同济大学 肖建庄

  再生混凝土是指将废混凝土块经过破碎、清洗与分级后,按一定的比例与级配混合形成再生骨料,部分或全部代替砂石等天然骨料配制而成新的混凝土。再生骨料混凝土技术可实现对废混凝土的再加工,使其恢复原有的性能,形成新的建材产品,从而既能使有限的资源得以再利用,又解决了部分环保问题。这是发展绿色混凝土,实现建筑资源环境可持续发展的主要措施之一。美国、日本和欧洲等发达国家和地区对废混凝土的再利用研究得较早。近年来,国内的一些专家学者在这方面也进行了一些基础性研究。目前,再生混凝土新技术是世界各国的共同关心的课题,已成为国内外工程界和学术界关注的热点和前沿问题之一。

  1 再生骨料

  1.1再生骨料的生产

  经济可行的再生骨料加工工艺是废混凝土能够进行充分再利用的前提。再生骨料的生产需要解决一系列问题,包括对废混凝土块的回收、破碎、分级、预处理、运输和贮存等。图1是笔者课题组在对国内外现有的废混凝土破碎工艺进行综合分析的基础上,结合我国国情提出的优化工艺。

1  再生骨料的生产工艺

  1.2再生骨料的性能

  以往的研究表明,与天然骨料相比,再生骨料具有孔隙率较高、密度较小、吸水性增强和强度较低等特点。笔者还研究过不同来源再生粗骨料的基本性能,发现由于废混凝土强度等级的不同,导致由其制成的再生粗骨料性能存在差异,主要表现为随着废混凝土强度等级的增加,再生粗骨料的表观密度增加、吸水率和含水率降低、压碎指标降低、孔隙率降低、附着砂浆含量降低。

  1.3再生骨料的性能改善

  研究表明,机械活化和酸液活化可以对再生骨料的性能加以改善。机械活化的目的在于破坏弱的碎石颗粒或除去粘附于碎石上的低强度水泥石残渣;酸液活化是用酸液(如盐酸)来处理再生骨料。试验表明用盐酸对再生骨料进行处理,不仅能提高混凝土的强度、改善拌和物的和易性,而且使再生骨料混凝土的初始弹性模量提高,还可以使泊松比降低,徐变减小,但这种方法目前费用较高。杜婷等将水泥和外掺超细矿物质(如粉煤灰、纯水泥浆和硅粉等)与水按比例调成浆液,分别对再生骨料进行浸泡和干燥处理,结果表明,浆液能够在一定程度上填充再生骨料的孔隙并粘合破碎过程中其内部产生的一些微裂缝,强化后再生骨料本身的强度得到一定程度的提高。

  2 再生混凝土

  2.1再生混凝土配合比

  由于再生骨料各方面的性能不同于天然骨料,为合理有效地推广再生混凝土,必须根据再生骨料的特点,对再生混凝土的配合比设计进行专门研究。张亚梅和肖建庄等人建议将再生混凝土拌和用水量分为两部分,一部分为骨料吸水至饱和面干状态时的用水量,称为吸附水;另一部分为拌和水用量,直接参与水泥的水化反应。

  基于性能的再生混凝土配合比设计是今后的大趋势。一般认为,在用水量相同的情况下,再生混凝土的坍落度减小,流动性变差,但粘聚性和保水性增强。柯国军等的研究发现,当再生骨料的替代率为0-60%时,其坍落度与基准混凝土基本相同,坍落度损失不大,不会给混凝土施工带来困难。国外学者Saroj等人的试验中掺加了10%的粉煤灰,使再生混凝土的性能有了很大的改善。张亚梅等采用掺加了高效减水剂和粉煤灰,配制出强度为54.6MPa高强再生混凝土。

  2.2再生混凝土物理性能

  由于再生骨料比天然骨料表观密度小,因此再生混凝土的密度低于普通混凝土,全部采用再生骨料的再生混凝土密度较普通混凝土降低7.5%左右。再生混凝土的自重小,这对于降低结构自重,改善再生混凝土构件的抗震性能等是有利的。同时,由于其孔隙率大,使得再生混凝土具有较好的保温和隔热性能。

  3 再生混凝土的力学性能

  3.1再生混凝土的强度

  再生混凝土的强度与废混凝土的强度、再生骨料加工工艺、再生骨料的掺量以及再生混凝土的配合比等密切相关。由于废混凝土的强度等级、使用环境与碳化程度各不相同,解体、破碎的工艺及质量控制措施的差异,导致再生混凝土强度变化有其特殊性。

