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(道路与铁道工程专业论文)废弃水泥混凝土综合再生利用的实验及理论研究.pdf.pdf 免费下载
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摘要 摘要 随着城市基础设施和道路建设的迅速增长,我国每年都产生大量的废弃混凝 土。据有关专家估计,仅从公路水泥混凝土路面中,每年产生的废弃混凝土约 4 0 0 0 多万吨。大量的废弃混凝土,引发了一系列的社会问题,而解决这些问题 的最好的方法就是废弃混凝土的再生利用。 目前国内研究大多针对再生集料性能、再生混凝土性能等某一方面进行研 究,缺乏系统性、综合性的研究。本论文的研究内容主要有三部分:再生粗集料 及再生混凝土的性能,水泥稳定石屑混合料的性能,以及废旧水泥混凝土路面强 夯发裂施工的质量检测与控制方法。 本文首先研究了再生集料的基本性能,包括颗粒级配、表观密度、压碎指标 等,结果表明由于表面附着较多的水泥砂浆,导致再生集料具有更高的压碎值、 吸水率和较低的表观密度。并且首次设计试验,测定了再生集料的砂浆附着率。 在此基础上,研究再生集料性能、微观构造对再生混凝土性能的影响。相关 数据表明,当再生集料置换率在4 0 以内时,再生混凝土的坍落度和抗压强度有 所降低,而含气量有所增长。同时,再生混凝土内部总孔隙量有所增加,孔径小 于1 0i lm 的孔隙量增加幅度较大,抗压试验和抗冻试验结果表明微细孔隙含量的 增加不会对再生混凝土强度产生较大影响,但有利于再生混凝土的抗冻耐久性。 本文还对水泥稳定石屑混合料进行了室内试验研究,结果表明其具有良好的 力学等方面的性能,完全可以满足用于道路基层、底基层的要求。此外,还研究 了强夯发裂施工的质量检测与控制方法,并在秦青公路大修工程得到应用。 最后,在室内相关试验结果的基础上,结合实际工程,将再生混凝土用于新 建道路的面层。相关检测结果表明,再生混凝土路面具有良好的抗压、抗折强度 和耐久性。 关键词废弃混凝土;再生利用;性能;微观构造;耐久性 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dg r o w t ho fi n f r a s t r u c t u r ea n dr o a dc o n s m m t i o n , al a r g ea m o u n to f w a s t ec o n c r e t ei sp r o d u c e di no u rc o u n t r ye v e r yy e a r a c c o r d i n gt ot h ee s t i m a t i o no f e x p e r t s o n l yf r o mt h ec e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n to fl l i g h w a y , m o r et h a n4 0m i l l i o n t o n so fw a s t ec o n c r e t ew i l lb ep r o d u c e de v e r yy e a r s u c hl a r g ea m o u n to fd i s c a r d e d c o n c r e t eh a sc a u s e das e r i e so fs o c i a lp r o b l e m s ,a n dt h eb e s tw a yt os o l v et h e s e p r o b l e m si st h er e c y c l i n go f w a s t ec o n c r e t e a tp r e s e n t ,t h ed o m e s t i cr e s e a r c hm o s t l ya i m sa tc e r t a i na s p e c t s ,s u c ha st h e p e r f o r m a n c eo f r e c y c l e da g g r e g a t eo rt h ep e r f o r m a n c eo f r e c y c l e da g g r e g a t ec o n c r e t e , a n di ss h o r to ft h es y s t e m a t i c ,c o m p r e h e n s i v er e s e a r c h t h ep a p e ri sm a i n l yr l a d eu p o f t h r e ep a r t s :t h ep e r f o r m u n c eo f r e c y c l e da g g r e g a t ea n dr e c y c l e da g g r e g a t ec o n c r e t e , t h ep e r f o r m a n c eo fc e m e n ts t a b i l i z e ds t o n ec h