再生骨料混凝土设计方案

1、再生骨料混凝土设计方案院 （部）： 材料科学与工程学院 课题名称： 再生骨料混凝土 队伍名称： 正能量 队 长： 高旭东 队伍成员：李铭、吴江、徐潇、王梅侠 联系方式： 一、摘要再生骨料混凝土的发展和应用是废弃混凝土回收利用的有效途径和建筑业节能减排的重要措施。本文通过查阅和研究国内外文献，总结了再生骨料及再生混凝土的技术和发展，主要包括再生骨料的制备工艺、性能和分级，以及再生混凝土物理力学性能、耐久性和界面结构特征和改性措施，并提出了今后在我国研究、发展和利用再生混凝土必须进一步研究的问题。关键词：再生骨料；再生混凝土；生产工艺；分级；力学性能；耐久性；界面过渡区二、前言 随着我国城镇化进程

2、的发展，建筑垃圾排放量逐年增长，可再生组分比例也不断提高。然而，大部分建筑垃圾未经任何处理，被运往郊外或城市周边进行简单填埋或露天堆存，这不仅浪费了土地和资源，还污染了环境；另一方面，随着人口的日益增多，建筑业对砂石骨料的需求量不断增长。长期以来，由于砂石骨料来源广泛易得，价格低廉，被认为是取之不尽、用之不竭的原材料而被随意开采，从而导致资源枯竭、山体滑坡、河床改道，严重破坏了自然环境。生产和利用建筑垃圾再生骨料对于节约资源、保护环境和实现建筑业的可持续发展具有重要意义。“再生混凝土”（RecycledConcrete）又称为“再生骨料混凝土”（RecycledAggregateConcret

3、e），它是利用旧建筑物上拆下来的废弃混凝土块，经过分选、清洗、破碎、筛分并按一定比例相互配合后，作为部分或全部骨料重新拌制的混凝土，将用来生产再生骨料的原始混凝土称为基体混凝土，有人也称之为原生混凝土。三、再生混凝土骨料的研究（一） 再生骨料的生产工艺实际的废弃混凝土块中不可避免地存在着钢筋、木块、塑料碎片、玻璃、建筑石膏等各种杂质，用废弃混凝土块制备再生骨料的过程就是将不同的切割破碎设备、筛分设备、传送设备及除去杂质的设备合理地组合在一起，共同完成破碎、筛分和除去杂质等工序，最后得到符合质量要求的再生粗骨料和再生细骨料，不同的设计者和生产厂家在生产细节上略有不同。日本Aich技术协会的S.N

4、agataki等通过理论分析和试验论证了二次破碎、进一步处理再生骨料可以改变材料的微观外形，并提高骨料的品质；清水建设公司和东京电力公司研究开发了废旧混凝土砂浆和石子的分离技术，两家公司和大阪城市大学共同研发了高性能再生骨料，这种高性能再生骨料生产过程包括三个阶段：（1）预处理阶段：除去废弃混凝土中的其他杂质，用颚式破碎机将混凝土块破碎成40毫米直径的颗粒；（2）碾磨阶段：混凝土块在偏心转筒内旋转，使其相互碰撞、摩擦、碾磨，除去附着于骨料表面的水泥浆和砂浆；（3）筛分阶段：最终的材料经过过筛，除去水泥和砂浆等细小颗粒，最后得到的即为高性能再生骨料；俄罗斯还在建筑企业建立专门的破碎钢筋混凝土块体

5、工艺线；而在德国，每个地区都有大型的再生综合加工厂，德国使用架空磁性分离机对铁片进行分离，获得的再生骨料完全符合DN4226规范对骨料的质量要求。不仅如此，德国西门子公司开发的干馏燃烧垃圾处理工艺可使垃圾中各种再生材料干净地分离出来；美国的CYCLEAN公司则采用微波技术，图1 再生骨料的生产工艺流程图混凝土块体破碎预处理（锤击、切割、分拣）磁性分选杂物分选破碎处理筛分破碎处理细骨料（25%）细骨料（15%）筛分清除废铁料清除木料、塑料等杂物5-50mm粗骨料（85%）5mm25mm525mm风力分级0.155mm再生细骨料（95%）微粉（5%）0.15mm5mm再生粗骨料（75%）100%地

