（机械设计及理论专业论文）道路水泥混凝土的再生试验研究.pdf

摘要 本文概述了再生混凝土对环境的影响以及其在国内外的研究现状和发展，提 出“道路水泥混凝土的再生试验研究”课题，并分析了道路水泥混凝土再生的技术 可行性和经济可行性，认为综合考虑混凝土再生的成本、社会和环保效益，混凝 土的再生具有良好的经济性和较大的发展潜力。 理论上分析了再生集料的特性和再生混凝土的特性及影响新拌再生混凝土 特性的因素。与天然集料相比，再生集料含水率较高、吸水率较快、压碎指标稍 低；与普通混凝土相比，再生混凝土粘聚性和保水性较好、流动性较差、抗压强 度稍低、耐磨性基本相同。 在分析再生混凝土原材料的制备方法和再生混凝土配合比设计方法的基础 上，探讨了混凝土的再生设备和再生工艺。通过试验研究，对再生集料路用性能、 新拌再生混凝土的性能和硬化再生混凝土的性能进行了测试，结果表明：除吸水 率偏大外，再生集料的各项指标符合路用性能的要求；新拌再生混凝土和硬化再 生混凝土的性能均符合路用要求。 关键词：废弃混凝土再生集料再生混凝土试验研究 a b s t r a c t t h ee x i s t i n gs 诅t eo ft h er e c y c l e dc o n c r e t ea n di t se 虢c t so ne n v i r o n m e n ta r eo v e r v i e 、e d i nt l l i sp a p e r ，a n das u b j e c tn 锄e dt b s tr e s e a r c ho nt h er o a dc e m e n tc o n c r e t er e c y c l i n gi sp u t f o n v 砌t h ea u t h o ri nt h i sp a p e rd i s c u s s e st h et e c h n i c a lf e a s i b i l 时觚de c o n o m i cv i a b i l i t ) ro f m er o a dc e m e n tc o n c r e t er e c y c l i n g ，a n dt h i n l ( st h a tc o n c r c t er e c y c l m gi sas u b j e c t “mg o o d e c o n o m i c a le m c i e n c y 锄dr a t h e rl a 唱ed e v e l o p i n gp o t e n t i a l i t ) ，b a s e do ni t sb e n e f i t - c o s t a n a l y s i s t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h er e c y c l e da g g r e g a t ea i l dc o n c r e t ea sw e l l 嬲t h ei n n u e n c i n g f i a c t o r so ff - r e s hc o n c r e t e ，a r es t u d i e di nm i sp a p e r c o m p a r e dw i 也t l l en a m r a la g g r e g a t e ，t h e r e c y c l e da g g r e g a t ei sal c i n do fm a t e r i a lw i t hh i g h e rw a t e rr a t i o ，f 如t e rw a t e ra b s o r p t i o na n d l o 、v e rc r i j s hv a l u e c o m p a r e dw i t l lt 1 1 e g e n e r a lc o n c r e t e ，t l l er e c y c l e dc o n c r e t ei s ak i n do f m a t e r i a lw i t hb e t t e rc o h e s i o na n d 、v a t e rr e t e n t i o n ，w o r s el i q u i d i t y ，l o w e rc o m p r e s s i o ns t r e n 昏h a 1 1 dt h es 锄ea b r a d a b i l i 够 b a s e do nm ea n a l y s i so f p r i m a d rm a t e r i a l sp r e p a r a t i o nm e t h o da n dt h er e c y c l ec o n c r e t e m i x t l u er a t i od e s i g nm e t h o d ，t h er e g e n e r a t i v ef a c i l i t i e sa l l dt