废弃建筑材料的循环利用技术探讨

朱 蕾，侯志杰

(潍坊工程职业学院 建筑工程系，山东 潍坊 262500)

目前，中国废弃混凝土的年产生量约为600万m3，除少量废弃混凝土用于填海外，其他主要用于填埋处理，不仅占用大量土地，而且污染环境[1]。若是能够将废弃混凝土材料进行粉碎和筛分等流程处理，然后作为粗、细骨料再次用于配制混凝土，这对减少天然骨料的使用、节约和循环利用天然矿产资源具有十分重要的意义[2-3]。

再生混凝土是对废弃混凝土的再次利用，其具备抗压强度高、抗裂性能强、保温性能好等特点，对废弃混凝土进行处理后，可以配制出中低强度混凝土，能够起到节约资源、保护环境的作用[4]。本研究以利用再生粗骨料全部或部分取代天然骨料的方式研究混凝土的配合比设计，并且在低等级水泥混凝土路面的底基层或基层上使用，对再生粗骨料混凝土力学性能进行研究，并将试验测定出的弹性模量与理论预测结果进行对比[5]，结果表明再生粗骨料替代率范围控制在40%～100%之间是合理的；并发现再生粗骨料的替代率与再生混凝土弹性模量E之间的线性关系受E水泥砂浆的影响。此研究结果为进一步提升废弃建筑材料循环利用水平提供了理论依据[6-7]。

1 试验参数的设计

再生粗骨料混凝土的力学性能受多种因素影响，粗骨料的替代率是其中一个重要影响因素[8]。本试验以再生粗骨料混凝土C30作为再生混凝土的强度指标，参照《公路工程骨料试验规程》(JTG E42-2005)、《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2006)、国家标准《建筑用砂》(GB/T 14684-2011)和《建筑用卵石、碎石》(GB/T 1468—2011)等规定，选择在坍落度分别为110～160 mm和30～50 mm，水泥用量不小于170 kg/m3的基础上，对再生粗骨料混凝土配合比参数进行设计。再生粗骨料混凝土配合比设计参数见表1。

表1 再生粗骨料混凝土配合比设计参数

2 再生粗骨料的处理

试验所用材料均为废弃的建筑材料，需要对再生粗骨料表面形状进行处理，具体操作流程如下。

1)从废弃建筑材料中选出符合破碎机粒径要求的混凝土材料，并进行称重。

2)采用小型颚式破碎机对混凝土废料进行破碎。

3)为了不影响再生混凝土抗压强度，从混凝土废料中选用形状及棱角合适的碎石作为试验用的再生粗骨料。

4)使用钢丝刷对再生粗骨料表面进行清洗，以提高再生粗骨料粘结强度。

5)为降低再生粗骨料含水率，对再生粗骨料进行干燥处理，以保证试验结果的正确性。

6)再生粗骨料经过干燥处理后，以袋装形式称重。

完成以上6个步骤后即可得到用于再生混凝土试验研究的再生粗骨料，经过检验发现，得到的再生粗骨料与新粗骨料表面的形状和棱角无太大区别，但由于再生粗骨料的表面存在大量的孔隙，致使利用率降低了30%左右[9-10]。

3 试验过程设计

根据表1的设计参数确定初步配合比，再通过试验验证寻找最适合的配合比。发现表1中坍落为110～160 mm的再生混凝土适合应用在农村部分低等级公路工程中。

3.1 初步配合比

坍落度为110～160 mm时的初步配合比见表2。使用表2中A0组配合比进行预试验，试验过程中拌合的再生混凝土未能达到坍落度110～160 mm的要求。经过分析、查找资料，发现需调整再生粗骨料、新粗骨料及减水剂的用量以满足试验要求。表2中减水剂是常用的混凝土外加剂，在混凝土和易性及胶凝材料质量不变的情况下，能够起到减少用水量和提高强度的作用[11]。

表2 坍落度为110～160 mm时的初步配合比

3.2 调整后110～160 mm坍落度的配合比

由于再生粗骨料表面存在大量孔隙，在用水量不变的条件下，若要得到较大坍落度，可加大减水剂的用量。调整后110～160 mm坍落度的配合比见表3。调整后的配合比能满足坍落度和抗压强度要求。