6、回收利用再生旧沥青混凝土路面料。目前国内外具有代表性的再生骨料生产工艺流程如图12所示：（二）再生骨料的性能再生混凝土和普通混凝土相比，其主要区别是再生混凝土骨料和天然骨料不同，用再生混凝土骨料生产混凝土，其关键的因素是弄清楚骨料的特性。再生骨料的来源具有多样性，且地方差异大，因而性能不稳定，离散性较大。文献3中采用湖南省某高等级公路路面改善工程提供的废弃混凝土；文献4试验使用的废弃混凝土是武汉长江二桥路面修整时留下的废弃混凝土碎块；文献5以某搅拌站混凝土下脚料硬化后经破碎机破碎得到的再生集料；文献6采用试验室经检测后废弃混凝土试块经人工破碎，筛分得到再生骨料。目前试验的主要结论：再生骨料表观

7、密度、堆积密度较小，吸水率和压碎指标较大。和天然骨料相比，再生骨料表面粗糙，棱角较多，并且骨料表面还包裹着相当数量的水泥砂浆（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，这些因素都使再生骨料的吸水率和吸水速率增大，而且密度和表观密度比普通混凝土低。同时，再生骨料密度、表观密度、吸水率等物理特性，与母体混凝土（即废弃混凝土）的强度等级、配比、使用时间、使用环境及地域等因素有关。目前有研究者采用纯水泥浆、水泥外掺硅粉浆液和水泥外掺级粉煤灰浆液对再生骨料进行强化处理，试验表明该措施对再生骨料本身的强度有一定程度的提高，但其对再生混凝土的强度提高效果

8、并不明显。（三）再生骨料的分级再生混凝土目前还没有独立的分类方法，多数参考普通混凝土骨料的分类方法进行分类，根据普通混凝土用砂质量标准及检验方法（JGJ52-92）和普通混凝土用碎石和卵石质量标准及检验方法（JGJ53-92）的规定，再生骨料的粒径在0.165mm之间为再生细骨料，粒径大于5mm的颗粒为再生粗骨料。由于再生细骨料中含有细小水泥浆颗粒，再生细骨料的粒径尺寸范围可以定义为0.085mm。日本建筑师协会（BCSJ）于1997年制订了再生骨料与再生混凝土使用规范，对再生骨料的质量作了如表2的规定8：表2 日本标准中所建议的再生骨料的质量测试项目再生粗骨料再生细骨料绝干密度/( kg/m

9、3)22002000吸水率/%713洗涤损失重/%18实积率/%53-目前我国对再生骨料缺乏系统的科学研究，只是对个体试验中用到的由废弃或旧混凝土破碎后得到的再生骨料进行了简单描述。由于再生骨料在吸水率、表观密度、压碎指标等指标上与天然骨料存在较大差别，现有天然骨料的质量标准显然不适合评价再生骨料的性能，为了规范和推广再生混凝土的应用，应加大再生混凝土骨料的研究，制定适用于再生骨料的质量评定标准，并限定各标准等级骨料所使用的范围。四、再生混凝土的性能研究（一）再生混凝土的物理力学性能纵观我国对再生混凝土主要力学性能的研究，主要集中在对不同再生骨料掺量的再生混凝土的抗压强度和弹性模量方面。试验中

10、再生骨料的掺量有0%（基准混凝土）、20%、40%、50%、60%、80%、100%。试验结果表明，再生混凝土力学性能的试验数据离散性较大，而且试验结果也有差异。对再生混凝土强度，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掺量的增加，混凝土强度降低，降低幅度为0%30%。肖建庄等的研究表明9，当再生骨料掺量为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。王武祥的研究表明10，随着再生粗骨料取代天然骨料比例的提高，再生混凝土的强度略有降低，但降低幅度不大，而