e c l l n o l o g ya r ed i s c u s s e d b y m e a i l so fe x p e r i m e n t a ls t u d y ，t h er o a d - u s i n gp e r f o 加a 1 1 c eo ft h er e c y c l e da g g r e g a t e ，t h e p e 墒咖a n c eo ff r e s hr e c y c l e dc o n c r e t ea l l dt h ep e 怕r m a n c eo fh a r d e n e dr e c y c l e dc o n c r e t e a r et e s t e d ，a l l dt h et e s tr e s u l t si n d i c a t e dt h a tm o s ti n d e x e so ft h er e c y c l e da g g r e g a t ea r e a c c e p t a b l ef o rr o a du s i n g ，b u tt h e 、a t e ra b s o 印t i o ni sl i n l eb i tl a 唱e ，a n dt h e 舶s hr e c y c l e d c o n c r e t ea n dh a r d e n e dr e c y c l e dc o n c r e t ea r eb o t hs a t i s f a c t o r y k e yw o r d s ：d e m o l i s h e dc o n c r e t e ；r e c y c l e da g g r e g a t e ；r e c y c l e dc o n c r e t e ；t e s tl 沁s e a r c h 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 做作者躲脚沈彳谚6 月8 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 刎戈 导师签名： 坳参 日 日 8 g 月 月 给小 了 长安大学硕士学位论文 第一章综述弟一早琢怂 1 1 课题提出的背景及意义 1 1 1 课题提出的背景 混凝土是由胶凝材料将矿质混合料胶结而成的固体复合材料，作为现代土木工程中 用量最大宗的建筑材料之一，广泛应用于工业、农业、交通、国防、水利、市政和民用 等基础建设工程中，在国民经济中占有重要地位1 1 1 。根据胶凝材料的不同，混凝土分为 沥青混凝土、水泥混凝土等，沥青混凝土主要作为高等级公路的路面材料，而水泥混凝 土在建筑工程中用量最大，同时也广泛用在各级公路的修筑工程中。 一个世纪以来，社会生产力的极大提高和经济规模的空前扩大，创造了前所未有的 物质财富，混凝土材料在人类文明前行的进程中充当了重要的角色。1 9 9 8 年全世界混 凝土的产量约为2 8 亿m 3 ，中国混凝土产量( 港澳台未计入在内) 约占世界总产量的4 5 ， 约1 3 1 4 亿m 3 。到2 0 0 0 年，我国水泥混凝土的用量达到了2 0 亿m 3 【2 1 。这需要耗费水 泥5 亿多t ，砂石3 0 多亿t 。 一般混凝土工程使用年限约为5 0 1 0 0 年，我国五六十年代修建的大多数混凝土工 程已经损坏，由于翻修、改造、扩建以及天灾人祸等原因使我国城市每年生产的固体垃 圾高达3 亿m 3 ，历年积存量已达到6 0 多亿t ，其中3 0 4 0 来自建设过程中或者旧 建筑物维修、拆除过程中产生的建筑垃圾。而建筑垃圾中约有3 4 的废旧水泥混凝土块。 近二十年来，世界范围内城市化过程加快，对原有的建( 构) 筑物拆除、改造的工程量 日增，使得美国、日本年废弃混凝土量都超过了3 ，o o o 万t ，俄罗斯面临改造5 0 6 0 年 代建成的钢筋混凝土大型板材居住建筑，已造成大量的废弃混凝土，在1 9 9 7 年莫斯科 就有4 2 万t 。全世界从1 9 9 l 2 0 0 0 年的1 0 年间，废弃的混凝土总量已超过1 0 亿t 。根 据h e n “k s 的报道，欧盟国家现在每年排放约2 亿吨建筑施工和拆除旧建筑的垃圾， 预计l o 年后还要翻番。u c h i k a w a 估算出日本在1 9 9 2 年产生的建筑废料约为8 6 0 0 万t ， 其中1 3 ，即2 9 0 0 万t 是废弃混凝土，1 2 0 0 万t 已用作道路基层的骨料，其余的只是露 天堆积起来，这些都给环境造成了不容忽视的负荷和影响。专家预测，2 l 世纪初将是 我国混凝土结构破坏的高峰期。随着人们环境意识的增强以及混凝土用量的增加，建筑 业中开始对混凝土废料再利用问题高度重视，在许多国家的研究文献和近来的一些国际 会议中得到反映。除了环境保护以外，天然骨料资源的保护、废料堆积场所短缺和废料 堆积费用的上升，都是将废弃混凝土作为再生资源重新利用的重要原因。 