料的壓碎指標(biāo)要高，同時，再生骨料的壓碎指標(biāo)還與基體混凝土的強度和加工破碎方法有很大的關(guān)系，基體混凝土的強度越高，再生骨料的壓碎指標(biāo)就越低，破碎過程中水泥漿體和砂漿脫落越多，壓碎指標(biāo)越低。3.2再生骨料的性能改善再生骨料的性能改善現(xiàn)有機械活化和酸液活化兩種：機械活化的目的在于破壞弱的再生碎石顆?；蛉コじ皆谒槭砻嫔系牡蛷姸人嗍瘹堅菦]有必要通過高耗能途徑來進行機械活化，一方面是不經(jīng)濟，另一方面是會產(chǎn)生大量的粉末，這些粉末處理起來非常困難;酸液活化是再生骨料通過在化學(xué)酸液中浸泡處理，不僅可以提高再生骨料的強度，改善再生混凝土的和易性，而且還可以使泊松比降低，徐變減少，但殘留的酸性物質(zhì)會對混凝土的弱堿性產(chǎn)生影響。杜婷等人分別用純水泥漿、水泥外摻Kim粉混合漿液、水泥外摻硅粉液和水泥外摻I級粉煤灰漿液對再生骨料進行浸泡增強，試驗表明對再生骨料的強度有一定的增強，但從經(jīng)濟性方面來考慮，有其局限性。3.3再生骨料的問題在實驗室中再生骨料的來源單一，質(zhì)量相對均勻，再生骨料性質(zhì)的離散性較低，而在實際生產(chǎn)中的再生骨料由于其來源很不穩(wěn)定，質(zhì)量不均勻，其本身的隨機性能和變異性較大，將導(dǎo)致再生混凝土的抗壓強度的變異性增加，因此，對骨料本身性能隨機性和變異系數(shù)的研究對再生骨料的現(xiàn)實應(yīng)用有著很大的影響?，F(xiàn)階段廢棄的混凝土均為基體混凝土強度較低的混凝土，因此，對再生骨料進行加強處理對提高再生混凝土的各種性能具有現(xiàn)實意義，而現(xiàn)有的再生骨料強化處理措施在經(jīng)濟性和可行性上均具有一定的局限性，因此對再生骨料的性能的改善還有待進一步的研究探討。再生混凝土的配合比設(shè)計及其工作性能4.1再生混凝土配合比由于再生骨料各方面性質(zhì)的不同于天然骨料，因此必須根據(jù)再生骨料的特點，對再生混凝土的配合比設(shè)計進行專門的研究，張亞梅［3］等的試驗研究表明，當(dāng)再生混凝土設(shè)計強度為C20時，以普通混凝土配合比設(shè)計方法配制的再生混凝土的強度高于基準(zhǔn)混凝土，但工作性能降低。在此基礎(chǔ)上提出了再生骨料預(yù)吸水法，這種方法的用水量分為兩部分，一部分為再生骨料所吸附的水，另一部分為拌和用水，這部分水用來提高混凝土的流動性并參與水泥的水化反應(yīng)，吸附水的量根據(jù)試驗確定，一般采用再生骨料浸泡10分鐘時所吸收的水量。這種方法配制的再生混凝土具有較好的工作性能，且坍落度的損失也為普通配合比設(shè)計的再生混凝土為小，但強度低于普通混凝土配合比設(shè)計的再生混凝土。在配合比設(shè)計中，水灰比和強度之間的關(guān)系有著重要意義，根據(jù)孔德玉［4］等人的研究，再生混凝土7d、28d強度與灰水比及凈灰水比之間存在很好的線性關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)r均在0.97以上，即混凝土強度和灰水比或凈灰水比之間滿足Bolomey公式線性關(guān)系，只是常數(shù)A,B不同。而常數(shù)A,B與再生骨料的壓碎指標(biāo)有一定的關(guān)系，即隨著壓碎指標(biāo)的增大，其斜率A逐漸減小，截距B逐漸增大，由此可以建立常數(shù)A,B與壓碎指標(biāo)之間的關(guān)系?？椎掠竦热说贸龅牟豢紤]壓碎指標(biāo)時再生骨料的常數(shù)A,B分別為0.93和0.86，但其的相關(guān)系數(shù)較低。為進一步研究再生混凝土的配合比設(shè)計，應(yīng)當(dāng)進一步研究常數(shù)A,B與壓碎指標(biāo)和吸水率之間的關(guān)系。4.2再生混凝土物理性能由于再生骨料比天然骨料的表觀密度小，因此再生混凝土的密度低于普通混凝土，隨著再生骨料摻量的增加，再生混凝土的密度有規(guī)律的降低，全部采用再生骨料的再生混凝土密度較普通混凝土降低7.5%［5］。