（市政工程专业论文）再生骨料混凝土应用技术研究.pdf

再生骨料混凝土应用技术研究 摘要 传统建筑工业的生产方式是一种高投入、高污染的粗放型生产方式，很大 程度上造成了资源的过度耗费和环境的严重污染，对社会经济的可持续发展和 人类自身的生存构成严重的障碍和威胁。科学合理地利用再生骨料和再生骨料 混凝土，是解决传统建筑业带来的废弃混凝土问题的积极有效途径。论文介绍 了再生骨料和再生混凝土的基本理论及各项性能目前在国内外的研究进展，并 安排试验进一步比较再生骨料和再生混凝土与天然骨料及普通混凝土在相应 的物理、力学性能之间的异同点，进而总结再生骨料和再生混凝土各项性能的 规律性。通过试验数据的分析整理可知，再生骨料和再生混凝土的大部分性能 指标偏低于天然骨料和普通混凝土，但随着循环再生次数的增加，各性能均匀 性有所增长。论文另安排正交设计试验，分析对再生混凝土有影响的相关因素 及各因素水平，并通过正交分析，比选出再生骨料混凝土较优性能方案且通过 试验验证，其结果为实际工程应用提供参考。论文对再生混凝土的部分耐久性 指标和实际应用中的一系列产业化及经济性分析，仅做出相应探讨，期待今后 在此方面有更深入的研究和更广泛的应用。 关键词：再生骨料再生混凝土正交设计取代率 界面 r e s e a r c ho na p p l i c a t i o n r e c y c l e da g g r e g a t e a b s t r a c t t e c h n o l o g yo f c 0 n c r e t e t r a d i t i o n a lm o d eo fp r o d u c t i o no fc o n s t r u c t i o ni n d u s t r yi sae x t e n s i v em o d e o fp r o d u c t i o nw i t hh i g hi n p u ta n dh i g hp o l l u t i o n t oa l a r g ee x t e n t ，i tc a u s e s o v e r c o n s u m i n gr e s o u r c e sa n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n 0 nt h es o c i o e c o n o m i c s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ta n dt h es u r v i v a l o fm a n k i n di t s e l fc o n s t i t u t es e r i o u s o b s t a c l e sa n dt h r e a t s s c i e n t i f i ca n dr a t i o n a lu s eo fr e c y c l e d a g g r e g a t ea n d r e c y c l e da g g r e g a t ec o n c r e t ei sap o s i t i v ea n de f f e c t i v ew a yt os o l v et h ep r o b l e m o fw a s t ec o n c r e t ew h i c ha r e b r o u g h ta b o u tb yt h et r a d i t i o n a l c o n s t r u c t i o n i n d u s t r y t h eb a s i ct h e o r yo fr e c y c l e da g g r e g a t ea n dr e c y c l e dc o n c r e t ea r e i n t r o d u c e di nt h et h e s i s ，w i t ht h ec u r r e n tr e s e a r c hp r o g r e s so ft h e i rp e r f o r m a n c e a th o m ea n da b r o a d a r r a n g et e s tt of u r t h e rc o m p a r et h ep h y s i c a l ，m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o ft h es i m i l a r i t i e sa n dd i f f e r e n c e sb e t w e e nr e c y c l e d a g g r e g a t e ， r e c y c l e dc o n c r e t ea n dn a t u r a la g g r e g a t e ，c o m m o nc o n c r e t e a n dt h e ns u mu pt h e p e r f o r m a n c er e g u l a r i t yo fr e c