表3 调整后110～160 mm坍落度的配合比

3.3 30～50 mm坍落度配合比试验设计流程

参照《普通混凝土配合比设计规程》[11](以下简称《规程》)设计30～50 mm坍落度的配合比，具体设计流程如下。

1)根据《规程》规定，混凝土的配制强度须按式(1)计算：

fcu,o≥fcu,k+1.645σ

(1)

式(1)中，fcu,o为混凝土配制强度(MPa);fcu,k为混凝土抗压强度标准值(MPa);σ为混凝土的强度标准差(MPa)。

2)当水泥28 d胶砂抗压强度(fce)无实测值时，fce数值可根据式(2)计算得出：

fce=γc×fce，k

(2)

式(2)中，γc为水泥强度等级值的富余系数，可按实际统计资料取值为1.08；fce，k为水泥28 d抗压强度标准值(MPa)。

3)试验中所用到的碎石最大粒径为31.5 mm，参照《规程》中的规定，可选取回归系数：

A=0.46，B=0.07。

(3)

注意：当强度等级超过C60时，式(3)将不再适用。

fcu,o=fcu,k+1.645σ=30+1.645×5=38.225 MPa。

fce=γc×fce,k=42.5×1.08=45.9 MPa。

水胶比在0.4～0.8范围内时，参考《规程》中混凝土用水量表，选取用水量mw=185 kg/m3，水泥质量mc可按式(4)计算得出：

(4)

参考《规程》选取使用的砂率为35%，根据骨料的粒径、近似密度、混凝土的配制强度，初步确定每立方米混凝土质量m为2 367 kg/m3，其计算公式如式(5)。

m=mc+mw+ms+mg=2367 kg/m3

(5)

式(5)中，mc为水泥质量；mw为用水量；ms为细骨料质量；mg为粗骨料质量。

由式(5)可知：

ms+mg=2367-(mc+mw)=2367-534=1833 kg/m3。

ms=(ms+mg)×0.35=1833×0.35=641 kg/m3。

mg=1833-641=1192 kg/m3。

因此，初始混凝土配合比为水泥∶水∶细骨料∶粗骨料=349∶185∶641∶1192。

6)经过换算可得到30～50 mm坍落度的配合比见表4。

表4 30～50 mm坍落度的配合比

3.4 试配

选择表4中第1组数据作为初步配合比进行搅拌试配，试验结果为表4中混凝土配合比可以使用。

4 抗压强度和弹性模量的测定

4.1 试件的养护

采用上海雷云实验仪器制造有限公司SHBY-60B型的数控水泥混凝土规格的养护箱在试件上实行养护操作。进行固化时用湿布覆盖试样表面，防止水分蒸发。样品在202 ℃温度下昼夜保存48 h，然后对样品进行编号和拆除。

拆卸后，试样立即保存在标准固化室中，温度达到202 ℃，相对湿度达到95%以上。在规范的养护室里，试样之间的距离在10～20 mm之间，最后使用清水清洗干净即可。

4.2 试验参数与结果

使用上海三思纵横机械制造有限公司生产的WAW-2000型微机控制的电液伺服万能试验仪器，将试件放入其中开始7 d抗压力度的试验，并且将28 d抗压力度推测出来，同时根据试验应力与应变关系推算出再生粗骨料混凝土抗压强度及弹性模量见表5。

表5 再生粗骨料混凝土抗压强度及弹性模量表

4.3 抗压强度推算方法

按照设计配合比，每3个混凝土试件为1组进行抗压强度试验，将试验中得到的抗压强度取平均值，再运用式(6)即可推算出28 d抗压强度值。

(6)

式(6)中，fn为养护龄期混凝土的抗压强度(MPa);f28为28 d龄期混凝土的抗压强度(MPa);n为养护龄期(d)，n≥3。

4.4 Mori-Tanaka法的基本原理及应用

在本研究设计的试验中，假设有限元是无限小的，但微观结构完全能够包含不同类型和数量的骨料。力学特性与几何统计的结果具有同样的特征，那么，根据夹杂理论的观点，基体和骨料的平均应力可以按照式(7)进行推算：

