地震建筑垃圾资源化利用实验研究

中国环境学会  2011年 03月31日


  邱慈长,王清远,何东 (四川大学建筑环境学院,四川成都  610065 电话 13488923348)


  摘要:建筑垃圾中的废混凝土通过资源化利用可以制成新混凝土及其制品,即再生混凝土。本文通过对都江堰地震废弃混凝土再生粗骨料的宏观性能试验研究和微观结构形貌分析,得到再生混凝土粗骨料各宏观特性及相互关系、微观结构缺陷对宏观性能的影响以及再生混凝土不同取代率的强度特征。从而为地震灾区建筑垃圾的资源化利用提供了理论和试验依据。
  关键词:建筑垃圾;再生混凝土;强度;资源化利用


  Experiment research on application of construction waste in earthquake as a resource
  QIU Cichang, WANG Qingyuan,HE Dong
  (The college of Architecture and Environment, Sichuan University, Chengdu 610065, China)
  abstract: Waste concrete in the construction waste is a renewable resource which can be made into recycled coarse aggregate concrete. By experimental research on recycled coarse aggregate made of earthquake waste concrete from Dujiangyan, the macro properties and their relationships are attained, and the microcrack’s characteristics are gotten through microstructure morphology analysis. Moreover, this paper discusses the recycled concrete strength of the different replacement. then the result may be information for practical application of recycled concrete coarse aggregate as as a resource in the earthquake area.
  key words:construction waste;recycled coarse aggregate concrete; concrete strength; resource
  
  0引言


  四川汶川特大地震造成了巨大的人员伤亡和财产损失,同时导致了大面积的建筑物、道路、桥梁等基础设施的破坏。据有关部门统计,此次地震造成530多万间房屋倒塌,2143万间损毁,1300余万人转移安置,据此估计产生的建筑垃圾约为 t[1],数量远超过目前中国每年建筑垃圾 t 。如果能够利用这部分资源制成满足工程要求的再生混凝土粗骨料(Recycled Aggregate, RA),这不仅解决了灾区重建中建筑材料紧缺的问题,而且美化了灾区的建筑环境。因此,对灾区建筑垃圾进行资源化利用,其环境效益、经济效益和社会效益突出。
  卵石和碎石等建筑资源是不可再生资源,其总量是有限的,而且大量开采卵石和碎石对环境的破坏性大,不利于我国可持续发展。再生骨料的利用在很大程度上解决了这个问题,推进了可持续发展的步伐。我国近年对再生混凝土已经进行了大量的研究,但与发达国家相比,我国还处在试验研究阶段,需要进一步的试验研究和工程试点来实现全面运用。目前,在都江堰灾区已成功利用再生砌块砌体建成两栋示范房屋[1-3]。
  建筑垃圾的循环再生是一个复杂的系统工程,涉及到建(构)筑物的拆除、回收与加工。当前,笔者课题组提出了适合地震灾区废弃混凝土破碎与再生骨料加工工艺,其具体的加工流程见图1。
  本文以都江堰震后建筑垃圾加工制成的再生混凝土粗骨料为研究对象,从宏观和微观两个方面进行实验研究,通过对比分析实验结果,总结再生混凝土的一些基本规律,说明地震建筑垃圾资源化利用的可行性。


  1试验方法


  从都江堰灾区的建筑垃圾中提取废混凝土块,经颚式石料破碎机破碎成粒径不大于31.5mm的骨料,用5mm分筛将骨料筛分为5~31.5mm的粗骨料和小于5mm的细骨料。由于再生细骨料的性能差异大[3],本试验仅对再生混凝土粗骨料的性能进行试验分析。
  宏观方面,参照《建筑用卵石、碎石(GB/14685-2001)》研究了再生混凝土粗骨料的外形特征、针片状含量、级配、密度、吸水率、含沙率等特性和再生混凝土的抗压、抗拉强度;微观方面,用超声波清洗器对试样表面进行清洗,分析试样SEM图的微观结构形貌。