y c l e da g g r e g a t ea n dr e c y c l e dc o n c r e t e t h r o u g h a n a l y s i s o ft e s td a t ac o l l a t i o n ，w ec a ns e et h a tm o s tp e r f o r m a n c et a r g e t so f r e c y c l e da g g r e g a t ea n dr e c y c l e dc o n c r e t ea r el o w e rt h a nt h a to fn a t u r a la g g r e g a t e a n dc o m m o nc o n c r e t e h o w e v e r ，w i t ht h ei n c r e a s ei nt h en u m b e ro fr e c y c l i n g ，t h e p e r f o r m a n c e i n c r e a s e u n i f o r m i t y i n t h et h e s i s ，a n o t h e r a r r a n g e m e n t o f o r t h o g o n a ld e s i g ne x p e r i m e n t s ，a n a l y s e st h e r e l e v a n t a f f e c t i n g f a c t o r so f r e c y c l e dc o n c r e t ea n dt h el e v e lo ff a c t o r s t h r o u g ho r t h o g o n a la n a l y s i s ，t h a ng e t t h ea l t e r n a t i v eo p t i o no fb e t t e rp e r f o r m a n c eo fr e c y c l e da g g r e g a t ec o n c r e t ea n d p a s s e dt h ee x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n t h er e s u l t sc a np r o v i d er e f e r e n c ef o rt h e p r a c t i c a le n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n i nt h et h e s i s ，t os o m eo ft h ed u r a b i l i t yo f r e c y c l e dc o n c r e t ea n dt h et a r g e tr a n g eo fi n d u s t r i e sa n de c o n o m i ca n a l y s i si nt h e p r a c t i c a la p p l i c a t i o nj u s tt om a k et h ec o r r e s p o n d i n gd i s c u s s i o n ，l o o k i n gf o r w a r d t ot h ef u t u r ei nt h i sr e s p e c td e e p p e rr e s e a r c ha n dw i d e ra p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：r e c y c l e da g g r e g a t e o r t h o g o n a ld e s i g n r e c y c l e dc o n c r e t e r e p l a c e m e n t i n t e r f a c e 一2 表2 1 表3 1 表3 2 表3 3 表3 4 表3 5 表3 6 表3 7 表3 8 表3 9 表4 1 表4 2 表4 3 表4 4 表4 5 表4 6 表4 7 表4 8 表4 9 表4 10 表4 1l 表4 ，12 表4 13 表4 14 表5 1 表5 2 表5 3 表5 4 表5 5 表5 6 表格清单 本文正交试验l l6 ( 4 3 3 2 ) 表头设计 原生混凝土配合比设计 天然骨料与不同强度再生骨料的粒形粒径指标 天然粗骨料与再生粗骨料颗粒级配 天然骨料与再生骨料的表观密度与堆积密度 天然骨料与再生骨料的孔隙率、空隙率和吸水率 天然骨料与各再生骨料压碎指标 循环再生骨料几何指标 循环再生骨料物理指标 循环再生骨料力学指标 本文正交试验设计方案及结果整理 原生砼等级对强度的影响 再生粗骨料取代率对强度的影响 粉煤灰掺量对强度的影响 再生细骨料取代率对强度的影响 再生骨料浸水时间对强度的影响 再生混凝土2 8 d 抗压强度在各因素下的极差 验证性试验结果 再生混凝土弹性模量在各因素下的极差 