i p p i n gm a t e r i a l s ,a n dt h eq u a l i t y m o n i t o r i n ga n dc o n t r o lm e t h o d sf o ri m p a c tc o m p a c t i o nc o n s t r u c t i o no fw a s t e c o n c r e t ep a v e m e n t t h i sp a p e rc o m p r e h e n s i v e l ys t u d i e st h eb a s i cp e r f o r m a n c eo f r e c y c l e da g g r e g a t e , i n c l u d i n gt h ep a r t i c l eg r a d a t i o n , t h ea p p a r e n td e n s i t y , a n dt h ec r u s h i n gi n d e xv a l u e a n ds oo i lt h er e s u l t si n d i c a t et h a tb e c a u s eo fa d h e r e st o om u c hc e m e n tm o r t a r , t h e r e c y c l e da g g r e g a t eh a sh i g h e rc r u s h i n gi n d e xv a l u e ,w a t e ra b s o r p t i o na n dt h el o w a p p a r e n td e n s i t y a n dt h ee x p e r i m e n tt ot e s tt h ea d h e r i n gr o t eo fm o r t a ro fr e c y c l e d a g g r e g a t ei sd e s i g n e df o rt h ef i r s tt i m ei nt h ep a p e r b a s e do na b o v er e s e a r c h e s ,t h ep a p e rs t u d i e st h ep e r f o r m a n c eo fr e c y c l e d a g g r e g a t e ,m i c r o s t r u c t u r ea n dt h e i ri m p a c t so nt h ep e r f o r m a n c eo fr e c y c l e dc o n c r e t e r e l e v a n td a t as h o wt h a tw h e nt h er e p l a c e m e n tr a t eo fr e c y c l e da g g r e g a t ei sl e s st h a n 4 0 ,t h es l u m po fr e c y c l e dc o n c r e t ea n dt h ec o m p r e s s i v es u e n g t ho fr e c y c l e d c o n c r e t er e d u c e d ,a n dt h ea i rc o n t e n ti n c r e a s e d m e a n w h i l e ,t h et o t a lp o r ev o l u m ei n r e c y c l e dc o n c t e t ei n c r e a s e sa n dt h ep o r ev o l u m e ,a p e r t u r ed i m e n s i o no f w h i c h i sl e s s t h a n1 0 p mi n c r e a s e sc o n s i d e r a b l y t h e r e s u l t so f c o m p r e s s i o n t e s ta n d f i - e e z i n g - t h a w i n gt e s ts h o wt h a tt h ei n c r e a s eo fm i c r o - p o r ew i l l n o th a v eag r e a t i m p a c to nc o m p r e s s i v es t r e n g t ho fr e c y c l e dc o n c r e t e ,a n di t i s b e n e f i c i a lf o rt h e f i e e z e - t h a wd u r a b i l i t yo f r e c y c l e dc o n c r e t e t h i sp a p e rd e s i g n ss o m el a b o r a t o r yt e s t st or e s e a r c hc e m e n ts t a b i l i z e