第一章综述 与建筑物一样，道路使用至其寿命年限或者其他原因破坏时( 如路面结构设计不合 理、施工措施不当、超载服役或者养护不及时等) ，路面的损坏将不可避免。我国早期 修建的混凝土道路( c o n c r e t ep a v e m e n t ) 已经陆续进入大、中修期，部分路段因为损害 严重而需要进行改造、重建，一般的做法是挖除并废弃旧的混凝土面层，修补基层后再 重新铺筑，而拆除的旧混凝土往往作为建筑垃圾被丢弃。从现在起全国每年有l o 左右 的混凝土路面需要翻修，每年废旧水泥混凝土的废弃量已达到5 0 0 万t ，废旧沥青混合 料达3 0 0 万t ，并且还在逐年增长。旧混凝土作为废料丢弃，产生巨量的建筑垃圾，由 于水泥混凝土属于无机材料、耐久性较好，不会像有机物一样自然分解，如果这些为数 巨大的废旧混凝土块和沥青混合料不做任何处理，废弃掉将会造成永久性污染，而且堆 放时还要占用大片的土地。另外，修建道路所需的集料开采，一般是开掘山体表层风化 的岩石，通过爆破和机械作用把原状岩石破碎而作为粗集料，或者淘挖河川两岸冲刷淤 积的天然卵石沙砾得到粗细集料。由于所需粗细集料量大，这样将导致大面积的山体被 开挖，大面积的植被遭到破坏，众多河流两岸水土地质结构被破坏，许多桥墩堤坝的安 全受到威胁，造成人类生存环境上不可预料的损失和隐患。而且，运输和处理废料带来 巨大经济浪费，天然集料的开采和运输带来巨大的人力和物力的浪费，导致总体经济效 益和社会效益下降。传统的道路改造修复方式已经导致社会效益、经济效益的下降以及 社会资源的浪费，需要用新的技术进行整体改进，因此，对废旧水泥混凝土的再生利用 刻不容缓，道路水泥混凝土的再生研究已成为当务之急。 1 1 2 课题研究的意义 随着社会经济的快速发展，自然资源和能源的日益紧缺成为全人类共同瞩目的焦 点，走可持续发展的道路，成为新世纪的重大命题。联合国2 l 世纪行动议程把走 可持续发展的道路，作为各国未来长期共同的发展战略。我国也提出了建立可持续发展 的十大技术体系，并把资源节约化、能源清洁化、废物资源化、环境无害化列为十大技 术体系之首。毫无疑问，作为一个国家“经济命脉 的公路交通事业，在资源、能源和 环境关系日益密切的今天，其可持续发展显得尤为重要。 我国是人口大国，人均资源和能源水平均较低。当前，我国在政府制定的中长期科 教兴国与可持续发展战略指引下，正处于大力发展基础设施并带动相关产业的快速发展 阶段，如西部大开发中的交通建设和环境保护与治理等。在此背景下，提出“道路水泥 混凝土的再生试验研究”这一课题，旨在研究旧道路拆除的废弃( 旧) 水泥混凝土作为 2 长安大学硕士学位论文 再生资源循环利用获得再生混凝土的问题，既具实用性，又有前瞻性。 道路水泥混凝土的再生研究不仅可以指导道路水泥混凝土的再生，而且与其他研究 课题，如旧道路的拆除、旧水泥混凝土块的破碎筛分、再生料性能的研究、再生混凝土 的摊铺及施工工艺等，构成“水泥混凝土路面再生技术及设备研究”的重要课题，具有 重要的理论意义和工程实际意义。同时，本课题的研究也将为建筑混凝土的再生研究提 供重要参考。 1 2 国内外研究现状 水泥混凝土的再生是将废弃混凝土制造成混凝土集料后又重新用于混凝土的一种 物质资源的循环方法。资料显示，水泥混凝土的再生利用是人类在2 0 世纪后半叶才开 始的，虽然再生利用的研究历史比起水泥混凝土的发明应用时期要晚的多，但是迫于环 境、资源的压力，世界上许多国家已经对水泥混凝土的再生展开了研究，并得到比较广 泛的应用。 1 2 1 国外混凝土再生的研究现状 废弃混凝土( d e m o l i s h e dc o n c r e t e ) 的再利用最早始于欧洲，二战结束以后，出于 重建家园的需要，一些发达国家开始对废旧建筑物料、废弃混凝土的再生利用展开了研 究。1 9 7 6 年，以当时的西德、比利时和荷兰为主成立了“混凝土解体与再利用委员会”， 开始研究废弃混凝土的消化与再生利用，并且将废弃混凝土再生骨料用于高速道路等实 际工程。到2 0 世纪8 0 年代，由于许多地方因自然条件缺乏工程建设中配制混凝土所必 需的碎石材料，混凝土的再生利用再次引起了人们的注意。美国从1 9 8 2 年开始将混凝 土废弃物( w a s t ec o n c r e t e s ) 作为混凝土的粗、细集料( c o a r s ea j l df i n ea g g r e g a t e 又称 粗、细骨料) ，之后日本也开始了废弃混凝土再生利用的研究。在德国、荷兰和比利时， 废弃物资再生率已达5 0 以上。在瑞士，自2 0 世纪7 0 年代以来，废弃物再生产业一 直在发展，6 0 的拆除废料( d e m o l i t i o nm a t e r i a i s ) 获得再利用。 目前，再生集料( r e c y c l e da g 伊e g a t e s ) 在国外的应用主要在下列方面： ( 1 ) 大量 的填筑； ( 2 ) 在排水工程中做基层；( 3 ) 在道路工程中做基层或者面层材料； ( 4 ) 拌制新混凝土。尤其是在路面施工中，再生集料已经获得了大量的应用。这是因为轧碎 的混凝土具有合适的路用性能，而且旧路面的混凝土很少有污染，一般都符合质量要求， 优于其他的建筑物拆除废料。