原生砼等级对模量的影响 再生粗骨料取代率对模量的影响 粉煤灰掺量对模量的影响 再生细骨料取代率对模量的影响 再生骨料浸水时间对模量的影响 再生混凝土坍落度在各因素下的极差 原生砼等级对坍落度的影响 再生粗骨料取代率对坍落度的影响 粉煤灰掺量对坍落度的影响 再生细骨料取代率对坍落度的影响 再生骨料浸水时间对坍落度的影响 图3 1 图4 1 图4 2 图4 图4 图4 图4 插图清单 天然粗骨料与再生粗骨料级配曲线 a 因素水平与抗压强度指标关系 b 因素水平与抗压强度指标关系 c 因素水平与抗压强度指标关系 d 因素水平与抗压强度指标关系 e 因素水平与抗压强度指标关系 16 组试验方案的弹性模量的实测值与理论值 符号清单 r e c y c l e da g g r e g a t e ，r a再生骨料 r e c y c l e df i n ea g g r e g a t e ，r f a再生细骨料 r e c y c l e dc o a r s ea g g r e g a t e ，r c a再生粗骨料 r e c y c l e da g g r e g a t ec o n c r e t e ，r a c再生骨料混凝土 r e c y c l e dc o n c r e t e ，r c再生混凝土 f c 。混凝土2 8 d 抗压强度 e 。混凝土弹性模量 t混凝土拌合物坍落度 g 再生粗骨料 g ( )再生粗骨料取代率 f a粉煤灰 f a ( )粉煤灰掺量 s 再生细骨料 s ( )再生细骨料取代率 l n ( m k )正交设计表，为k 列n 行的矩阵，每个因素都分为m 个水平 l i6 ( 4 3 3 2 )本文正交试验表头设计 a n g u l a r i t yn u m b e r ，a n骨料棱角数 p 粗骨料孔隙率( ) d v体积直径 d 。表面直径 d 。口比表面直径 m细度模数 s m比表面积 f s表面指数 k体积系数 r球形率( ) f 扁平率( ) g天然骨料 g c x ( x = 25 、3 0 、35 、4 0 )由强度等级为c x 的原生混凝土制备的再生粗骨料 x l 、x 2 、x 3 、x 4分别表示指标x 在不同因素a 、b 、c 、d 、e 的各 自的1 、2 、3 、4 水平作用下的试验结果的平均值。 ( y i 、y 2 、y 3 、y 4 和z l 、z 2 、z 3 、z 4 的含义表示 法同x 类推) r x 、i 涉和r z各指标x 、y 、z 在各因素a 、b 、c 、d 、e 影响 下的极差 l o 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得金胆王些太堂 或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签 易爹本 j 签字日期： 平乒t 、e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金胆王些太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权金起王些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：唇 解醐啪弹月c 尹 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 柏n 、c 对 签字日期：硼年斗月1 7 日 一3 一 电话 f3 孕占占71 0f 弘。 邮编： 致谢 本文是在导师杨成斌教授的悉心指导下完成的，从论文的选题到撰写的整 个过程中无不倾注了恩师的心血。这三年中，无论是在学习还是在生活上，杨 老师都给予了我无尽的指导和关怀，恩师谦虚谨慎、勤劳务实、严谨治学、诲 人不倦的风范时刻影响着我，这将使我受益终生。借此机会，向恩师表达最诚 挚的敬意! 在论文完成的过程中，得到了很多老师、同学和朋友们的无私帮助，在此 向大家表示感谢，祝他们事业有成、前程似锦! 感谢合肥工业大学监理公司提供试验材料，感谢合肥工业大学材料检测实 验室提供试验场所和设备! 感谢给予转载和引用权的资料、图片、文献、研究 思想和设想的所有者! 感谢父母对我二十多年来的养育之恩，正是他们的支持 和鼓励，我才得以完成我的学业! 深深地感谢所有关心和爱护我的家人和朋友 们! 由于时间和水平的限制，本文的研究工作只是一些基础性的研究，后面有 待解决的问题还有很多，深感自己所做的工作还不够，文中的错误和不妥之处 恳请各位老师和专家指正! 作者：余金梅 2 0 0 9 年3 月 第一章绪论 1 1再生骨料混凝土的特点及发展现状 1 1 1绿色混凝土的理念及发展状况 随着人类文明的发展，科学技术的进步，社会生产力和经济突飞猛进，我 们无时无刻不在享用着现代科技带来的先进成果。然而，人们一直开展并逐步 扩大的传统工业，包括加快我们城市化进程的传统建筑工业，其生产方式却是 一种高投入、高污染的粗放型生产方式，很大程度上造成了资源的过度耗费和 环境的严重污染，对社会经济的可持续发展和人类自身的生存构成严重的障碍 和威胁。