再生混凝土技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用

賈淑明 趙永花 姚 旭(蘭州工業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州730050)

1 引言

傳統(tǒng)的建筑材料生產(chǎn)和使用造成資源的過度消耗、能源短缺和環(huán)境污染等嚴(yán)重的問題,水泥和混凝土是導(dǎo)致這些問題的重要原因。水泥混凝土結(jié)構(gòu)通常只有幾十年的生命周期,在這些結(jié)構(gòu)完成其使用功能后,舊混凝土就會被廢棄。

隨著建筑行業(yè)的迅猛發(fā)展，建筑物的建造、使用和拆除過程中產(chǎn)生的建筑垃圾也與日劇增，其中較大部分來自廢棄混凝土。我國混凝土垃圾2010 年達(dá)到2.39×109噸，預(yù)計2020 年將達(dá)到6.38×109噸，平均以每年8%的量增長[1]。對廢棄混凝土進(jìn)行回收利用不僅是時代所需，而且對于保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源、發(fā)展生態(tài)建筑具有重要意義。

2 以建筑垃圾為骨料的再生混凝土技術(shù)的研究現(xiàn)狀

2.1 國外建筑垃圾的再生利用現(xiàn)狀[2][3]

出于對基本國情的考慮以及對環(huán)境保護(hù)的高度重視，歐洲一些發(fā)達(dá)國家以及美國、日本等國對廢棄混凝土的再生利用起步都比較早，配套政策以及立法都較完備，建筑垃圾的再生利用率較高，而且有些國家還采用立法的形式來保證專項研究和應(yīng)用的發(fā)展[3]。

荷蘭是最早開展再生骨料混凝土研究和應(yīng)用的國家之一，其建筑垃圾的再生利用率位居歐洲首位，高達(dá)90%以上。早在20 世紀(jì)80 年代，荷蘭 就制定了有關(guān)利用再生混凝土骨料制備素混凝土、鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土的規(guī)范。這些規(guī)范規(guī)定了利用再生骨料生產(chǎn)上述混凝土的明確的技術(shù)要求，并指出如果再生骨料在骨料中的含量(重量)不超過20%，則混凝土的生產(chǎn)就完全按照普通天然骨料混凝土的設(shè)計和制備方法進(jìn)行。

日本從20 世紀(jì)70 年代開始就對再生混凝土進(jìn)行了研究。歷史上曾出臺了多部關(guān)于再生混凝土的相關(guān)規(guī)范，并于1977 年就制定了《再生骨料和再生混凝土規(guī)范》，隨后建設(shè)了很多建筑垃圾物再生利用加工廠，生產(chǎn)再生水泥和再生骨料。1991 年又制定了《資源重新利用促進(jìn)法》，規(guī)定建筑施工過程中產(chǎn)生的渣土、混凝土塊、瀝青混凝土塊、木材、金屬等建筑垃圾，必須送往“再生資源化設(shè)施”進(jìn)行處理。

美國是從1982 年起，在《混凝土骨料標(biāo)準(zhǔn)》ASTMC33-82 中，將經(jīng)破碎的水泥混凝土包含進(jìn)了粗骨料中。同時美國軍隊工程師協(xié)會也在有關(guān)規(guī)范和指南中，鼓勵使用再生混凝土骨料。在道路的建設(shè)中，要求50%采用再生瀝青混凝土，直接建設(shè)成本降低了20%以上，既節(jié)約了資源，也保護(hù)了環(huán)境，同時也產(chǎn)生了巨大的社會效益。

2.2 國內(nèi)建筑垃圾再生利用現(xiàn)狀[4]

國內(nèi)數(shù)十家研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)開展了大量的研究工作。為了解決再生混凝土的高吸水率和高收縮率的問題，研究人員做了大量的科學(xué)試驗。如華中科技大學(xué)、東南大學(xué)等已經(jīng)開展利用城市垃圾制作燒結(jié)磚和再生混凝土技術(shù)的研發(fā)。目前已形成成套的研發(fā)技術(shù)，就是將解體混凝土和廢棄磚瓦進(jìn)行再生資源化處理后，作為混凝土骨料、輕骨料，配制成普通混凝土或高性能混凝土砌塊，這種再生混凝土強(qiáng)度可以達(dá)到RC30 以上。另外，同濟(jì)大學(xué)也對再生混凝土技術(shù)進(jìn)行了大量的科學(xué)研究，包括再生混凝土的強(qiáng)度和工作性能研究、廢棄混凝土破碎及再生工藝研究、高溫后再生混凝土的強(qiáng)度研究、再生混凝土框架節(jié)點試驗研究、再生混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能的研究、再生混凝土梁柱試驗研究、再生混凝土耐久性研究等等。

近年來，政府部門對建筑垃圾的再生利用也給予了高度的重視和大力的支持。在中長期戰(zhàn)略發(fā)展中鼓勵對廢棄物的開發(fā)利用，建設(shè)部將“建筑廢渣綜合利用”列入了1997 年科技成果重點推廣項目。有關(guān)部門也對相關(guān)技術(shù)與示范工程項目給予了政策與資金支持，提倡綜合利用建筑垃圾以及生產(chǎn)新型的建筑材料。

