再生骨料混凝土力学性能影响因素研究.pdf

第 4 3卷第 1 期 2 0 1 2年 1月 Vo 1 4 3 No 1 J a n 2 0 l 2 建 筑 技 术 Ar c h i t e c t u r e T e c h n o l o g y 1 5 再生骨料混凝土力学性能影响因素研究 李雯霞1 I2 ，刘 昕2 ( 1 酒泉职业技术学院 ， 7 3 5 0 0 0 ， 甘肃酒泉 ； 2 同 济大学先进土木 工程材料教育部重点试验室 ， 2 0 0 0 9 2 ， 上海) 摘要 ： 通过介绍国内外再生骨料混凝土的研究状况 ， 进而指 出， 相比普通混凝土 ， 影响再生混凝土强度的 因素更多 ， 也更复杂， 包括再生骨料混凝土界面结构 、 再生骨料取代率、 水灰比和再生骨料的含浆量等 ， 可供再生 混凝土配合比设计作 参考 ， 最后指出了我国再生骨料混凝土的发展方 向。 关键词 ： 再生混凝土 ； 界面结构； 再生骨料取代率； 含浆量 ； 水灰比 中图分类号 ： T U 5 2 8 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 o 0 4 7 2 6 ( 2 0 1 2) 0 1 0 0 1 5 0 3 RES EARCH oN FACTOI t S AFF ECT G M ECHANI CAL PROPERTY oF REGENERATED AGGREGATE CoNCRETE L I W en - xia1 kl U Xi n ( 1 J i u q u a n Vo c a t i o n a l T e c h n i c al C o l l e g e ，7 3 5 0 0 0 ， J i u q u a n ，G a n s u ，C h i n a ；2 C h i n a K e y L a b o mt o o f A d v a n c e d C i v i l E n g i n e e r i n g Ma t e r i a l s o f Mi n i s t r y o f E d u c a t i o n ， T o n g j i U n i v e r s i t y ，2 0 0 0 9 2 ，S h a n g h a i ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：I t i s p r o p o s e d t h a t c o mp a r e d wi t h o r d i n a r y c o n c r e t e t h e r e a r e mo r e f a c t o r s a ffe c t i n g t h e s e n g t h o f r e g e n e r a t e d c o n c r e t e a n d t h a t t h e s e f a c t o rs a r e mo r e c o mp l i c a t e d ，i n c l u d i n g i n t e r f a c e s t r u c t u r e o f r e g e n e r a t e d a g g r e g a t e c o n c r e t e ，r e g e n e r a t e d a g gre g a t e r e p l a c e me n t r a t i o ，wa t e r c e me n t r a t i o a n d s l u r r y c o n t e n t i n r e g e n e r a t e d a g gre g a t e ，e t c ，t o p r o v i d e r e f e r e n c e s f o r mi x i n g p r o p o r t