ds t o n e c h i p p i n gm a t e r i a l s t h er e s u l t ss h o w t h a tt h em i x t u r eh a sg o o dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s , i ta c c o r d s 、v i t ht h es p e c i f i c a t i o na n dc a l lb eu s e di nb a s ec o u l l 3 eo rs u b - b a s ec o u r s e i n a d d i t i o n , t h i sp a p e ra l s os t u d i e st h eq u a l i t ym o n i t o r i n ga n dc o n t r o lm e t h o d sf o ri m p a c t c o m p a c t i o n c o n s t r u c t i o n ,a n d a p p l i e d t ot h ee x t e n s i v e r e p a i r i n q i n h u a n g d a o q i n g l o n gh i g h w a y f i n a l l y , b a s e do nl a b o r a t o r y t e s t s a s s o c i a t e dw i t ha c t u a lp r o j e c t , r e c y c l e d 一- a b s t r a c t c o n c r e t ei su s e di nt h es u r f a c ec o u l s eo fn e w l yb u i l th i g h w a y t h er e s u l t so ft e s t i n d i c a t et h a t , t h er e c y c l e dc o n c r e t ep a v e m e n th a s g o o dc o m p r e s s i v es t r e n g t h b e n d i n g s t r e n g t ha n dd u r a b i l i t y k e yw o r d s w a s t ec o n c r e t e ) r e c y c l i n g :p r o p e r t y ;m i c r o s u u c u a e :d u r a b i l i t y 独创性声明 本人声明所里交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名: 日期:二蛔 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权 保留送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅;学校可以公布论文的全部或部 分内容,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名:捧导师签名:垃 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 问题的提出与研究的意义 1 1 1 问题的提出 长期以来,由于砂石集料来源广泛,价格低廉,被认为是取之不尽、用之不 竭的原材料而不被重视。随着世界人口的日益增多,建筑业作为国民经济的支柱 产业也有了突飞猛进的发展,对砂石集料的需求量存在着不断增长的趋势。由于 长期开采造成的资源枯竭,使得原有砂石集料源源不断的现象也不复存在,建筑 业的可持续发展与集料短缺的矛盾日益突出,成为人们关注的焦点。同时,人口 的快速增长和都市化发展导致城市基础设施建设的迅速发展,在旧建筑物、道路、 桥梁等混凝土设施维修和拆除过程中,每天都产生大量的废弃混凝土块,由此引 发的社会问题也越来越多。 日本全国废弃水泥混凝土块的总发生量达到每年3 6 0 0 万吨( 1 9 9 5 年) ,占建 筑废物总发生量的3 7 ,欧洲共同体旧混凝土的排放量从1 9 8 0 年的5 5 0 0 万吨增 加到目前的1 6 2 0 0 万吨“1 ,美国一年所需处理的建筑垃圾就有1 5 亿吨之多,在 澳大利亚,每年大约产生3 亿吨的废弃物,其中建筑垃圾占绝大部分嘲。就我国 而言,现有水泥混凝土公路路面约1 5 万公里,每年有l o 的水泥混凝土路面需 要维修和改建,其中5 为改建,因此单从公路水泥混凝土路面中,我国每年产 生废弃混凝土约4 0 0 0 万吨。综合城市建筑和公路设施两方面,我国目前旧混凝 土年发生量达1 亿吨以上。 目前,我国主要是将未经处理的建筑垃圾直接运往效外或乡村采用露天堆放 或以填埋的方式进行处理,这不仅会耗用大量的征用土地费、垃圾清运费等建设 经费,同时,清运和堆放过程中的遗撒和粉尘、灰砂飞扬等问题又会引起严重的 环境污染,严重破坏了生态。对于建筑垃圾引发的诸多问题,世界各国建设和环 保部门提出了建筑垃圾再生利用的思考,引起了国内外学者的普遍关注。 