再生骨料在其他方面也有一定的应用，如防洪堤和码头的 填筑、复合地基和桩基、抛石护坡、道渣、屋面粒砂、过滤床、蓄热池、声障等。 3 第一章综述 日本政府和水泥混凝土领域的研究人员在城市废弃混凝土的再生利用和工业垃圾 等应用方面投入了大量的资金和精力，取得了很多突破性进展。1 9 7 7 年日本政府制定 了再生骨料和再生混凝土使用规范，并相继在各地建立了以混凝土废弃物为主的再 生加工厂，生产再生水泥和再生骨料。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，并于1 9 9 6 年l o 月制定了旨在推动建筑 副产品再利用的“再生资源法”，为废旧混凝土等建筑副产品的再生利用提供法律和制 度保障。目前日本的城市废弃混凝土作为混凝土集料被利用制备道路基础材料，利用率 几乎达到1 0 0 。随着混凝土废弃物的增加以及道路建设项目的减少，在未来1 0 年中， 日本将发展有效的循环利用技术，再利用这些废弃物作为循环集料用于混凝土中，或在 水泥生产中作为环境友好型的替代物代替石灰石。 在美国、俄罗斯、澳大利亚和欧洲一些国家将废弃混凝土主要用于公路建设。主要 是基于经济方面的考虑，因为对废旧混凝土的再生利用可以有效地减少运距，用相对便 宜的再生骨料代替部分天然集料可以大大降低工程造价。当前再生骨料主要用于路面基 层、路肩、多孔粒料填方，用于新建水泥混凝土面层的情况很少。 1 9 世纪8 0 年代初，美国密歇根州交通厅开始利用再生混凝土骨料r c a ( r e c y c l e d c o n c r e t ea g g r e g a t e s ) 重建几条州际高速公路。1 9 8 5 年，美国堪萨斯州交通厅开始进行 再生骨料( r e c l a i m e da g g r e g a t e s ) 的研究，回收废旧混凝土作为集料用于新建水泥路面。 佛罗里达州交通厅试图使破碎的废旧混凝土在最大程度上得到利用，因而在改建路面的 施工现场对其进行再生利用。之后俄亥俄州交通厅也对r c a 在刚性路面中的应用展开了 研究。新墨西哥州立大学通过室内试验研究了再生骨料基层在重复挠曲荷载下的弹性模 量和疲劳特性。在俄罗斯，o s m a n g a z i 大学的研究者着重研究了再生骨料混凝土 ( r e c y c l e da g g r e g a t e sc o n c r e t e ) 的配合比设计以及新拌再生骨料混凝土的特性。确定 出随着再生骨料含量的不同，混凝土的弹性模量和韧度的变化规律，测定了再生骨料混 凝土的密实度以及新拌再生骨料混凝土的和易性等特性。在澳大利亚，从上个世纪8 0 年代末，悉尼与墨尔本等城市开始利用再生骨料。目前，据估计悉尼每年有大概4 0 万 t 废旧混凝土( d e m o l i t i o nc o n c r e t e ) 被再生利用，墨尔本则有3 5 万t 。在格里菲思大学， 研究人员把抗压强度从1 5 7 5 m p a 的废旧混凝土破碎后，重新组合成符合基层材料规 范要求的级配，制备再生骨料混凝土( r e c y c l e dc m s h e dc o n c r e t e ) 。所有研究结果表 明：只要生产出的再生骨料能始终满足质量标准，则完全可以作为一种基层或底基层材 料。在荷兰，代夫特理工大学进行的再生骨料的研究重点在于确定无机结合料中掺有再 4 长安大学硕士学位论文 生骨料时，其特性与级配、混合料组成等因素的关系。在意大利，a n c o m 大学研究人 员从建筑毁损废弃物( d e m o l i t i o nw a s t e ) 的片块中回收碎石，并将这些碎石作为混凝 土的骨料完全代替天然骨料来制备混凝土。 在德国，每年拆除的废混凝土人均约为o 3 t ，这一数字在今后几年还会继续增长。 目前在德国再生混凝土主要用于公路路面，德国l o w e rs a ) ( o n g 的一条双层混凝土公路 采用了再生混凝土，该混凝土路面总厚度2 6 c m ，底层混凝土1 9 c m 采用再生混凝土， 面层7 c m ，采用天然骨料配制的混凝土。现在德国有望将8 0 的再生骨料用于1 0 15 的混凝土工程中。 1 2 2 国内混凝土再生的研究现状 在我国，水泥混凝土再生的研究虽然起步较晚，但发展迅速。近几年，许多科研院 所及施工单位开展了系统的研究，部分研究成果已成功应用于实际工程施工中。 在建筑和道路水泥混凝土的再生研究方面，涉及的内容主要有钢纤维再生混凝土力 学性能的试验研究【3 1 、混凝土的热特性与再生利用研究、建筑废料再生混凝土的试验 研究【5 j 、再生骨料附着砂浆对混凝土强度的影响及再生骨料二灰碎石试验研究【6 l 、再生 骨料及再生混凝土基本性能研究【7 1 、再生混凝土的性能及其改性研究【引、再生混凝土断 裂性能的试验研究及分析【9 1 、再生混凝土多孔砖配合比和基本性能的试验研究【1 0 1 、再生 混凝土高性能化的试验研究【l l 】、再生混凝土抗冻性能的实验研究【幢l 、再生混凝土抗压 强度及配合比设计研究【13 1 、再生混凝土框架结构抗震性能非线性分析f 1 4 1 、再生混凝土力 学性能和抗冻耐久性试验研究1 1 5 l 、再生混凝土梁受弯性能试验研究【1 6 】、再生混凝土配合 比及拉压强度的实验研究f 1 7 】、再生混凝土无腹筋梁斜截面受力性能试验研究【1 8 1 、再生混 凝土柱受力性能试验研究【1 9 1 、公路路面再生骨料混凝土试验研究【2 0 1 。 