  再生混凝土的抗压强度随着再生粗骨料掺量的增加而降低。笔者曾研究了不同再生粗骨料掺量对再生混凝土抗压强度的影响,研究表明当再生粗骨料掺量为30%、70%和100%时,再生混凝土的28d抗压强度分别较普通混凝土平均降低24%、28%和30%左右。但是,当再生粗骨料的掺量为50%时,再生混凝土的强度反而高于普通混凝土。不论再生粗骨料掺量多少,再生混凝土抗压强度随龄期的发展规律与普通混凝土类似。

  废混凝土的强度对再生混凝土的强度也有一定影响。总体上来讲,废混凝土强度越高,相同条件下再生混凝土的强度越高。国外学者Hansen的试验表明,不同强度等级的再生混凝土,再生骨料对其强度的影响不同:配制高强再生混凝土时,再生骨料的性能对再生混凝土的强度影响最大;配制中等强度再生混凝土时,影响程度次之,配制低强度的再生混凝土时,再生骨料对其强度的影响最小。当再生粗骨料的来源不同时,再生混凝土的强度降低得更多。

  日本BCSJ研究表明,用再生细骨料替代普通细骨料配制的再生混凝土的强度较再生粗骨料替代普通粗骨料配制的再生混凝土的强度低。

  值得指出,再生骨料表面包裹着水泥砂浆,使再生骨料与新的水泥砂浆之间弹性模量相差较小,界面结合可能得到加强。同时,再生骨料表面的许多微裂缝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。目前,有关再生混凝土的微观结构以及如何提高再生混凝土的强度有待于进一步研究。

  3.2再生混凝土的弹性模量

  由于再生骨料中有大量的老旧砂浆附着于原骨料颗粒上,导致再生混凝土的弹性模量通常较低,一般约为废混凝土的70%-80%。由于弹性模量低,变形大,可以预计再生混凝土具有较好的抵抗动荷载的能力。掺入塑化剂后,再生混凝土的弹性模量有所提高。水灰比对再生混凝土的弹性模量影响较大,当水灰比由0.8降低到0.4时,再生混凝土的抗压弹性模量增加33.7%。

  4 再生混凝土的耐久性

  4.1抗碳化性能

  再生混凝土抗碳化性能可能低于同水灰比的普通混凝土。然而同强度等级的再生混凝土与普通混凝土相比,其抗碳化性能可能比较接近。如国外学者Limbachiya的试验得出,与同强度等级的普通混凝土相比,再生粗集料掺量大于30%的再生混凝土抗碳化性能有所改善。又如国外学者Salomon的试验得出,用作列线图的配合比设计方法配制的再生混凝土,其碳化深度小于同强度等级的普通混凝土。究其原因都是因为再生混凝土的水泥用量大于同强度等级的普通混凝土。

  4.2抗渗性能

  混凝土的抗渗性能与其孔隙率或密实度直接相关。因而,提高混凝土的密实度的方法均可以起到改善其抗渗性能的作用。肖开涛对掺与未掺粉煤灰的再生混凝土试块进行扫描电镜分析,发现未掺加粉煤灰的再生混凝土的界面上有明显裂缝,而掺加粉煤灰的再生混凝土,其界面结构则较为密实。

  4.3抗冻性能

  许多研究者的试验均得出,再生混凝土具有良好的抗冻性能,甚至优于同水灰比的普通混凝土。然而更多研究者得出,再生混凝土的抗冻性能低于、甚至明显低于普通混凝土,再生粗集料是再生混凝土抗冻性能的薄弱环节,它很容易吸水饱和。

  4.4耐磨性能

  再生混凝土的耐磨性能低于同配比普通混凝土。国外学者Sagoe-Crentsi的试验就得出,增加水泥用量或掺加矿渣可以减小再生混凝土的磨损深度。

  4.5抗硫酸盐侵蚀性能

  再生混凝土抗硫酸盐侵蚀性能基本规律是,随再生集料掺量增加,再生混凝土抗硫酸盐侵蚀性能降低;掺加粉煤灰、高效减水剂(减小水灰比)、矿物外加剂以及对集料进行改性处理均可提高再生混凝土抗硫酸盐侵蚀性能。

  4.6收缩和徐变

  再生集料本身较大的干缩变形及较低的弹性模量使再生混凝土干燥收缩较大;掺加矿物掺合料(如粉煤灰、矿渣等)、聚丙烯纤维、钢纤维、膨胀剂以及采用蒸汽养护等可以减小再生混凝土的干缩变形,其中以掺加膨胀剂的效果最好。