建筑业每年的能耗占世界总能耗的2 5 4 0 ，建筑废物占城市垃圾 的3 0 4 0 ，建筑工地噪声约占城市噪声1 3 ，水泥工业c 0 2 排放量约占地球 总排放量7 这些数据资料【l 】都清楚地反映了传统建筑业对自然环境和生 态平衡的巨大影响。此时，人们才逐渐意识到资源和环境保护的重要性，各国 都积极寻求一条可持续发展的绿色科学道路，力求保护环境，节约资源，人与 自然和谐发展。在这样的背景下，具有环境协调性和自适应特性的绿色混凝土 应运而生。 绿色混凝土【2 】的环境协调性是指对资源和能源消耗少、对环境污染小和循 环再生利用率高。绿色混凝土的自适应性是指具有满意的使用性能，能够改善 环境，具有感知、调节和修复等机敏特性。国内外科技工作者自2 0 世纪9 0 年代以来，对绿色混凝土这一绿色建材的分支，开展了广泛深入的研究，范围 包括：绿色高性能混凝土、再生骨料混凝土、环保型混凝土和机敏混凝土等。 它们的共同特点就是：利用工业废料，降低水泥用量；有更好的力学性能 及耐久性能；实现非再生资源的可循环使用及有害物质的“零排放”，减轻对 环境的负荷；为人类提供温和、舒适、便捷和安全的生存环境。 目前，人们可以利用粉煤灰、粒化高炉矿渣、煤矸石、硅灰等工业废渣作 混凝土中的活性矿物掺合料，研究证实，这些廉价的辅助胶凝材料不仅节约了 矿山资源、降低水泥生产能耗、有利于环境保护，而且它们赋予了混凝土许多 优良特性，提高了强度、密实度、工作性、耐久性等。另外，很多国家在逐步 提高废弃混凝土的利用率，尤其是德国、日本、荷兰、比利时等，再生率已经 达到5 0 以上，日本最新的规范更是要求达到9 0 ，并且已经对再生混凝土的 吸水性、强度、配合比、收缩、抗冻性等进行了系统的研究。另一方面，随着 现代电子信息技术和材料科学的迅猛发展，促使社会及其各个组成部分向智能 化方向前进，混凝土材料作为各项建筑的基础，如何实现其智能化自然受到极 大关注。一系列的机敏混凝土如：自诊断混凝土、自调节混凝土、仿生自愈合 混凝土等相继出现，为智能混凝土的研究打下坚实基础。 绿色混凝土融合了环境材料、生态材料和先进工程材料的思想和理念，在 资源和能源的有效利用、减少环境负荷上具有很大的优势，是实现现代建筑业 可持续发展的一个重要方向。 1 1 2再生骨料的含义、分级和生产工艺 再生骨料( r e c y c l e da g g r e g a t e ，r a ) 是指废混凝土经破碎加工后所得的 粒径在4 0 m m 以下的骨料。其中，粒径在0 5 m m 5 r a m 的骨料为再生细骨料 ( r e c y c l e df i n ea g g r e g a t e ，r f a ) ，粒径在5 m m 4 0 m m 的则称为再生粗骨料 ( r e c y c l e dc o a r s ea g g r e g a t e ，r c a ) 。利用再生骨料部分或全部代替天然骨料 配制而成的新混凝土，叫做再生骨料混凝土( r e c y c l e da g g r e g a t ec o n c r e t e ， r a c ) ，简称再生混凝土( r e c y c l e dc o n c r e t e ，r c ) 【j j 。 再生骨料是由废混凝土破碎加工生成，而考虑到对废混凝土回收利用的经 济性、技术性和再生骨料的性能及对再生混凝土性能的影响，将废混凝土分为 可回收和不可回收两类。废混凝土能否回收利用可以根据其来源、使用环境、 设计强度等级、暴露条件和碳化程度等加以确定。在这些因素中，不同设计强 度和不同使用环境下混凝土性能差异较大，因而宜按这两种因素分类回收、堆 放和处理【孔引。为使再生混凝土的强度满足9 5 的保证率，需要对再生骨料进 行分级，不同国家和地区对再生骨料的分级标准不同，依据各自规定的参数指 标有多种分法，考虑到我国的实际情况并参考其他国家的分级标准，有学者建 议我国再生粗骨料分为i 、i i 两级l 引，再生细骨料分为i 、u 、三等级【6 j 。 分类后的再生骨料生产工艺【| 7 j 是废混凝土充分循环再利用的前提。国内外 各种废混凝土破碎和再生骨料加工工艺流程中，块体破碎、集料筛分均为碎石 集料生产的成熟工艺，而每个国家不同的生产工艺又各有利弊。例如德国的工 艺流程主要由一个二档等级的破碎机组成，需安装两台颚式破碎机及四台筛分 机，投资费用和占地面积较大；日本的工艺流程突出在其有一填充型加热装置， 经处理后可得到高品质的再生骨料，但提高了生产成本；俄罗斯的工艺流程主 要缺点是加工设备繁多，导致其初期投资规模较大，不利于在短期内推广应用。 国内的破碎工艺也在不断地探索中改进，例如台湾地区采用包括油压式履 带型碎石机和重物筛选机系统的废混凝土块破碎及处理机具；大陆地区有学者 设计了带有风力分级设备的再生骨料生产工艺流程【8 j ，构思新颖，为再生细骨 料的循环利用奠定了基础；也有学者建议了一条实用的连续生产线j ，生产不 同材质、不同粒径、洁净的再生骨料，但涉及到再生骨料强化处理的技术路线 不够明确，可能带来生产成本的提高，不利于现阶段推广使用；肖建庄等学者 则建议了一套比较适合我国实际情况的工艺流程1 3 川。 