在工程实际应用中，许多施工单位也作了混凝土再生施工的积极探索，并积累了宝 贵经验。如合宁高速公路采用了再生混凝土骨料作为新拌混凝土的集料来浇注混凝土路 面，在路面维修的过程中，就地采用废弃混凝土骨料代替天然集料，再生混凝土骨料利 用率达8 0 ，取得了良好的社会经济效益【2 。上海多个工地也尝试使用了再生骨料与 天然骨料按2 ：8 掺合后制成的再生混凝土。经现场测试合观察，混凝土的和易性及泵送 性能良好，抗压强度合格，取得了可观的经济效益【列。2 0 0 2 年，上海市科学技术委员 会正式为“废弃混凝土再生及高效利用关键技术研究”立项。2 0 0 3 年7 月，研究人员利 用原江湾机场跑道的废弃混凝土，在同济大学校园内建造了一条“再生路 。该路段长 5 第一章综述 2 0 米、宽6 米，经长期观测，使用性能良好。武汉理工大学与襄樊市公路管理处开展了 湖北省交通科技项目“旧混凝土路面评价与再生利用研究 ，利用旧混凝土路面作为再 生骨料铺筑混凝土面层的试验段长l o o 米，位于襄十高速公路隆中入口附近，这是将再 生骨料用于道路面层的一次有益尝试【2 3 1 。 目前国内的废旧混凝土的再生研究多集中在建筑混凝土方面，道路混凝土与建筑混 凝土的使用场合不同，对混凝土的使用要求和性能也有较大差异，因而道路混凝土的再 生研究可以借鉴建筑混凝土再生的经验，更应结合道路使用特点。 1 3 道路水泥混凝土再生的可行性 1 3 1 技术可行性 ( 1 ) 混凝土俗称人工石，即人工制造的石头，不仅在使用功能上可作为石头使用，其 组织结构也类似某些天然岩石，且混凝土的强度越高，组织越密实，整体性越好，与天 然石的近似程度越高。 ( 2 ) 混凝土的凝结硬化是一个非常缓慢的过程，龄期2 8 天的水泥石，水泥的水化程 度只有6 0 左右。一些资料表明，混凝土经过2 0 年的时间，其水泥的水化还没有完全 结束，此时水泥石中还存在有利于混凝土硬化的活化成分。因此，如果把废弃混凝土破 碎后，用作再生粗骨料拌制成新的混凝土，不会对再生混凝土的强度产生不良影响。 ( 3 ) 普通混凝土的破坏是由于在荷载作用下，界面微裂纹的发展而导致混凝土的最终 破坏，一般来说，由于骨料本身的强度较高，骨料本身并不发生破坏。因此，废弃混凝 土中的骨料还有再利用的价值。同时，针对再生骨料的特点，可以通过充分破碎来改善 粒形，减少再生骨料中存在的薄弱因素，使界面结构得到加强，或者通过机械活化的方 式来提高再生骨料的强度【2 4 1 。 ( 4 ) 由于再生骨料的吸水率比天然骨料的高，这会直接影响新拌再生混凝土的和易 性。一方面可在拌制前使再生骨料预先浸水来降低其吸水量，另一方面可对粉碎后的废 弃混凝土作摩擦处理，使骨料相互摩擦，骨料及骨料外围粘连的水泥组分变成粉末，直 至完全与骨料分离，以降低再生骨料的吸水率。试验结果表明，再生混凝土拌合物的粘 聚性和保水性好，但流动性变小。在再生混凝土配合比中使用高效减水剂，完全可以提 高其流动性，使其满足施工要求。 ( 5 ) 针对再生骨料自身孔隙大的不良现象，可以通过一些措施改善其孔隙结构，使其 符合制备高性能混凝土的要求。 6 长安大学硕士学位论文 ( 6 ) 通过加入高效减水剂和掺入活性掺和料( 如粉煤灰、超细矿渣、硅灰等) 制成高流 动性、高耐久性、高强度的高性能混凝土；另外通过科学严谨的施工管理和行之有效的 养护措施，利用再生骨料完全可以制备高性能的混凝土。 综上所述，将废弃混凝土回收利用，作为再生骨料，配制新的混凝土在理论上是完 全可行的【2 5 】。 1 3 2 经济可行性 虽然新骨料制备的成本比较低，但将废弃混凝土块作为再生骨料不仅可以节省搬运 废弃混凝土的费用，而且可以减少运输新骨料的费用。因此，用新骨料与用再生骨料拌 制的混凝土的成本基本相当。同时，废弃混凝土的再生利用可以保护天然骨料环境，减 少废弃混凝土占地和对环境资源的破坏。参考文献 2 6 介绍欧共体、美国、日本每年混 凝土废料超过3 6 亿吨，对混凝土和钢筋混凝土废料再加工得到的再生骨料能耗比开采 天然碎石要低7 倍，成本可降低2 5 。 目前而言，废弃混凝土再生的经济效益不高，甚至亏损，但随着科学技术的进步和 生产水平的发展，混凝土再生相关技术进一步成熟，混凝土再生的成本会进一步降低。 另外，废弃混凝土处理费用和再生混凝土的环保效益也是影响再生混凝土经济性的重要 因素。综合考虑混凝土再生的成本、社会和环保效益，混凝土的再生具有良好的经济性 和较大的发展潜力【2 7 1 。 1 4 本文主要研究内容及方法 为了探讨道路水泥混凝土的再生技术，本文的主要研究内容包括： 1 ) 再生集料的定义及其性能的探讨； 2 ) 再生混凝土的定义及其性能的探讨，包括影响新拌再生混凝土性能的主要因素的 分析； 3 ) 再生混凝土质量控制的探讨，包括再生混凝土配合比的设计、再生混凝土的主要 设备及其生产工艺的研究； 4 ) 再生混凝土的试验研究，包括新拌再生混凝土的性能测试及硬化混凝土性能测 试。 