再生混凝土骨料

1、收稿日期2004-03-19基金项目上海市科学技术委员会资助项目,项目编号:02DZ 12104再生混凝土骨料3孙跃东1,2,肖建庄1(1.同济大学结构工程与防灾研究所,上海200092;2.山东科技大学土木工程系,山东泰安271019摘要再生骨料混凝土与天然骨料混凝土区别就是再生骨料,再生骨料的性能直接影响着再生混凝土的特性。因此研究好再生骨料的特性,对提高再生混凝土的质量非常重要。本文在参考国内外文献和课题试验的基础上,就再生混凝土骨料的定义、分类、加工方法、来源及再生混凝土骨料的性能进行一些研究。关键词再生骨料;再生混凝土中图分类号T U5281041文献标识码A 文章编号1002-35

2、50(200406-0033-04Aggregate of recycled concreteSUN Yue 2dong 1,2,XIAO Jian 2zhuang 1(1.T ongji University ,Shanghai 200092,China ;2.Shan D ong University O f Science And T echnology ,T ai An Shan D ong 271019,China Abstract :The difference between recycled aggregate concrete and natural aggregate co

3、ncrete lies in the application of recycled aggregate in the production of concrete.Due to the direct in fluence of recycled aggregate on the properties of concrete ,it becomes signifi 2cant that the properties of recycled aggregate have to be investigated intensively in order to im prove the quality

4、 of concrete.Based on the reference of relevant documents inv olved external and internal and our experimental study ,this study will aim to discuss the definition ,classification ,process method ,res ource and properties of recycled aggregate.K ey w ords :aggregate ;recycled aggregate ;recycled agg

5、regate concrete 根据权威部门的统计结果,混凝土作为水、砂子、卵石与碎石等天然资源的最大消费者,现在正以每年约80亿吨的速度消耗天然骨料。与此同时,随着城市建设的快速发展、人们物质生活的提高、原有建筑物不能满足其使用要求和使用期限的临近,愈来愈多的建筑物将被拆除,产生愈来愈多的建筑垃圾。据1996年在英国召开的混凝土会议资料,全世界从1991年2000年的十年间,废弃的混凝土(包括钢筋混凝土工厂不合格的产品总量将超过10亿吨。在香港,建筑产业每天产出的施工和拆除废料达3万7千吨,这比市政固体废料要高出大约四倍1。然而,在不久的将来,将缺少新垃圾掩埋用地,主要的土地开垦计划也要结束

6、,这已经警示香港必须找到建筑和拆除废料的应用办法。上海每年产生的渣土约2000万吨,其中约800万吨为废弃混凝土,约占渣土总量的40%。我国每年建筑垃圾的产量还没有权威的统计数字,估计其数值要达到几十亿吨。随之带来一系列关于自然资源、能源、环境保护和可持续发展等的问题。一方面是大量天然资源的开采;另一方面是大量建筑垃圾的产生。为了最大限度的减少对自然资源的开采,必须最大限度的增加对建筑垃圾再生利用。因此建筑垃圾的处理及应用技术的研究和应用推广势在必行。国外对建筑垃圾的处理和应用技术的研究全部较早,并制定了相应的再生混凝土骨料的应用指南。在日本和德国都有用再生混凝土骨料建造的示范工程2。我国对再

7、生骨料混凝土的研究起步较晚,但其研究势头很猛,已有多家大学和科研单位开展了再生混凝土的研究工作。虽然尚未得出统一的、权威性的结论,但为我国再生骨料混凝土的应用打下了良好的基础。再生混凝土和普通混凝土相比,其主要区别是再生混凝土骨料和天然骨料不同。用再生混凝土骨料生产混凝土,其关键的因素是弄清楚骨料的特性。本文就再生混凝土骨料的定义、分类、加工方法、来源及再生混凝土骨料的性能进行一些研究。1再生骨料的含义和分类111再生骨料的含义从一般意义上讲,再生混凝土骨料是将废弃混凝土块经破碎、分级并按一定的比例混合后形成的骨料称为再生骨料或再生混凝土骨料(recycled aggregate or rec