11、随着再生细骨料取代天然细骨料比例的提高，再生混凝土的强度明显下降；第二种结果是随再生骨料掺量的增加，混凝土强度也增加，增加幅度无明显规律。柯国军11和张亚梅12的研究表明，再生混凝土的强度高于同配合比采用天然骨料的基准混凝土；第三种结果是再生骨料在一定的掺量下，再生混凝土与基准混凝土强度相当。M.C.Limbachiya等的研究表明13，若仅使用再生粗骨料且其掺量在30%以内，则再生混凝土的强度可与基准混凝土一致。另外，目前已有研究者对利用再生骨料配制高强高性能混凝土进行了试验研究，赵伟的研究表明14，采用武汉市某公路桥路面翻修拆下来的废弃混凝土块经机械破碎、人工筛分所获得最大粒径为20mm再

12、生粗骨料，借助矿物超细掺合料和高效减水剂的“双掺技术”以及再生骨料预湿技术，再生混凝土28d抗压强度和劈裂抗拉强度分别达到了71.0MPa和4.93MPa；而采用常规混凝土的自密实技术，在配合比参数为胶凝材料用量537kg/m3、净水较比0.298、砂率43.9%、浆骨比1.47、FDN高效减水剂掺量为1.2%情况下，再生混凝土拌合物坍落度达到22cm，坍落扩展度达到50cm，28d抗压强度达到60MPa，很好地实现了高强再生混凝土自流平的目的。影响再生混凝土强度的因素很多，如再生骨料的物理力学特性（堆积密度和表观密度、压碎指标和吸水率、杂质含量等）、再生骨料破碎和加工方法、再生骨料的内部损伤

13、积累和微裂纹以及再生混凝土中新旧界面的粘结力等。此外，再生混凝土的级配也会影响再生混凝土的强度。目前对再生混凝土强度机理有两种不同解释：（1）再生粗骨料的强度较天然骨料强度较低，堆积密度和表观密度较低，压碎指标和骨料的吸水率较高，杂质含量较高，再加上用废弃混凝土块制造再生骨料的过程中，内部损伤积累使再生骨料内部存在大量微裂纹，使得混凝土块中骨料和水泥浆体的粘结力下降导致强度下降；（2）再生骨料与新拌水泥浆之间有较好的相容性，彼此存在发生化学反应的可能；再生骨料表面粗糙，界面啮合能力强，一定程度上改善了界面的性能；再生骨料吸水率高，能吸收新拌水泥砂浆中多余的水份，这既降低了骨料表面水灰比，又降低

14、了混凝土拌合物的有效水灰比。这些又将导致再生混凝土的强度提高。总之，目前对再生混凝土强度的影响因素和机理的研究还没有统一的标准，各个体试验的差异性和随意性较大，再加上原材料的地方差异性，这对再生混凝土的研究增加了难度，对再生混凝土强度机理的研究还需要进行更深入的研究。对再生混凝土的抗拉强度、粘结强度的试验研究不多。从目前情况来看，再生混凝土的抗拉强度比普通混凝土相比差别不大，一般降低在10%以内。再生混凝土的弹性模量随着再生骨料掺量的增加而降低，一般降低20%左右，这已被大多数试验所证实。（二）再生混凝土的耐久性混凝土的抗渗性是混凝土抵抗压力水渗透的能力，是混凝土耐久性的一项重要指标。F.T.

15、Olorunsogo等15采用耐久性指数的概念对再生混凝土的氧渗透指数（OPI）、氯离子扩散指数以及吸水性指数进行了测试。结果表明：再生骨料的掺入降低了混凝土的耐久性指数，再生混凝土的耐久性指数随养护龄期增加而增加，其主要原因是再生骨料孔隙率较高，吸水率较大。混凝土的抗渗性能与其孔隙率或密实度直接相关，因而，提高混凝土密实度的方法均可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。国内外对再生混凝土抗冻性进行了较多的研究10，Malhotrah和Buck的研究表明：再

16、生混凝土的抗冻融性并不低于普通混凝土，有些情况下甚至优于普通混凝土。但是，Nishibayashi和Yamura的试验则发现再生混凝土抗冻融性较普通混凝土差，再生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。造成上述研究结果差别较大的原因可能来自于再生骨料性能的差异。由于孔隙率及渗透性较高，再生混凝土的抗硫酸盐和酸侵蚀性比普通混凝土稍差，掺加粉煤灰后，能减少硫酸盐的渗透，使其抗硫酸盐侵蚀性有较大改善16。 由于再生集料中含有大量的水泥砂浆，而水泥砂浆的耐磨性较差，导致了再生混凝土的耐磨性较差。另外，再生混凝土的耐磨性还与基体混凝土的强度有关，基体混凝土强度越高，再生混凝土的耐磨性越好。