  再生混凝土的徐变较普通混凝土大,且随水泥用量、水灰比增加而增大;采用DC-RR搅拌方法可以降低再生混凝土的徐变;正是由于再生混凝土徐变较大,故不宜用于预应力构件。

  5 再生混凝土的结构性能

  5.1再生混凝土梁

  国外学者K.Ishill通过研究了再生混凝土梁的受弯特征,研究表明再生混凝土梁的承载力与普通混凝土梁差别不大,但变形和裂缝宽度较普通混凝土梁略大。国外学者B.C.Han完成了再生混凝土梁的抗剪承载力试验,研究表明,用普通混凝土的设计方法设计的再生混凝土梁偏于不安全。笔者曾试验研究了单一来源再生混凝土梁的受弯与受剪性能,各制作了再生骨料掺量分别0、50%、100%的三个试件。结果表明,再生混凝土梁在受弯过程中仍具有弹性、开裂、屈服、破坏四个阶段,并且截面基本符合平截面假定,随着再生骨料掺量的增加,梁的开裂弯矩,极限弯矩和刚度降低,变形增大;再生混凝土梁的抗剪承载力随着再生骨料掺量的增加而降低。采用《混凝土结构设计规范》设计再生混凝土梁是需要进行修正。国外学者Shingo等人对再生粗骨料钢筋混凝土梁的疲劳性能进行了研究。

  5.2再生混凝土柱

  国外学者Katsuyuki等研究了钢管再生混凝土柱的轴压性能,试验结果发现钢管再生混凝土柱的刚度降低,破坏过程较普通混凝土快,但仍具有足够极限承载能力可以利用。韩林海等研究了钢管再生混凝土组合柱的性能,结果表明钢管再生混凝土组合柱与钢管普通混凝土组合柱的破坏模式相同。

  笔者曾研究了钢筋再生混凝土柱的轴压与偏压性能,分别设计了轴心受压、小偏压、界限受压和大偏压4组,每组3个,共12个试件。结果表明再生混凝土柱与普通混凝土柱有相同的破坏特征,再生混凝土柱的轴压承载力低于普通混凝土柱,而大偏压柱的承载力与普通混凝土相差不大。

  5.3梁-柱节点

  国外学者Corinaldesi等研究了再生混凝土梁-柱节点的抗震性能。试验结果表明,再生混凝土梁-柱节点的耗能能力与普通混凝土节点基本相同,表明再生混凝土梁-柱节点的抗震性能与普通混凝土梁-柱节点的抗震性能相差不多。

  笔者曾研究了再生混凝土梁-柱节点的抗震性能,与普通混凝土类似,再生混凝土梁-柱节点受力过程均有初裂、通裂、梁屈服、极限、破坏五个阶段,合理设计的再生混凝土梁-柱节点的抗剪承载能力、延性、耗能均满足抗震要求。

  5.4框架抗震性能

  笔者完成了4榀再生混凝土框架的抗震性能试验,研究发现经过合理的设计和构造处理,再生混凝土框架的抗震性能,并没有随着再生骨料掺量的增加而明显降低,这具有十分重要的工程意义。

  6 结语

  1) 再生混凝土技术能够解决废混凝土的出路问题,既减轻废混凝土对环境的污染,又节省天然骨料资源,缓解骨料供求矛盾,减少自然资源和能源的消耗,具有显著的社会、经济和环境效益,符合可持续发展的要求,是发展绿色混凝土的主要途径之一。

  2) 再生混凝土的基本性能与再生骨料的性能及再生混凝土的微观结构密切相关。为了提高再生混凝土的各种性能,应从再生骨料生产工艺的优化、骨料的预处理、配合比设计和微观结构入手对其进行研究。

  3) 在工程应用研究中,不仅要进行提高再生混凝土强度的研究,而且对其耐久性如抗渗性、抗磨性及抗碳化等也要加强研究,逐步实现再生混凝土的高性能化。

  4) 国内外对再生混凝土材料性能和结构行为的研究成果表明,合理设计的再生混凝土结构能够达到普通混凝土结构的性能要求,其应用于土木工程中是可行和安全的。

  5) 再生混凝土的推广应用需要全社会的努力,在我国推广应用再生混凝土也十分需要政府的产业政策扶持和国家的法律法规保障。