为了达到本课题研究的目的，本文采用理论分析与试验研究相结合的方法。一方面， 通过理论分析，明确道路水泥混凝土再生的特点，为试验研究提供理论依据；另一方面， 通过试验研究，测试再生混凝土的性能，为道路水泥混凝土的再生奠定基础。 7 第二章理论分析 第二章理论分析 2 1 基本概念 2 1 1 再生集料的定义 水泥混凝土路面再生就材料而言，核心内容是集料的再生。将再生而来的集料部分 或全部作为新拌混凝土的集料，获得再生集料混凝土，并应用于合适的场合。再生集料 的概念宽泛，为了课题研究具有针对性，笔者对再生集料的概念予以界定。 从广义上讲，再生混凝土集料是指经过特定处理、破碎、分级并按一定比例混合而 成，用于配制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，即广义的再生集料包 括任何能够满足混凝土集料性能要求的或者能在混凝土中起到与其相同作用的成分颗 粒。一般意义上的再生集料是相对于普通集料( o r i g i n a la g g r e g a t e 又称原生集料) 而言 的，一般将建筑物或结构物解体后的废弃混凝土块经过裂解、清洗、破碎、筛分、分级 后按一定比例配合而成的集料称为再生集料( r e c y c l e dc o n c r e t ea g g r e g a t e s ，r c a ) ， 这也是研究和应用最多的再生混凝土集料；而普通集料是天然无机矿物质由自然破坏作 用或者人工破碎而来的，表观密度约为2 5 2 8 咖3 。天然普通集料是来自河岸、海滨、 地面冲击层的砂与卵石，一般比较坚硬、棱角少，粒形扁平并有一定的含泥量。人工普 通集料大都是来自破碎筛分之后的花岗岩、石灰岩等母岩碎石和机制砂，也有部分来自 工业废渣，比如高炉矿渣、钢渣、铁镍合金渣、电炉转炉钢渣等。他们的质量要求及检 验方法，在现行国家和行业部门的有关标准与规范里已做了明确规定。由于目前没有对 于再生集料比较系统详细的标准与规范，因此关于再生集料的概念因人而异。如前章引 言所述，我国的研究工作者对再生集料的概念也稍有差别。 笔者认为，从狭义来讲，再生集料是指取自原始混凝土构造物中而再次使用到新拌 混凝土中去的集料：狭义的再生集料的组成包括从废弃( 旧) 解体混凝土中分离出来的 原始集料、硬化水泥浆体以及固结着部分硬化水泥砂浆的原始集料，并含有硬化水泥混 凝土中的其他成分颗粒。再生集料表面是否粘附硬化水泥浆体以及粘附多少等情况与原 始混凝土( o r 磷n a lc o n c r e t e 又称基体混凝土) 的强度等级、原生集料种类、再生集料 的获得方法等因素有关。已经有研究者尝试检测诸如建筑废弃物、城市固体垃圾等废物 作为再生集料的材料性能，并获得了一些令人鼓舞的结果。废弃混凝土加工的再生集料 品质特点取决其洁净度和坚实度，利用预制场和预拌混凝土厂剩余混凝土或者施工过程 8 长安大学硕士学位论文 中退返、散落的混凝土加工的集料通常比较干净，性质与刚加工的集料接近；来源于拆 除的路面或水工结构的废弃混凝土加工的再生集料中细粉粒较多。拆除解体建筑物的废 弃混凝土加工再生集料时比较难以处理，因为常混有其他杂物，如木屑、金属、玻璃、 石膏、纸、塑料和油漆等杂质。 再生混凝土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 之间的再生集料称为 再生细集料，粒径大于5 m m 的称为再生粗集料。也有学者考虑到再生细集料中含有细 小水泥浆颗粒，将再生细集料的粒径范围定为o 0 8 5 咖【2 引。 日本于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，并划分了再生集料的质量等级，如表2 1 所示。 表2 1 日本再生集料质量标准 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 0 i i 3 和 4 0 或 5 和 1 2 i i 1 0 i i i 7 i i i 2 1 2 再生混凝土的定义 再生混凝土( r e c y c l e dc o n c r e t e ) 或再生骨料混凝土( r e c y c l e da g g r e g a t ec o n c r e t e ， r a c ) ，是指将废弃的混凝土块破随后清洗分级作为集料，部分或全部代替天然集料( 砂、 石) ，按一定配合比配制成的混凝土。相对于再生混凝土，用来生产再生集料的混凝土 称为原生混凝土或基体混凝土( 0 r i g i n a lc o n c r e t e ) 。因为再生混凝土技术是对废弃混凝 土的再加工，使其恢复( 或部分恢复) 原有的功能，成为新的建材产品，所以称其为再 生混凝土。 