1 1 2 研究的意义 将大批量废弃建筑垃圾重新作为原料,经过一系列的特殊工艺处理后重新用 到建设中去,这种再利用处理不仅有利于储存天然资源,而且能够解决日益增长 的垃圾处理危机,具有显著的社会效益、经济效益和环保效益,对城市的可持续 发展具有非常深远的意义。比利时公路研究中心的资料表明,对公路拆除重建如 果就地进行废料的处理利用,可减少废料的运出及新材料的运进费用3 0 ,降 北京工业大学工学硕士学位论文 低材料成本2 0 ,减少废料处理费用1 0 0 1 。 在我国,阻碍废弃混凝土再生利用的主要原因是国内对再生混凝土的研究起 步晚、研究基础薄弱,对再生混凝土的性能机理认识不清,缺乏完善的技术、规 程和标准,研究处于零散的状态,缺乏系统的整理,有的结论甚至出现了相左的 情况。本论文从再生粗集料性能、再生混凝土的性能、水泥稳定石屑混合料的性 能、废旧水泥混凝土路面板现场再生利用研究、再生混凝土在道路面层中的应用 等5 个方面进行综合研究,充分利用了废弃水泥混凝土,使混凝土废弃物达到零 排放 1 2 国内外的研究现状 1 2 1 发达国家利用再生混凝土的现状 国外对建筑垃圾回收利用的研究起步较早,早在1 9 9 2 年6 月,在巴西召开 的联合国环境开发会议上就将地球环境问题摆到了一个很高的位置。世界众多国 家特别是发达国家将城市建筑垃圾资源化处理作为环境保护和可持续发展追求 的目标之一,将再生建材( 又称为绿色建材、生态建材) 放到了重要的研究课题 之列,有的国家已制定出相应的技术规范,使建筑垃圾资源化得到了广泛的推广 和运用,有的国家仍在研究探索阶段。对于建筑垃圾的管理和处理,发达国家大 多实行的是“建筑垃圾源头削减策略”,即:在建筑垃圾形成之前,就通过科学 管理和有效的控制措施将其减量化:对于产生的建筑垃圾,对垃圾进行焚烧、分 离等措施,使其具有再生资源的功鲥”嘲嘲啪。 1 2 1 1 日本 日本由于特殊的地理和资源位置所决定,在再生混凝土的开发利用上投入 了大量的人力和物力,取得了一系列国际领先的成果嘲。 1 9 7 7 年日本政府制定了再生集料和再生混凝土使用规范,并相继在各 地建立了以处理混凝土废弃物为主的再生加工厂,生产再生混凝土和再生集料。 1 9 9 1 年日本政府又制定了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、木材、金属等建筑垃圾,必须送往“再生 资源化设施”进行处理。日本对建筑垃圾的主导方针是:尽可能不从施工现 场排出建筑垃圾;建筑垃圾要尽可能地重新利用;对于重新利用有困难的 则应适当予以处理。 1 9 9 2 年日本建设省提出了“控制建筑副产品排放和建筑副产品再利用技术开 发”的5 年规划,1 9 9 6 年1 0 月制定了旨在推动建筑副产品再利用的“再生资源 法”,为废弃混凝土等建筑副产品的再生利用提供法律和制度保障。他们就规定 建筑施工过程中的渣土、混凝土块、沥青混凝土块、木材与金属等建筑垃圾,必 第1 章绪论 须送往“再生资源化设施”进行处理。 日本的清水建设公司和东京电力公司研究开发了废弃混凝土砂浆和石子的 分离技术,使这些废弃材料得到合理有效的利用。该技术首先将混凝土废料破碎 成小于4 0 衄的颗粒,再在3 0 0 温度下进行热处理。然后,在特殊机械作用下 使这些废料相互碰撞、摩擦,达到水泥砂浆与石子的分离;石子分离后又恢复到 天然集料的状态,可生产新混凝土;分离出的砂浆则可用于路基的稳定化处理。 1 2 1 2 美国 美国政府制定的超级基金法规定:“任何生产有工业废弃物的企业,必 须自行妥善处理,不得擅自随意倾卸”。美国的沥青路面现场热再生技术已经相 当成熟,在美国的路建设中,5 0 采用沥青混凝土再生料,平均直接建设成本下 降2 0 以上,对能源和环保等产生的间接社会效益巨大” i o e 自1 9 8 2 年起,美国在a s t mc3 3 2 0 0 1 “混凝土集料标准规范”中将破碎的 水硬性水泥混凝土包含进了粗集料中。大约在同一时问,美国军队工程师协会也 在有关规范和指南中鼓励使用再生混凝土集料。 据美国联邦公路局统计,美国现在已有超过2 0 个州在公路建设中采用r c a ( r e c y c l e dc o a l s ea g g r e g a t e ,再生粗集料) ,9 6 个州允许将r c a 作为基层材料;4 个州允许将r c a 作为底基层材料;将r c a 应用于基层和底基层的2 8 个州级机构 中,有1 5 个制定了关于r c a 的规范。密歇根州交通厅在2 0 世纪9 0 年代初利用 r c 重建了几条州际高速公路。 美国的一些相关研究表明n 1 】【删【廿】,用r c 重铺的路段抗冻融循环能力较差, 存在d 型开裂的问题。要降低r c a 对这一问题的敏感度,废弃材料要破碎成较小 的粒径。横向裂缝有时是由于路面收缩引起的,因为r c a 含有新旧砂浆,因此收 缩系数较大。虽然大多数r c a 路面的性能是可以接受的,但这类路面有的损坏速 度比预期的要快。可以观察到的征兆之一是直的垂直裂缝,其表面粗糙度或弯曲 度较小。室内试验总共做了3 5 块板,分别采用天然卵石、石灰岩、rca 和矿 渣,并配有不同类型、数量和拉力的钢筋。