i o n d e s i g n o f r e g e n e r a t e d c o n c r e t e De v e l o p me n t t r e n d o f r e g e n e r a t e d a g gre g a t e c o n c r e t e i n t h e f u t u r e i s a l s o p o i n t e d o u t Ke y wo r d s ： r e g e n e r a t e d c o n c r e t e ； i n t e r f a c e s t r u c t u r e ； r e g e n e r a t e d a g g r e g a t e r e p l a c e me n t r a t i o ； mo r t a r c o n t e n t ；wa t e r - c e me n t r a t i o 随着我国经济的快速发展， 城市化和小城镇建设进 程的加快， 城市建筑的更新和市政动迁规模不断加大 ， 大 量废旧建筑物和新建工程施工产生了大量的建筑垃圾 ， 这些垃圾会侵占耕地，而且还会导致严重的环境污染。 如果能将废旧混凝土回收利用， 就能从根本上解决废旧 混凝土的处置问题。显然， 再生混凝土的开发和应用 ， 一 方面可大量利用废弃的混凝土， 经处理后作为循环再生 骨料来替代天然骨料， 从而减少建筑业对天然骨料的消 耗 ； 男一方面 ， 还可在其配制过程中掺入粉煤灰等工业 矿渣。同时 ， 再生混凝土的开发应用从根本上解决了天 然骨料 日益匮乏及混凝土废弃物造成生态环境 日益恶 化等问题 ， 有利于人类社会的可持续发展。 1 再生骨料混凝土概况 I I 国外研 究 现状 再生混凝土是将废弃的混凝土经过破碎 、 清洗 、 分 级后 ， 按一定的比例混合形成再生骨料 ， 部分或全部代 替天然骨科配制成新的混凝土，称为再生骨料混凝土 收稿 目期 ： 2 0 1 1 - 1 1 - 2 5 基 金 项 目 ：地 震 灾 区 建 筑 垃 圾 资 源 化 技 术 及 其 示 范 生 产 线 ( 2 0 o 8 B A K 4 8 B O 1 ) 作者简介 ： 李 雯霞( 1 9 7 0 一 ) ， 女 ， 安徽凤台县人 ， 副教授， 同济大学访问学 者 ， 主 要 研 究 方 向 为 建 筑 垃 圾 资 源 化 ， e ma i l ：j u q u a n l iw e n x i a 52 6 6 】 2 6 C O I n ( r e c y c l e d a g g r e g a t e c o n c r e t e ) ， 简称再生混凝土 ” 。废弃 混凝土块经过破碎 、分级并按一定比例混合后形成的 骨料称为再生骨料( r e c y c l e d a g g r e g a t e ) 。 再生骨料混凝土的研究与应用并非从最近才开始， 第二次世界大战后 ， 发达国家重建家园时就已经注意到 废弃混凝土的应用。N i x o n 于1 9 7 8 年在 材料与结构的试 验研究 上发表了题为 可预见的再生骨料混凝土 的署 名文章。2 0 世纪8 O 年代废弃混凝土的利用已成为发达国 家共同研究的课题 ， 有些国家还采用立法形式来保证该 研究和应用的发展。 2 0 0 1 年 ， 可持续发展研究机构( S R L ) 为再生骨料提供了环保标准( E c o - l a b e 1 ) 2 。自2 0 世纪9 0 年代以来， 发达国家在再生混凝土方面的开发利用发展 很快。 1 2我国研究现状 我国对再生骨料 的研究较晚 ，现在也已经成为混 凝土研究领域中的一个热点，我国政府制定 的中长期 科教兴国战略和社会可持续发展战略 ，也鼓励废弃物 的研究和应用。 近几年 ， 国内也有不少研究人员进行过 相似的探索 ， 但与发达 国家相比， 我国再生骨料混凝土 的研究尚处于试验室阶段。