3 再生混凝土的主要技術(shù)性質(zhì)

再生骨料混凝土(Recycled Aggregate Concrete，RAC)簡稱“再生混凝土(RC)”。它是指在配制過程中摻用了再生骨料，且再生骨料占骨料總量的質(zhì)量百分比不低于30%的混凝土。再生混凝土骨料簡稱“再生骨料”，按其粒徑大小可分為再生粗骨料和再生細(xì)骨料。再生粗骨料是由建(構(gòu))筑廢物中的混凝土、砂漿、石、磚瓦等加工而成，用于配制混凝土的、粒徑大于4.75mm 的顆粒。而粒徑不大于4.75mm 的顆粒叫再生細(xì)骨料。

3.1 再生混凝土的配制要求

為充分保證結(jié)構(gòu)安全，只有達(dá)到Ⅰ類或Ⅱ類產(chǎn)品指標(biāo)要求的再生骨料才可以用于配制結(jié)構(gòu)混凝土或RC30 以上的再生混凝土；Ⅲ類產(chǎn)品由于品質(zhì)相對較差，可能對結(jié)構(gòu)混凝土或較高強(qiáng)度再生混凝土性能帶來不利影響，所以不允許用于結(jié)構(gòu)混凝土或RC30 以上的再生混凝土。但是，如果滿足使用要求，Ⅲ類產(chǎn)品可以用于配制非結(jié)構(gòu)使用的且再生骨料摻用量較低的一般混凝土(例如找平層混凝土等)，也可用來配制RC30 以下且非結(jié)構(gòu)使用的再生混凝土。

再生骨料不宜用于配制強(qiáng)度等級高于RC40的再生混凝土。由于再生混凝土中再生骨料對天然骨料的取代率已經(jīng)達(dá)到30%以上，再生骨料含量相對較高，而再生骨料的品質(zhì)往往遜色于天然骨料，所以為可靠起見，規(guī)定再生骨料一般只適用于配制RC40 及以下的再生混凝土，即再生混凝土的強(qiáng)度等級上限一般為RC40。如果再生骨料取代率較低，沒有達(dá)到30%以上，即沒有達(dá)到再生混凝土的下限含量，則再生骨料是可以用于RC40 以上的混凝土的，根據(jù)定義[1]，盡管采用了再生骨料，但由于含量較低，此時的混凝土也不稱其為“再生混凝土”，自然也就沒有強(qiáng)度等級上限。但是，配制RC40 以上強(qiáng)度等級的混凝土?xí)r如果摻用了再生骨料，則應(yīng)進(jìn)行試配試驗進(jìn)行驗證。

3.2 再生骨料的技術(shù)要求

3.2.1 再生粗骨料的技術(shù)要求[5]

1)再生粗骨料的顆粒級配

再生粗骨料按粒徑尺寸可分為連續(xù)粒級和單粒粒級。連續(xù)粒級分為5mm ～16mm、5mm～20mm、5mm ～25mm 和5mm ～31.5mm的四種規(guī)格，單粒粒級分為5mm ～10mm、10mm ～20mm 和16mm ～31.5mm的三種規(guī)格。

表1 再生粗骨料的顆粒級配

2)再生粗骨料的性能指標(biāo)

表2 再生粗骨料的性能指標(biāo)

3)再生粗骨料的取代率

在混凝土配制過程中，一般不宜同時摻用再生粗骨料和再生細(xì)骨料；當(dāng)同時摻用時，再生骨料占混凝土骨料總量的質(zhì)量百分比不宜高于50%，且應(yīng)通過試配試驗驗證。見表3。

3.2.2 再生細(xì)骨料的技術(shù)要求[6]

再生細(xì)骨料按性能指標(biāo)分為Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類，按細(xì)度模數(shù)分為粗、中、細(xì)三種規(guī)格，其細(xì)度模數(shù)Mx 分別為：粗：Mx=3.7 ～3.1，中：Mx=3.0 ～2.3，細(xì)：Mx=2.2 ～1.6。

表3 再生粗骨料取代率或再生細(xì)骨料取代率的最大值

按照《建筑用砂》(GB/T14684-2011)中規(guī)定的試驗方法，再生細(xì)骨料中如含有云母、輕物質(zhì)、有機(jī)物、硫化物及硫酸鹽或氯鹽等有害物質(zhì)，其含量應(yīng)符合表4 的規(guī)定。

表4 再生細(xì)骨料中的有害物質(zhì)含量

按照《建設(shè)用砂》 (GB/T14684-2011)中規(guī)定的試驗方法，再生膠砂需水量比和強(qiáng)度比應(yīng)符合表5 的規(guī)定。

4 再生混凝土的效益評價分析[7]

通過對國內(nèi)目前的研究對比分析，建筑垃圾得到了較好的利用，并且取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益等。