每块板成型2 8d 后进行试验,成型1 8 h 后在板的中部制造横向裂缝,将扳置于试验架上对中,模拟产生重型汽车的荷 载,循环加载。记录荷载、变形和裂缝宽度,直到板内的钢筋被折断为止。该研 究分析了不同路面材料荷载传递对裂缝增加速率的影响和设计参数,得到的结论 是:在相同条件下,天然集料( 卵石和石灰岩的性能优于r c a 。尽管天然集料 和r c a 之间存在差异,但是研究结果可以表明,通过修改设计方法可以增强r c a 的性能。最理想的方法是设计出能使混凝土强度增加的混合料,或通过结构设计 来降低路面应力,混合料的级配设计是再生混凝土集料性能的一个重要因素。只 要级配有利于混凝土增强,含有较大的粗集料颗粒也能改善横向胶结和裂缝的粒 问作用。掺有相同或较大粒径天然集料的r c a 的性能也优于纯r c a 。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 2 1 3 其他发达国家和地区 荷兰是最早开展再生混凝土研究和应用的国家之一。在2 0 世纪8 0 年代,荷兰 就制定了有关利用再生混凝土集料制备素混凝土、钢筋混凝土和预应力钢筋混凝 土的规范。该规范规定了利用再生集料生产上述混凝土的明确的技术要求,并指 出,如果再生集料在集料中的含量( 质量) 不超过2 0 ,那么混凝土的生产就完全 按照普通天然集料混凝土的设计和制备方法进行“。 丹麦于1 9 9 0 年颁布法规修正案允许再生集料在适宜环境下用于某些特定的结 构。该修正法案将回收的混凝土按强度分为2 类:其中强度2 0 m p a 以下的为第1 类, 强度2 0 4 0 m p a 的为第2 类。在使用这些再生集料工程中,要求各类集料达到一定 的技术要求。 德国目前主要将再生混凝土用于公路路面。德国钢筋委员会1 9 9 8 年8 月提出了 “在混凝土中采用再生集料的应用指南”,要求采用再生集料配制的混凝土必须 完全符合天然集料混凝土的国家标准。 韩国一家装修公司最近开发出从废弃的混凝土中分离水泥,并使这种水泥 再生利用的技术,这项技术目前已经在韩国申请专利。这家名为“利福姆”的公 司说,他们首先把废弃混凝土中的水泥与石子、钢筋等分离开来,然后在7 0 0 的高温下对水泥进行加热处理,通过添加特殊物质,就能生产出再生水泥。据称 每l o o t 废弃混凝土就能够获得3 0 t 左右的再生水泥,这种再生水泥的强度与普 通水泥几乎一样,有些甚至更好,符合韩国的施工标准。这种再生水泥的生产成 本仅为普通水泥的一半,而且在生产过程中不产生二氧化碳,有利于环保。韩国 平均每天都产生5 万多吨废弃混凝土,由于水泥的原料石灰石资源也正在枯 竭,因此,这项技术不仅有利于解决建设中的废弃物问题,还能解决石灰石等资 源短缺的问题。 1 2 2 国内研究现状 我国在废弃混凝土回收利用方面的研究起步较晚,自1 9 9 7 年建设部将“建 筑废渣综合利用”列入了科技成果重点推广项目后,我国才开始对建筑垃圾的再 生利用进行立项研究。虽然一些高校和科研单位做了部份的研究和探索,但大都 处于试验和慎用阶段,缺乏完善的技术、规程和标准,对再生集料的研究也只是 基于一些零散的试验研究,缺乏系统的整理,有的结论甚至出现了相左的情况。 总体来说,我国对废弃混凝土的再生利用研究还处于起步阶段“5 1 “”1 1 7 ,各方面 的研究还不深入。 武汉理工大学的水中和等研究了再生集料和天然集料配制的混凝土的微观 结构特征“” 1 5 o 研究表明,再生集料的表面状况对再生混凝土的微观结构和性 能有显著的影响。表面孔隙率高,强度较低的普通再生混凝土集料可引起集料一 第1 章绪论 水泥界面微观结构的多孔和疏松,而含硅灰的高强混凝土再生集料可获得密实的 新界面,相应可使新混凝土获得较高的强度啪1 2 1 o 因此,改善再生集料的表面 状态,是改善再生混凝土性能的一个重要途径。 东南大学的张亚梅等通过试验研究探索了再生混凝土的配合比设计方法, 提出了在普通混凝土配合比设计的基础上进行废弃混凝土集料的预吸水,实际用 水量应由两部分组成,一部分是按普通混凝土配合比设计计算的用水量w 。;,另 一部分是再生集料的吸水率高而额外增加的用水量w 2 。 上海交通大学的潘洪源和浙江工业大学的孔德玉等认为通过掺加活性超细 矿物粉等外加剂可以很大程度地提高再生混凝土的强度和耐久性”1 ,并对阻 碍再生混凝土广泛应用的主要原因进行了分析。 1 3 论文的研究内容 目前国内研究大多针对再生集料性能、再生混凝土性能等某一方面进行研 究,缺乏系统性、综合性的研究。本文系统研究了废弃混凝土的综合再生利用, 主要包括以下5 个方面内容: ( 1 ) 再生集料的性能研究 与普通集料不同,再生集料含有旧砂浆,因而吸水率和压碎值变大,密度下 降,而这些性能的变化将对再生混凝土的性能产生重要影响。为研究再生集料的 力学性能,还特别设计实验测定了再生集料在不同时间与压力作用下的变形特 征、再生集料的砂浆附着率。 ( 2 ) 再生混凝土的性能研究 再生混凝土的性能,包括新鲜混凝土的和易性、泌水性和硬化时间等,以及 硬化后混凝土的强度特性、耐久性等。在配合比保持不变的情况下,测定不同再 生集料掺量下混凝土的坍落度、含气量、抗压强度、抗冻性能、微观构造等。 ( 3 ) 石屑的性能及其用于道路基层的室内实验研究 通过液塑限试验、击实试验、无侧限抗压试验等,检验水泥稳定石屑混合料 是否可以满足用于道路底基层、基层的要求。 ( 4 ) 混凝土路面板的现场再生利用 探讨了不同破坏程度的旧水泥混凝土路面的改造原则与改造方法。此外,特 别研究了强夯发裂施工的质量检测与控制方法,并用于秦青公路大修工程。 ( 5 ) 再生混凝土在新建公路面层中的应用 通过实验室内对再生集料、再生混凝土的性能机理研究,将再生混凝土用于 新建道路工程的面层,探讨其工程应用的可行性。 北京工业大学工学硕士学位论文 第2 章再生集料的制备与基本性能 2 1 再生集料的定义及制备 2 1 1 再生集料的定义与分类 从广义上讲,再生混凝土集料是指经过特定处理、破碎、分级后并按一定比 例混合而成,用于配置不同性能和使用要求的混凝土时替代天然集料的材料。这 些材料包括混凝土块、碎砖瓦、玻璃、炉渣,此外还有废弃橡胶、塑料,木材等。 利用碎砖、木材、废橡胶轮胎和废弃塑料、玻璃、玻璃纤维颗粒作再生集料,国 内外进行了很多相关研究,试验研究结果表明各自性能基本满足相应要求。但一 般意义上的再生混凝土集料主要是指由废弃混凝土块破碎得到的再生集料,这也 是研究和应用最多的再生混凝土集料。本文中所指的再生集料均是由废弃混凝土 块破碎得到的。 再生混凝上集料多数参考普通混凝土集料的分类方法进行分类。在我国,研 究者多根据普通混凝土用砂质量标准及试验方法( j g j 5 2 9 2 ) 和普通混凝 土用碎石和卵石质量标准及检验方法( j g j 5 3 9 2 ) 规定,将粒径在0 1 6 5 m m 之 间的再生集料称再生细集料,粒径大于5 m m 的称再生粗集料。日本予1 9 9 4 年4 月颁布了再生混凝土材料质量试行条例,给出了再生集料、再生基层材料、 填充材料的质量标准,井划分了再生集料的质量等级嘲。 表2 - 1 日本再生集料质量标准 t a b l e2 - 1q u a l i t ys a t a n d a r d so f r e c y c l e d 磐g 龇i nj l l p a n 粗集料细集料 等级吸水率坚固性指标等级吸水率坚固性指标 i 3 1 2 i 5 1 傩 3 1 0 1 帆 5 1 2 1 2 5 9 c m 3 的再生集料。不满足这些要求的再生集料可以降级使 用,用来生产更低强度的混凝土或用于铺筑道路基层、底基层。 北京工业大学工学硕士学位论文 第3 章再生混凝土的室内试验研究 再生混凝土( r e g e n e r a t e dc o n c r e t e ,或r e c y c l e da g g r e g a t ec o n c r e t e ) 是指用再生集料代替部分或全部天然集料生产出来的、能够满足使用要求的混凝 土。所谓再生集料是指由废弃混凝土经破碎、筛分后用于生产混凝土的集料。 3 1 再生混凝土基本性能指标 由第2 章实验结果可以看出,与天然集料相比,再生集料强度低、吸水率 大、表面粗糙,这也导致再生混凝土和天然集料混凝土的性能有所差异。由 于目前对再生混凝土的研究还不够深入,没有相应的规范,评价再生混凝土 和普通混凝土的性能指标基本相同,主要有以下几方面: ( 1 ) 抗压强度 由于再生混凝土和天然集料混凝土其集料不同,所以它们强度随龄期的增 长情况也不相同。相关试验表明啪1 :与天然集料混凝土相比,同一水灰比的再生 集料混凝土的2 8 d 抗压强度约低1 5 ,但其相差的幅度会随着龄期的增长而慢慢 缩小。由于再生混凝土使用的是再生集料,故再生混凝土的强度和所使用的再 生集料的强度有着紧密的联系。在同一水灰比的条件下,再生集料强度越高再 生混凝土的强度也就越高。一般建筑物所拆除下的废弃混凝土强度在c 2 0 左右, 在水灰比为0 6 并用再生集料完全取代天然集料时,其2 8 d 的抗压强度可达到 2 3 5 m p a 。完全符合普通混凝土的强度要求。如果使用高强度的再生集料,则可 以配制高强混凝土。相关试验表明,如果用于生产再生集料的废弃混凝土的强 度达到4 0 6 0 m p a ,在再生集料与天然河砂搭配并加入微细硅粉和高效减水剂的 情况下,则可配制出c 7 0 c 8 0 的高强混凝土。 ( 2 ) 抗折强度 再生混凝土的抗拉强度和抗压强度一样,随着龄期的增长而增长m 1 。再 生混凝土的抗拉强度与天然集料混凝土抗拉强度的差值也随着龄期的增长而 增大,到2 8 d 龄期后才基本不变。但如果在再生混凝土中掺加微细硅粉和高 效减水剂则能够明显的提高其抗拉强度,尤其在2 8 d 龄期以后更为明显。 ( 3 ) 坍落度 再生混凝土的坍落度与再生集料所占的比例有关1 ,由于再生集料比天然集 料的吸水率大,空隙多,表面粗糙度高,用浆量多,所以在相同水灰比的条件下 再生混凝土中再生集料所取代的比例越高其坍落度就越小。同时集料表面粗糙, 增大了拌和物在拌和与浇筑时的摩擦力。再生混凝土的坍落度还随水灰比的增大 第3 章再生混凝土的室内试验研究 而增大,这和普通混凝土是一致的。可以在再生混凝土中加入适量的粉煤灰或高 效减水剂提高坍落度,同时可以保证有较好的保水性和粘聚性。 ( 4 ) 干缩性 干缩性是混凝土的重要指标之一。相关试验表明侧:再生混凝土的干缩性与 它的集料情况有很大关系。