8、ycled concrete aggregate 。而将利用再生骨料作为部分或全部骨料配制的混凝土,称为再生骨料混凝土(recycled aggregate concrete ,简称再生混凝土(re 2cycled concrete 。相对于再生混凝土而言,将用来生产再生骨料的原始混凝土称为基体混凝土(original concrete ,有人也称之为原生混凝土。随着人们环境保护、再生资源利用和可持续发展观念的增强,越来越多的固体废料被重复循环利用,其中绝大部分用作混凝土骨料。从广义上讲,再生混凝土骨料是指经过特定处理、破碎、分级并按一定的比例混合后形成的,满足配置不同性能和使用要求混凝土的骨

9、料称为再生骨料。这些用于生产再生骨料的材料有碎砖、瓦、玻璃、陶瓷、炉渣、矿物废料、石膏,此外还有废弃塑料、废弃橡胶、轮胎、木材、废纸等。如用碎砖骨料(recycled brick aggregate 配置的强度较低的混凝土(recycled brick aggregate concrete 已经用于承重和非承重结构中3。德国用标准混凝土砌块的生产程序来生产木质骨料的轻质混凝土砌块,并对这种试块进行了抗压强度和干湿循环作用的试验。试验结果表明,再生木质骨料混凝土砌块的重量、强度和耐久2004年第6期(总第176期Number 6in 2004(T otal N o.176混凝土Concrete全

10、国建筑科学核心期刊China Building Science C ore Periodical 性满足AST M C129中非承重混凝土砌体的要求4。人们已用废弃的塑料、玻璃、玻璃纤维等颗粒状材料,在混凝土构件中部分代替细骨料,并通过抗压、抗弯、和劈裂试验来研究这种混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度、混凝土的抗折模量和弹性模量。用电子显微镜分析混凝土的机械性能和微观结构和断裂界面的相互关系。研究成果表明,三种废料可以替代部分砂用于混凝土构件5。因此,从某种意义上讲,再生骨料不在仅仅指传统上的用废弃混凝土块破碎、分级得到的再生混凝土骨料。但目前研究和应用最多的还是再生混凝土骨料。212再生骨料的分

11、类再生混凝土目前还没有独立的分类方法,多数参考普通混凝土骨料的分类方法进行分类。我国研究者多数根据普通混凝土用砂质量标准及检验方法(J G J52-92和普通混凝土用碎石后卵石质量标准及检验方法(J G J53-92规定,再生骨料的粒径在0.165mm之间为再生细骨料,粒径大于5mm的颗粒为再生粗骨料。再生粗骨料颗粒一般为表面包裹着部分水泥砂浆的石子,少部分与砂浆完全脱离的石子,还有极少一部分水泥石颗粒。再生细骨料主要包括砂浆体破碎后形成的表面附着水泥浆的砂粒、表面无水泥浆的砂粒、水泥石颗粒及少量破碎石块。由于再生细骨料中含有细小水泥浆颗粒,再生细骨料的粒径尺寸范围为可以定为0108mm5mm

12、6。目前国内外对再生细骨料的研究较少。此外可以把由木材、塑料、橡胶等轻质再生骨料生产的混凝土骨料称之为轻质再生骨料(Light Recycled Aggregate,用这种骨料配制的混凝土称之为轻质再生骨料混凝土(Light Recycled Aggregate C oncrete。日本一直致力于拆除混凝土回收利用的研究和开发。日本建设省为扩大建筑副产品、拆除混凝土等材料的重新利用进行了大量工作。于1994年4月颁布了再生混凝土材料的质量试行条例。试行条例给出了的再生骨料、再生基层材料和填充材料的质量标准,并根据其质量将再生骨料划分成几个等级,如表1所示7。表1再生骨料质量等级粗骨料细骨料等级

