再生細(xì)骨料在商品混凝土中的應(yīng)用研究

張明，林智峰，楊金平，李建強(qiáng)，張海亮，崔慶怡

（1. 中鐵一局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司，陜西 西安 710043；2. 陜西省建筑科學(xué)研究院，陜西 西安 710082）

0 前言

隨著環(huán)境治理工作的加強(qiáng)和可持續(xù)發(fā)展理念的增強(qiáng)，無(wú)限制的開(kāi)山取石也將受到限制，混凝土的發(fā)展逐漸轉(zhuǎn)向綠色環(huán)?；Ｎ靼彩信锔捻?xiàng)目的集中改造實(shí)施，產(chǎn)生了大量的固體廢棄物，再生骨料的利用將成為混凝土生產(chǎn)的重要資源。

再生細(xì)骨料是由建筑廢物中的混凝土、砂漿、石、磚瓦等加工而成，可用于配制混凝土和砂漿的、粒徑不大于 4.75mm 的顆粒。再生細(xì)骨料的利用不但能從根本上解決廢棄混凝土的處置問(wèn)題，減少對(duì)環(huán)境的污染，而且能降低混凝土生產(chǎn)成本，節(jié)省天然骨料資源，緩解骨料供求矛盾。

1 概況

近二三十年來(lái)，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程加快，建筑業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展階段，大量舊建筑物被拆除，產(chǎn)生了大量的建筑垃圾，在建筑垃圾中作為最大宗的建筑固廢，廢棄混凝土所占份額最大。目前，我國(guó)每年澆注混凝土約20 億立方米，而混凝土中砂石骨料占總重量的 70% 以上，由此推算我國(guó)每年的開(kāi)山采石約為 11～14 億立方米。近年來(lái)，我國(guó)一些地方進(jìn)入建設(shè)發(fā)展高峰期，城市面貌日新月異。與此同時(shí)，由大量拆建導(dǎo)致的建筑垃圾也在快速增加。由于各種統(tǒng)計(jì)口徑不同，目前我國(guó)每年整體建筑垃圾的體量還沒(méi)有準(zhǔn)確計(jì)算結(jié)果。但據(jù)業(yè)內(nèi)人士估算，我國(guó)每年建筑垃圾產(chǎn)生量可達(dá) 20 億噸以上，并且年均增速可能保持 10% 以上。產(chǎn)生的建筑垃圾其中一小部分用于填筑海岸、充當(dāng)?shù)缆泛徒ㄖ锏幕A(chǔ)墊層外，絕大部分作為垃圾填埋，這不僅占用大量的土地（甚至是耕地），而且造成環(huán)境污染。為解決這些問(wèn)題，我們必須改變傳統(tǒng)的混凝土生產(chǎn)方式，將混凝土的生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變到一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的軌道上來(lái)。再生骨料混凝土技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)固體廢棄物的再加工，使其恢復(fù)原有性能，形成新的建材產(chǎn)品，從而既能使有限資源得以利用，又解決了部分環(huán)保問(wèn)題。這是發(fā)展綠色混凝土，實(shí)現(xiàn)建筑資源環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的主要措施之一。

再生骨料混凝土簡(jiǎn)稱(chēng)再生混凝土，是將再生骨料按一定比例與級(jí)配混合，部分或全部替代天然骨料配制而成的混凝土，它能夠有效地實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)再利用，發(fā)展前景可觀。

我國(guó)在建筑廢料再生利用的方面研究起步較晚，還處于試驗(yàn)和謹(jǐn)慎使用階段，2010 年國(guó)家頒布了 GB/T 25176—2010《混凝土和砂漿用再生細(xì)骨料》標(biāo)準(zhǔn)和GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》標(biāo)準(zhǔn)，并于 2011 年 8 月開(kāi)始實(shí)施。目前再生骨料主要用于配制砌塊、砂漿及少量中低強(qiáng)度的混凝土，用于道路基層、墊層、便道及附屬設(shè)施，大范圍應(yīng)用到商品混凝土企業(yè)的并不多。2019 年 4 月 1 日陜西省工程建設(shè)地方標(biāo)準(zhǔn)DBJ 61/T 155—2019《再生骨料泵送混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》實(shí)施。雖然政府推廣和倡導(dǎo)，但是再生骨料在混凝土中的應(yīng)用得不到設(shè)計(jì)單位、建設(shè)單位、監(jiān)理單位、施工單位的一致認(rèn)可，再生骨料在混凝土中的推廣應(yīng)用緩慢。

2 試驗(yàn)所用原材料主要技術(shù)指標(biāo)

（1）水泥使用寶雞鳳凰山水泥有限公司生產(chǎn)的海螺 P·O52.5 級(jí)水泥，其主要性能指標(biāo)見(jiàn)表 1。

表1 水泥物理性能指標(biāo)