(7)

夹杂的总平均应力为：

(8)

按照Mori-Tanaka法的相关观点[5]，当不含任何骨料时(如图1(b)所示)，平均应力和平均应变之间的关系可以通过式(9)来表征：

(9)

若是将骨料添加到内部，参考图1(a)，这样在基体上出现的附带的扰动应力以及扰动应变之间的关系则可以由式(10)来表征：

(10)

(a) 含骨料

(b) 不含骨料

此外，再依据Eshelby 等效本征应变理论可知[12]，摄动应变与本征应变之间的关系可以由式(11)来描述：

(11)

一般认为，对于复合材料而言，总平均应力实际上是基体和骨料的平均应力之和，由此可以推导出：

(12)

(13)

应变计算的通式可表示为:

(14)

5 试验成果和分析

混凝土坍落度为110～160 mm时再生粗骨料的替代率和混凝土抗压强度之间的关系曲线如图2所示。说明：按照表3的配合比试配后，坍落度、黏聚性、保水性均符合试验设计要求。试验结果表明：

1)混凝土坍落度为110～160 mm时，混凝土抗压强度随着再生骨料替代率的增加而降低。

2)当再生骨料替代率达到100%时，混凝土的抗压强度为43.5 MPa，此时混凝土的抗压强度能够满足低等级混凝土路面所要求的抗压强度值。

3)当混凝土坍落度为110～160 mm时，再生骨料替代率和混凝土的抗压强度值之间存在线性关系，表明试验结果有明显的连续性。

图2 混凝土坍落度为110～160 mm时再生粗骨料的替代率和混凝土抗压强度之间的关系曲线

混凝土坍落度为30～50 mm时，再生粗骨料替代率和混凝土抗压强度之间的关系曲线如图3所示。试验结果表明：

1)粗骨料在不同替代率条件下的抗压强度均能满足《规程》中的相关要求，替代率为60%时，得到的28 d抗压强度为36.2 MPa，能够满足工程实际需要。

2)在混凝土坍落度为30～50 mm的试验中，当替代率数值发生任意变化时，再生混凝土抗压强度均没有明显改变。

图3 混凝土坍落度为30～50 mm时再生粗骨料的替代率和混凝土抗压强度之间的关系曲线

基于Mori-Tanaka方法将再生粗骨料的替代率和混凝土材质的弹性模量之间的关系运算出来，弹性模量试验值与理论计算值的关系曲线如图4所示。此次试验要求以E=25 GPa为基准，当E水泥砂浆=E再生粗骨料时，增添再生粗骨料对E再生混凝土基本没有影响，即强度不会提高。而在基准线下时，E水泥砂浆E再生粗骨料，随着再生粗骨料替代率不断提高，E再生混凝土出现一定幅度的降低，通过上述分析可知：再生粗骨料的替代率与再生混凝土弹性模量E之间的线性关系受E水泥砂浆的影响。

图4 弹性模量试验值与理论计算值的关系曲线

6 结论与展望

本试验设计以不同龄期包容型再生混凝土为试验研究对象，使其再生粗骨料的替代率在40%～100%之间变化，对相应的轴心抗压强度和静力弹性模量的变化情况进行了探讨。试验研究结果为，再生粗骨料替代率与大坍落度的强度成反比关系，小坍落度时，替代率不会对材料强度产生显著的影响。然而在制备大坍落度再生骨料混凝土时，对于试验过程中减水剂的含量大小、替代率等参数与抗压强度之间的关联仍然不太明确，有待后续进行相关理论和试验研究。同时以MATLAB为仿真工具，以Mori-Tanaka法和均匀化法作为理论基础，对试验和仿真的结果进行了比较，结果表明本文提出的再生骨料替代率控制在40%～100%范围内是合理的。实际上，影响再生混凝土力学性能的远不止替代率和坍落度2个因素，在将来，还需要同时考虑添加剂、用水量、级配曲线等参数的影响；另外，再生混凝土的抗折性能、抗劈裂性能、钢筋与其粘结性能、耐腐蚀性能等，也将成为未来研究的重心。