13、吸水率坚固性指标等级吸水率坚固性指标<3%<12%<5%<10%<3%和<40%或者<5%和<12%<10%-<3%-2再生骨料的来源再生骨料的来源是非常丰富的。各种废弃混凝土块,如:建筑物拆除过程中所产生的废弃混凝土块;市政工程的动迁及重大基础设施的改造产生废弃混凝土块;废弃的混凝土试块,试件;混凝土生产和施工过程中产生的废弃或散落混凝土、砂浆及混凝土工厂、预制构件厂生产产生的废弃混凝土。砌体结构拆除产生的碎砖块,砖场生产的过烧砖、变形砖等。重大自然灾害如:地震、台风、洪水等造成建筑物的损坏和倒塌而产生的废弃混凝土、砖以及其它矿物建

14、筑材料。1995年1月17日本阪神大地震,毁坏建筑物约1018万幢,建筑物倒塌而产生的废弃混凝土块达1700万吨。战争也是造成建筑物倒塌而产生废弃建筑废料的一个因素。其中各种建筑物拆除产生的废弃混凝土是再生骨料的主要来源。目前世界上不少国家在研究和应用固体废料和工业副产品作为混凝土骨料。这使得混凝土骨料的来源更加丰富。日本在固体废料和工业副产品的研究和应用是走在世界前列的。他们把废弃材料的应用分为三类7。第一类从非建筑产业材料到混凝土材料。见表2。第二类从混凝土来的材料再用于混凝土。即把混凝土工厂的废料、水泥,混凝土工厂的废水、混凝土搅拌废弃材料、不合格混凝土(混凝土、水泥、骨料等材料的再利用

15、。第三类从混凝土到其它材料。把废弃混凝土作为为土壤和水提供碱性的材料、地面稳定材料、人行道的底基材料、沥青混凝土的填料,用废弃的混凝土构件做防洪堤坝的堤脚保护等。表2从非建筑产业到混凝土产业副产品材料用途硫磺、粉煤灰、高炉炉渣、转炉炉渣、铜炉渣、铸铁用的模砂、垃圾燃烧的灰烬(用于生态水泥、轮胎、木板、燃用废油水泥粒状炉渣、粉煤灰、硅灰、粒状玻璃、垃圾燃烧的灰烬、石灰粉、石粉、碳泥燃烧的灰烬、米壳灰矿物掺料木质素等化学掺料高炉炉渣、铜炉渣、铁镍合金炉渣、电炉氧化炉渣、碎玻璃、粉煤灰骨料、砖、瓦片、陶瓷、来自垃圾燃烧灰烬的熔渣、来自碳泥燃烧灰烬的熔渣、碎塑料、纸、泥骨料目前为止,已有多种副产品用作

16、混凝土骨料,既有产自建筑工业的,又有产自其他工业的。最常用的混凝土骨料副产品是产自金属冶炼和提纯的炉渣。这些材料既被用作混凝土骨料,又被用作水泥的原材料。高炉炉渣混凝土粗骨料和细骨料分别在1977年和1981年被作为J IS(Japanese Industrial S tandard,日本工业标准规范标准化了。1992年和1997年分别制定了铁镍矿渣细骨料J IS规范和铜矿渣细骨料J IS规范。与此同时,有些混凝土专家呼吁,作为混凝土的骨料,一定要满足不同性能要求的混凝土的物理和力学特性。不能把混凝土当作“垃圾箱”,收留任何工业废料。有些材料,如玻璃,应该在它们自己的封闭圈内循环使用。如果玻璃

17、广泛地用作混凝土骨料,玻璃工业本身的封闭循环圈将被打破,将影响玻璃工业的可持续发展,同时使用这种骨料配制的混凝土的耐久性受到影响,进而结构的寿命也将随之缩短。因此,当使用副产品材料作为混凝土骨料时,我们必须考虑混凝土结构的特点,充分考虑建筑物的耐久性和使用寿命。3再生骨料的破碎加工方法311再生骨料的加工方法目前再生骨料的加工方法大同小异,即将不同的切割破碎设备、传送机械、筛分设备和清除杂质的设备有机地组合在一起,共同完成破碎、筛分和除去杂质等工序,最后得到符合质量要求的再生细骨料和再生粗骨料。不同的设计者和生产厂家在生产细节上略有不同。日本两家公司(T akenaka C orporatio

