廢棄混凝土再利用的研究

李炳杰

廢棄混凝土再利用的研究

李炳杰

本文采用廢棄混凝土取代天然骨料，以不同的替代比例制備出砂漿和水泥膠砂試樣，研究了廢棄混凝土微細(xì)顆粒對(duì)干混砂漿和水泥膠砂力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著廢棄混凝土取代比例的增加，干混砂漿和水泥膠砂的3d、28d的力學(xué)強(qiáng)度均呈先增后減趨勢(shì)，綜合抗壓強(qiáng)度與工作性考慮，確定廢棄混凝土的適宜取代率為40%。

廢棄混凝土；水泥膠砂；干混砂漿

近年來，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的推進(jìn)和小城鎮(zhèn)及新農(nóng)村建設(shè)的發(fā)展，大量廢舊建筑物拆除和新建工程施工產(chǎn)生了大量的建筑廢棄物。中國(guó)建筑廢棄物的年排放量已超過4億噸[1]，其中廢棄混凝土等固體廢棄物約占建筑廢棄物總量的41%[2]。大量建筑廢棄物的產(chǎn)生，帶來了一系列自然資源、能源、環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的問題。在我國(guó)，不少地區(qū)已出現(xiàn)天然砂資源逐步減少，甚至無砂可用的情況，其中混凝土用砂供需矛盾尤為突出，天然砂的資源已趨于匱乏[3-6]。在此類地區(qū)經(jīng)常不得不采用機(jī)制砂來代替天然河砂進(jìn)行土建施工，此種方式雖然已在很多工程上得到應(yīng)用，但既浪費(fèi)資源，所得骨料的質(zhì)量也很難保證。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)廢棄混凝土的研究大多集中在粗細(xì)骨料的研究和應(yīng)用上[7-11]。Dae-Jung Moon等[12]將廢棄混凝土破碎得到的粉末用于砂漿和水泥的制備，在抗壓強(qiáng)度測(cè)試方面取得了良好的效果。國(guó)內(nèi)對(duì)建筑廢棄混凝土的再利用也有較為廣泛的研究，史巍和侯景鵬[13]設(shè)計(jì)了一套帶有風(fēng)力分級(jí)設(shè)備的骨料再生工藝，為循環(huán)利用再生細(xì)集料奠定了基礎(chǔ)。王惠芬[14]等研究了再生骨料取代率對(duì)稠度和分層度的影響。鐘開紅等人[15]利用建筑廢棄物和工業(yè)廢渣制備干混砂漿并進(jìn)行了研究，制備出流動(dòng)性和保水性能優(yōu)良的干混砂漿。

本文以南方某混凝土公司抗壓實(shí)驗(yàn)后廢棄的試樣為原料，經(jīng)手工破碎和球磨破碎后篩分成級(jí)配良好的混凝土細(xì)顆粒，并分別制成干混砂漿試樣和水泥膠砂試樣，研究其摻量對(duì)兩種試樣強(qiáng)度的影響，力求將混凝土替代天然砂應(yīng)用于實(shí)際，為解決建筑固體廢棄物污染和天然砂過度開采問題提供新的依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

水泥（某品牌P·O42.5普通硅酸鹽水泥）、天然骨料（當(dāng)?shù)靥烊缓由?，?xì)度模數(shù)為2.446，級(jí)配區(qū)為Ⅱ區(qū)中砂，堆積密度1 400kg/m3，含水率6.0%）、標(biāo)準(zhǔn)砂（細(xì)度模數(shù)為2.382，級(jí)配區(qū)為Ⅱ區(qū)中砂）、廢棄混凝土細(xì)顆粒（粒徑為0～5mm，級(jí)配良好）。

