水射流回收废弃混凝土的再利用性能试验研究

现如今，由建筑垃圾引起的环境污染和资源消耗问题日益受到关注，建筑垃圾已经占据城市固体垃圾总量的40%。在“十三五”期间，国内每年因新建、拆除和装修等产生的建筑垃圾已超过15亿吨，但资源化率却不足30%。其中，废弃混凝土占据了建筑垃圾总量的40%~50%。造成建筑垃圾和废弃混凝土产量快速增长的主要原因是现有拆除方式侧重于高效拆除和定向倒塌，却忽略了对于废弃混凝土再利用性能的保留，导致绝大多数废弃混凝土在拆除过程中由于掺入各种成分不明的杂质，只能被当作建筑垃圾处理，仅有少量能够得到有效回收。建筑物拆除方式决定了拆除机理，拆除机理决定了构件和材料质量，而构件和材料质量决定了作为再生混凝土的再利用性能。水射流作为一种冷态切割新工艺，具有快速材料去除、高效致裂破碎和选择性材料分离等技术优势，在工业建筑、材料加工等诸多领域都得到了广泛应用。Liu等基于声发射技术在线监测混凝土试样在磨料水射流切割下的破裂过程和损伤分布特点，这为水射流拆除混凝土的断口损伤界定提供了依据。彭见辉等以伯努利方程为理论基础分析了超高压水射流破碎混凝土的过程，探究了水射流破碎混凝土的各项输入参数与破碎效率之间的联系。Wang提出了一种使用高压水射流破碎废弃混凝土回收再生混凝土构件和再生粗骨料的新途径，探讨了使用水射流回收废弃混凝土的可行性。目前，水射流技术应用在混凝土领域的研究主要集中在致裂规律和破碎效率方面，鲜有使用水射流拆除旧建筑物和回收废弃混凝土的相关研究。基于此考虑，本文主要研究水射流拆除旧建筑物回收再生混凝土构件的剩余强度和断面粗糙度，分析水射流冲击下粗骨料与砂浆的分离机制及再生粗骨料的物理性质。1、试验1.1试验材料本研究中的混凝土成分包括水泥、水、粗骨料和细骨料。水泥使用华新水泥（中国鄂州）有限公司制造的P·O42.5普通硅酸盐水泥，骨料由中国武汉当地一家建材市场提供，粗骨料选用粒径为4.75~19mm的碎石，细骨料选用小于4.75mm的黄砂，试验用水使用普通自来水。为了有效分析不同老化程度和配合比对于水射流拆除后再生混凝土力学性能的影响，共制备3组混凝土试样，每组包含9种不同配合比的混凝土样品。第一组（B组）为尺寸100mm×100mm×100mm的普通混凝土，标记样品序号为B-1到B-9，正交试验设计参数如表1和表2所示。第二组（Q组）制备了与第一组具有相同配合比的尺寸为150mm×150mm×100mm的混凝土样品，养护完成后使用高压水射流拆除成100mm×100mm×100mm的立方体，标记样品序号为再生混凝土Q-1到Q-9。第三组（QL组）制备了与第二组具有相同尺寸和配合比的混凝土试样，为反映旧建筑物的实际使用情况，采用干湿循环方式模拟混凝土在自然条件下的老化过程。随后使用水射流将其拆除成100mm×100mm×100mm立方体，标记序号为再生混凝土QL-1到QL-9。表1正交试验参数因素水平表1.2试验方案水射流拆除旧建筑物回收再生混凝土剩余强度试验系统的主要设备包括高压水射流设备、微机控制电液伺服万能试验机和高精度三维扫描仪。首先，使用高压水射流设备将Q组和QL组混凝土试样从尺寸150mm×150mm×100mm切割成100mm×100mm×100mm的再生混凝土试样，射流压力设置为340MPa，喷嘴直径为0.33mm，喷嘴横移速度为50mm/min，靶距控制在5~8mm。这有利于与B组普通混凝土试样在同体积条件下对比力学性能，从而有效判断水射流拆除和加速老化对混凝土带来的影响。随后，使用微机控制电液伺服万能试验机测试所有混凝土试样的立方体抗压强度，压力加载速度控制在0.5~0.8MPa/s。抗压强度的计算方法参照混凝土立方体抗压强度的计算公式，由于试件尺寸为边长100mm的立方体，混凝土立方体抗压强度须乘以尺寸换算系数0.95。随后，使用高精度三维扫描仪对混凝土切割断面进行扫描，扫描范围为100mm×100mm，测量精度控制在0.015~0.008mm。扫描后的点云和封闭曲面模型数据可以用来计算再生混凝土断面粗糙度。表2正交试验设计（L9（33））2、结果与分析2.1水射流拆除后再生混凝土的剩余强度及断面粗糙度水射流拆除后再生混凝土的剩余抗压强度是重要评价指标，因为它决定了作为再生混凝土构件的可再利用性能。