17、耐磨性是衡量路面性能的一个重要指标，鉴于再生混凝土耐磨性较差，现在主要运用于交通量较小的路面工程。如何提高再生混凝土的耐磨性以便拓宽其在道路工程中的运用，还需进一步研究。混凝土的体积稳定性是混凝土耐久性的重要方面，也是混凝土达到耐久性要求的前提，体积稳定性不良的直接后果就是引发裂缝，裂缝无论大小，都能对混凝土的劣化起很大的促进作用。收缩是引起裂缝常见的因素，当收缩引起的拉应力超过混凝土的抗拉强度，混凝土便产生裂缝。混凝土的干燥收缩主要与水化水泥浆体中吸附水的消失有关。大量研究表明，再生混凝土的干燥收缩较同配合比采用天然骨料配制的混凝土有较大幅度的增加，原因主要是：（1）再生骨料的吸水率大；（2

18、）再生骨料的刚度小，抵抗变形的能力差。混凝土收缩值的增加将导致混凝土约束条件下开裂驱动力的增加，但另一方面，再生骨料孔隙率较高使得再生混凝土弹性模量相比普通混凝土较低，有利于降低收缩应力。因此，应结合混凝土收缩值的大小和混凝土的徐变、弹性模量、抗拉强度等因素综合考虑混凝土的抗裂性。Ravindrarajah等17的研究表明，再生混凝土极限抗拉强度与普通混凝土相当。国内研究者刑振贤等18的研究表明，再生混凝土的极限拉应变比普通混凝土增加27.7%，且随着再生集料取代率的增加而增加。国内目前尚无对再生骨料混凝土约束条件下收缩开裂敏感性的报道。（三）再生混凝土的界面结构特征和改善措施与天然骨料相比，

19、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），这样，再生混凝土内部骨料浆体结构更复杂，界面数量更多，如果将混凝土看作粗骨料分散于砂浆连续相中形成的复合材料，则再生混凝土内部界面至少包括天然骨料新砂浆界面、新砂浆老砂浆界面和天然骨料老砂浆界面三种19。天然骨料和新、老砂浆以及此处所列的三种界面共同影响再生混凝土的各项力学性能。一方面，再生粗集料由于部分或全部被已硬化的“老”水泥浆（砂浆）所包裹，被认为部分可溶（即有部分离子可能溶出），溶出的离子应该可以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填充在界面区毛细孔内，对提高界面粘结强度有利；另

20、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的大，再加上晶体的定向排列，仍然会成为再生混凝土的薄弱环节。目前对再生混凝土界面过渡区结构的改善主要从以下两个方面进行：（1）掺入活性矿物掺合料；（2）改善集料表面状态。理论上，通过机械活化和酸液活化方法都可以对再生集料表面的状态加以改善（粗糙化），而用界面剂、有机耦合剂或环氧树脂等事先涂抹在集料表面则可以增强集料与水泥浆体之间的粘结强度。万惠文等的研究表明19，降低水灰比、加入适量减水剂和掺少量粉煤灰，可以明显地改善再生混凝土ITZ的结构，使集料与水泥浆体之间的缝隙变窄，孔隙率降低，明显地增加新水泥浆体的水化产物与老混凝土表面粘结的几率，提高混凝土的抗压强度；若再生集料表面用1%聚合物溶液处理后，不仅可以提高新拌混凝土的流动性，而且后期强度还有所提高，有利于再生集料与新拌水泥浆体水化产物在ITZ的紧密结合。五、我国再生混凝土研究要解决的问题目前国外一些发达国家（如日本）对再生混凝土的研究已经步入实用化阶段，而我国建筑垃圾循环再生骨料的应用大多还处于试验、谨慎使用的状态，鉴于目前的研究和使用现状，建议今后应着重加强以下几个方面的研究：（1）再生骨料的制备工艺研究。工艺设备宜具有成套化、体积小、可移动