18、n, T akenaka Civil Engineering&C onstruction C o.,Ltd.、大阪城市大学和粟本钢有限公司(Osaka City University and K urim oto Ltd.的Masaru Y amada教授共同研发的高性能再生骨料,命名为“Cy2 clite”(the high2quality recycled aggregate。这种高性能再生骨料生产过程包括三个阶段:(1预处理阶:除去废弃混凝土中的其他杂质,用颚式破碎机将混凝土块破碎成40毫米直径的颗粒;(2碾磨阶段:混凝土块在偏心转筒内旋转,使其相互碰撞、摩擦、碾磨,除去附着于骨

19、料表面的水泥浆和砂浆。(3筛分阶段:最终的材料经过过筛,除去水泥和砂浆等细小颗粒,最后得到的即为高性能再生骨料。见图1。这个项目是日本建筑技术创新中心批准的项目(Building Center of Japans InnovativeBuilding T echnology Approval Program ,得到了“日本建筑技术创新中心”(Building Center of Japan s Innovative Building T echnology 的认证。生产的高性能再生骨满足日本工业标准J IS 和日本建筑标准规范JASS (Japanese Architectural S tan

20、dard S pecification 规定的原生骨料和碎石的标准,同时满足建设中心提出的所有技术认证标准。用“Cyclite ”生产的混凝土与用原生骨料生产的混凝土性能基本相同。这项技术在日本的大阪已得到实际的应用。 图1高性能骨料的生产工程德国是再生骨料应用情况较好的国家,其再生骨料的处理和分类过程见图2。 图2德国再生骨料的处理和分类过程312破碎加工方法对骨料的影响用废弃混凝土块制造再生骨料的过程中,由于破碎机械使混凝土受到挤压、冲撞、研磨等外力的影响,造成损伤积累使再生骨料内部存在大量微裂纹,使得混凝土块中骨料和水泥浆形成的原始界面受到影响或破坏,混凝土块中骨料和水泥浆体的粘结力下降

21、。破碎的力度越大,骨料周围包裹的水泥浆脱离的就越多,产生的再生出骨料的性能越好,越接近天然骨料的性质。日本生产的高质量再生骨料“Cyclite ”(the high 2quality recy 2cled aggregate ,就已经达到了天然骨料的品质。至于混凝土块在解体、破碎过程中由于损伤积累对混凝土内部骨料和水泥浆体原来界面的影响,以及用再生混凝土骨料产生的再生混凝土中,新旧骨料之间、新旧水泥浆体之间的界面结合能力,新拌水泥浆体对再生骨料中骨料和水泥浆体的原始“创伤”的治愈程度,还有待于更深层次的研究。现在已经有人对再生骨料的强化做了一些研究。有的再生混凝土的生产工艺中有冲洗工序,这对提

22、高再生骨料的性能是非常有利的。但是这不仅使生产工艺复杂化,而且现场湿式作业,浪费大量水资源,增加生产成本,不利于再生混凝土的推广应用。4再生骨料的主要性能411再生骨料的堆积密度和表观密度同天然砂石骨料相比,再生骨料表面还包裹着相当数量的水泥砂浆,表面粗糙、棱角较多,由于水泥砂浆孔隙率大、吸水率高,再加上混凝土块在解体、破碎过程中由于损伤积累使再生骨料内部存在大量微裂纹,从而导致再生骨料的密度和表观密度比普通骨料低,吸水率高和吸水速率块。再生骨料密度、表观密度、吸水率等物理特性,与母体混凝土(即废弃混凝土的强度等级、配比、使用时间、使用环境及地域等因素有关。从目前的文献看,其数值的离散性较大。