尤其是再生骨料自身的复 杂性、变异性，使再生骨料混凝土的应用受到某些限 制。 目前， 对废弃混凝土的再生利用主要集中于将旧混 凝土破碎后重新用于配制混凝土， 即再生骨料混凝土。 l 6 建筑技术 第 4 3卷第 1期 研究表明 3 1 ， 用再生骨料配制的混凝土与天然骨料混 凝土相比 ， 抗压强度约低0 4 0 ， 其他如抗拉强度、 抗弯强度 、 弹性模量等均明显低于对比混凝土， 而徐变 和收缩明显增大， 因此， 一般将再生骨料用于配制普通 强度等级( CI O C 4 0 ) 的混凝土 ， 而关于将再生骨料 用 于配制高性能混凝土的研究尚不多见。 2 再生骨料混凝土研 究 2 1 再 生粗骨料 的特 性 试验中再生骨料 的来源具有多样性 ，且地方差异 大 ， 性能不稳定， 离散性较大。本课题组采用的再生骨 料为上海某检测站和某建 筑拆迁工程的废弃混凝土 ， 混凝土特性不详。 目前试验的主要结论 ： 和天然骨料相 比， 再生骨料的表观密度 、 堆积密度较小 ， 吸水 率和压 碎指标较大 ，再生骨料表观密度降低约5 2 2 1 ； 堆 积密度降低约 1 1 8 1 4 3 ；再生骨料吸水率是天然 骨料 的3 2 2 倍 ；再生骨料的压碎指标是天然骨料的 1 7 4 倍。 原生混凝土强度越高，破碎得到的再生粗骨料颗 粒越大 ， 再生粗骨料的表观密度和堆积密度越高 ， 而压 碎指标 、 吸水率越小 。主要原因是再生骨料表面粗糙 、 棱角较多， 表面均附着一定量的废旧水泥砂浆 由于水 泥砂浆孔隙率大 、 吸水率高 ， 再加 上混凝土块在解体 、 破碎过程 中由于损伤积累使再生骨料内部存在大量微 裂纹 ，从而导致再生骨料较天然粗骨料易破碎 ，坚固 性 、 耐久性较差 ， 密度和表观密度 比天然骨料低 ， 吸水 率高和吸水速率快。 再生骨料存在很多有害杂物 ， 是从 旧建筑物拆除 的建筑垃圾中带过来的。其中可能包括 粘土颗粒 、 沥青碎块 、 石膏残片 、 碎砖和其他材料 ， 此类 有害杂物通常会对再生骨料拌制的再生混凝土力学性 能和耐久性造成负面影响。 再生骨料的密度、 表观密度 、 吸水率等物理特性 还与母体混凝土( 即废弃混凝土 ) 的强度等级 、 配合比 、 使用时间、 使用环境及地域等因素有关 。 2 2 影响再生骨料混凝土力学性能的主要因素 2 2 1 再生骨料混凝土界面结构 混凝土是一个非匀质 的多相和 多孔材料 5 ， 混凝 土中存在着大量的界面 ，其中水泥浆体和骨料的界面 过渡区是混凝土中的最薄弱环节，裂缝最容易从该区 域产生和扩展，离子迁移和溶液渗透也最容易将该区 域作为快速通道 ，该区域是直接影响混凝土力学性能 与耐久性能的重要因素。再生骨料配制的再生混凝土 也存在同样的问题 ( 即骨料与水泥浆体 的界面) 。与天 然骨料相比 ， 再生骨料不仅棱角多 ， 且表面往往包裹着 一 层 ( 或部分 ) 砂浆( 或水泥浆 ) ， 但会有部分离子可能 溶出 ， 被认为部分可溶 ， 则再生骨料溶解释放的粒子其 最大密度集中在骨料 的表面 ，溶出的离子可参与水泥 的水化反应。由于靠近再生粗骨料表面的液相浓度最 大， 所生成的水化产物将会填充在界面区毛细孔隙内 ， 对提高界面粘结强度 有利。再生骨料表面包裹着硬化 水泥浆体 ( 或砂浆) 与新水泥浆体( 砂浆) 之间弹性模量 相差较小 ， 有助于改善界面 ； 再生骨料表面存在较多微 裂缝 ， 此微裂缝会吸入新的水泥颗粒 。 水泥颗粒水化后 对形成致密的界面结构有帮助。由于再生混凝土界面 结合存在可加强的可能性 ，因而可弥补再生骨料强度 较低的缺陷 ， 对改善再生混凝土强度有一定帮助。 但另 一 方面 ，由于此界面过渡区的晶体及孔隙等仍较水泥 浆本体大 ，且该区域的水灰比明显高于水泥浆体本体 中的水灰比 使再生骨料表面与新水泥浆体之间生成 结构疏松的水化产物。 再加上晶体 的定向排列 ， 再生骨 料与新浆体之间的界面过渡区仍然会成为再生混凝土 的薄弱环节。 