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废弃混凝土再生利用的研究进展【转】  

2012-07-19 16:16:40|  分类: 土木工程 |  标签: |举报 |字号 订阅

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随着我国城市化进程的加快和城市建设规模的扩大,建筑业迎来了一个新的快速发展期,每年产生大量的建筑垃圾,其中废弃混凝土约占建筑垃摄总量的 30% - 40%0 2004年,全国建筑垃圾排放总量60亿吨,其中废弃混凝土约18 - 24亿吨。废弃混凝土是指旧建(构)筑物拆除、市政工程动迁、路面返修、重大基础设施改造、工程施工等过程中产生的废混凝土块及商品混凝土厂和预制构件厂产生的不合格混凝土。废弃混凝土通常采用露天堆放或填埋方式处理,故需要占用大面积的耕地,处理费用与运费较高。废弃混凝土清运和堆放过程中易造成粉尘、灰砂飞扬,严重宿染大气,形成二次污染。另外,混凝土生产需要艳费大量砂石骨料,随着对天然砂石的不断开采,天然骨料资源渐趋枯竭,生态环境日益恶化。废弃混凝土循环再生利用可解决其导致的资源、能源、环境及相关社会问题,缓解骨料供求矛盾,具有显著的社会效益、经济效益和环境效益,是环境保护与可持续发展战略的迫切需求。

1 再生混凝土的相关概念

再生骨料混凝土[1](Recycled Aggregate Concrete,RAC)是指利用废弃混凝土破碎加工而成的再生骨料,部分或全部代替天然骨料配制而成的新混凝土,简称再生混凝土(Recycled Concrete,RC)。再生骨料(Recycled Aggregate,RA)是指废弃混凝土经特定处理、破碎、分级并按一定的比例混合后,形成的以满足不同使用要求的粒径在40mm以下的骨料。其中粒径在0.5-5mm的骨料为再生细骨料 (Recycled Fme Aggregate,RFA),粒径在5-40mm的骨料为再生粗骨料(Recycled Coarse Aggregate,RCA)。RCA[2]一般为表面包裹着部分水泥砂浆的石子,小部分是与砂浆完全脱离的石子,还有极少一部分为水泥石颗粒,RFA主要由砂浆体破碎后形成的表面附着水泥浆的砂粒、表面无水泥浆的砂粒、水泥石颗粒及少量破碎石块所组成。

2 废弃混凝土再生利用在各国立法状况

废弃混凝土再生利用已受到许多国家的重视,有些国家采用立法形式来保证此项研究和应用的发展。澳大利亚联邦科学与产业研究组织(CSIRO) [3]于 1998年颁布了《再生混凝土骨料配制非结构混凝土指南》,2002年颁布了《再生混凝土与砌筑材料使用指南》,推动了再生混凝土骨料的应用。日本早在上世纪七十年代初就已尝试利用废弃混凝土作为再生骨料配制再生混凝土,废弃混凝土再生利用工厂相继在各地建立,制定了多项法规以保证再生混凝土发展,为废弃混凝土资源化利用提供了法律和制度的保障。1977(4)年日本颁布《再生骨料和再生混凝土使用规范》,1991年颁布《资源重新利用促进法》,规定建筑施工过程中产生的渣土、混凝土块、沥青混凝土块、术材、金属等建筑垃圾,必须经“再资源化设施”进行处理。2001年颁布《建筑材料再循环法》,规定将C1、C2、C3三种类型的再生粗骨料及F1、F2两种类型的再生细骨料应用于非结构构件。2001年颁布《推进形成循环型社会基本法》、《促进废弃物处理指定设施配备》和《资源有效利用促进法》。德国(5)制定了《在混凝土中采用再生骨料的应用指南》,要求来用再生骨料的混凝土必须完全符合天然骨料混凝土的国家标准。美国政府颁布可超级基金法),规定:“任何生产工业废弃物的企业,必须自行妥善处理,不得擅自随意倾倒。”