（2）粉煤灰使用陜西蒲城電力實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的 F 類(lèi) Ⅱ 級(jí)粉煤灰，細(xì)度 13.8%，燒失量 4.1%，需水量比 96%，28d 活性指數(shù) 92%。

（3）礦粉使用陜西源杰工貿(mào)有限公司生產(chǎn)的 S95級(jí)礦粉，比表面積 420cm2/g，燒失量 0.3%，流動(dòng)度比102%，28d 活性指數(shù) 105%。

（4）天然細(xì)骨料河砂產(chǎn)自渭河，含泥量 1.9%，泥塊含量 0.4%，細(xì)度模數(shù) 2.7，堆積密度 1520kg/m3。

人工細(xì)骨料機(jī)制砂產(chǎn)自柞水，石粉含量 13.0%，細(xì)度模數(shù) 3.0，堆積密度 1580kg/m3，壓碎指標(biāo) 18.7%。

再生細(xì)骨料使用陜西漢秦再生資源利用有限公司生產(chǎn)的 Ⅲ 類(lèi)再生細(xì)骨料，堆積密度 1310kg/m3，泥塊含量2.8%，細(xì)度模數(shù) 2.4，膠砂需水量比 1.40%，壓碎指標(biāo)19.0%，抗壓強(qiáng)度比 0.79%，再生細(xì)骨料的放射性、堿含量、氯離子含量檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表 2。

表2 再生細(xì)骨料放射性、堿含量、氯離子含量檢測(cè)

（5）碎石使用柞水產(chǎn)的 5～25mm 碎石，含泥量0.4%，泥塊含量 0.1%，針片狀含量 3.0%，堆積密度1580kg/m3，壓碎指標(biāo) 8.0%。

（6）外加劑使用聚羧酸高性能減水劑，其主要性能指標(biāo)見(jiàn)表 3。

表3 外加劑主要性能指標(biāo)

3 試驗(yàn)研究過(guò)程

3.1 試驗(yàn)研究

根據(jù)目前市場(chǎng)再生粗骨料推廣應(yīng)用緩慢、推廣范圍主要用于配制砌塊、砂漿及少量中低強(qiáng)度的混凝土，本次研究以再生細(xì)骨料在商品混凝土中的應(yīng)用研究為主。并提高再生細(xì)骨料的取代率和應(yīng)用強(qiáng)度等級(jí)，做進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。本次研究使用的再生細(xì)骨料符合 Ⅲ 類(lèi)技術(shù)要求。將再生細(xì)骨料的取代率由標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求的Ⅱ類(lèi)不宜大于 50% 提高至 Ⅲ 類(lèi)不大于 70%；提高再生細(xì)骨料混凝土的應(yīng)用強(qiáng)度等級(jí)，在 C50 及以上強(qiáng)度等級(jí)中使用，再生細(xì)骨料的取代率控制在 40%～60%。

3.2 混凝土配合比確定

再生細(xì)骨料與人工機(jī)制砂配合比 A、再生細(xì)骨料與天然河砂配合比 B、以及純?nèi)斯ぜ?xì)骨料配合比 C、純天然細(xì)骨料配合比 D。其混凝土配合比分別見(jiàn)表 4。

表4 再生細(xì)骨料混凝土配合比 kg/m3

3.3 混凝土耐久性基本要求

詳見(jiàn)表 5。從表 5 中可以看出 16 種不同配合比最低強(qiáng)度等級(jí) RC30 的水膠比最大為 0.41，滿足二 b 環(huán)境類(lèi)別下 C30 混凝土最大水膠比 0.50 的要求；混凝土中的堿含量最大為 2.62kg/m3，摻再生細(xì)骨料混凝土各強(qiáng)度等級(jí)堿含量均滿足三 a 環(huán)境類(lèi)別下不大于 3.0kg/m3的要求；混凝土中的氯離子含量最大為 0.070kg/m3，摻再生細(xì)骨料混凝土各強(qiáng)度等級(jí)氯離子最大含量均滿足三 a環(huán)境類(lèi)別下不大于 0.10kg/m3的要求。符合 JGJ/T 240—2011《再生骨料應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》中的規(guī)定要求。

表5 各等級(jí)混凝土耐久性基本性能匯總表

3.4 混凝土各項(xiàng)性能指標(biāo)

混凝土拌合物的工作性能及硬化后混凝土的力學(xué)性能和耐久性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 6 和圖 1～3。

圖1 再生細(xì)骨料混凝土坍落度和擴(kuò)展度檢測(cè)

