石灰石作混凝土可循環(huán)集料的特征性能及其特征參數(shù)

[摘　要] 　為實現(xiàn)再生混凝土集料的重復(fù)循環(huán)使用,尤其是將廢棄混凝土破碎過程中產(chǎn)生的碎屑和細粉作為水泥的原料,在研究中,將石灰石作為原生混凝土粗集料和細集料,制備了多種強度等級的原生混凝土。達到預(yù)定齡期后破碎、篩分后生成再生混凝土集料,制備不同強度等級的再生集料混凝土。細粉留作燒水泥熟料配料用。試驗研究表明,采用石灰石作混凝土可循環(huán)使用的集料是可行的,再生循環(huán)集料的表觀密度、體積密度、吸水率、空隙率及壓碎指標(biāo)等因素均隨著原生混凝土強度(包括水灰比的變化) 變化而不同,破碎時產(chǎn)生的缺陷及不同粒徑對再生集料混凝土的強度有較大影響。由于再生集料本身的強度不高,因此不宜用于配制C50 以上強度等級的混凝土,本研究還用統(tǒng)計方法分析了全部采用水灰比為0. 36 的原生混凝土制得的再生集料作粗集料的混凝土的粗骨料系數(shù)。

[關(guān)鍵詞] 　原生混凝土;再生骨料;壓碎指標(biāo);骨料系數(shù)

[中圖分類號] 　TU5281041 　　　　[文獻標(biāo)識碼] 　A 　　　　[文章編號] 　10012523X(2004) 0420034204

1 　前言

隨著世界城市人口的不斷膨脹,規(guī)?？涨褒嫶蟮耐聊竟こ袒顒訋锥绒Z然升起?；炷潦钱?dāng)今建筑工程中用量最大的人造建筑材料, 目前, 全世界混凝土的年產(chǎn)量大約為28 億m3 ,中國混凝土的年產(chǎn)量為13～14 億m3 ,約占世界總量的45 %[1 ] ?；炷翞槿祟悩?gòu)筑了大量舒適、便捷的生活和生產(chǎn)環(huán)境,創(chuàng)造了豐富多彩的生活空間。然而混凝土在給人類創(chuàng)造美好生活空間的同時,也給人類的生存環(huán)境帶來不容忽視負面影響。城鎮(zhèn)建筑設(shè)計基準(zhǔn)期的到達,建筑物及構(gòu)筑物維修、改造過程中的廢棄物,施工過程中散落的混凝土及攪拌站生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢品混凝土等大多數(shù)被作為建筑垃圾堆放。這種處理方法不僅占用大量土地資源,還污染了環(huán)境。隨著砂石骨料的大量開采,我們所面臨的是資源枯竭和環(huán)境破壞,混凝土的可持續(xù)發(fā)展與水泥、骨料危機的矛盾逐漸被提上日程。據(jù)有關(guān)人士統(tǒng)計,廢棄混凝土塊約占建筑垃圾的34 %[2 ] 左右,而混凝土中骨料是構(gòu)成其骨架的主要成分,約占混凝土總重量的75 %以上,如何實現(xiàn)對現(xiàn)存廢棄混凝土和未來混凝土循環(huán)再利用被看作是混凝土可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一,具有既明顯又可見的環(huán)境效益、經(jīng)濟效益和社會效益。本研究以混凝土材料的循環(huán)利用為宗旨,建立了一套合理有效的循環(huán)工藝(具體循環(huán)工藝如圖1) 。通過以石灰石作為粗、細集料配制原生混凝土,通過逐級破碎、篩分即得再生石灰石集料。經(jīng)過對再生石灰石集料的部分物理及力學(xué)性能的研究,得出了再生石灰石骨料性能的一般變化規(guī)律,特別是對再生石灰石粗集料參數(shù)及小于0.16 mm微粉的生態(tài)處理進行了討論,以促進石灰石可循環(huán)混凝土材料的廣泛利用。

2 　試驗原材料

2. 1 　再生石灰石骨料的來源

本研究全部采用石灰石作為集料制備原生混凝土(Original Concrete ,簡稱OC) 或稱為基體混凝土,然后采用人工逐級破碎,經(jīng)過篩分后,即得再生石灰石骨料(RecycledLimestone Aggregate ,簡稱RLA) 。經(jīng)綜合考慮骨料性能,選用W/ C 為0.36 時原生混凝土制備的石灰石可循環(huán)骨料進行試驗,粒徑(5～20)mm。