再生混凝土的自重低對于提高抗震性和保溫性能有利。4.3再生混凝土的工作性能在用水量相同的情況下，與基準(zhǔn)混凝土相比，再生混凝土的坍落度減小，流動性變差，同時由于骨料表面粗糙，自重輕，增加了再生混凝土拌和物的摩擦阻力，使再生混凝土的粘聚性和保水性增強。研究發(fā)現(xiàn)，在保持用水量不變的情況下，隨著再生骨料摻量的增加，混凝土的坍落度逐漸下降。Mukai的實驗研究表明，只采用再生粗骨料時，用水量需增加5%，全部再生粗細骨料時，用水量需增加15%左右?？聡姡?］等的研究表明，當(dāng)再生粗骨料的摻量為低于60%時，坍落度損失小，對施工影響不大，主要是由于再生粗骨料用量較少，吸水量較少。但當(dāng)摻量超過70%時，再生混凝土的坍落度明顯減低，影響到施工。再生混凝土的坍落度隨水灰比的增大而增大，這和普通混凝土相一致。但在混凝土的攪拌工藝，泵送工藝，初凝時間和終凝時間的控制等方面還未見報道。再生混凝土的力學(xué)性能5.1再生混凝土抗壓強度特征與普通混凝土的抗壓強度相比，再生混凝土的抗壓強度約降低5%一32%。其原因一般認為是再生骨料孔隙率較高，在承受軸向應(yīng)力時容易形成應(yīng)力集中現(xiàn)象，再生骨料與新舊水泥漿之間存在一些結(jié)合較弱的區(qū)域，再者再生骨料本身的強度較低。水灰比對再生混凝土強度有著主要的影響：當(dāng)水灰比較大時，再生混凝土的抗壓強度隨著水灰比的增大而降低，這與普通混凝土相似，但當(dāng)水灰比較小時，再生混凝土的強度并不能隨著水灰比的降低而得到進一步的加強，其原因是水灰比較高時，再生骨料周圍的水泥漿強度降低，混凝土的破壞始自水泥漿體的破壞。而水灰比較小時，水泥漿體具有相對較高的強度，混凝土破壞從強度相對較低的再生骨料開始，從而使混凝土的強度不能隨著水灰比的下降而提高。另外，再生混凝土抗壓強度隨齡期的發(fā)展和普通混凝土一致。再生骨料對再生混凝土強度的有一定的影響，但影響有限。Hansen[7]的實驗研究表明：隨著基體混凝土的強度降低，再生混凝土的抗壓強度呈下降趨勢。但是，對于不同強度等級的再生混凝土影響不同：配制強度較高的再生混凝土?xí)r，再生骨料的強度影響較大，配制中等強度的混凝土?xí)r影響次之，配制低強度的再生混凝土?xí)r影響最小。同時隨著再生骨料含量的增加，再生混凝土的抗壓強度降低。值得指出，再生骨料表面包裹著水泥砂漿，使得再生骨料與新的水泥砂漿之間的彈性模量相差很少，界面得到加強。同時，由于再生骨料的親水性強，能很快被水潤濕，再生骨料表面的許多微裂紋會吸入新的水泥顆粒，使接觸區(qū)的水化更加完全，形成致密的結(jié)構(gòu)，使界面結(jié)合得到加強，再生骨料強度較低而導(dǎo)致的再生混凝土性能上的缺陷得到了一定的補償，目前，有關(guān)再生混凝土的微觀結(jié)構(gòu)以及如何加強再生混凝土的強度還有待進一步研究。再生混凝土由于骨料來源的不均勻性，造成其抗壓強度的變異系數(shù)較大，DePaw［8］的試驗結(jié)果證實了這一點，配制的抗壓強度為41MPa，其強度標(biāo)準(zhǔn)差為5MPa，其變異系數(shù)為12%。對于攪拌站和施工現(xiàn)場，抗壓強度的變異系數(shù)無疑將進一步增大，有關(guān)這方面的研究有待進一步開展，此外，關(guān)于再生混凝土抗壓強度的概率分布規(guī)律，材料分項系數(shù)以及設(shè)計取值等未見報道，有待進一步研究［9］。5.2再生混凝土干縮與徐變再生混凝土和普通混凝土一樣，隨著水灰比的增大其干縮也增大。再生混凝土的收縮率大于普通混凝土，這種增大的數(shù)值取決于基體混凝土的性能、再生骨料的來源和性能、以及再生混凝土的性能。同時，粘附在再生骨料上的水泥砂漿含量越高，再生混凝土的收縮率也越大。通常認為其原因是再生骨料中有大量老舊的水泥砂漿附著其上或者再生骨料的彈性模量較低。后期由于黏附在再生骨料上的水泥水化不完全，也會導(dǎo)致更大的干縮［10］。與普通混凝土相比，再生混凝土的干縮量和徐變量增加40%—80%。這影響到再生混凝土的推廣和應(yīng)用，如何降低再生混凝土的收縮和徐變，還有待進一步的研究。