1 1 3国内外对废弃混凝土的应用及针对再生混凝土的研究进展 早在上世纪4 0 年代j ，就有前苏联的学者研究废混凝土制作骨料的可能 性，到了7 0 年代末已经应用到工程中了。之后国内外许多研究学者和工程技 术人员都对废混凝土的再生利用进行大量研究，并将其成果积极投入到生产实 践中。l9 7 6 年，国际材料与结构研究与测试试验所联合会( r i l e m ) 成立了“混 凝土拆除和再利用技术委员会”( t c 37 d r c ) ，开始研究废弃混凝土的消化与 再生利用，并将其逐步用于道路修筑等实际工程；日本、美国紧随其后，在 8 0 年代开始研究将废混凝土作为再生骨料；德国的再生混凝土主要用于公路 工程；法国利用废混凝土和废砖生产出砖石混凝土砌块。我国在这方面的应用 相对较落后，且一系列工艺成本较高妨碍了再利用的开展。目前，各国对废混 凝土的实践应用主要体现在：作为原料生产再生水泥，作为部分筑路材料 ( 一般作为道路工程中的基层材料) 、地基处理材料( 用来加固软土地基) 、排 水工程中作基层或基础回填材料( 一般是大量的填筑) 直接利用，加工成再 生骨料制作再生混凝土。眼下应用较多的是在路面施工中，因为压碎的混凝土 块有很多性能适宜于筑路，且易于生产、经济合算。而这第三种应用便是再生 混凝土技术，是我们要大力提倡应用的符合建筑业可持续发展战略的绿色混凝 土技术。 国外对再生混凝土的研究较早，系统地研究了再生骨料的性能、改性处理、 制备和应用，再生混凝土的微观与宏观特性、配合比设计和在商品混凝土中的 应用，有些已取得可喜的成果并投入生产实践。但这些技术资料并不是通用的， 各个国家和地区都应区别对待，我们不可能原样采用，必定要研究出适合我国 实际情况的再生混凝土技术资料，国内在这方面起步较晚，但对再生混凝土的 性能，尤其是各项宏观性能有不同深度的进展。 1 1 4现行关于再生混凝土的政策和标准规范 许多国家和地区都采用了立法的形式来保障再生混凝土的科学合理应用。 2 0 世纪，混凝土拆除和再利用技术委员会( t c 一37 d r c ) 对各国有关的混凝 拆除的规范和规定进行了收集和调查，进入21 世纪，可持续发展研究机构 ( s r l ) 为再生混凝土骨料提供了环保标准( e c o l a b e l ) ；日本在19 7 7 年 制定了再生集料和再生混凝土使用规范并先后在各地建立再生加工厂，19 91 年，该国政府制定资源重新利用促进法，其后又提出“控制建筑副产品排放 和再利用技术开发”5 年规划，制定再生资源法等一系列举措，从法律上 促进和保障了废旧混凝土的再生利用，目前日本的规范已经要求再生混凝土利 用率达到9 0 ；德国l9 9 8 年提出“在混凝土中采用再生集料的应用指南”，要 求达到普通混凝土的国家标准，该国每个地区都有建筑废物在加工综合厂；美 国部分州制定了关于再生集料的流程，政府制定的超级基金法则提供了相 应的法律保障。我国的可持续发展战略开展较晚，许多法规章程等都还在建议 阶段，未能真正贯彻，虽然部分城市如上海已经有明文规定应用再生混凝土， 但广大地区还处在落后状态，有限的利用范围也多局限在道路工程上。 1 2发展再生混凝土的可行性研究 1 2 1有关目前混凝土使用的各种问题 现代城市建设发展迅速，土木行业蓬勃发展，全球每年都需要大量的混凝 土产品。然而混凝土生产所需的天然粗细骨料已日趋枯竭，且开采成本逐年提 高，对生态环境的破环也十分严重；另一方面，随之产生的建筑垃圾越来越多， 相应问题也逐渐突出：目前国内大量的废混凝土主要是填埋处理，涉及到选址、 运输、倾泻和环境影响等多种问题。 砂石材料日益减少且开采难度加大，从外地运输使成本大幅提高；同时， 土地资源越来越紧缺，若仅仅将废混凝土简单堆放既占用大量土地，又耗费人 力物力财力用于选址、与附近居民协调、运输倾泻等，填埋后还破环当地的生 态环境等。可见如何减少对天然砂石的开采及如何科学合理地处理废弃混凝土 已经迫在眉睫。 1 2 2推广再生混凝土应用技术的积极意义 每年新建建筑和对原有建筑物的拆除改造均使混凝土成为建筑产品最大 的原材料和垃圾，如果我们能在这既有的建筑垃圾与原材料之间做到合理转 换，那么无论从生态资源可循环性、经济合理性、社会影响等各方面，都是极 为积极可取的。这不仅从根本上解决了天然骨料的日益匮乏和大量的砂石开采 对生态环境的破坏，而且解决了大量混凝土废弃物处理困难和由其引发的对环 境的负面影响等问题，是符合可持续发展要求的一项举措。 1 2 3再生混凝土在理论、技术及经济性上的可行性 再生混凝土毕竟不同于普通混凝土，其原材料的来源及生产工艺、原材料 的性能、再生混凝土的配合比设计及生产工艺、再生混凝土产品的各项性能等， 都有其自身的特点。国内外已经有学者在理论上分析了再生混凝土与普通混凝 土的差异，并设法扬长避短，充分发挥再生混凝土的优点。就目前研究的进展 来看，再生混凝土在强度、工作性、渗透性等多项指标上已有较多的发现和可 利用之处。各研究小组对再生混凝土的研究范围还在扩大和深入，以期在理论 上能够较全面地掌握再生混凝土，积极推动再生骨料和再生混凝土的应用。 研究再生混凝土的技术性问题，首先面临的就是再生骨料的加工工艺问 题。目前有些国家对废混凝土的处理有各自的工艺流程，俄罗斯、德国、日本、 荷兰、美国等均设计了不同的加工工艺，各有利弊；我国也有学者在综合研究 了国外的成果后提出了适合我国国情的工艺流程，取长补短。