23、再生细骨料的堆积密度为天然骨料的75%80%,再生粗骨料的堆积密度为天然骨料的85%以上;再生细骨料的表观密度为天然细骨料的80%85%,再生粗骨料表观密度为天然粗骨料的90%以上。本课题组3采用的天然粗骨料与再生粗骨料(某机场废弃混凝土的级配组成和再生粗骨料与天然粗骨料的堆积密度与表观密度试验结果见表3和表4。由表4可见,再生粗骨料(的堆积密度与表观密度分别为天然粗骨料的8617%和88%。表3天然粗骨料与再生粗骨料的级配组成粗骨料类型粒径范围/mm51038.96%再生12.56%50.76%36.68%再生(515(1531.5=32表4天然粗骨料与再生粗骨料的堆积密度与表观密度骨料类型

24、天然再生再生堆积密度/(kg/m 3282024822520412再生骨料的压碎指标压碎指标是表示骨料强度的一个参数。由于再生粗骨料表面包裹着水泥浆或和砂浆,所以再生骨料的压碎指标比天然骨料的压碎指标要高。同时再生骨料的压碎指标还与母体混凝土的强度和加工破碎方法有关。母体混凝土的强度越高,再生骨料的压碎指标也越高。加工过程中水泥浆体和砂浆脱落越多,压碎指标越小。本课题3采用的骨料的压碎指标是:再生粗骨料为1711%,再生粗骨料为1512%。文献9给出的再生骨料的压碎指标为1616%。413再生骨料的吸水率再生骨料的吸水率高这是个不争论的事实。主要原因是再生骨料中水泥砂浆含量较高,再加上机械破碎

25、中造成损伤积累使再生骨料内部存在大量微裂纹,使再生骨料孔隙率高,吸水性大。因为再生骨料的吸水率受到母体材料的强度、组成及气候条件等因素的影响,吸水率离散性较大。再生细骨料的吸水率要大于再生粗骨料的吸水率。从目前国内的文献看,再生细骨料的吸水率在10%12%,粗骨料的吸水率从21512%;国外报道的细骨料的吸水率达到15%,粗骨料的吸水率在5%左右。日本工业协会制订的再生细骨料的吸水率在13%以下,粗骨料的吸水率在7%以下。本课题组测试了各级配在10min ,30min ,24h 的吸水率,结果见表5。不同粒径再生粗骨料的吸水率结果见表6。表5天然粗骨料与再生粗骨料的吸水率骨料类型天然再生骨料再

26、生骨料10m in0.33% 5.68%8.34%30m in0.38% 5.96%8.82%24h0.40% 6.25%9.25%表6不同粒径再生粗骨料的吸水率粒径51010202031.510m in11.5% 3.9% 2.6%30m in13.6% 4.5% 3.1%24h13.9% 4.6% 3.2%再生骨料较大的吸水率和特殊的表面性质,导致再生混凝土随着时间的推移水分不断减少,这将难以保证混凝土正常的凝结硬化,影响混凝土的内部质量。因此在试验和应用工程中要妥善处理好再生骨料吸水率高的问题。国内试验中常用的两种方法是增加附加水和添加高效塑化剂或高效减水剂。采用增加附加水的方法拌制再生

27、混凝土,其用水量要比按天然骨料混凝土的配合比设计的理论用水量多大约5%。外国文献减小再生骨料吸水率的方法有:改善再生骨料自身的质量,尽量减少再生骨料中水泥浆的含量,减少其吸水率;使用高效减水剂或塑化剂。文献10中提出了基于自由水灰比之上的配合比设计方法为解决再生骨料吸水率较大而引起再生混凝土强度波动的问题。如果将这种基于自由水灰比之上的配合比设计方法应用在普通混凝土和其它混凝土中,可以不考虑骨料的吸水率和表面性质的不同,自由水灰比均由混凝土的和易性和强度确定,若采用不同品质的再生骨料时,应分别加入各自的所需吸附水,这样,不但可以简化混凝土的配合比设计方法,而且可以在所有混凝土配合比设计中制定一