2. 1. 1 　原生混凝土所用原材料

水泥:采用撫順?biāo)鄰S生產(chǎn)的42. 5 級普通硅酸鹽水泥。

骨料:粗骨料為本溪某石場的石灰?guī)r碎石, (5～20) mm ,連續(xù)級配,表現(xiàn)密度為2.79 g/ cm3 ,壓碎指標(biāo)為6.2 %;細骨料為沈陽市房產(chǎn)局水泥廠生產(chǎn)水泥用石灰?guī)r碎料經(jīng)篩分所得,粒徑(0.16～5) mm ,表觀密度為2.68 g/ cm3 ,細度模數(shù)2.78。

減水劑: FDN 高效減水劑, 摻量為1 %時, 減水率為18 %。

水:沈陽市飲用水。

2. 1. 2 　實驗選用配合比

為了對不同強度等級混凝土所制備的再生骨料的性能進行橫向比較,本研究選用了以下配比(表1) 進行試驗。

2. 2 　水泥

制備再生石灰石混凝土所用的水泥為大連小野田水泥廠生產(chǎn)的華日牌42. 5 級硅酸鹽水泥,水泥的強度、初終凝時間及體積安定性均符合國家水泥質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB17521999 的規(guī)定。

2. 3 　減水劑和水

沈陽市北方外加劑廠生產(chǎn)的FND 型高效減水劑。水:采用沈陽市飲用水。

3 　試驗方案

本試驗重點研究了針對不同強度等級的再生石灰石集料的特征性能及利用再生石灰石集料制備混凝土?xí)r, W/ C對可循環(huán)再生的混凝土強度的影響。試驗間斷的選取0.75 ,0.59 ,0.53 ,0.47 ,0.41 ,0.36 ,0.28 等7 個不同水灰比配制再生骨料混凝土,試件采用非標(biāo)準(zhǔn)試件(10 cm ×10 cm ×10 cm) ,進行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28 d 后進行強度試驗(考慮尺寸效應(yīng),強度乘以系數(shù)0.95) 。

4 　試驗結(jié)果與分析

4.1 　再生石灰石骨料的特征性能

4. 1. 1 再生石灰石骨料的物理性能

為了反映不同水灰比對再生石灰石骨料的特征物理性能的影響,本研究將基體混凝土經(jīng)人工逐級破碎、篩分后的再生石灰石骨料的表觀密度(重量法) 、堆積密度(標(biāo)準(zhǔn)方法) 、細度模數(shù)(篩分析法) 、吸水率(飽和面干狀態(tài)) 及空隙率進行了測試和計算,具體結(jié)果見表2 ,其直觀圖見圖2、圖3。

由表2 可以看出:再生石灰石骨料的表觀密度、體積密度較天然骨料低,而其吸水率、空隙率均較天然骨料高,這主要是因為天然骨料結(jié)構(gòu)密實,而再生石灰石骨料的組成除了有部分巖石外,表面還包裹部分水泥石(水泥石中存在大量的毛細管和孔隙) 。另外,再生石灰石骨料在破碎過程中不

可避免形成許多微裂縫,并且其表面比天然骨料粗糙,并粘附大量微粉,也是導(dǎo)致以上變化(尤其是吸水率) 的主要因素。隨著水灰比的降低,石灰石原生混凝土漸趨密實,因而再生石灰石骨料的表觀密度、體積密度有提高趨勢,空隙率及吸水率有所減小。由于再生骨料吸水率較大,以及其粒形等因素影響,導(dǎo)致了在相同配比下,再生混凝土的流動性較普通混凝土差,但其粘聚性和保水性較好。據(jù)研究,當(dāng)配制相同坍落度的混凝土,若粗細骨料全部為再生骨料時,用水量需增加15 %左右[3 ] ,則必然導(dǎo)致單方水泥用量增加,從而提高混凝土的造價。因而,再生石灰石骨料不宜生產(chǎn)大流動性混凝土。

4. 1. 2 　再生石灰石骨料的壓碎指標(biāo)

為了反映不同水灰比對石灰石再生粗骨料的力學(xué)性能的影響,對不同水灰比的石灰石再生粗骨料的壓碎指標(biāo)進行了測定。對普通碎石而言,其母巖強度愈高,壓碎指標(biāo)值越小。同樣,對于再生石灰石骨料,隨著水灰比的減小,其原生混凝土強度增高,再生石灰石粗骨料的壓碎指標(biāo)值也逐漸減小,但其值遠大于天然骨料,主要因為原生混凝土在破碎時,混凝土內(nèi)部產(chǎn)生大量的微裂紋等缺陷所致。

4. 2 　再生石灰石粗集料參數(shù)的研究

在進行混凝土配合比計算時. 不同品種的粗集料相應(yīng)的具有不同的骨料系數(shù),根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ5522000) ,對于碎石:骨料系數(shù)A = 0.46 , B = 0.07 ;而對于卵石:骨料系數(shù)A = 0.48 , B = 0.33。然而,對于石灰石混凝土可循環(huán)粗集料,它具有獨立的骨料系數(shù)。我們通過利用水灰比為0. 36 時制備的再生石灰石骨料,采用不同水灰比,對再生石灰石骨料配制混凝土強度進行研究,發(fā)現(xiàn)對再生石灰石粗骨料而言,水灰比與強度之間存在著密切的關(guān)系,試驗配比及結(jié)果見表3。