1.2 水泥膠砂試樣和干混砂漿試樣制備及測(cè)試

（1）水泥膠砂試條的制備

根據(jù)ISO法及國(guó)標(biāo)要求，按水泥：標(biāo)準(zhǔn)砂：水=1：3：0.5的比例配方（其中標(biāo)準(zhǔn)砂的被替代量分別為0、10%、20%、30%、40%、50%和60%），采用振動(dòng)成型法制成40mm×40mm×160mm的長(zhǎng)方體。試條成型后立即用不透水的薄膜覆蓋表面，在溫度為20℃±1℃的水泥標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中靜置24h±2h，然后拆模放入溫度為20℃±1℃的恒溫水養(yǎng)箱養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)齡期為3d、28d（從攪拌加水開始計(jì)時(shí)）。具體的配置比例如表1所示。

表1 水泥膠砂實(shí)際配方，kg

（2）干混砂漿試樣的制備

參照《砌筑砂漿配合比的確定與要求》，本文的強(qiáng)度等級(jí)設(shè)為M10的干混砌筑砂漿，按設(shè)計(jì)要求將原料以水泥：砂子=2：14的比例混合均勻（廢棄混凝土替代天然河砂的比例為0、10%、，20%、30%和40%），再加入水泥質(zhì)量1.8倍的水，采用振動(dòng)成型法，成型試樣規(guī)格為70.7mm×70.7mm×70.7mm立方體。試條成型后立即用不透水的薄膜覆蓋表面，在溫度為20℃±1℃的水泥標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中靜置24h±2h，然后拆模放入溫度為20℃±1℃的恒溫水養(yǎng)箱養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)齡期為3d、28d（從攪拌加水開始計(jì)時(shí)）。具體的配置比例如表2所示。

表2 干混砂漿基礎(chǔ)配方，kg

（3）水泥膠砂試樣和干混砂漿力學(xué)強(qiáng)度和微觀結(jié)構(gòu)的測(cè)試

以《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》（GB/T17671—1999）測(cè)定水泥膠砂試樣的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。參照《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》（JGJ70-90）對(duì)干混砂漿的力學(xué)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，通過掃描電子顯微鏡觀察試樣的微觀結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與分析

2.1 廢棄混凝土對(duì)水泥膠砂抗壓強(qiáng)度的影響

摻雜廢棄混凝土的水泥膠砂的抗壓強(qiáng)度見表3，其變化趨勢(shì)如圖1所示。

表3 水泥膠砂抗壓強(qiáng)度

圖1 水泥膠砂抗壓強(qiáng)度

分析發(fā)現(xiàn)，隨著水泥膠砂試條中廢棄混凝土替代標(biāo)準(zhǔn)砂比例的增加，其抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，3d抗壓強(qiáng)度在替代含量為50%時(shí)達(dá)到最大值，28d抗壓強(qiáng)度在替代含量為40%時(shí)達(dá)到最大值。當(dāng)替代含量在30%～50%之間時(shí)，它的抗壓強(qiáng)度均大于基準(zhǔn)水泥膠砂的抗壓強(qiáng)度。這是因?yàn)橛糜谔娲鷺?biāo)準(zhǔn)砂的廢棄混凝土表面粗糙、棱角多，具有較好的粘結(jié)面和界面粘結(jié)強(qiáng)度；同時(shí)廢棄混凝土被磨細(xì)后有助于提高膠砂試條的密實(shí)性，使得水泥膠砂的強(qiáng)度得到了大幅度提高；而且經(jīng)過破碎產(chǎn)生大量微裂縫，可以吸入新的水泥顆粒，使接觸區(qū)的水化作用更加完全，形成致密的界面結(jié)構(gòu)，使得因廢棄混凝土強(qiáng)度較低而導(dǎo)致的水泥膠砂性能的劣化會(huì)得到一定程度的補(bǔ)償。但隨著廢棄混凝土摻量的增大，廢棄混凝土在破碎過程中產(chǎn)生的大量微裂縫增加，強(qiáng)度低于天然粗集料，對(duì)水泥膠砂強(qiáng)度的劣化效果增大，水泥膠砂的抗壓強(qiáng)度必然有一個(gè)下降的趨勢(shì)。