28、个统一的标准。从而方便再生骨料混凝土的实际应用。414再生骨料的杂质含量再生骨料中的杂质主要是指骨料中的一些软弱物资,如泥沙、矿物碎屑、木屑、塑料等。这些杂质的存在,对再生骨料和再生骨料混凝土的质量都有影响,使再生骨料混凝土的强度降低、干缩率增大、抗冻融能力差、耐久性低。再生骨料杂质的含量和它的加工处理方法有关。如生产工序中有水洗工艺生产的再生骨料要比仅采用筛分工艺生产的再生骨料的杂质含量要低。因此在设计再生骨料的生产工艺时,要尽最大限度地减少各种有害杂质的含量。德国再生骨料生产中的重要的步骤是使用架空磁性分离机对铁片进行分离;采用空气分离技术,从含有不同回收材料的初始混合物中分出0/4mm的

29、回收砂、轻质材料(包括纸板、纸片、木屑和泡沫混凝土;采用湿处理技术,该处理技术除了能防尘土外,还能分离出密度小于2g/cm3的材料。获得的再生骨料完全符合DI N4226规范对骨料的质量要求。由德国钢筋混凝土委员会颁布再生骨料混凝土的应用指南8中第二部分给出了再生骨料的质量要求,再生骨料混凝土必须符合规范DI N4226中与天然骨料相同的技术要求,附加要求取决于下列特性:混合物、干密度、吸水率和使用环境条件。目前对室外构件的应用有一定限制,当再生骨料无碱硅反应时,才能使用。再生骨料混凝土必须满足天然骨料混凝土的相同要求。这一规定使再生混凝土变得更加方便应用,这是因为,在工程设计阶段,设计人员一

30、般不清楚所使用的混凝土是否含有再生骨料。415混凝土再生骨料的强化由于再生骨料在破碎中存在微裂缝,颗粒中包含砂浆和水泥浆,与天然骨料相比,具有孔隙率高、吸水性性大、强度等级低。要向获得良好质量的再生骨料。可以用物理获化学方法对其进行强化。通过在水泥、火山灰溶液、火山灰溶液或其它化学浆体中浸泡。通过这种技术处理,即使是单独使用破碎的混凝土颗粒,再生骨料混凝土可获得足够的强度来建筑普通混凝土结构11。杜婷12等人分别用纯水泥浆、水泥外掺K im粉混合浆液、水泥外掺硅粉浆液和水泥外掺级粉煤灰浆液对再生骨料进行增强。试验表明对再生骨料本身的强度有一定程度的提高,但其对再生骨料混凝土的强度提高效果并不明

31、显。对再生骨料进行强化处理,是提高再生骨料的一条途径。但从经济和应用推广考虑,有其局限性。5总结再生骨料和再生骨料混凝土作为有潜在发展能力的材料,经过适当的加工处理,能够得到符合规范要求的再生骨料或高质量的再生骨料。目前再生骨料的应用还处于起步阶段,其应用范围和应用量还受到一定的限制,在应用比较好的日本、德国、英国等国家的应用情况也不太乐观。要想使再生骨料和天然骨料有同样的地位,必须克服再生骨料应用中的一些障碍,对再生骨料的研究还要做更艰苦的工作。参考文献states of natural and recycled aggregates on the slum p and com pressi

32、ve strength of concrete.Cement and C oncrete Research,34(200431-36.2Peter G rübl,Andrew Nealen.C onstruction O f An O ffice Building UsingC oncrete M ade From Recycled Dem olition M aterial.Aus Darmstadt C on2crete V ol.131998.with low2strength bricks as lightweight coarse aggregate.M agazine o

33、f C on2 crete Research,v53,n6,December,2001,p367-375.4D ouglas C.S tahl,P.E.,M.ASCE;G regg Skoraczewski;Phil Arena;andBryant S tem pski.Lightweight C oncrete M as onry with Recycled W ood Aggre2 gate.Journal O f M aterials In Civil Engineering/M arch/April2002,p116-121.5Ibrahim Shehata,Shahram Varzavand,Ahmed E lSawy,and M ohammedFahmy.The Use of S olid W aste M aterials as