再生混凝土的配 制、生产工艺是人们研究利用再生混凝土的另一个技术性领域。有的研究小组 考虑到了再生骨料特点对再生混凝土配合比的影响以及再生混凝土产品的工 作性变化，涉及了生产、运送、浇筑和养护等方面，很多成果有可取之处并开 始投入使用。各国对再生混凝土在技术上的研究正在逐步提高。 从经济角度来看，再生骨料的应用节省了大量的垃圾清运费用和处理费 用，虽然再生骨料的生产成本较天然骨料要高，但其所增加的费用很容易由其 它方面的效益所补偿，因此具有很好的经济价值、环保效益和社会效益f l 引。 1 3本文研究的目的及意义 无论是将废弃混凝土加工处理成再生骨料直接应用，还是将再生骨料应用 于配制再生混凝土，都还有很多难题要解决。再生产品的物理性能、力学性能、 工作性能和耐久性能等各项性能指标是否满足结构使用的相应要求，部分安全 性指标是否能达到天然骨料或普通混凝土规范的要求，这些都需要人们一次次 试验、一步步研究，逐步从理论上掌握和在实践中运用。虽然国内外已有学者 针对上述性能是否符合标准做了大量的试验和分析数据，但其成果目前只能作 为参考和借鉴，并没有太多法律上的保障和硬性要求，有些地方还要用进一步 的试验来验证甚至更正。另外受地域影响，即使有些国家已有相对较全面的研 究成果和可靠的实践经验，但每个国家和地区的试验结果不可能原搬照抄，它 们都有其可参考性和局限性。 本文正是基于自身的独立性，借鉴已有研究成果，同时考虑了再生混凝土 较为熟知的基本性质和研究较少的可深入点，对再生骨料混凝土的有关性能做 进一步的试验研究，获得最新最直接的资料。通过试验数据的分析与整理，找 出理论上可以继续突破的方向，并对实际运用提出相应可参考的积极建议。 1 4本文主要内容 本文基于废弃混凝土再生利用的循环理念，较系统、客观地研究了有关再 生骨料、再生混凝土的相关性能和影响因素。全文主要内容归纳为： ( 1 ) 从理论上分析再生骨料、再生混凝土与天然骨料、普通混凝土在组 成材料、结构形式、物理、力学性能及施工工艺等方面的相异之处，并总结前 人的数据观点，为本文试验方案的确定和数据的比较提供参考。 ( 2 ) 针对再生骨料和天然骨料的各项性能，做一系列骨料试验，从几何 性质、物理性能和力学性能等几方面进行细致研究，并本着多次循环再利用的 原则，对多次循环再生骨料的相关性能也安排了试验和数据分析。 ( 3 ) 从实际运用出发，科学安排正交试验，分析影响再生混凝土各项性 能( 主要试验了28 d 抗压强度f 。u 、弹性模量e 。和坍落度t ) 的相关因素：原 生混凝土强度等级、再生粗骨料取代率g ( ) 、粉煤灰掺量f a ( ) 、再生细骨 料取代率s ( ) 和再生骨料浸水时间h 。同时，由正交试验比选出较优性能再 生混凝土的设计方案并加以试验验证。 ( 4 ) 根据目前各地学者研究再生混凝土的轻重点，对一些常见指标和因 素( 如工作性、耐久性等) 另行安排横向对比研究，并将前人已有的数据进行 对比分析，以获得较可靠的全新数据支持，较全面地反应再生混凝土的各项性 能。 ( 5 ) 分析生产再生骨料混凝土的技术性、经济性及产业化，作出较合理 的评价与建议。 第二章普通新配混凝土和再生骨料混凝土的相关理论 2 1普通新配混凝土的内部基本结构、主要特性及影响因素 2 1 1普通混凝土的基本结构和受力变形特性 混凝土是由胶凝材料、水和粗、细骨料按适当比例配合、拌制成拌合物， 经一定时间硬化而成的人造石材，是一种多相复合材料。通常按照表观密度分 为：重混凝土、普通混凝土和轻混凝土，还有为满足不同工程的特殊要求而配 制成的各种特种混凝土，土建工程中最常用的是普通混凝土，即由水泥、天然 砂、石用水拌合硬化形成，常加入适量的外加剂和掺合料以改善混凝土的某些 性能。 混凝土的结构可以分成三个基本类型：宏观结构、亚微观结构和微观结构。 微观结构即水泥石结构，由水泥凝胶、晶体骨架、未水化完的水泥颗粒和凝胶 孔组成，其物理力学性能取决于水泥的化学矿物成分、粉磨细度、水灰比和凝 结硬化条件等；亚微观结构和宏观结构有很多共同点，可以把水泥砂浆看作基 相，粗骨料分布在砂浆中。 普通混凝土的基本结构是由其原材料决定的。在混凝土中，砂、石起骨架 作用，水泥与水形成的水泥浆包裹在骨料表面并填充空隙。硬化前，水泥浆起 润滑作用，赋予拌合物一定和易性；硬化后，则将骨料胶结成坚实整体。砂浆 与骨料的界面是结合的薄弱面，硬化过程中由于水泥浆水化造成的化学收缩和 干缩受到骨料的限制，会在不同层次的界面引起结合破坏，形成随机分布的界 面裂缝。 普通混凝土原材料的相对含量和结合程度决定了其受力和变形特性。混凝 土受到荷载、温度、湿度等各种因素作用，首先在孔隙、界面裂缝等缺陷处发 生破坏，而微裂缝的扩展对混凝土的力学性能有着极为重要的影响。混凝土具 有较好的抗压性能，但抗拉性能很差，一旦出现受拉裂缝，材料很快会出现脆 性破坏，因而混凝土一般用于受压构件。混凝土的变形包含弹性变形和塑性变 形：砂、石、水泥胶体中的晶体、未水化的水泥颗粒组成了错综复杂的弹性骨 架，主要承受外力并使混凝土具有弹性变形的特点；而水泥胶体中的凝胶、孔 隙和界面初始微裂缝等，在外力作用下使混凝土产生塑性变形。