2 2 再生集料的基本性能 2 2 1 再生集料的形状和级配 再生集料包括再生粗集料和再生细集料，废弃混凝土经过破碎筛分后既可作粗集 料，也可作细集料，再生集料的形状和级配如下： 再生细集料主要包含有砂浆体破碎后形成的表面粘附着水泥浆的砂粒、表面无水泥 浆附着的砂粒、水泥石颗粒以及破碎过程中产生的少量石粉。废弃混凝土在破碎中往往 会混入一些杂质，如含有粘土、淤泥、粉砂等有害杂质，它们粘附在集料表面，妨碍水 9 第二章理论分析 泥与再生细集料的粘结，降低混凝土强度；同时还增加再生集料混凝土的用水量，从而 加大再生集料混凝土的收缩，降低抗冻性和抗渗性。所以，在使用前必须对再生细集料 进行冲洗、过筛等处理将有害杂质清除。再生细集料的配合方法也应按 g b 厂r 1 4 6 8 4 _ _ 2 0 0 l 中规定的颗粒进行级配，力求按i i 区要求配合。若再生细集料的自然 级配不合适就要采用人工级配的方法来改善。一般不能采用过细的再生细集料配制混凝 土。 再生粗集料尺寸为大于5 m m 的颗粒，粒径范围可以按有关规定确定，如按我国 g b 厂r 1 4 6 8 5 2 0 0 1 分别组合成4 7 5 9 5 0 m m 、4 7 5 1 6 m m 、4 7 5 2 0 i n 】m 、4 7 5 2 5 m m 、 4 7 5 3 1 5 m m 和4 7 5 4 0 i n 】【n 连续级配，也可组合成1 0 2 0 m m 、1 6 3 1 5 m m 、2 0 4 0 m m 、3 1 5 6 3 n u n 和4 0 8 0 m m 单粒级。在组合各种级配的再生粗集料时，应结合 g b 厂r 1 4 6 8 5 _ 2 0 0 1 相应级配中不同粒径范围的骨料的相对含量，并通过试验找出达到最 小孔隙率时各种筛孔尺寸骨料的质量百分数，并依次称量配合并混合均匀。和再生细集 料中一样，再生粗集料中也含有一些有害杂质。所以，在使用前也必须对再生粗集料进 行冲洗、过筛处理，将有害杂质清除。它们的含量可以参照天然集料混凝土的标准 g b t 1 4 6 8 5 _ 2 0 0 l 。再生粗集料一般包括表面包裹有部分砂浆的石子、少部分与砂浆完 全脱离的石子、很少一部分砂浆颗粒。再生集料表面是否包裹着砂浆和包裹砂浆的多少 等情况与原始混凝土的强度等级及集料种类有关。原始混凝土强度等级越高，则再生集 料表面包裹砂浆的程度越大，碎石表面包裹砂浆的程度比卵石表面的大。因而再生粗集 料一般棱角较多，且表面较粗糙。 在再生集料中，还含有一些软弱颗粒和片状颗粒。在混凝土科学中，软弱颗粒有其 特定的含义。但是相对于较高强度等级的新拌混凝土来说，再生集料中所含的较低强度 的水泥砂浆也可以当作软弱颗粒来对待。一般情况下，当再生集料的原始混凝土的设计 强度等级较低时，其中的水泥砂浆的强度也必然较低。因此，低强度的再生集料中软弱 颗粒要较高强度的再生集料多。这些软弱颗粒的存在一定程度上会影响再生集料混凝土 的性能。 再生集料的质量是不均匀的，存在一些片状颗粒，而这种不均匀与原始混凝土的水 灰比有关。当原始混凝土的水灰比较大时，由于振捣而使混凝土中的水分析出，同时水 泥沉淀并随之收缩于粗集料的底部而出现薄弱的区域，这个区域的水泥浆的体积浓度与 混凝土最后硬化时所产生的水化新生物的体积含量均较低，同时混凝土因坍落度太大而 分层，如图2 1 所示，从而在集料上部形成孔隙而产生薄弱的受力区域。而当混凝土构 1 0 长安大学硕士学位论文 筑物的一次浇筑的高度方向上的尺寸较大时，粗集料由于自身的重力而往往先于砂浆达 到结构的底部。所以，这些原因都可能造成硬化后的混凝土的强度与密度的不均匀性。 因为硬化混凝土中已经存在了这些薄弱的受力区域，所以再生集料在加工过程中，容易 形成较多的片状颗粒【2 1 。 ( a ) 外分层( b ) 内分层 图2 1 混凝土分层离析示意图 2 2 2 再生集料的基本特性 集料包括粒径较大的粗集料和粒径较小的细集料，其通常占混凝土总体积的7 5 以 上，是混凝土的重要组成部分。集料不仅构成了混凝土的骨架，而且在很大程度上决定 着混凝土拌和物的性能、硬化混凝土的力学性能与建筑物的耐久性能。再生集料与天然 集料相比，组成成分复杂，组分中包含相当数量的硬化水泥砂浆，砂浆体中水泥石本身 孔隙比较大，且在破碎过程中，其内部往往会产生大量的微裂缝。因此，其基本特性与 天然集料有较大差异。 2 2 2 1 再生集料的表观密度 再生粗集料和再生细集料的表观密度均可参照天然粗集料和天然细集料的测定方 法测定。表2 2 为一组再生集料表面干状态时的表观密度试验数据，从表中可以看到， 再生集料的表观密度与再生集料的粒径有关，且再生集料的表观密度显然小于天然集 料。 表2 2 不同粒径的再生集料的表观密度( k g ，m 3 ) 粒径( m m ) 再生粗集料 天然粗集料 4 8 2 3 4 0 2 5 0 0 1 5 3 02 5l o2 5 8 8 1 6 3 2 2 4 9 0 2 6 l0 另据日本有关资料报道，废弃混凝土再生粗集料表面干状态时的表观密度为2 1 2 0 2 4 3 0 k 咖3 ，废弃混凝土再生细集料的表观密度为1 9 7 0 2 1 4 0k m 3 【2 9 1 ，另有人对废弃 第二章理论分析 的水灰比为0 7 的原始混凝土破碎后得到的再生细集料进行了表观密度测试，结果为 2 2 7 9 k g m 3 。