2.2 廢棄混凝土對(duì)水泥膠砂抗折強(qiáng)度的影響

摻雜廢棄混凝土的水泥膠砂的抗折強(qiáng)度見表4，其變化趨勢(shì)如圖2所示。

表4 水泥膠砂抗折強(qiáng)度

圖2 水泥膠砂抗折強(qiáng)度

分析發(fā)現(xiàn)，隨著水泥膠砂中標(biāo)準(zhǔn)砂替代比例的增加，其抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，且3d抗折強(qiáng)度在替代含量為50%時(shí)達(dá)到最大值，同時(shí)30%、40%和50%這三組的抗折強(qiáng)度基本相等；28d抗折強(qiáng)度在替代含量為40%時(shí)達(dá)到最大值。這七組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的抗折強(qiáng)度基本都大于基準(zhǔn)的水泥膠砂抗折強(qiáng)度?？拐蹚?qiáng)度的變化趨勢(shì)跟抗壓強(qiáng)度的變化趨勢(shì)一致，這主要也是由于廢棄混凝土在抗壓強(qiáng)度變化中體現(xiàn)的因素也同樣體現(xiàn)在抗折強(qiáng)度的趨勢(shì)變化中。

2.3 廢棄混凝土含量對(duì)干混砂漿強(qiáng)度影響

摻雜廢棄混凝土的干混砂漿的立方體試件抗壓強(qiáng)度見表5，其變化趨勢(shì)如圖3所示。

表5 干混砂漿立方體試件抗壓強(qiáng)度

圖3 干混砂漿立方體試件抗壓強(qiáng)度

分析發(fā)現(xiàn)，隨著砂漿試件中廢棄混凝土摻量的增加，砂漿試件抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律不是很明顯，28d抗壓強(qiáng)度的起伏性較大，而7d抗壓強(qiáng)度比較接近（除摻量為20%的試件強(qiáng)度偏低外）。砂漿的7d和28d抗壓強(qiáng)度均明顯大于未摻廢棄混凝土的基準(zhǔn)砂漿強(qiáng)度，且當(dāng)廢棄混凝土摻量在30%時(shí)，強(qiáng)度達(dá)到最大值，是基準(zhǔn)砂漿的1.5倍，說明干混砂漿和廢棄混凝土有較好的兼容性。這是因?yàn)橄鄬?duì)于普通河砂而言，廢棄混凝土細(xì)小顆粒表面粗糙不規(guī)整，有較好的界面粘結(jié)強(qiáng)度；同時(shí)廢棄混凝土顆粒具有填充效應(yīng)，這些細(xì)小顆粒通過填充在砂漿水泥水化硬化時(shí)所產(chǎn)生的孔隙中，使其孔隙率減小，孔結(jié)構(gòu)和砂漿硬化漿體的密實(shí)度得以改善，使得砂漿的強(qiáng)度得到了大幅度提高。

2.4 干混砂漿試樣的微觀結(jié)構(gòu)

圖4是砂漿-3的28d樣品的SEM圖，如圖4a所示，廢棄混泥土顆粒的表面粗糙、棱角較多。由于水泥砂漿孔隙率大、吸水率高，再加上混凝土塊在解體、破碎過程中由于損傷積累使再生骨料內(nèi)部存在大量微裂紋，所以相對(duì)于普通河砂而言，廢棄混凝土顆粒表面粗糙不規(guī)整，有較好的界面粘結(jié)強(qiáng)度，同時(shí)廢棄混凝土顆粒具有填充效應(yīng)，能夠填充在砂漿水泥水化硬化時(shí)所產(chǎn)生的孔隙，使其孔隙率減小。從圖4中可以觀察到干混砂漿試樣的基本形貌特征。如圖4b、圖4c中所示的，其基本形貌是由大量網(wǎng)絡(luò)狀和顆粒狀C-S-H包裹著無數(shù)鈣礬石（AFt）的針狀晶體和六方板狀Ca（OH）2晶體，以及少量未與無機(jī)膠凝材料（水泥）反應(yīng)的混凝土微細(xì)顆粒構(gòu)成，它們密集交叉結(jié)合，從而試樣具有較高的強(qiáng)度?；w中各種形貌的形成與其可能的生長(zhǎng)空間有很大關(guān)系，在混凝土微細(xì)顆粒周圍往往成為高水灰比區(qū)域，隨著水泥水化進(jìn)程水分干涸而留下較多的孔隙，因而混凝土微細(xì)顆粒周圍會(huì)出現(xiàn)尺寸較大、形貌發(fā)展較好的晶體，這些區(qū)域成為干混砂漿體中的低密度和低強(qiáng)度區(qū)域。圖4d中顯示了基準(zhǔn)砂漿大孔隙區(qū)的較大尺寸的層狀Ca（OH）2晶體和AFt的交錯(cuò)富集貫穿在C-S-H凝膠中的形貌。

