再生骨料在路緣石中的應(yīng)用研究

楊承谞，曹偉，趙若宇，李亮，張興忠，張文剛

(1. 山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院, 山東 淄博 255049；2. 山東環(huán)億資源綜合利用股份有限公司, 山東 淄博 255075；3.山東理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 山東 淄博 255049)

混凝土作為全球使用最廣泛的材料之一，使用中產(chǎn)生了大量的廢棄物[1]。Wang等[2]指出，混凝土的二氧化碳排放量約占全球總排放量的8%，加劇了全球變暖。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)城市建筑垃圾年產(chǎn)生量超過(guò)20億t，約占城市固體廢物總量的40%，但是建筑垃圾總體資源化率卻不足10%。為了解決這一問題，再生混凝土技術(shù)得到廣泛關(guān)注。

再生混凝土技術(shù)可以將建筑垃圾變廢為寶，不僅可以有效解決建筑垃圾任意堆放和填埋造成的環(huán)境問題，還可以緩解砂石資源短缺的問題[3]。Makul[4]研究指出，再生混凝土骨料可以持續(xù)利用，被用作綠色混凝土的組成部分。Abdel[5]也指出，再利用和回收混凝土廢料是建筑行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的成功策略。再生骨料存在孔隙大、吸水率高、密度小、壓碎值高等特點(diǎn)[6]，因此，為滿足使用要求需要對(duì)再生骨料進(jìn)行增強(qiáng)和活化處理。劉娟等[7]通過(guò)將玉米芯顆粒摻加到再生砂漿中制備玉米芯骨料生態(tài)混凝土，不僅節(jié)約了能源，而且大大提高了再生骨料性能。肖建莊等[8]通過(guò)納米二氧化硅水泥凈漿二次改性再生骨料，顯著改善了再生混凝土力學(xué)性能，準(zhǔn)靜態(tài)下峰值應(yīng)力提升25.1%，彈性模量增加85.8%。在應(yīng)用方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也做了相關(guān)研究，如肖建莊等[9]提出利用建筑固廢再生原料制備低強(qiáng)度泡沫再生混凝土，并分析了將其應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)跑道安全區(qū)特性材料攔阻系統(tǒng)中的可能性。Ahmed等[10]將再生骨料混凝土應(yīng)用于市政人行道路，在固化28 ～120 d后，與傳統(tǒng)混凝土相比，再生骨料混凝土展現(xiàn)出更高的抗壓強(qiáng)度發(fā)展速率，并且當(dāng)再生骨料替代率達(dá)到30%時(shí)，這種效果更加明顯。

研究發(fā)現(xiàn)，將再生骨料混凝土應(yīng)用于非承重構(gòu)件是一個(gè)重要的處理方法。澳大利亞Abu-Saleem等[11]將不同類型的再生塑料廢物部分替代粗骨料用于路緣石中，并對(duì)比了其各項(xiàng)性能。在我國(guó)，該領(lǐng)域的研究較少，樊序垿[12]對(duì)建筑固廢再生混凝土路緣石進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)研究，且從試驗(yàn)結(jié)果看，含建筑垃圾再生骨料路緣石存在力學(xué)強(qiáng)度弱等缺點(diǎn)，外觀規(guī)整程度也較差。為了解決該問題，本文利用再生骨料替代天然骨料制備再生混凝土路緣石，研究其力學(xué)強(qiáng)度、耐久性等技術(shù)問題，并探究不同成型方式對(duì)再生混凝土路緣石的性能影響。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 再生骨料礦物組成檢測(cè)

本文采用X-ray diffractometer (XRD)分析再生骨料的礦物組成，結(jié)果見表1。由表1可知，再生骨料的主要成分是SiO2, Al2O3, Fe2O3, MgO, K2O, CaCO3和CaO。再生骨料的礦物組成主要來(lái)自兩部分：一是水泥硬化產(chǎn)物，主要有C-S-H(xCaO·SiO2·yH2O)、鈣礬石(3CaO·Al2O3·CaSO4·32H2O)、單硫型硫鋁酸鈣(3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O)和Ca(OH)2，這些成分以非晶相存在，占30%;二是來(lái)自于拌制水泥混凝土的碎石，主要成分為石英和斜長(zhǎng)石，說(shuō)明拌制水泥混凝土的碎石為花崗巖。