由于水泥胶体 的硬化过程需要多年完成，混凝土的强度和变形也随之增长。 2 1 2普通混凝土各项性能的主要影响因素及要求 混凝土的各项性能很大程度上与其原材料的性质及相对含量、结合程度有 关，和原材料的质量和效用相关的因素，必然对混凝土的技术性质产生相应的 影响。 ( 1 ) 水泥。水泥品种应根据混凝土工程特点和所处的环境条件进行选择； 水泥强度等级的选择应与混凝土的设计强度等级相适应。 ( 2 ) 细骨料。要求清洁不含杂质，以免降低混凝土强度、抗冻性和抗渗 性，并避免对水泥的腐蚀；颗粒形状和表面特征会影响细骨料与水泥的粘结及 拌合物的流动性，应根据实际工程需要选择山砂、河砂或海砂；颗粒级配和粗 细程度应同时考虑，尽量使空隙率和总表面积均较小，既可减少水泥浆用量又 可提高混凝土的密实性与强度；砂的坚固性关系到其抗破裂能力，进而影响混 凝土的抗疲劳、耐磨、抗冲击和耐腐蚀要求。 ( 3 ) 粗骨料。要求清洁，杂质含量应符合国家相应规定，尤其要避免发 生碱骨料反应，即水泥中碱性氧化物和骨料杂质中活性氧化硅之间的化学作 用，会导致水泥石胀裂；颗粒形状和表面特征会影响粗骨料与水泥的粘结及拌 合物的流动性，应根据实际工程需要选择碎石或卵石，且针、片状颗粒含量应 符合规范要求，以免降低混凝土强度和泵送性能；最大粒径在条件许可的情况 下，尽量选用大些，以保证定厚度润滑层所需的水泥浆或砂浆数量可减少； 颗粒级配的好坏关系到能否节约水泥用量和保证混凝土良好的和易性；粗骨料 必须质地致密、有足够强度，以保证混凝土的强度要求；粗骨料的坚固性需达 到规范规定方可用于有抗冻要求的混凝土。 ( 4 ) 骨料的含水状态。骨料含水状态不同影响混凝土的用水量和骨料用 量，设计阶段、施工阶段都要注意骨料含水率的变化，做出及时调整。 ( 5 ) 水。水质有要求，不得有损混凝土强度发展、影响混凝土和易性及 凝结、降低混凝土耐久性、加快钢筋腐蚀及导致预应力钢筋脆断、污染混凝土 表面。 ( 6 ) 外加剂。可以改善混凝土性能，根据工程需要选择种类和掺入量， 一般掺入量不大于水泥质量的5 。 ( 7 ) 掺合料。为节约水泥、改善混凝土性能而掺入的矿物粉状材料，质 量指标和掺入量有规范要求。 2 2再生混凝土的内部结构特点及相应性能 2 2 1再生骨料的特点 再生骨料是由废混凝土经分类、筛选、破碎和分级而来，与天然骨料的性 能较为不同。 ( 1 ) 粒径粒形和级配。由于破碎所用的机械不同，得到再生骨料的粒径 有所差异，且棱角较多、颗粒也较粗，使用时需按国家标准对骨料级配进行调 整。 ( 2 ) 物理力学性能。因为再生骨料上黏附有水泥浆和砂浆，使得骨料的 密度减小、吸水率较高、抗磨强度降低以及其它相关的物理力学性能的改变， 主要是负面影响较大。 ( 3 ) 杂质污染。废混凝土的来源很多，原来的使用环境的复杂性和废混 凝土中夹杂的带有污染性质的杂质会对再生骨料的各性能有不利的影响，尤其 是对配制的再生混凝土的耐久性减弱作用明显。 l 2 2 2再生混凝土的结构组成及特性 所谓再生混凝土，即用再生粗、细骨料代替部分或全部天然粗、细骨料而 制成的混凝土，其内部结构为水泥、天然粗骨料、天然细骨料、再生粗骨料、 再生细骨料和水共同构成，有时为满足工程需要还加入少量外加剂和矿物掺 料。再生混凝土内各相界面种类增多，既有天然骨料与新水泥浆的界面，又有 再生骨料与新水泥浆的界面( 这又包括天然骨料与老水泥浆的界面、天然骨料 与新水泥浆的界面以及老水泥浆与新水泥浆的界面) 。界面种类的增多导致再 生混凝土的受力特性有所改变，影响其各项力学性能。 再生混凝土有别于普通混凝土【1 3 】【14 1 ，其差异主要在于： ( 1 ) 和易性和吸水性。再生骨料棱角较多且孔隙率增大，拌和再生混凝 土的和易性不如普通混凝土，而且需水量增大。 ( 2 ) 孔隙率和密度。再生混凝土孔隙率较大，拌和混凝土更容易引入气 体，再生混凝土表观密度降低。 ( 3 ) 抗压强度。因为再生骨料的强度低于天然骨料，且各结合面的强度 也低于普通混凝土，并有更多的界面裂缝，导致再生混凝土的强度有所降低。 ( 4 ) 收缩和徐变。再生混凝土收缩和徐变的程度都比普通混凝土要大， 对构件的抗渗性和耐久性不利。 2 3研究再生混凝土的主要性能指标 研究再生混凝土可以从以下三个方面入手： ( 1 ) 再生混凝土材料：抗压性能，一般关注其立方体抗压强度及应力 应变关系；抗拉性能，关注的是抗拉强度和单轴受拉应力应变关系；抗折 性能，主要的技术参数是抗折强度；弹性性能，这就要视其弹性模量的大小； 耐久性能，这个方向要关注的是抗冻性、干缩情况、徐变程度、抗渗性、耐 磨性、碱骨料反应、抗腐蚀性、抗碳化性和高温性能。 ( 2 ) 再生混凝土构件：再生混凝土与钢筋等其它材料之间的粘结性能 和共同工作性能；再生混凝土构件受弯性能、受剪性能与受压性能，以及构 件的可靠度分析。 ( 3 ) 再生混凝土结构：结构整体受力，相应的抗弯、抗剪、抗压及抗 震性能；局部受力，重点验算位置的受力性能。 2 4正交试验设计法在研究再生混凝土中的应用 2 4 1正交设计法的基本理论及正交表性质 正交试验设计法( 简称正交法) ，是统计数学的分支。