  2试验结果


  2.1 RA的宏观性能
  2.1.1级配
  很明显,级配的优劣关系到混凝土拌合物的流动、离析、泌水性能,以及硬化混凝土的强度和耐久性。对普通粗骨料(Natural Aggregate,NA)和再生混凝土粗骨料进行筛分,结果如图1所示。
  从图2看出,自然状态下RA的级配满足级配连续性的要求,与NA相似,且都落在规范[4]限定的区域,说明在普通机械破碎过程中能够获得满足级配要求的再生粗骨料。图中小于5mm的细骨料来源是由于在筛分过程中,附着在石子表面的砂浆脱落和破碎骨料裂缝周边的小颗粒脱落。从本试验看,粒径为9.5mm的颗粒最多,占试样总质量的34%,与其他学者[5]的试验结果有所差别,这是因为RA级配与原混凝土的配合比、骨料类型和来源等有关。
  2.1.2密度
  同天然砂石骨料相比,再生骨料表面还包裹着相当数量的水泥砂浆,表面粗糙、棱角较多。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,从而导致再生骨料的密度和表观密度比普通骨料低。
  由图3可以看出,在4.75~31.5mm范围内,由于天然骨料各级配中成分稳定,级配对其表观密度的影响较小。相反,RA表观密度一般随粒径增大而增长,这是由于RA由密度大的天然骨料和密度小的砂浆体组成,小级配中的砂浆颗粒多、孔隙大,而在大颗粒中,砂浆则主要以粘结砂浆形式附着在天然骨料表面,占的比例相对较少。因此,级配对再生混凝土粗骨料的表观密度影响较大,可以通过调整级配来提高RA的表观密度。此外,图中由C50破碎成RA(RA-C50)的密度在各级配都大于由C30破碎成RA(RA-C30)的密度,这是因为RA的表观密度还与原生混凝土的强度等级有关,强度越高,骨料越密实,表观密度越大。
  2.1.3吸水率
  RA的吸水率高是一个不争的事实,已被众多的试验研究者证实[1-5]。本试验测得NA的吸水率仅为0.87%,而RA的吸水率为2.95%,这主要是由于RA中砂浆含量高、孔隙率较大以及破碎微裂纹分布广等因素所致。
  由于级配小的再生混凝土粗骨料砂浆块体含量高、比表面积大、质地松脆,使得RA的吸水率随着骨料粒径的减小而增加,试验结果如图4所示。此外,比较图中RA-C30和RA-C50的吸水率,发现用相同天然骨料浇注的原生混凝土强度越高,则再生粗骨料的吸水率越低,这是因为原生混凝土强度高,破碎时产生的损伤裂纹少以及高强混凝土内部结构密实,空隙率低。与文献[6]试验结果比较,可知粗骨料的吸水率与原混凝土的级配、配合比、强度及施工质量、来源等因素有关。
  2.1.4含沙率
  参照Marta和 Pilar测试砂浆含量方法[7],取非石灰石再生粗骨料质量m0,用76%的浓硫酸浸泡30天使表面砂浆完全反应,将骨料冲洗后取出,刮去表面残留砂浆,烘干后测其质量m1,按x=(m0-m1)/m0×100%测得的砂浆含量见表1。
  表1  级配砂浆含量关系
  Table 1  Percentage of mortar in different graduation