表1 再生骨料礦物組成

1.2 試驗(yàn)材料

采用的P.O 42.5R普通硅酸鹽水泥，由山東山鋁水泥有限公司提供，其技術(shù)指標(biāo)見表2。拌和水采用自來(lái)水。天然粗骨料采用花崗巖材質(zhì)，天然細(xì)骨料采用河砂。再生骨料采用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類骨料，骨料的性質(zhì)指標(biāo)根據(jù)文獻(xiàn)[13]進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)試指標(biāo)及規(guī)范要求見表3和表4。

表2 水泥的技術(shù)性能

表3 再生粗骨料物理性能

表4 再生細(xì)骨料物理性能

1.3 再生骨料摻量影響研究

本文針對(duì)再生骨料摻量對(duì)路緣石性能的影響進(jìn)行研究，選取再生Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類骨料，分別采用0%、20%、40%、60%、80%、100%的替代率進(jìn)行試驗(yàn)，水灰比為0.47，成型方式選擇靜壓成型，靜壓成型過(guò)程中壓力為80 kN，其他條件保持不變。本文主要進(jìn)行影響路緣石性能的關(guān)鍵性指標(biāo)試驗(yàn)、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)方案見表5，試驗(yàn)配合比見表6。

表5 再生骨料對(duì)路緣石性能影響試驗(yàn)方案

表6 靜壓成型方式配合比設(shè)計(jì)用量

1.4 成型方式的影響

水泥混凝土的成型方式有很多種，混凝土成型是指通過(guò)人工或者機(jī)械的方式，將攪拌后的混凝土拌合物按照預(yù)期的模型硬化，常見的成型方式有：振動(dòng)、搗棒人工插搗、壓力、澆筑成型等。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，有關(guān)成型方式對(duì)再生混凝土路緣石性能影響的研究成果較少，成型方式對(duì)再生混凝土路緣石各項(xiàng)性能的影響規(guī)律是否與普通混凝土路緣石一致尚需驗(yàn)證，這也成為影響再生混凝土路緣石質(zhì)量的一項(xiàng)重要原因。在上述研究基礎(chǔ)上，本文以30%再生Ⅱ骨料替代天然骨料，采用振動(dòng)成型、靜壓成型、澆筑成型的方式制備再生混凝土路緣石，并進(jìn)行吸水率試驗(yàn)、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)、抗凍性試驗(yàn)，試驗(yàn)配合比見表7，試驗(yàn)依據(jù)文獻(xiàn)[14]所述方法進(jìn)行。

表7 配合比設(shè)計(jì)用量

1.5 試件尺寸和試驗(yàn)方法

本文選用500 mm×300 mm× 120 mm直線型建筑垃圾再生混凝土路緣石開展相關(guān)研究。其中，對(duì)100 mm×100 mm× 100 mm試件進(jìn)行了吸水率試驗(yàn)、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、凍融循環(huán)試驗(yàn)，對(duì)100 mm×100 mm×400 mm試件尺寸進(jìn)行了抗折強(qiáng)度試驗(yàn)。

將稱量好的天然骨料和再生骨料放入攪拌機(jī)中攪拌，加入水泥和水，攪拌3～5 min后測(cè)其坍落度。坍落度試驗(yàn)完畢后將混凝土拌合物按照以下3種方式制成路緣石試件。

1)振動(dòng)成型法：將拌合物放入500 mm×300 mm×120 mm的試模中，一次將拌合物裝滿試模，并且開始振動(dòng)，振動(dòng)頻率為2 860次/min，振幅為0.3～0.6 mm;振動(dòng)過(guò)程中若混凝土低于試模，隨時(shí)添加混凝土;拌合物出現(xiàn)水泥漿時(shí)停止振動(dòng)，最后用抹刀將成型面抹平。