2 2 2 再生骨料取代率 国内对不同再生骨料掺量 的再生混凝土的抗压强 度方面 的研究很 多。试验中再生骨料 的掺 量有0 ， 2 0 ， 4 O ， 5 0 ， 6 0 ， 8 0 ， 1 0 0 或 0 ， 3 0 ， 5 0 ， 7 0 ， 1 0 0 。各试验结果的差异很大 。 表明再生混凝土 力学性能试验数据的离散性较大。对再生混凝土抗压 强度 ， 可以归纳为三种不同的试验结果 ： 第一种结果是 随再生骨料的掺量增加 ， 混凝土强度降低 ， 降低幅度为 0 3 0 ； 第二种结果是随再生骨料的掺量增加 ， 混凝 土强度也增加， 增加幅度无明显规律： 第三种试验结果 是随再生骨料 的掺量增加 ，一定再生骨料掺量的混凝 土强度增加 ，而一定再生骨料掺量的混凝土强度会降 低 ， 其强度增加和降低无明显规律。 本课题组按最佳级配曲线配再生骨料 ( 骨料粒径 为5 3 1 5 m r n ) ， 试验结果为 ： 再生混凝土的抗压强度随 时间的增长而增长 ，不同再生骨料掺量的混凝土的抗 压强度都有相 同的趋势 ；再生混凝土的强度随再生骨 料掺量不同而变化 ，总的变化趋势是随再生骨料掺量 增加 ， 再生混凝土的强度先增加后减少； 当再生粗骨料 的掺量为3 0 ， 5 0 I ,I，再生混凝土的2 8 d 抗压强度较 普通混凝土增加幅度为1 4 和7 9 ；而当再生粗骨料 的掺量为7 o n l o o I， 再生混凝土的强度较天然混 凝土降低1 5 9 1 I 1 8 6 ； 再生混凝土 的抗拉强度随着 再生骨料掺量增加 ， 劈裂抗拉强度总趋势逐渐降低 ， 当 再生骨料取代率为1 0 0 时 ， 混凝土的劈裂抗拉强度降 低3 O 4 。 2 0 1 2 年 1 月 李雯霞 ， 等 ： 再生骨料混凝土力学性能影响因素研究 1 7 2 2 3水 灰 比 水灰比是影响混凝土抗压强度 的主要 因素之一 。 对于普通混凝土而言，混凝土的抗压强度一般与水灰 比成反比关系， 即水灰比越低 ， 抗压强度越高。但对再 生混凝土而言，其强度与基准混凝土的强度和再生混 凝土的配合比等密切相关， 情况则不完全相 同。 本课题 组用上海某检测站强度为C 3 0 的混凝土试件破碎筛分 作为再生混凝土的粗骨料， 再生骨料级配为最佳级配， 再生混凝土的配合比按普通混凝土配合比标准配制不 同水灰比的再生混凝土 测试水灰比与再生混凝土强 度的关系。 试验结果为 ： 当水灰比 由0 3 2 增加到0 5 时 基准 混凝土 的抗压强度 呈逐渐降低趋势 ，而再生混凝土 抗压强度的变化则表现 出变化不同的趋势。( 1 ) 当水 灰 比为0 5 时 ， 再生混 凝土 与基准混凝 土相比 ， 抗 压 强度约降低1 1 8 。 可能是由于再生骨料的吸水性很 强 在水灰比较低 时 ， 再生混凝土中水泥浆 的流动性 较差 ， 使得再生骨料与水泥浆之间的结合力变弱 ， 因 此其抗 压强度低于基准混凝土 。( 2 ) 当水灰比 由0 5 增加 到0 5 4 时 ，再生混凝土 的抗压强度 并没有随水 灰比 的增加而下降 ， 而是呈上升 趋势 ， 而且再生混凝 土相应 的抗压强度 值高于基准混凝土 。其原因可能 是： 随着水灰比提 高 ， 完全使用再生骨料与完全使用 普通骨料 的混凝土相比 ，再生混凝土骨料的吸水率 高 ， 吸收 速率快 ， 原材料加水拌 和后 ， 再生骨 料大量 吸水 使水泥浆体 中实际水灰比降低 ， 从而使再生混 凝土 的抗 压强度增加 。( 3 ) 当水灰 比大于0 5 6 后 ， 再 生混凝土的抗压强度呈下降趋势，可能是由于当水 灰 比为0 5 6 H ,，再生骨料和水泥浆 的吸水量 基本趋 于饱和 。 用水量进一步增加 ， 反而会使得再生混凝土 的密实度和周 围的水泥浆强度降低 ，造成抗压强度 值下降 。 大量试验说明 ：不宜过分减小水灰比以获取较 高 的抗 压强度 。 