由于再生混凝土使用的是吸水率大、空隙率高的再生 集料,所以它的干缩性比天然集料混凝土要大,且干缩程度和持续的时间随再生 集料取代比例的增大而增大、加长。在再生集料取代比例在5 0 9 6 以上时,其干缩 时间持续时间比较长,但在5 0 d 龄期后干缩速率十分缓慢,于缩的增量也要小。 ( 5 ) 用水量 再生集料与天然集料不同,所以再生混凝土的用水量也与天然集料混凝土不 同。再生集料内部缺陷多,吸水率大;其次,再生集料的表面粗糙度比天然集料 要高,因此配合比中的细集料( 砂率) 较高,并随着再生集料所取代比例的提 高而增长。 3 2 原材料及实验方法 3 2 1 水泥、水和外加剂 水泥为北京琉璃河水泥厂生产的4 2 5 普通硅酸盐水泥,拌和用水为管道自 来水。引气剂采用上海枫杨实业有限公司生产的s j _ 2 引气剂,减水剂采用天津 市雍阳减水剂厂生产的u n f _ 5 a 高效减水荆。 3 2 2 集料 试验使用的天然粗集料为卵石;再生粗集料有2 种,称为再生粗集料a 、b , 粗集料的粒径为5 2 5 m m ;细集料为人工砂,细度模数为2 6 3 粗集料和细集料的基本性质见表3 - 1 ,粗集料和细集料的级配符合有关标准 的规定。 表3 - 1 集料的基本性质 t a b l e3 - ip r o p e r t i e so f a g g r e g a t e s 自然含水率 吸水率 表观密度 含泥量压碎指标 针片状含量 集料种类 ( ) ( )( g c m 3 )( )( ) ( ) 卵石 3 41 42 7 6 60 82 81 8 4 人工砂0 60 32 6 0 7 再生粗集料 3 26 32 6 6 32 49 1 73 6 6 再生粗集料e 4 88 32 7 0 02 71 3 3 22 1 6 3 2 3 配合比设计 以天然粗集料和人工砂生产的混凝土作为基础混凝土,采用c 3 0 普通水泥混 凝土的配合比。以基础混凝土的配合比为基础,用再生集料取代基础混凝土中相 同质量( 取代率分别为2 0 、4 0 、6 0 ) 的天然粗集料,得到再生混凝土。经过 试配,得到再生混凝土的配合比见表3 - 2 。 表p 2 再生混凝士的配合比 t a b l e3 - 2i v l i xp r o p o r t i o no f r e c y c l e da g g r e g a t ec o n c r e t e 编 再生集料 水水泥 人工砂卵石+ 再生粗 取代率 ( k g m 3 集料 减水剂引气剂 号 ( k g m 3 )( k g m )( k g ) ( g m 3 ) ( ) ) ( k g m 3 ) o 01 6 53 3 09 1 49 9 1 + o76 5 a i2 01 6 5 3 3 0 9 1 4 7 9 3 + 1 9 876 5 24 0 1 6 53 3 09 1 45 9 5 + 3 9 676 5 a 36 01 6 5 3 3 0 9 1 4 3 9 6 + 5 9 58 56 5 b l2 01 6 53 3 09 1 47 9 3 + 1 9 876 5 b 24 01 6 5 3 3 09 1 45 9 5 + 3 9 676 5 6 01 6 53 3 09 1 4 。 3 9 6 + 5 9 58 55 5 3 2 4 实验方法及步骤 本研究测定了基础混凝土,再生 集料,再生混凝土的各种性能,并应用 压汞仪测定了混凝土内部构造。具体实 验步骤如下: ( 1 ) 基础混凝土:使用h j w - 6 0 型强制 式拌和机( 如图3 - 1 所示) 拌和基础混 凝土,按规范的方法测定混凝土的坍落 度和空气量。然后用拌和好的混凝土制 备成1 0 c m 1 0 c m 1 0 c r a 的立方体试 样,2 4 小时后拆模并放入2 0 1 的养 图3 - 1 混凝土搅拌机 f i g u r e3 - lc o n c r e t em i x e r 护室内进行养护,养护2 8 天后测定混凝土的抗压强度。 ( 2 ) 再生集料:从建筑工地收集废弃混凝土,用小型鄂式破碎机破碎,破碎机出 料口的最大尺寸控制在2 5 唧。破碎后的集料进行筛分,大于5 m m 的部分作为再 生集料生产再生混凝土。在室内测定了再生集料的吸水率,密度、级配等。 第3 章再生混凝土的室内试验研究 ( 3 ) 再生混凝土:以基础混凝土配合比为 基础,用再生集料代替基础混凝土中等质量 的天然碎石集料,用相同的拌和方式拌和再 生混凝土。再生集料的置换率分别为0 9 i , 2 0 9 6 4 0 ,6 0 ,再生混凝土的配合比见表 3 2 。为具有实用性,与天然碎石集料一样, 再生集料仍然使用的是具有自然含水量的 材料。为了表明再生集料对再生混凝土性能 的影响,再生混凝土中使用了与基础混凝土 同样种类和数量的引气剂和减水剂。 ( 4 ) 再生混凝土微观构造:混凝土的性能 受其微观构造的影响。由于再生集料是由混 凝土破碎后得到的,再生集料颗粒表面附着 有水泥砂浆,因此再生混凝土中含有不同时 图3 - 2 u t o p o r e i v 9 5 1 0 型全自动压汞仪 期,不同性能的水泥砂浆,它可能极大地影 f g 哦3 - 2 盒型:燃:磐m e r c u r y 响再生混凝土的微观构造,并进而影响再生 混凝土的性能。