图1所展示的荷载-位移曲线描述了水射流拆除和加速老化对再生混凝土力学性能的影响，通过对比分析可以发现经历水射流拆除后再生混凝土的力学性能呈现离散型变化，不同配合比所制备的混凝土试件之间的强度有了明显差异，而加速老化过程的参与则进一步导致了再生混凝土强度的整体下降。图1荷载-位移曲线没有经过任何处理的B组混凝土试样和经过水射流拆除后的Q组再生混凝土试样之间的比较描述了水射流拆除对再生混凝土力学性能的影响。如图2所示，B组混凝土试样的抗压强度最高，达到了31.47MPa到41.41MPa。经过水射流拆除后，Q组再生混凝土的抗压强度表现为23.22MPa到40.51MPa。可以看出，水射流拆除后混凝土的剩余强度基本可以保持在91%到98%之间，这表明水射流拆除对于再生混凝土力学性能的影响是微乎其微的。然而，经过加速老化和水射流拆除后的QL组再生混凝土试样在抗压条件测试下显示出最低的抗压强度，仅在18.53MPa到29.52MPa之间。可能原因是加速老化溶解了砂浆中的胶凝成分，从而对混凝土的强度造成了严重影响。但即便如此，水射流拆除后仍可保留约71%的剩余强度，再次证实了使用水射流拆除旧建筑物回收再生混凝土构件的可行性。此外，配合比对再生混凝土的剩余强度也有很大的影响。试验结果表明，具有较低水灰比、较高单位用水量和较低砂率的混凝土试样在经过水射流拆除后的强度损失会明显降低。图2剩余抗压强度水射流拆除后再生混凝土的断面粗糙度对于构件连接性能是至关重要的，愈加粗糙的表面能够提高摩擦力和机械咬合力，有利于再生混凝土构件之间的紧密连接。在本研究中，采用Xie等提出的表面积计算方法，断面粗糙度可以通过断口表面积与其在主平面上投影面积之比得到。根据计算结果，Q组和QL组再生混凝土试样的断面粗糙度在1.10~1.31。其中，经历加速老化过程后的QL组再生混凝土的断面粗糙度相较于Q组混凝土普遍提升了4.0%~14.9%，这可能是由于混凝土强度的降低导致了去除效率的提高。2.2水射流冲击下混凝土致裂及骨料分离机制在水射流冲击混凝土的试验过程中，粗骨料与砂浆之间的界面过渡区存在可明显观察到的微裂缝，这说明水射流冲击可以充分利用粗骨料与砂浆之间的强度差异，通过控制适当的射流压力，使水射流具备破碎废弃混凝土，但不足以破坏粗骨料的能力，进而有效避免粗骨料在传统机械破碎分离回收过程中的摩擦性损坏，提高再生粗骨料的品质和再利用性能。此外，粗骨料与水泥砂浆之间的过渡界面作为混凝土中最薄弱的部位，这一观点已被广泛接受。如图3所示，粗骨料与砂浆之间的过渡界面更容易存在微孔和微裂缝，这会诱导水射流在冲击过程中更倾向于打断粗骨料与砂浆之间的介质连接，促使过渡界面上微孔与微裂缝的萌生、汇聚直至贯穿，并借助孔隙压力去除骨料表面附着的水泥浆体，从而获得高品质再生粗骨料。图3水射流冲击下骨料与砂浆分离机制一般来说，再生粗骨料的物理特性在一定程度上决定了再生骨料混凝土的性能。较低的颗粒密度和较高的吸水率是再生粗骨料区别于天然粗骨料的重要特征，这主要是由于再生粗骨料中残余的表面附着砂浆所导致的。在水射流破碎废弃混凝土分离再生粗骨料试验过程中，大部分粗骨料能够被有效收集到。如图4所示，相较于机械破碎分离方式获得的再生粗骨料普遍超过35%的附着砂浆含量，使用水射流分离方式获得的再生粗骨料可以有效降低到10%以下，这将会为进一步制成性能优越的再生骨料混凝土打下良好的基础。此外，通过骨料的颗粒形状分析，可以发现机械破碎分离方式获得的再生粗骨料的三个轴的长度都在不同程度上有所减少，球形度相比天然粗骨料更高，而使用水射流分离方式获得的再生粗骨料从形貌上看棱角则更为鲜明，作为再生粗骨料去配置再生混凝土时将会更好地起到销栓作用，强化再生混凝土强度。图4附着砂浆含量（a）水射流分离；（b）传统机械分离3、结论（1）旧建筑物可以通过水射流拆除来保留剩余强度，实现混凝土构件的回收再利用。水射流拆除后再生混凝土的剩余抗压强度可保留91%到98%，表明水射流拆除对于再生混凝土构件力学性能的影响是可以忽略不计的。此外，较低的水灰比、较高的单位用水量和较低的砂率都会导致水射流拆除后再生混凝土的强度损失明显降低。（2）水射流拆除造成的粗糙表面对于新旧混凝土界面的粘结是非常有利的。水射流拆除后再生混凝土的断面粗糙度普遍保持在1.10~1.31，经过加速老