  级配/mm

4.75-9.5

9.5-16

16-19

19-26.5

26.5-31.5

砂浆含量/%

51.62

42.59

30.76

31.82

6.05

  由表1可以看出,随着颗粒粒径的减小,RA砂浆含量增加,骨料性能降低。因此,为了提高骨料的性能,可先筛分骨料,按需要将不同级配骨料均匀混合,得到满足工程要求的粗骨料。
  再生混凝土粗骨料中砂浆多以砂浆块体和附着砂浆形式存在。砂浆块体的空隙率大,强度低,且多呈扁平片状和多棱角状,对再生混凝土粗骨料的性能影响较大。而附着砂浆粘结在天然骨料的表面,使再生混凝土由单一的天然骨料—新砂浆界面变为骨料—新砂浆、老砂浆—新砂浆以及老砂浆—天然骨料三种不同形式的薄弱界面,造成再生混凝土破坏几率增大,降低了再生混凝土的抗压强度。
  2.1.5强度
  图5中RC1,RC2,RC3分别表示配合比为0.62、0.40、0.52的完全取代再生混凝土,其中RC1不考虑附加用水量;NC表示配合比为0.62的普通混凝土。从图中看,再生混凝土与普通混凝土的强度发展规律相似,前期强度发展快,后期逐渐减慢。相同水灰比的RC1和NC,前者强度明显高于后者,这是由于再生粗骨料吸水率大使RC1的实际水灰比降低很多,接近于RC2的水灰比。比较RC1与RC3,未考虑与考虑再生粗集料吸水特性两种情况下的再生混凝土,前者的强度要高于后者,原因是前者的有效水灰比较低,因而强度较高。
  不同取代率的再生混凝土强度试验结果见图6和7。其中R0、R 25、R50 、R75、 R100分别表示再生粗骨料取代为0%、25%、50%、75%、100%。由图6可以看出:(1)试件在前七天为水下养护,其抗压强度发展速度随着再生骨料取代率的增加而增加,而到后期强度发展速度均低于普通混凝土。(2)不同取代率再生混凝土28天抗压强度均低于普通混凝土,而且强度降低的程度随再生粗骨料取代率的增加而增加. 这主要是由于再生粗骨料孔隙率较高,承受压力时容易形成应力集中所致。(3)不同取代率再生混凝土强度发展曲线与普通混凝土强度发展曲线相似,但是当再生混凝土取代率大于50%时,再生混凝土强度发展曲线波动较大,可能是受环境湿度影响。
  图7为不同取代率再生混凝土劈裂试验结果。由图7可以看出,随着取代率的增加,再生混凝土的抗拉强度逐步降低。而取代率为100%的试件在两组试验中的结果差异较大,这可能是由于再生骨料过多,增加了试件内部的缺陷。


  2.2再生混凝土粗骨料的微观结构
  材料内部微观结构决定其宏观特征[8],从材料的内部微观结构去认识材料的各项性能,再通过改变材料微观结构来改善材料
  的性能是一种很有效的方法。RA的内部结构比NA的内部结构具有更高的不均匀性和复杂性,其内部缺陷分布的不确定性决定宏观特征的不稳定性。为此,笔者对再生粗骨料的三种组成成分(砂浆块体、砂浆与天然骨料的结合体、天然骨料)分别做了电镜扫描,分析各组分微观结构的形貌特征,并从微观学的角度解释了RA的宏观性能。
  RA在破碎过程中内部结构受到一定的破坏,比NA的初始损伤大,其损伤破坏是微孔洞、微裂隙等的微缺陷形成和发展的结果。从图8和图9可以看出,砂浆经受破碎荷载后,使内部本来封闭的孔洞贯通表面,并形成连续的孔洞,致使砂浆的强度和密实度降低。另一方面,在局部区域,砂浆块体内部存在连续微观裂纹,端部存在放射状的裂纹,进一步降低了砂浆体强度,并提高了砂浆的吸水能力。
  图10为RA中砂浆与天然骨料粘结界面结构,从图中可以看出界面过渡区受环境影响,部分区域已经碳化,呈现块状疏松结构。在骨料与碳化的水泥界面出现比较明显的微裂纹,裂纹首先在界面处出现,并在整个过渡区域形成微裂纹带。在长期的荷载作用下,由于旧砂浆和天然骨料的弹性模量相差较大,在界面上容易出现应力集中,使裂纹有所扩展。同时界面过渡区也存在孔隙率大、粘结强度低和微裂纹等特点,这使得RA的吸水性能加强。
  图11为再生粗骨料中天然骨料破碎面的微观结构。天然骨料在破碎后,在破碎面容易产生微细裂纹;由于天然骨料的弹性模量较大,变形能力差,在大的压力荷载下容易产生脆性断裂,并在断裂面上伴随着一些微细裂纹产生,裂纹的发展规律不一,有的呈片状节理微裂缝,有的则纵向延伸到天然骨料一定深度。在混凝土试块受压过程中,如果RA中天然骨料表面裂纹形成较大的薄弱区域时,在破坏荷载作用下,再生混凝土试块的破裂面就首先发生在天然骨料薄弱区域,而不是骨料与新砂浆的结合面。
 