为了探讨再生混凝土微观构造及其对再生混凝土性能的影响,本 研究实验测定了再生水泥混凝土的微观孔隙分布。 测试设备为美国m i c r o m e r i t i c s 公司生产的a u t o p o r e l v 9 5 1 0 型全自动压汞 仪,如图3 - 2 所示,它对微孔孔径的测试范围为3 m 3 6 0 | im 。 实验方法是:将再生混凝土破碎,用孔径5 咖和2 5 m 的筛截取粒径在5 咖 2 5 咖之间的颗粒,然后把颗粒中含有的破碎碎石颗粒捡出弃掉,剩余的水泥 砂浆颗粒被用于微观空隙分布测试。每种再生混凝土进行两次平行实验,取其平 均值作为最终结果。 3 3 再生混凝土基本性能试验结果与分析 3 3 1 再生混凝土的坍落度 随着再生集料掺量的不断增大,再生混凝土的坍落度值呈现比较明显的下降 趋势,如图3 - 3 所示。对a 、b 而言,当再生集料置换率为6 0 时,在其他各种 材料保持不变的情况下,增加减水剂的掺量,再生混凝土a 和b 的坍落度分别为 9 0 衄和8 0 m ,可以满足规范要求。 北京工业大学工学硕士学位论文 导致坍落度下降原因主 要有以下2 点: 1 ) 再生集料的吸水率高导 致坍落度下降。实验中,使用 的粗集料处于自然含水状态。 天然卵石的吸水率和自然含 水率之差为2 0 9 6 ,而再生集料 a 、b 、c 的吸水率和自然含水 率之差分别为3 1 、3 5 和 3 1 ,即再生集料需要吸收更 多的水才能使再生集料达到 饱水的状态。 2 ) 再生集料表面附着有水 泥砂浆,表面粗糙,使得再生 混凝土的和易性降低,坍落度 下降。 3 3 2 再生混凝土的空气 含量 如图3 - 4 所示,随着再生 1 2 0 童1 0 0 瑙8 0 蓥6 0 4 0 2 0 o 盆 一 棚 圹 钿 麟再生混凝土a 再生混凝土b 02 0 4 0 6 0 ( 吣 再生集料取代率 图3 = 3 再生混凝土的坍落度 f i g u r e3 - 3s l u m po f r e c y c l e dc o l l c l e t e o2 04 06 0 ( ) 再生副啪懈 图3 - 4 再生混凝士的舍气量 f i g u r e3 - 4a i rc o n t e n to f r e c y c l e dc o n c r e t e 集料掺量的不断增大,再生混凝土的含气量呈现增长的趋势。当再生集料置换率 在6 0 9 6 以内时,再生混凝土的含气量低于6 ,满足预设的含气量范围的要求。再 生混凝土含气量的增加是因为再生集料表面附着有水泥砂浆,以至于再生集料表 面粗糙且空隙量大。此外,混凝土流动性下降使混凝土拌和质量下降,可能存在 再生集料和水泥砂浆没有很好的融合的现象,从而引起再生混凝土含气量的增 加。 3 3 3 再生混凝土的抗压强度 再生混凝土的2 8 d 抗压强度如图3 - 5 所示。再生混凝土的抗压强度随再生集 料取代率增加呈下降趋势,对再生混凝土a 而言,再生集料取代率为2 0 、4 0 9 6 、 6 0 时,强度分别下降了6 5 6 、9 4 3 和1 3 7 4 ;对再生混凝土b 而言,强度分 别下降了8 8 1 、1 5 5 7 和1 7 6 2 。从中可以看出,即使掺量为6 0 ,再生混 凝土的强度仍能满足规范要求,反映出再生集料具有良好的力学性能。 第3 章再生混凝土的室内试验研究 再生混凝土强度变化具 有如下特点和原因: 1 ) 再生集料表面附着 较多的水泥砂浆,水泥砂浆 含有更多的内部空隙,导致 再生集料强度比优质的卵石 低。因此随着再生集料置换 率的增加,导致混凝土强度 的降低。 2 ) 本研究的再生集料 a 、b 来自工地取回的废弃混 凝土,由于混凝土的年代较 。 邑 蜊 骥 幽 蝠 q 器 02 0 4 0 6 0 再生剐媚懈 图3 - 5 再生混凝土的抗压强度 f 塘嗽3 - 5c o m p r e s s i v er e s i s t a n c eo f r e c y c l e dc o n c r e t e 远,强度已经降低很多,因此也将导致再生混凝土强度的降低。 3 ) 由第2 章的实验结果可以得知,与再生集料b 相比,再生集料a 具有较 小的吸水率、含泥量和压碎值,更大的表观密度,再生集料a 的性能有优于再生 集料b 。因此,在相同再生集料取代率的情况下,再生混凝土a 的抗压强度略高 于再生混凝土b 。 3 3 4 再生混凝土的微观构造 混凝土的性能受其微观构造的影响,为了探讨再生混凝土微观构造及其对再 生混凝土性能的影响,实验采用美国m i c r o m e r i t i c s 公司生产的a u t o p o r e i v 9 5 1 0 型全自动压汞仪测定了再生水泥混凝土的微观孔隙分布。通过实验,测得再生混 凝土的孔隙分布曲线如图3 - 6 、3 - 7 所示;总孔隙量分布如图3 8 所示。 从图3 6 、3 - 7 可以看出,基础混凝土和再生混凝土的细孔隙分布特征相似, 孔径处于0 0 3 l i m 0 0 5 l l m 时出现峰值,随着再生集料置换率的增加,总孔隙量 也增
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