水射流回收廢棄混凝土的再利用性能試驗研究

現(xiàn)如今，由建筑垃圾引起的環(huán)境污染和資源消耗問題日益受到關(guān)注，建筑垃圾已經(jīng)占據(jù)城市固體垃圾總量的40%。在“十三五”期間，國內(nèi)每年因新建、拆除和裝修等產(chǎn)生的建筑垃圾已超過15億噸，但資源化率卻不足30%。其中，廢棄混凝土占據(jù)了建筑垃圾總量的40%~50%。造成建筑垃圾和廢棄混凝土產(chǎn)量快速增長的主要原因是現(xiàn)有拆除方式側(cè)重于高效拆除和定向倒塌，卻忽略了對于廢棄混凝土再利用性能的保留，導致絕大多數(shù)廢棄混凝土在拆除過程中由于摻入各種成分不明的雜質(zhì)，只能被當作建筑垃圾處理，僅有少量能夠得到有效回收。建筑物拆除方式?jīng)Q定了拆除機理，拆除機理決定了構(gòu)件和材料質(zhì)量，而構(gòu)件和材料質(zhì)量決定了作為再生混凝土的再利用性能。水射流作為一種冷態(tài)切割新工藝，具有快速材料去除、高效致裂破碎和選擇性材料分離等技術(shù)優(yōu)勢，在工業(yè)建筑、材料加工等諸多領(lǐng)域都得到了廣泛應用。Liu等基于聲發(fā)射技術(shù)在線監(jiān)測混凝土試樣在磨料水射流切割下的破裂過程和損傷分布特點，這為水射流拆除混凝土的斷口損傷界定提供了依據(jù)。彭見輝等以伯努利方程為理論基礎(chǔ)分析了超高壓水射流破碎混凝土的過程，探究了水射流破碎混凝土的各項輸入?yún)?shù)與破碎效率之間的聯(lián)系。Wang提出了一種使用高壓水射流破碎廢棄混凝土回收再生混凝土構(gòu)件和再生粗骨料的新途徑，探討了使用水射流回收廢棄混凝土的可行性。目前，水射流技術(shù)應用在混凝土領(lǐng)域的研究主要集中在致裂規(guī)律和破碎效率方面，鮮有使用水射流拆除舊建筑物和回收廢棄混凝土的相關(guān)研究?；诖丝紤]，本文主要研究水射流拆除舊建筑物回收再生混凝土構(gòu)件的剩余強度和斷面粗糙度，分析水射流沖擊下粗骨料與砂漿的分離機制及再生粗骨料的物理性質(zhì)。1、試驗1.1試驗材料本研究中的混凝土成分包括水泥、水、粗骨料和細骨料。水泥使用華新水泥（中國鄂州）有限公司制造的P·O42.5普通硅酸鹽水泥，骨料由中國武漢當?shù)匾患医ú氖袌鎏峁?，粗骨料選用粒徑為4.75~19mm的碎石，細骨料選用小于4.75mm的黃砂，試驗用水使用普通自來水。為了有效分析不同老化程度和配合比對于水射流拆除后再生混凝土力學性能的影響，共制備3組混凝土試樣，每組包含9種不同配合比的混凝土樣品。第一組（B組）為尺寸100mm×100mm×100mm的普通混凝土，標記樣品序號為B-1到B-9，正交試驗設(shè)計參數(shù)如表1和表2所示。第二組（Q組）制備了與第一組具有相同配合比的尺寸為150mm×150mm×100mm的混凝土樣品，養(yǎng)護完成后使用高壓水射流拆除成100mm×100mm×100mm的立方體，標記樣品序號為再生混凝土Q-1到Q-9。第三組（QL組）制備了與第二組具有相同尺寸和配合比的混凝土試樣，為反映舊建筑物的實際使用情況，采用干濕循環(huán)方式模擬混凝土在自然條件下的老化過程。隨后使用水射流將其拆除成100mm×100mm×100mm立方體，標記序號為再生混凝土QL-1到QL-9。表1正交試驗參數(shù)因素水平表1.2試驗方案水射流拆除舊建筑物回收再生混凝土剩余強度試驗系統(tǒng)的主要設(shè)備包括高壓水射流設(shè)備、微機控制電液伺服萬能試驗機和高精度三維掃描儀。首先，使用高壓水射流設(shè)備將Q組和QL組混凝土試樣從尺寸150mm×150mm×100mm切割成100mm×100mm×100mm的再生混凝土試樣，射流壓力設(shè)置為340MPa，噴嘴直徑為0.33mm，噴嘴橫移速度為50mm/min，靶距控制在5~8mm。這有利于與B組普通混凝土試樣在同體積條件下對比力學性能，從而有效判斷水射流拆除和加速老化對混凝土帶來的影響。隨后，使用微機控制電液伺服萬能試驗機測試所有混凝土試樣的立方體抗壓強度，壓力加載速度控制在0.5~0.8MPa/s?？箟簭姸鹊挠嬎惴椒▍⒄栈炷亮⒎襟w抗壓強度的計算公式，由于試件尺寸為邊長100mm的立方體，混凝土立方體抗壓強度須乘以尺寸換算系數(shù)0.95。隨后，使用高精度三維掃描儀對混凝土切割斷面進行掃描，掃描范圍為100mm×100mm，測量精度控制在0.015~0.008mm。掃描后的點云和封閉曲面模型數(shù)據(jù)可以用來計算再生混凝土斷面粗糙度。表2正交試驗設(shè)計（L9（33））2、結(jié)果與分析2.1水射流拆除后再生混凝土的剩余強度及斷面粗糙度水射流拆除后再生混凝土的剩余抗壓強度是重要評價指標，因為它決定了作為再生混凝土構(gòu)件的可再利用性能。