3 再生混疆土的研究及应用进展

3.1 废弃混疑土破碎与再生骨料加工工艺

废弃混凝土块的回收、破碎和再生骨料生产工艺是废弃混凝土再生利用的前提。废弃混凝土经破碎加工后,骨料表面粗糙度加大,棱角效应增加,骨料表面包裹着相当数量水混砂浆,混凝土块解体过程中的损伤积累导致再生骨料内部形成大量微裂纹。上述因素使得再生骨料与天然骨料相比,压碎指标及孔隙率较高,密度较小,吸水性强,粘结力弱,骨料强度较低I时,所以再生骨料主要用来配制中低强度的混凝土,道路建设中用于路基、路面、路面砖、马牙砖等工程,建筑工程中用于基础垫层、底板、填充墙、非结构构件等部位。再生骨料的加工方法是将各种破碎设备、传送机械、筛分设备、清除杂质设备一体化,经破碎、筛分、去除杂质等工序,在得符合质量要求的再生骨料。日本问来用加热碾磨法、螺旋精碎法、机械粉碎法、重力浮选法等先进工艺改善了再生骨料的品质,其性能与天然骨料相当,可用以配制高强度混凝土。加热碾磨法是指将废弃混凝土加热至约300℃,包裹于再生骨料表面硬化的旧水泥浆逐渐软化,然后通过碾磨工序将其与废弃混凝土分离,获得清洁的原生骨料。螺旋精碎法是指利用螺杆轴去除再生骨料表面的水泥浆。机械粉碎法的主要装置是以钢球为媒介物、内部设有隔板的转筒。它在转动时,铜球沿水平、坚直方向移动,混凝土块在转筒内旋转,相互碰撞、摩擦、碾磨,利用隔板去除附着于骨料表面的水泥蒙和砂浆。重力浮选法是指当采用顿式粉碎机、冲击破碎舰、改进式棒磨机对废弃混凝土进行处理后,粒径大于8mm的骨料被分为再生粗骨料与砂浆颗粒,粒径小子8mm的骨料被分为5mm及5-8mm的再生细骨料。然后采用温式重力浮选机进行分选,砂浆颗粒、木材等轻物质位于上面,骨料等重物质在下面。

3.2 再生混凝土性能研究进展

发达国家早在二次世界大战后即开展了再生混凝土方面的研究,取得了许多重要的研究成果,再生混凝土新技术已成为国内外工程界和学术界关注和研究的热点课题之一。

3.2.1 再生混凝土力学性能研究现状 

对再生混凝土主要力学性能的研究,大多侧重于抗压性能和弹性模量。再生骨料来源不同,组成成分、性能、碳化程度、配合比、养护条件、试验条件和试验方法各异,导致再生混凝土抗压强度试验数据离散性较大。李镜、尹健等阴采用三因素、三水平的正交试验设计方法,探讨了水胶比、再生骨料掺量、超细粉煤灰掺量等试验因素对再生混凝土强度的影响规律和机理,采用多元回归分析方法,建立了再生混凝土强度与水胶比、再生骨料掺量、超细粉煤灰掺量的经验公式。结果表明:水胶比是影响再生混凝土强度的最主要因素,也是最显著因素;与同强度等级的高强混凝土相比,掺粉煤灰再生混凝土的拉压比较大,抗裂能力好;再生混凝土抗折强度与胶水比、再生骨料掺量以及超细粉煤灰掺量之间线性关系良好。

陈兵(8)研究表明,与天然骨料混凝土相比,部分再生骨料混凝土后期抗压强度较高。全部使用再生骨料的混凝土抗压强度比天然骨料混凝土下降约8%。掺加微细硅粉与高效减水剂后,再生骨料混凝土抗压强度及劈裂抗拉强度显著提高。肖建庄对再生混凝土棱柱体试件进行单轴直接拉伸试验,结果表明与普通混凝土相比,再生混凝土峰值拉应变较大,弹性模量较低。随再生骨料取代率的增加,再生混凝土抗拉强度逐渐减小,弹性模量逐渐降低。再生粗骨料取代率为100%时,与普通混凝土相比,其抗拉强度减小31%,原点切缉模量降低29%。相同应力水平下,再生混凝土变形较大。

夏琴(10)对再生混凝土与普通混凝土的单轴受压性能进行了对比试验,发现:在相同配合比条件下,再生混凝土弹性模量比普通混凝土降低 8%-15%;再生混凝土的破坏形态与普通混凝土类似,其单轴受压的应力应变曲线上升段形状与普通混凝土相似;再生混凝土单轴受压峰值应变比普通混凝土高约10%。

邓旭华[11]通过试验建立了再生混凝土配制强度公式fcu,i=0.37fce(C/W+0.0071)。

石建光(12)在水灰比0.55和水泥、细骨料、粗骨料的配合比为1 : 2 : 2.75时,测试了不同粗骨料级配情况下的再生混凝土工作性能和抗压强度,结果表明:γ(包裹骨料需要的水泥浆体积与混凝土中水泥浆总体积的比值)大于0.085时,混凝土工作性能较差,抗压强度低;γ小于0.085时,混凝土工作性能较好,抗压强度高。采用再生骨料自然级配制备的混凝土尽管γ值较小,但工作性能差,抗压强度低。再生骨料取代率分别 为50%、60%、100%时,调整粒径范围 9.5-26.5 mm的骨料,使其级配接近,再生混凝土强度高于天然骨料的混凝土强度。

孙成城(13)通过试验发现相同配合比条件下,再生粗骨料二次搅拌工艺拌制的混凝土强度比一次搅拌工艺拌制的混凝土高约12%。

邓旭华(14)结合超声和回弹的测试方法,探讨了水灰比对再生混凝土抗压强度的影响,结果表明:当水灰比大于0.57时,再生混凝土的抗压强度随着水灰比的增大而减小;当水灰比小子0.57时,再生混凝土的抗压强度随着水灰比的增大而增大。基准混凝土和再生混凝土超声声速和回弹值随水灰比的变化规律与其实际抗压强度值的变化规律基本一致。