當(dāng)再生骨料混凝土強度低于原混凝土強度時(即剔除水灰比為0.28 那一組) , C/ W 與強度的散點圖近似呈一條直線(如圖4) ,根據(jù)一元線性回歸原理,我們可以得到石灰石作基體混凝土集料的再生混凝土強度與C/ W 回歸方程為: y = 25.307 CPW – 12.836。而普通混凝土抗壓強度f cu與CPW 之間呈線性關(guān)系,即f cu = Af ce ( CPW - B) ,由f ce =49.5 MPa ,經(jīng)計算可以得到可循環(huán)粗集料系數(shù)為: A = 0.511 ;B = 0.507。

由此可見,就骨料系數(shù)而言,再生石灰石粗骨料系數(shù)與天然粗骨料系數(shù)存在較大差別。另外, 通過試驗發(fā)現(xiàn):利用較小水灰比也可以實現(xiàn)再生混凝土較高的強度。當(dāng)利用水灰比為0.36 的原生混凝土制備的再生集料所配備的混凝土與同配比純天然骨料混凝土強度比較僅差4 MPa ,強度下降約6.7 %。

由此可見,石灰石可循環(huán)骨料拌制的再生混凝土可以用于安全等級要求較低的建筑及構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)中。因此,可循環(huán)再生的石灰石混凝土將具有良好的應(yīng)用前景。

4.3 　再生微粉的利用

再生混凝土經(jīng)逐級破碎、篩分而剩下的粒徑小于0.16 mm 微粉,若隨意排放,也必然會對城市的空氣及地面環(huán)境造成嚴重污染。因而,合理有效地利用有害于人類生存和生活的微粉,同樣具有重大意義。水泥是普通混凝土中除水及外加劑、摻合料外用量最小,價格最高的成分,其價格約占混凝土總造價的95 %以上。本研究通過利用W/ C 為0.36 的石灰石混凝土經(jīng)逐級破碎、篩分(0.16 mm 方孔篩) 后所篩余的粒徑小于0.16 mm微粉的成分進行化學(xué)分析(如表4) 。因其含鈣率較高,含硅率較低,適合用作燒制水泥的石灰質(zhì)原料。

試驗表明,經(jīng)過重新配料及“兩磨一燒”工藝燒成的再生水泥,同樣可以很好滿足GB17521999 各項指標(biāo)的規(guī)定。因此,可以通過這種微粉生產(chǎn)水泥,從而實現(xiàn)了混凝土材料的循環(huán)利用,這從資源再生和循環(huán)利用及降低環(huán)境負荷的角度出發(fā),為人類與環(huán)境共生做出貢獻。

5 　結(jié)論

a) 再生石灰石骨料的表觀密度、體積密度均較天然骨料低,空隙率、吸水率較天然骨料高,尤其是吸水率偏高。在相同配比下,若生產(chǎn)流態(tài)混凝土?xí)蛊涑杀敬蟠筇岣?因而不宜拌制大流動性混凝土。我們可以用來拌制干硬性混凝土,如生產(chǎn)混凝土預(yù)制構(gòu)件等。

b) 石灰石可循環(huán)粗骨料系數(shù)不同于天然碎石的骨料系數(shù),W/ C 為0.36 的石灰石混凝土制備的再生粗骨料,其骨料回歸系數(shù)為:A = 0.511 ; B = 0.507。

c) 粒徑小于0.16 mm 的微粉用作水泥成分,經(jīng)重新配料、粉磨、鍛燒等工藝可以重新激發(fā)其活性而燒成水泥,其性能符合GB17521999 規(guī)定。

參考文獻

1 　尚建麗,李占印,楊曉東。再生粗集料特征性能試驗研究[J ] . 建筑技術(shù),2003 , (1) :52253

2 　史巍,侯景鵬. 再生混凝土技術(shù)的研究開發(fā)與應(yīng)用推廣[J ] . 建筑技術(shù),2002 , (1) :15217

3 　侯景鵬,宋玉普,史巍. 再生混凝土技術(shù)研究與應(yīng)用開發(fā)[J ] . 低溫建筑技術(shù),2001 , (2) :9210

4 　馮乃謙. 實用混凝土大全[M] . 北京:科學(xué)技術(shù)出版社,2001

5 　黑田泰弘等. 高品質(zhì)再生骨料基本性狀.工學(xué)年次論文集. 2000 ,22 , (2)