圖4 干混砂漿試樣的SEM照片

3 結(jié)論

（1）廢棄混凝土取代標(biāo)準(zhǔn)砂制備水泥膠砂時(shí)，隨著廢棄混凝土取代比例的增加，3d、28d的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度呈先增后減的趨勢(shì)。從圖表中可知，3d抗壓強(qiáng)度在替代含量為50%時(shí)達(dá)到最大值；28d抗壓強(qiáng)度在替代含量為40%時(shí)達(dá)到最大值；3d抗折強(qiáng)度在替代含量為50%時(shí)達(dá)到最大值，同時(shí)30%、40%和50%這三組的抗折強(qiáng)度基本相等；28d抗折強(qiáng)度在替代含量為40%時(shí)達(dá)到最大值。綜合抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度考慮，確定廢棄混凝土的適宜取代率為40%，該組試樣的3d、28d的抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到了25.7MPa、45.4MPa，抗折強(qiáng)度分別達(dá)到了5.37MPa、8.13MPa，強(qiáng)度值同時(shí)優(yōu)于基準(zhǔn)水泥膠砂。

（2）廢棄混凝土取代天然粗集料制備干混砂漿時(shí)，隨著廢棄混凝土取代比例的增加，7d、28d抗壓強(qiáng)度呈先增后減的趨勢(shì)。綜合抗壓強(qiáng)度與工作性考慮，確定廢棄混凝土的適宜取代率為30%，因?yàn)樵摻M試樣的7d、28d強(qiáng)度分別達(dá)到6.03MPa、9.65MPa，是所有試驗(yàn)組中最高的，同時(shí)優(yōu)于基準(zhǔn)干混砂漿。

（3）廢棄混泥土的表面粗糙、棱角較多，相對(duì)于普通河砂而言，廢棄混凝土表面粗糙不規(guī)整，有較好的界面粘結(jié)強(qiáng)度，同時(shí)廢棄混凝土顆粒具有填充效應(yīng)，能夠填充在砂漿水泥水化硬化時(shí)所產(chǎn)生的孔隙，使其孔隙率減小，孔結(jié)構(gòu)和砂漿硬化漿體的密實(shí)度得以改善，使得砂漿的強(qiáng)度得到了大幅度提高。

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Study on Recycling Technology of W aste Concrete

LI Bingjie
(Sinoma Equipment&Engineering Co.,Ltd.,Beijing 100037,China)

The effect on mechanical properties and microstructure of dry-mixed mortar and cement colloidal mortar caused by different proportions ofwaste concrete has been investigated.Experimental results show that mechanical properties(3d and 28d)of dry-mixedmortar and cement colloidalmortar increase firstly and then decrease with the increase of the proportions ofwaste concrete.The appropriate proportion is 40%considering the compression strength and workability.

waste concrete；cement colloidalmortar；dry-mixedmortar

TQ172.8

A

1001-6171（2015）06-0035-04

中國(guó)中材國(guó)際海外事業(yè)發(fā)展公司，北京100037；

2015-03-03；編輯：呂光