2)靜壓成型法：將混凝土拌合物裝入專用靜壓模具中，然后將模具放在壓力機(jī)下施加壓力，靜壓成型過(guò)程中的壓力為80 kN，持續(xù)5 s后卸荷；最后，用直徑40 mm的搗棒“滾壓”成型面直至平整，并用抹刀將成型面抹平。

3)澆筑成型法：流動(dòng)性混凝土具有很好的填充能力，本試驗(yàn)將拌合物分3層裝入試模中，每層裝料厚度大致相等;裝料完成后用橡皮錘輕輕敲擊試模四周，直至密實(shí)成型。

試件制備完成后，將試件置于(20±2)℃、相對(duì)濕度大于95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)規(guī)定齡期，并進(jìn)行物理與力學(xué)性能研究。

2 結(jié)果和分析

2.1 再生骨料摻量的影響

對(duì)表5所述的18種工況進(jìn)行28 d抗折強(qiáng)度試驗(yàn)和28 d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，每組共6個(gè)試件取平均值，試驗(yàn)結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 再生骨料摻量與抗折強(qiáng)度之間的關(guān)系

圖 2 再生骨料摻量與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系

由圖1、圖2可以看出，再生骨料的摻量對(duì)抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的影響較大，隨著再生骨料摻量的逐漸提升，抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度逐漸降低；摻量在20%～40%之間強(qiáng)度較高，超過(guò)40%后，抗壓強(qiáng)度降低明顯，且無(wú)論再生骨料的等級(jí)如何，均呈現(xiàn)出相似的規(guī)律。比較Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)這三個(gè)等級(jí)的再生粗骨料發(fā)現(xiàn)，當(dāng)再生骨料替換天然骨料比例相同時(shí)，等級(jí)越高的再生粗骨料，其造成的混凝土抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度降低的幅度就越小。這主要是因?yàn)樵偕橇媳砻娓街乃酀{體導(dǎo)致孔隙率大、吸水率高，再生骨料表面的硬化水泥漿層導(dǎo)致再生混凝土的界面結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜化，不利于強(qiáng)度的形成，故隨著摻量的不斷提高，其對(duì)性能的損害越大[15]。而等級(jí)越高的再生骨料在物理強(qiáng)化過(guò)程中,有效去除了骨料表面的水泥石與裂紋，改善了再生骨料的粒型，提高了再生混凝土的密實(shí)度，強(qiáng)度也隨之提高。

綜合上述分析，建議采用20%～40%摻量進(jìn)行再生混凝土路緣石的制備。本試驗(yàn)中，當(dāng)再生骨料的替代率為100%時(shí)，再生混凝土路緣石的強(qiáng)度也能達(dá)到規(guī)范要求，抗折強(qiáng)度在3 MPa以上，抗壓強(qiáng)度達(dá)到25 MPa。

2.2 成型方式的影響

2.2.1 物理及力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果分析

本文采用30%摻量進(jìn)行路緣石制備，不同成型方式下28 d吸水率試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，每組共6個(gè)試件取平均值。不同成型方式下的再生混凝土路緣石3 d、7 d、28 d平均抗壓強(qiáng)度結(jié)果如圖4所示，每個(gè)齡期每組成型方式6個(gè)試件?？拐蹚?qiáng)度試驗(yàn)每組6個(gè)試件，不同成型方式下28 d平均抗折強(qiáng)度結(jié)果如圖5所示。