圖2 混凝土抗壓強(qiáng)度對(duì)比圖

圖3 普通混凝土與再生混凝土壓碎后的內(nèi)部照片

4 研究結(jié)論

（1）再生骨料混凝土的放射性指標(biāo)符合 GB 6566—2010《建筑材料放射性核素限量》標(biāo)準(zhǔn)中技術(shù)要求；堿含量、氯離子含量符合 GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的耐久性要求。

（2）摻再生細(xì)骨料混凝土不同取代率各強(qiáng)度等級(jí)立方體抗壓強(qiáng)度指標(biāo)與純機(jī)制砂和河砂各強(qiáng)度等級(jí)立方體抗壓強(qiáng)度指標(biāo)基本一致，均滿足相應(yīng)強(qiáng)度等級(jí)設(shè)計(jì)要求。

（3）再生細(xì)骨料不同取代率下混凝土耐久性抗凍性能 RC30F150、RC40F200、RC50F300、RC60F300與純機(jī)制砂和河砂各強(qiáng)度等級(jí)凍融循環(huán)基本一致。

（4）再生細(xì)骨料不同取代率下混凝土耐久性抗氯離子滲透性能（電通量法）指標(biāo)與純機(jī)制砂和河砂各強(qiáng)度等級(jí)抗氯離子滲透性能（電通量法）基本一致。

（5）再生細(xì)骨料不同取代率下各強(qiáng)度等級(jí)混凝土靜力受壓彈性模量指標(biāo)要略高于純機(jī)制砂和河砂各強(qiáng)度等級(jí)靜力受壓彈性模量指標(biāo)。

（6）再生細(xì)骨料不同取代率下混凝土的耐久性抗碳化性能與普通混凝土基本一致。

（7）通過(guò)再生細(xì)骨料在不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土中的不同取代率試驗(yàn)，Ⅲ類(lèi)再生細(xì)骨料在混凝土中的取代率為 43%～69%，取代率均大于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。再生細(xì)骨料混凝土的拌合物性能、力學(xué)性能、耐久性性能的技術(shù)指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（8）通過(guò)再生細(xì)骨料在不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土中的不同取代率試驗(yàn)，Ⅲ類(lèi)再生細(xì)骨料在混凝土中的應(yīng)用強(qiáng)度等級(jí)最高到 C60，使用的強(qiáng)度等級(jí)已高于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

（9）經(jīng)過(guò)本次研究，筆者認(rèn)為目前現(xiàn)行的再生骨料應(yīng)用技術(shù)規(guī)程實(shí)施時(shí)間較早，隨著混凝土技術(shù)的快速發(fā)展，本次研究的結(jié)果顯示 Ⅲ 類(lèi)再生細(xì)骨料可以滿足預(yù)拌混凝土的生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)要求。其取代率可以根據(jù)再生細(xì)骨料的實(shí)際檢測(cè)情況適當(dāng)?shù)胤艑捜〈噬舷?；?qiáng)度等級(jí)可以根據(jù)再生細(xì)骨料的實(shí)際檢測(cè)情況適當(dāng)?shù)姆艑拺?yīng)用強(qiáng)度等級(jí)上限。

（10）本次研究成果的數(shù)據(jù)支持對(duì)再生細(xì)骨料的推廣應(yīng)用、再生細(xì)骨料混凝土各項(xiàng)技術(shù)性能的再認(rèn)識(shí)將起到積極的推動(dòng)作用，促進(jìn)再生骨料混凝土技術(shù)的進(jìn)一步提升。

5 經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益

5.1 經(jīng)濟(jì)效益

再生細(xì)骨料在商品混凝土中的應(yīng)用，可以解決再生細(xì)骨料使用范圍受限、使用量低的問(wèn)題，降低混凝土生產(chǎn)成本。以商品混凝土企業(yè)每年生產(chǎn)混凝土 60 萬(wàn)立方計(jì)算，摻再生細(xì)骨料混凝土的產(chǎn)量占總產(chǎn)量的 70%。每立方混凝土中的再生細(xì)骨料使用量 400kg，則每年可使用再生細(xì)骨料 60×0.7×0.4=16.8 (萬(wàn)噸)。按再生細(xì)骨料每噸價(jià)格比天然細(xì)骨料低 40 元計(jì)算，則一年可降低材料生產(chǎn)成本 16.8×40=672 (萬(wàn)元)，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5.2 社會(huì)效益

再生細(xì)骨料的利用不但能從根本上解決固體廢棄物的處置問(wèn)題，減少對(duì)環(huán)境的污染，而且因其生產(chǎn)加工都在城市周邊，運(yùn)輸距離較其他細(xì)骨料的產(chǎn)地近，有效降低運(yùn)輸能耗和二氧化碳的排放，節(jié)省天然骨料資源消耗量，緩解骨料供求矛盾。再生細(xì)骨料的使用必將帶來(lái)顯著地社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益，對(duì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)的影響。