总之，不论怎样，再生粗集料的表观密度明显低于天然集料。 影响再生集料表观密度的因素很多，主要包括：原始混凝土集料的密度、原始混凝 土的砂率和水灰比、再生集料的粒径和级配、再生集料的颗粒组成和性状，再生集料的 含水状态等。具体研究过程中，要对再生集料的密度和堆积密度进行实际测定和统计， 以便为再生集料混凝土的配合比设计提供必要的数据。 2 2 2 2 再生集料的吸水率和含水率 天然岩石由于其孔体积含量很低，一般低于3 ，极少超过1 0 ，所以常用的天然 集料吸水速率和吸水率都很小。然而对于再生集料，其颗粒棱角多，表面粗糙，组分中 包含相当数量的硬化水泥砂浆( 包裹在天然集料表面或以碎屑形式存在) ，砂浆体中水 泥石本省孔隙比较大，且在破碎过程中，其内部往往会产生大量的微裂缝。因此，再生 集料的吸水性和吸水速率比天然集料要大得多。 另外，从旧建筑物拆除现场取得的再生集料与天然集料采料场的操作环境截然不 同，经过破碎后获得的再生集料除非进行水洗处理，否则因含有较多的泥土和泥块，也 会增加其含水率和吸水率。混凝土科学中所说的“泥 ，不仅指普通意义的泥土，也包 含集料中其他粒径小于0 0 8 m m 的颗粒。而“泥块”则指集料中粒径大于5 m m ，经水洗 或手捏后变成小于2 5 m m 的颗粒。粘土不仅增加混凝土的用水量，而且会降低混凝土 的强度，增加混凝土的干燥收缩率。有时甚至还在混凝土构筑物中留下较大的洞，因此， 必须对再生集料进行冲洗，清除其中的粘土等有害杂质。 国内外，对再生集料吸水性进行了大量的试验研究，当再生集料的粒径在1 6 3 2 m m 之间时，再生集料的吸水率仅为3 8 ，而粒径在4 8 m m 的再生集料吸水率则迅速上 升为9 7 。可见再生集料的吸水率随再生集料的粒径减小而迅速增大。 大量的试验结果表明再生集料的吸水率与其密度之间呈抛物线关系。如图2 2 所示。 从图中我们可以看出，再生集料的吸水率随再生集料表观密度的降低呈抛物线明显增 大。 试验中还发现，再生集料不仅吸水率大，而且吸水速率也相当快。日本认为再生集 料的吸水率般为：再生粗集料3 6 8 0 ：再生细集料8 3 1 2 1 。 纵上所述，再生集料的吸水性随再生集料粒径的减少而迅速增加，再生集料的粒径 越小，其吸水性越大，吸水速率也越快；再生集料的吸水性还与其表观密度有关，它随 1 2 长安大学硕士学位论文 表观密度的减小而迅速增加，故密度小的再生集料的吸水性远远大于表观密度大的再生 集料，且再生集料的吸水性随表观密度的减小呈抛物线增大。 吸水翠x ， 图2 2 不同表观密度的再生集料的吸水率 由此可知，再生集料比天然集料含水率较高，吸水率较大，且吸水速率大，因此当 用其配制混凝土的时候，搅拌用水比天然集料多5 左右，再生集料混凝土拌和物的坍 落度损失比较大，这在设计再生集料混凝土的配合比时是一个难点。根据日本的再生集 料标准，在混凝土生产中，不推荐使用吸水率超过7 的再生粗集料和超过1 3 的再生 细集料。 2 2 2 3 再生集料的强度 再生集料的强度主要是指再生粗集料的强度。由废弃混凝土块破碎加工而得的再生 集料的成分十分复杂，再生集料中不仅含有设计强度等级高低不同的混凝土成分，而且 含有许多低密度的建筑材料，或由于经过了其它腐蚀性气体的侵蚀后已经变得酥松。另 外，在十多年前施工的混凝土结构中，混凝土的最低设计强度等级相当c 7 5 c 1 0 。也 就是说，最低的再生集料的强度可能还不足1 0 m p a 。 再生集料的强度用“岩石”立方体强度和压碎指标两种方法来表示。 岩石的立方体抗压强度是评价混凝土骨料质量的一个重要指标，因此可从再生骨料 的原始废弃混凝土块上切割出5 5 5 c m 的立方体试件进行“岩石 立方体强度检验， 其测定方法与天然集料混凝土的测定方法相似。因而可近似地认为，这些原始混凝土在 浇筑时的试件抗压强度就是“岩石的抗压强度值。根据g b 厂r 1 4 6 8 5 _ 0 0 1 规定，一般 1 3 乓要v删蘩 第二章理论分析 情况下，火成岩试件的强度不宜低于8 0 m p a ，变质岩不宜低于6 0 m p a ，水成岩不宜低于 3 0 m p a 。因此，一般再生粗集料的最低强度不宜低于3 0 m p a 。 用压碎指标表示再生粗集料的强度时，是将一定重量表面干状态下1 0 2 0 m m 的再 生粗集料装入一定规程的圆筒内，在压力机上加载到2 0 0 l 删，卸载后称取试样重量( g ) ， 用孔径为2 5 m m 的筛子筛除被压碎的细粒，称取试样余重( g 1 ) 。 压碎指标= ( g g 1 ) g ( 2 1 ) 式中：g 一试样的重量( g ) ； g l 一压碎试验后筛余的试样重量( g ) 。 压碎指标表示再生粗集料抵抗压碎的能力，以间接地推测其相应的强度。目前，再 生集料的压碎指标可参照规范对天然集料压碎指标的要求。 ( 1 ) 再生集料的抗压强度 粗集料的强度特性取决于它的矿物组成、比重、吸水性、孔隙率及孔隙结构。若粗 集料的吸水性较大或孔隙率较高，则其抗压强度也必然较差。而再生粗集料一般为表面 包