因为再生混凝土骨料的吸水 率高 、 吸 收速 率快 ， 加水拌和后 ， 再 生骨料大量吸水 ， 使水泥 浆体 中实际水灰比降低 。从而使再生混凝土 的抗压 强度增加 。再生混凝土配合比设计 中水灰比值宜取 0 4 5 或0 5 ， 这样既可以得 到较高 的再生混凝土强度 ， 又可 以保证其工作性能 。 2 2 4 再生骨料的含浆量 再生骨料表面粗糙 、 棱角较多， 表面均附着有部分 或全部的废旧水泥砂浆 ， 一方面水泥砂浆孔隙率大 ， 吸 水率高 ， 在拌和混凝土中会降低拌合物的水灰比。 对改 善再生混凝土强度有一定帮助。 男一方面 ， 再生骨料表 面水泥砂浆含量较高且粘结较弱 ，导致再生粗骨料较 天然粗骨料易破碎，会使再生混凝土抗压强度比同条 件的普通混凝土强度低 。因此， 再生骨料表面 的含浆量 的多少对再生混凝土的强度会有影响。 本课题组利用含浆量一 吸水率的关系来测试再生 骨料的含浆量对再生混凝土力学性能的影响。再生骨 料吸水率大， 是 由再生骨料中砂浆含量较多所决定 的。 砂浆含量和吸水率之间存在影响和被影响的关系。因 此 ， 探索砂浆含量对再生混凝土强度的影响规律 ， 可以 转化为探索再生骨料吸水率对再生混凝土强度的影响 规律 ， 因为吸水率指标较砂浆含量指标更容易获得 。 通过大量试验数据我们得出再生骨料的含浆量对 再生混凝土抗压强度的影响结论 ：含浆量占再生骨料 重量的1 0 1 5 时， 再生骨料混凝土强度比同条件下 含浆量高的再生混凝土强度偏高 。其原因主要是再生 骨料的物理表面凹凸不平 ，容易与水泥石之间形成较 大的物理粘结强度 ，较高的表面活性易于同水泥浆反 应形成较高的化学粘结强度； 再者， 再生骨料与新混凝 土水泥石有相近 的弹性模量 ， 因而在受力时 ， 其界面处 将产生较小的应力差 ，在粘结界面受力产生微裂缝的 趋势减少； 另一方面 ， 因为再生骨料 的高吸水率会降低 混凝土水泥浆的有效水灰比所以也能够导致水泥石 的强度增加， 并且含浆量少的再生骨料的坚固性较好， 压碎指标较小。 含浆量过大 。 再生骨料表面水泥砂浆与 骨料的粘结较弱， 再生粗骨料易破碎， 坚固性较差， 压 碎指标较大 ，会使再生混凝土抗压强度比同等条件的 普通混凝土强度低。 3 结语 影响再生混凝土力学性能的因素除再生混凝土的 界面 结构 、 再生骨料的取代率、 含浆量和水灰比外 ， 还 与再生骨料的原始混凝土的强度 、 再生骨料的级配、 试 验条件等因素有关。再生骨料混凝土的基本力学特性 究竟如何 ， 这些还需要通过试验进行定量化研究 ， 这也 是本课组今后努力的方向。 参考文献 1 P K Me h t a 混凝土 的结构 、 性 能与材料 M 祝永年 ， 沈威 上海 ： 同 济大学出版社 。 1 9 9 1 2 杜婷 ， 李 惠强， 昌永红 再 生混凝 土 ： 一种新型 的绿 色建材 J 福建 建材 ， 2 0 0 2， ( 1 ) ： 2 3 2 5 3 T a v a k o l i M， S o mu i a n P S t r e n g t h s o f r e c y c l e d a g g r e g a t e c o n c r e t e ma d e u s i n g fi e l d d e mo l i s h e d c o n c r e t e a s a g g r e g e J A C I M a t e r J ， 1 9 9 6 ， 9 3 ( 2 ) ： 1 8 2 - 1 9 1 4 T o p c u I B ，G u n c a n N F U s i n g w a s t e c o n c r e t e as a g g r e g a t e J C e m C o n c r R e s ，1 9 9 5 ， 2 5 ( 7 ) ： 1 3 8 5 1 3 9 O 5 吴中伟 ， 廉慧珍 高性能混凝土 M 北京 ： 中国铁道出版社 。 1 9 9 9