  2.3讨论
  微观上,与砂浆含量一样, RA的裂纹和孔洞越多,其表观密度越低,吸水率越大,承载力越低。因此,RA的裂纹和孔隙的多少、孔隙的深度、裂纹开展宽度及其百分比等都对再生混凝土粗骨料的物理力学性能有较明显影响。
  从图12中可以看到,再生混凝土破坏面不单是由于骨料与新砂浆的粘结破坏,同时在不同区域有天然骨料由微裂纹发展的平整断面。另外,在破裂面少数区域,还有少量旧砂浆的破坏,这是由于旧砂浆与新砂浆的结合面强度比较大,而老砂浆由于长期暴露在环境中,受到碳化和老化的影响,使强度不足而破坏。
  因此,要获得性能稳定的高强再生混凝土粗骨料,应该对再生粗骨料进行强化和预处理,宏观上减少RA的砂浆含量和粒径,微观上减小RA的残余缺陷损伤,使其性能满足工程实际特殊要求。再生混凝土粗骨料在宏观和微观上的各种缺陷比普通骨料的缺陷多,再生混凝土的性能随着再生骨料的增多而逐渐变差,因此控制再生混凝土取代率是应用于实际工程的有效方法[9]。


  3.结论和建议


  (1)试验测得RA的表观密度、吸水率、级配、等性能都能满足《普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验方法》的要求。因此,灾区建设中可以就地取材,不经过强化处理,可配置强度不超过C30的再生混凝土。这能有效地解决灾区建设中骨料紧张和环境污染等问题,符合我国可持续发展的要求。
  (2)RA的颗粒级配对其他性能影响较大,因此,在规范允许范围内,可以通过调整级配来改善RA的物理力学性能。
  (3)砂浆含量是RA区别与普通骨料的最根本因素,RA中的表观密度、吸水率、压碎指标、含沙率之间有较强的线性相关性,可以用表观密度、吸水率等来作为评定RA质量的主要参数。
  (4)再生混凝土骨料的微观结构决定了再生混凝土的宏观特性,再生混凝土粗骨料内部复杂的结构组成、微裂纹和孔洞的排列分布等微观缺陷降低了再生混凝土粗骨料的性能。因此,在工程实际应用中应对再生粗骨料进行强化与预处理来消除或减少不可忽略微裂纹和孔隙的不利影响。
  (5)大力推行建筑垃圾资源化利用是可持续发展战略的必然要求和主流趋势,是解决建筑垃圾问题最有效的途径。再生混凝土的实践与研究不断推动我国建筑垃圾资源化的进程,以期最终科学有效地解决我国建筑垃圾这一难题。


  参考文献:
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  赵军,邓志恒等. 再生混凝土粗骨料性能的试验研究[J]. 水泥与混凝土, 2007, 4:17-20.
  李坤,张英华. 再生混凝土粗骨料的基本性能试验研究[J]. 建筑科学, 2006, 22(5): 58-60.
  S.J.Marta, A.G.Pilar. Influence of attached mortar content on the properties of recycled concrete aggregate [A].Proceeding of Internatio-nal Conference on sustainable waste management and recycling[C]: Construction and demolitio-n waste, 2004.
  W.Y.Tam, C.M.Tam. Vivian Removal of cement mortar remains from recycled aggregate using    pre-soaking approaches[J].Resources  Conservation &Recycling, 2007, 50:82-101.
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  特别致谢:感谢国家重点实验室开放基金支持

 
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