它是以概率论、数 理统计、专业技术知识和实践经验为基础，充分利用标准化的正交表来安排试 验方案，并对试验结果进行计算分析，最终达到减少试验次数、缩短试验周期、 迅速找到优化方案的一种科学计算方法【l5 1 。合理应用正交法，可以节省大量 人力、物力、财力和时间，能明确影响试验指标的各因素的主次顺序，迅速找 到优化方案，并通过试验结果分析进一步指明试验的方向、克服盲目性。 正交设计法中的指标、因素和水平是三个关键点，指导着试验的目的性并 关系到试验的科学性与合理性。 ( 1 ) 指标。在试验中需要考查的效果的特征值，简称为指标，它与试验 目的是相对应的。试验的目的多种多样，对应的指标各不相同。指标一般分为 定量指标和定性指标，正交试验需要通过量化指标以提高可比性，所以通常把 定性指标通过评分定级等方法转化为定量指标。在正交试验中，主要设计可测 量的定量指标，常用x 、y 、z 表示。 ( 2 ) 因素。也称因子，是试验中考查对试验指标可能有影响的原因或要 素，它是试验中重点要考查的内容。通常用a 、b 、c 等表示，一个字母表示 一个因素。因素又分为可控因素和不可控因素，试验中，首先要选择可控因素 列入试验，而对不可控因素要尽量保持一致。 ( 3 ) 水平。试验中选定的因素所处的状态和条件称为水平或位级。对于 定量因素，每一个选定值即为一个水平，一般用1 、2 、3 表示。在试验中需 要考查某因素的几种状态时，则称该因素为几水平的因素。 正交法的基本工具是正交表，它是一种依据数理统计原理而制定的具有某 种数字性质的标准化表格。最基本的正交表是水平数相同的正交表，一般以通 式表示为：l n ( m k ) ，表现为k 列n 行的矩阵，每个因素都分为m 个水平。正 交表具有均匀分散性和整齐可比性：由于每一列中各种字码出现相同的次数， 这就保证了试验条件均衡地分散在配合完全的水平组合中，因而代表性强，容 易出现好条件；由于任意两列中全部有序数字对出现相同的次数，这就保证了 在各个水平的效果之中，最大限度地排除了其他因素的干扰，因而能最有效地 进行比较，做出展望。正交表的这两点性质使得试验研究效率更高，效果更好。 以基本的l 4 ( 2 3 ) 正交表为例，说明各符号含义： 正交表代号纵列数( 可安排的因素数) l 一l 4 ( 2 3 i i 横行数( 每行为一个试验方案)三二i i ；习表字码总数， 2 4 2具有混合水平或交互作用的正交设计 实际工作中会遇到水平数不同的因素，要考虑有各种水平数的多因素试 验，称为混合水平的多因素试验。本文所安排的正交试验就是一项混合水平的 多因素试验。一般有两种不同的考虑方法：直接构造各种具有混合水平的正 交表，遇到问题采用合适的表，或者将水平数相同的正交表改造成水平数不同 的正交表，所用的方法为并列法；不要求表仍然具有正交性一一均衡搭配， 尽量利用原有的正交表，适当进行改造使之成为具有部分均衡搭配的表，这里 采用的是拟水平法和部分追加法。 所谓并列法，是从原表中任选两列，它们的横行组成若干数对，每种数对 搭配用一个数字作代表，则原先两列变成一列，删去该表中与新列的搭配不均 衡的某一列，即原先被合并的那两列的交互作用列( 可查交互作用表) ，便得 到一个新的混合水平的正交表，多并列几次就多得几张表。 拟水平法，是将水平数少的因素纳入水平数多的正交表内的一种处理方 法。根据经验，估计一下水平数少的因素的哪个水平可能更好些，重复它的次 数( 即虚拟出“水平数 ) ，这样虚拟了一个水平的因素称为拟水平的因素。 部分追加法，是通过做一些补充试验来处理混合水平的问题。对于每一个 用追加法安排的试验，总可以找到一个用拟水平法安排的试验，使它们在实质 上是一样的。 对于混合水平的正交表，以l 1 6 ( 43 2 6 ) 正交表为例，说明各符号含义： 正交表代号有三列因素是四水平的 l _ 一一 l 16 ( 4 。2 0 ) 厂一 一、 做十六组试验有六列因素是二水平的 如果试验的目的主要是想比较准确地弄清楚各个因素对指标影响的大小， 特别是各种因素水平的不同搭配对指标的影响，在这个基础上将因素和水平的 选取再做些调整，才考虑去找好的工艺条件。这在研究工作或探索新工艺中常 遇到，需要考虑因素之间的交互作用。 一般常用的正交试验设计与分析步骤为：明确试验目的，确定考查指标： 确定因素、选取水平、制定因素水平表；选用合适的正交表进行表头设计； 确定试验方案，做正交试验，记录试验结果；计算分析试验结果( 一般用 目测法、极差分析法、画趋势图等) ；反复调优试验以逼近最优方案；验 证试验，并通过生产验证，确认较优方案。 2 4 3本文正交试验因素、水平安排 本试验通过配制c 35 再生骨料混凝土，分析影响再生混凝土相关性能的 各种因素及各自作用程度，并优选出配制再生混凝土较优性能方案。试验选取 五个因素：原生混凝土强度等级c x 、再生粗骨料取代率g ( ) 、粉煤灰掺量 f a ( ) 、再生细骨料取代率s ( ) 和再生骨料浸水时间h 。各因素的水平数不一 样，属于混合水平设计，本试验的因素水平安排如表2 1 所示： 本文正交试验l l6 ( 4 3x 3 2 ) 表头设计 表2 i 2 4 4本文试验所用正交分析软件简介 本次试验利用正交设计助手o r t h o g o