圖1所展示的荷載-位移曲線描述了水射流拆除和加速老化對再生混凝土力學性能的影響，通過對比分析可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷水射流拆除后再生混凝土的力學性能呈現(xiàn)離散型變化，不同配合比所制備的混凝土試件之間的強度有了明顯差異，而加速老化過程的參與則進一步導致了再生混凝土強度的整體下降。圖1荷載-位移曲線沒有經(jīng)過任何處理的B組混凝土試樣和經(jīng)過水射流拆除后的Q組再生混凝土試樣之間的比較描述了水射流拆除對再生混凝土力學性能的影響。如圖2所示，B組混凝土試樣的抗壓強度最高，達到了31.47MPa到41.41MPa。經(jīng)過水射流拆除后，Q組再生混凝土的抗壓強度表現(xiàn)為23.22MPa到40.51MPa?？梢钥闯?，水射流拆除后混凝土的剩余強度基本可以保持在91%到98%之間，這表明水射流拆除對于再生混凝土力學性能的影響是微乎其微的。然而，經(jīng)過加速老化和水射流拆除后的QL組再生混凝土試樣在抗壓條件測試下顯示出最低的抗壓強度，僅在18.53MPa到29.52MPa之間。可能原因是加速老化溶解了砂漿中的膠凝成分，從而對混凝土的強度造成了嚴重影響。但即便如此，水射流拆除后仍可保留約71%的剩余強度，再次證實了使用水射流拆除舊建筑物回收再生混凝土構(gòu)件的可行性。此外，配合比對再生混凝土的剩余強度也有很大的影響。試驗結(jié)果表明，具有較低水灰比、較高單位用水量和較低砂率的混凝土試樣在經(jīng)過水射流拆除后的強度損失會明顯降低。圖2剩余抗壓強度水射流拆除后再生混凝土的斷面粗糙度對于構(gòu)件連接性能是至關(guān)重要的，愈加粗糙的表面能夠提高摩擦力和機械咬合力，有利于再生混凝土構(gòu)件之間的緊密連接。在本研究中，采用Xie等提出的表面積計算方法，斷面粗糙度可以通過斷口表面積與其在主平面上投影面積之比得到。根據(jù)計算結(jié)果，Q組和QL組再生混凝土試樣的斷面粗糙度在1.10~1.31。其中，經(jīng)歷加速老化過程后的QL組再生混凝土的斷面粗糙度相較于Q組混凝土普遍提升了4.0%~14.9%，這可能是由于混凝土強度的降低導致了去除效率的提高。2.2水射流沖擊下混凝土致裂及骨料分離機制在水射流沖擊混凝土的試驗過程中，粗骨料與砂漿之間的界面過渡區(qū)存在可明顯觀察到的微裂縫，這說明水射流沖擊可以充分利用粗骨料與砂漿之間的強度差異，通過控制適當?shù)纳淞鲏毫?，使水射流具備破碎廢棄混凝土，但不足以破壞粗骨料的能力，進而有效避免粗骨料在傳統(tǒng)機械破碎分離回收過程中的摩擦性損壞，提高再生粗骨料的品質(zhì)和再利用性能。此外，粗骨料與水泥砂漿之間的過渡界面作為混凝土中最薄弱的部位，這一觀點已被廣泛接受。如圖3所示，粗骨料與砂漿之間的過渡界面更容易存在微孔和微裂縫，這會誘導水射流在沖擊過程中更傾向于打斷粗骨料與砂漿之間的介質(zhì)連接，促使過渡界面上微孔與微裂縫的萌生、匯聚直至貫穿，并借助孔隙壓力去除骨料表面附著的水泥漿體，從而獲得高品質(zhì)再生粗骨料。圖3水射流沖擊下骨料與砂漿分離機制一般來說，再生粗骨料的物理特性在一定程度上決定了再生骨料混凝土的性能。較低的顆粒密度和較高的吸水率是再生粗骨料區(qū)別于天然粗骨料的重要特征，這主要是由于再生粗骨料中殘余的表面附著砂漿所導致的。在水射流破碎廢棄混凝土分離再生粗骨料試驗過程中，大部分粗骨料能夠被有效收集到。如圖4所示，相較于機械破碎分離方式獲得的再生粗骨料普遍超過35%的附著砂漿含量，使用水射流分離方式獲得的再生粗骨料可以有效降低到10%以下，這將會為進一步制成性能優(yōu)越的再生骨料混凝土打下良好的基礎(chǔ)。此外，通過骨料的顆粒形狀分析，可以發(fā)現(xiàn)機械破碎分離方式獲得的再生粗骨料的三個軸的長度都在不同程度上有所減少，球形度相比天然粗骨料更高，而使用水射流分離方式獲得的再生粗骨料從形貌上看棱角則更為鮮明，作為再生粗骨料去配置再生混凝土時將會更好地起到銷栓作用，強化再生混凝土強度。圖4附著砂漿含量（a）水射流分離；（b）傳統(tǒng)機械分離3、結(jié)論（1）舊建筑物可以通過水射流拆除來保留剩余強度，實現(xiàn)混凝土構(gòu)件的回收再利用。水射流拆除后再生混凝土的剩余抗壓強度可保留91%到98%，表明水射流拆除對于再生混凝土構(gòu)件力學性能的影響是可以忽略不計的。此外，較低的水灰比、較高的單位用水量和較低的砂率都會導致水射流拆除后再生混凝土的強度損失明顯降低。（2）水射流拆除造成的粗糙表面對于新舊混凝土界面的粘結(jié)是非常有利的。水射流拆除后再生混凝土的斷面粗糙度普遍保持在1.10~1.31，經(jīng)過加速老