王军强(15)发现随着再生骨料取代率的提高,再生混凝土的7d和28d抗压强度总体呈下降趋势;再生骨料取代率为100%时,与普通混凝土相比,再生混凝土28d抗压强度下降约5%。再生混凝土的相对动弹性模量低于普通混凝土。

3.2.2 再生混凝土耐久性研究现状

对再生混凝土的研究大多集中在物理性能与力学性能方面,而对其耐久性方面的研究相对较少,尤其对于多因素复杂环境条件下再生混凝土耐久行为与特性的研究尚显薄弱。对再生混凝土在多种破坏因素作用下的耐久性能进行研究,可为再生混凝土耐久性评估体系的建立提供科学的理论依据。

崔正龙(16)研究表明随着水灰比的增加,全再生混凝土抗冻融循环的耐久性指数及抗碳化能力均有所降低;水灰比分别为0.45、0.55时,全再生混凝土的耐久性指数比普通混凝土分别降低6%和9%,抗碳化能力差,碳化速度比普通混凝土几乎快3倍。

张雷顺[11]发现,加入引气剂后再生混凝土能达到甚至超过普通混凝土的抗冻融性能;降低水灰比,再生混凝土抗冻性能提高;宜于来用强度损失表征再生混凝土抗冻性能。宋少民研究表明再生混凝土收缩较大,抗碳化和抗氯离子渗透性能中等,抗冻融性就差。掺加粉煤灰和高效减水剂、降低水胶比可以提高再生混凝土耐久性。掺加粉煤灰后,再生混凝土密实度地大,抗氯离子扩散性能增大,碳化深度稍有增大,深度为10m,可以满足工程需要。

孙家瑛(19)研究表明:再生混凝土坍落度随再生骨料的增加而降低,抗渗性和抗融化能力较普通混凝土差。掺加活性掺合料后,再生混凝土工作性可有效改善,抗气渗性和抗碳化能力大幅度提高。朱崇绩研究了颗粒整形对再生骨料混凝土耐久性的影响,结果表明颗粒整形去除了骨料表面粘附的水泥石,再生骨料变得圆滑,混凝土需水量减小,显著改善了混凝土收缩性、抗氯离子渗透性、抗碳化性能和抗冻性能。陈爱玖发现:随着再生粗骨料掺量的增加,再生混凝土抗冻融能力减弱,但较普通混凝土的抗冻性降低不多;引气减水剂掺量是影响再生混凝土抗冻性的主要因素,再生粗骨料掺量为70%、聚丙烯纤维掺量为0.7kg/m3、引气减水剂掺量为0.6%的配合比拌制的再生混凝土抗冻耐久性较好,抗冻等级可达到F250以上;提出将饱和面干吸水增长率作为评判再生混凝土抗冻性能的技术指标。

考虑再生提凝土的强度和耐久性,吴缸利(22)建议再生混凝土水胶比不高于0.36,在不影响早期强度的情况下尽量掺加30%左右粉煤灰,再生骨料的最大粒径建议使用16mm。

3.2.3 再生混凝土变形性能研究现状

崔正龙[23)等在温度(20土2)℃、相对湿度(60土5)%条件下让全再生混凝土试件自由干燥收缩180d,研究了其抵抗干燥收缩能力。试验结果表明:再生混凝土干燥收缩长度变化率与干燥收缩后的质量减少率均大于普通混凝土;再生混凝土干燥收缩长度变化率及质量喊少率随水灰比增大而相应变大;全再生混凝土早期干燥收缩率比普通混凝土大得多,40d的干燥收缩率几乎占整个龄期180d干燥收缩率的90%。

A.Domingo-Cabo(24)在水泥用量与水灰比一定的条件下,对比了再生混凝土(再生骨料取代率分别为20%、50%、100%)与普通混凝土徐变与收缩变形发展过程。试验结果表明:随着再生骨料取代率的提高,再生混凝土弹性模量逐渐减小;再生骨料取代率分别为20%、50%的再生混凝土,180d收缩率比普通混凝土分别增加4%、12%;180d后,再生骨料取代率为 100%的再生混凝土收缩与徐变比普通混凝土分别离70%、51%。

4 结论

再生混凝土技术解决了大量混凝土废弃物处理困难和由此引发的对环境的负面影响等问题,节省了垃圾清运费用和处理费用;可以充分利用可再生资源,减少对天然砂石的开来,保护了自然资源和人类生存环境。再生混凝土技术是可持续发展战略的必然要求和主流趋势,是解决建筑垃圾问题最有效的途径。随着人类对废弃混凝土再生利用方面研究和开发的深入发展,再生混凝土的应用范围将逐渐拓展。作为一种极具发展潜力的环境友好材料,再生混凝土技术必将成为混凝土材料科学的一个发展方向,并推动混凝土生产最终走上良性发展的必由之路。

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