表5 再生膠砂需水量比和強(qiáng)度比

1) 經(jīng)濟(jì)效益

通過對蘭州建材市場調(diào)研，傳統(tǒng)建材中標(biāo)準(zhǔn)粘土磚0.38 元/塊；C20 的商品混凝土為320元/m3，C30 的商品混凝土為350 元/m3。而項目研發(fā)的再生建材，標(biāo)準(zhǔn)磚0.15 元/塊，RC20混凝土為150 元/ m3，RC30 混凝土為170 元/m3。通過對比分析，使用項目研發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)磚與傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)粘土磚相比，每立方米的砌筑費用將節(jié)約117.76 元左右，再生混凝土與傳統(tǒng)商品混凝土相比，每立方米節(jié)約170 元左右。項目研發(fā)建材較傳統(tǒng)建材相比，其經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^。

2) 社會效益

甘肅很多正在改建或擴(kuò)建的地州縣，建筑業(yè)發(fā)展快，在舊房拆除，新房建設(shè)中，會產(chǎn)生大量的建筑垃圾，利用建筑垃圾生產(chǎn)再生混凝土有著十分廣泛的市場前景。同時，也是循環(huán)經(jīng)濟(jì)的一種模式，充分體現(xiàn)了循環(huán)經(jīng)濟(jì)的“3R”(減量化、再使用、再循環(huán))原則，符合可持續(xù)發(fā)展的科學(xué)發(fā)展規(guī)劃。

5 再生混凝土技術(shù)存在的問題[8]

由于再生骨料具有吸水性大、孔隙率高、強(qiáng)度低等特征，使得與天然骨料的性質(zhì)相差較大。因此，導(dǎo)致再生混凝土在應(yīng)用中存在一些問題。

1)強(qiáng)度問題

試驗證明，再生骨料配制的再生混凝土，隨著再生骨料摻量的增加，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度將明顯降低，而再生細(xì)骨料的摻入使得降低現(xiàn)象尤為明顯。因此，在配制再生混凝土?xí)r應(yīng)充分考慮再生骨料的摻量對混凝土強(qiáng)度的影響。

2)摻入量的問題

規(guī)范規(guī)定，“再生骨料占骨料總量的質(zhì)量百分比不低于30%”，一方面是因為目前的技術(shù)水平已經(jīng)完全可以達(dá)到這樣的能力；另一方面，并不是只要摻用了再生骨料就能夠視為再生混凝土，如果摻量過低，配制技術(shù)實際上就可能與普通混凝土毫無區(qū)別，不能體現(xiàn)再生混凝土的技術(shù)內(nèi)涵。

在配合比相同的前提下，要保證再生混凝土與基準(zhǔn)混凝土相同的坍落度，須增加拌和水，因此在配制再生混凝土?xí)r應(yīng)考慮再生骨料摻入量對混凝土強(qiáng)度和工作性的影響。

3)收縮大的問題

干縮性是混凝土的重要指標(biāo)之一。相關(guān)試驗表明：再生混凝土的干縮性與它的骨料情況有很大關(guān)系。由于再生混凝土使用的是吸水率大，空隙率高的再生骨料。所以它的干縮性比天然骨料混凝土要大且其干縮的程度和干縮持續(xù)的時間隨其再生骨料取代比例的增大而增大和加長。在再生骨料取代比例在50%以上時，其干縮時間持續(xù)時間比較長，但在50d 齡期后干縮速率十分緩慢，干縮的增量也要小

6 結(jié)語

由于再生骨料來源廣泛，受廢棄混凝土齡期、原始強(qiáng)度和使用環(huán)境、產(chǎn)地等因素影響較大，各地區(qū)生產(chǎn)出的再生混凝土存在較明顯的性能差異，已有的研究成果還不足以建立完善的技術(shù)體系。因此對于再生混凝土來說，要真正的達(dá)到工程使用階段，無論是試驗研究還是施工技術(shù)的研究，還有許多問題需要解決，如研究如何提高其強(qiáng)度、耐久性能、磨耗性能、結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的方法，使再生混凝土技術(shù)向高性能方面發(fā)展，擴(kuò)大其使用范圍。

[1]邱樹恒，王軍.建筑垃圾再生粗細(xì)骨料對混凝土強(qiáng)度的影響.廣西大學(xué)學(xué)報.2011,518 ～524

[2]王羅春.建筑垃圾處理與資源化[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.

[3]全洪珠.國外再生混凝土的應(yīng)用概述及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[J].青島理工大學(xué)學(xué)報，2009 (4)：87-92.

[4]康梅柳,周麗萍.廢棄混凝土的再生利用[J].建材技術(shù)與應(yīng)用.2011(6)9-10

[5]GB25177-2010-T 凝土用再生粗骨料[M].中國標(biāo)準(zhǔn)出版社2011.8

[6]JGJT240-2011 再生骨料應(yīng)用技術(shù)規(guī)程[M].中國建筑工業(yè)出版社 2011.

[7]楊衛(wèi)國,王 京,暴 雷,郭 棟.建筑垃圾綜合利用研究[J].施工技術(shù), 2011(12),:100-102

[8] 侯星宇. 再生混凝土研究綜述[J]. 混凝土,2011(7),:97-98