5.3再生混凝土的彈性模量再生混凝土的彈性模量比普通混凝土低3%-28%，視加入再生骨料的種類和數(shù)量的不同，彈性模量會有較大的差異，通常再生細骨料對彈性模量的影響比再生粗骨料的影響更為明顯，當(dāng)全部骨料為再生骨料時，彈性模量降低30%左右，而當(dāng)粗骨料為再生骨料、細骨料為天然骨料時，彈性模量降低5%—28%左右再生混凝土的耐久性能6.1再生混凝土的抗?jié)B性B.C.S.J［12］通過試驗研究了水灰比為0.5?0.7，坍落度為210mm的再生混凝土的滲透性，結(jié)果表明，再生混凝土的滲透性為普通混凝土的2—5倍，而且試驗結(jié)果較為離散。Rasheeduzzafar和Khan［13］比較了水灰比相同的再生混凝土與普通混凝土的滲透性，試驗結(jié)果表明，再生混凝土的滲透性隨水灰比的增大而增加。當(dāng)水灰比較高時，再生混凝土的滲透性與普通混凝土差別不大；當(dāng)水灰比較小時，再生混凝土的滲透性約為普通混凝土的3倍。Mandal［14］等人的試驗研究了相同配合比的再生混凝土與普通混凝土的滲透深度和吸水率，混凝土的水灰比為0.4，水泥用量為360kg/m3。試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)普通混凝土的滲透深度和吸水率分別為18mm和4.1%，而再生混凝土的指標(biāo)為25mm和5.9%，分別較普通混凝土增加了38%和44%，表明再生混凝土的抗?jié)B性能較相同配合比的普通混凝土差。綜合以上試驗結(jié)果可以看出，再生混凝土的抗?jié)B性較普通混凝土差，其主要原因是由于再生骨料孔隙率較高，吸水率較大［22］。6.2再生混凝土的抗碳化性Dhir等人的研究表明，當(dāng)再生骨料摻量為50%時，再生混凝土的碳化速度與普通混凝土相差不大，隨著再生骨料摻量的進一步增加，再生混凝土的碳化速度略有增加°Otsuki［15］等人的試驗也發(fā)現(xiàn)再生混凝土的碳化深度較普通混凝土略大，同時隨著水灰比的增加，再生混凝土的碳化深度增加。其原因是由于再生骨料的孔隙率高，抗?jié)B性差［16］。6.3再生混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性關(guān)于再生混凝土抗硫酸鹽侵蝕性的研究較少。Mandal［14］的研究表明，再生混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性較同水灰比的普通混凝土略差。這是由于再生混凝土的孔隙率高，抗?jié)B性差的緣故。Dhir［17］等人研究了再生粗骨料摻量分別為0%、20%、30%、50%、100%的再生混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性，實驗結(jié)果表明：當(dāng)再生骨料的摻量小于30%時，再生混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性與普通混凝土基本相同，隨著再生骨料摻量的增加，再生混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性降低，但差別不大。6.4再生混凝土抗氯離子滲透性O(shè)tsuki［15］等人研究了相同水灰比的再生混凝土和普通混凝土的抗氯離子滲透性，發(fā)現(xiàn)再生混凝土的氯離子滲透深度較普通混凝土略大，表明再生混凝土的抗氯離子滲透性差，其主要原因是由于再生骨料的孔隙率高。通過摻加粉煤灰可以改善混凝土的滲透性，這是由于加入的粉煤灰填補了再生骨料中的裂紋或者是骨料與骨料之間的間隙，使混凝土骨料與水泥砂漿的界面更加嚴(yán)密，從而使抗氯離子滲透性得到加強[18]。6.5再生混凝土的抗凍融性Malhotrah[19]和Buck[20]先后進行了不同水灰比再生混凝土的抗凍融性試驗，結(jié)果表明再生混凝土的抗凍融性并不低于普通混凝土，有些情況下甚至優(yōu)于普通混凝土。Coquillat、Nottler、Karaa等人的試驗也得出了類似的結(jié)論。