圖3 吸水率與成型方式之間的關(guān)系

圖4 抗壓強(qiáng)度與成型方式之間的關(guān)系

圖5 28 d抗折強(qiáng)度與成型方式之間的關(guān)系

圖3表明，靜壓成型法制成的再生混凝土路緣石試件的吸水率大于其余兩種成型方法的吸水率，其平均吸水率為5.89%，而振動(dòng)成型法的平均吸水率為5.54%，澆筑成型法的平均吸水率相對(duì)最低，為5.11%。由圖4可知，澆筑成型法制成的路緣石強(qiáng)度最高，28 d平均抗壓強(qiáng)度為39.1 MPa，振動(dòng)成型法次之，為37.2 MPa，而靜壓成型法強(qiáng)度最低，為36 MPa，但均滿足規(guī)范要求。由圖5可知，澆筑成型的試件28 d抗折強(qiáng)度最高，達(dá)到4.9 MPa，而對(duì)于配比幾乎一致的直線型建筑垃圾再生混凝土路緣石試件，振動(dòng)成型試件的抗折強(qiáng)度略高于靜壓成型試件的，達(dá)到4.7 MPa；同時(shí)，3種成型方式的抗折強(qiáng)度均高于4 MPa，滿足規(guī)范要求。

出現(xiàn)上述結(jié)果的原因主要是靜壓成型法制成的試件孔隙率高、密實(shí)性差、嚙合力較弱，導(dǎo)致吸水率高、強(qiáng)度低；而振動(dòng)成型和澆筑成型方法制成的試件，經(jīng)過(guò)振動(dòng)搗實(shí)后，骨料間的膠結(jié)力更強(qiáng)，水泥漿體粘度較大，抗組分離析性能優(yōu)良，硬化后的混凝土內(nèi)部由于泌水而產(chǎn)生的毛細(xì)孔通道少、吸水率低，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度更高。

2.2.2 抗凍性分析

抗凍性試驗(yàn)每組共6個(gè)試件，D50次試驗(yàn)后取平均值，且不同成型方式下的抗凍性試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 抗凍性與成型方式之間的關(guān)系

由圖6可知，建筑垃圾再生混凝土路緣石D50次凍融循環(huán)試驗(yàn)的質(zhì)量損失率分別如下：靜壓成型為2.8%，振動(dòng)成型為2.6%，澆筑成型為2.5%，且均小于規(guī)范規(guī)定的上限3%。澆筑成型和振動(dòng)成型制成的試件抗凍性較好，靜壓成型制成的試件抗凍性較差，這是因?yàn)殪o壓成型制成的試件空隙率大、吸水率高，骨料內(nèi)部含有自由水，在凍融循環(huán)過(guò)程中，當(dāng)溫度低于0 ℃，自由水結(jié)冰從而導(dǎo)致體積脹，進(jìn)而破壞了再生骨料和水泥漿體之間的膠結(jié)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致試件的質(zhì)量損失率增大。

3 結(jié)論

本文使用再生骨料代替天然骨料，制備了再生混凝土路緣石，分別研究了再生骨料摻量和成型方式對(duì)路緣石性能的影響，得到以下結(jié)論：

1)隨著再生骨料摻量的逐漸增加，路緣石的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度逐漸降低，且再生骨料品質(zhì)對(duì)其影響由高到低依次為：Ⅲ類再生骨料、Ⅱ類再生骨料、Ⅰ類再生骨料。

2)在再生混凝土路緣石吸水率方面，振動(dòng)成型和澆筑成型密實(shí)度高、孔隙率較低，靜壓成型密實(shí)度差、孔隙率較高；在吸水率指標(biāo)上，靜壓成型吸水率高于振動(dòng)成型，澆筑成型吸水率最低。

3)在抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)方面，用澆筑成型方法制成的再生混凝土路緣石試件的強(qiáng)度最高，振動(dòng)成型次之，靜壓成型強(qiáng)度最低。

4)在抗凍性方面，靜壓成型試件孔隙率最高、試件質(zhì)量損失率最大，澆筑成型質(zhì)量損失率最小。

5)在實(shí)際應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)室制備過(guò)程中，應(yīng)采用澆筑成型和振動(dòng)成型的方式制備再生混凝土路緣石。