但是，Nishibayashi和Yamura[21]的試驗則發(fā)現(xiàn)再生混凝土的動彈性模量和重量損失率均較普通混凝土高出很多，表明其抗凍融性較普通混凝土差。他們認為其原因是由于再生骨料吸水率較高。近年來，Salem等人、Oliverira和Vazquez的試驗也發(fā)現(xiàn)再生混凝土的抗凍融性較普通混凝土差。造成上述研究結(jié)果差別較大的原因可能來自于再生骨料性能的差異。6.6再生混凝土的耐磨性Dhir[17]等人研究了水灰比相同而再生骨料取代率不同的混凝土的耐磨性。試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，再生骨料取代率低于50%時，再生混凝土的磨損深度與普通混凝土差別不大，再生骨料取代率超過50%時，再生混凝土的磨損深度隨著再生骨料取代率的增加而增加，當(dāng)再生骨料取代率為100%時，再生混凝土的磨損深度較普通混凝土增加34%。Hansen[7]的試驗表明，隨著再生骨料尺寸的減小，其耐磨性明顯降低。原因是再生骨料尺寸越小，其含有硬化砂漿顆粒的概率越大，而砂漿的耐磨性較差。再生骨料的耐磨性較差導(dǎo)致了再生混凝土的耐磨性較差，如何提高再生混凝土的耐磨性是能否將其應(yīng)用到路面工程中的關(guān)鍵技術(shù)之一，需要進一步展開研究。6.7再生混凝土的抗裂性和其他性質(zhì)再生混凝土的極限延伸率為(2.5—3.0)X10-4，同普通混凝土相比，再生混凝土極限延伸率增加27.7%。由于再生混凝土彈性模量低，拉壓比高，因此再生混凝土抗裂性優(yōu)于基準(zhǔn)混凝土。關(guān)于再生混凝土的堿一骨料反應(yīng)、耐火性等未見研究報道，為了進一步推動再生混凝土的工程應(yīng)用，關(guān)于這方面的研究亟待展開。6.8再生混凝土的耐久性的改善措施總體來講，再生混凝土的抗?jié)B性、抗凍融性、抗硫酸鹽侵蝕性、抗碳化能力、抗氯離子滲透性和耐磨性均較普通混凝土弱，主要是由于再生骨料的孔隙率和吸水率較高的緣故。再生混凝土的抗?jié)B性可以通過減小水灰比或摻加粉煤灰加以改善；通過降低水灰比、減小再生骨料的最大粒徑、二次攪拌或采用半飽和面干的再生骨料可提高再生混凝土的抗凍融性；摻加粉煤灰能提高再生混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性；再生混凝土的抗碳化性和耐磨性可以通過減小水灰比得以改善；摻加粉煤灰、采用二次攪拌工藝能有效增加再生混凝土的抗氯離子滲透性。再生混凝土存在的問題與發(fā)展趨勢7.1再生混凝土存在的問題在配合比設(shè)計中，水灰比和強度之間的關(guān)系有著重要意義，因此有必要確定再生混凝土的強度和水灰比的關(guān)系式。而在確定水灰比和再生混凝土強度關(guān)系式時，即在中的A和B時，應(yīng)首先對再生骨料分類，根據(jù)不同種類的再生骨料，利用數(shù)理統(tǒng)計回歸迭代的方法確定。由于再生骨料分類問題并未很好解決，因而A和B還有待確定。國外的許多研究人員已經(jīng)論述了再生混凝土質(zhì)量與原生混凝土和砂漿性能、原生混凝土損壞狀況、破碎方法和新混合料成分之間的關(guān)系。一般認為粘附在再生骨料上的基體混凝土水泥砂漿膠結(jié)料、砂漿和界面區(qū)的質(zhì)量、以及基體混凝土中砂漿含量對測定再生混凝土性能中起重要影響。試驗結(jié)果表明再生混凝土強度特性受一些關(guān)鍵因素的影響，如基體混凝土強度，基體混凝土中粗細骨料的比率，基體混凝土中骨料最大粒徑與再生混凝土骨料最大粒徑之比及再生骨料的磨蝕損失和吸水性的影響。這些因素還影響水灰比、骨料最大粒徑和干拌時間對再生混凝土強度特性的作用。在實際應(yīng)用中，國內(nèi)的情況與國外還有一定的差距，通常缺乏基體混凝土的資料，控制再生混凝土的質(zhì)量就有了一定的難度。因而在使用時，必須對再生骨料和再生混凝土的性能進行測試。另外，經(jīng)濟性是阻礙再生混凝土大規(guī)模推廣應(yīng)用的主要原因之一。由于再生骨料的生產(chǎn)要耗費較多的人力物力，致使目