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废弃混凝土的利用与研究
2010年6月8日
摘要
本论文研究的是将废弃混凝土破碎并筛分成粗细骨料,其中5mm-13mm的粗骨料和1mm-5mm的细骨料用来代替部分原始骨料配制再生混凝土,研究其力学性能;1mm以下的粒料磨成两种不同细度的掺和料,添加激发剂,代替部分水泥配制成水泥试件,研究其是否能够改善水泥的力学性能。
论文以解体混凝土破碎并筛分成的粗细骨料为研究对象,主要从以下几个方面进行开展:
即不同百分比再生骨料掺量混凝土的配制,和易性的检验,强度的测试;不同成分掺和料水泥净浆模的制备,强度的测试。
实验发现:
(1)再生骨料最多可以替代40%的原始骨料,能够保证不影响强度发展;
(2)明矾混合废弃混凝土掺和料可以提高水泥强度,以掺加掺和料质量的5%为最佳,碳酸钠无激发效果。
关键词:
废弃混凝土、再生骨料、掺和料、激发剂、激发机理
Abstract
Thisresearchistalkingaboutbreakinganddumpingwasteconcretetocoarseandthicknessaggregates,inwhichofthatthe5mm-13mmcoarseaggregatesandthe1mm-5mmthicknessaggregatesareusedtoreplacesomeprimitiveaggregatespreparationforrecycledconcrete,andstudythemechanicsperformance;the1mmfollowingaggregatesaregroundedintotwodifferentfinenessofadmixture,addedinspireagent,andinsteadofpartialcementtomakeintocementspecimens,thenstudywhetheritcanimprovethemechanicalpropertiesofcement.
Thepaper’sresearchobjectsarecoarseandthicknessaggregatesthatbrokenanddumpedfromwasteconcrete,mainlyfromthefollowingseveralaspects:
theconfigurationofdifferentpercentageintheadmixtureofrenewableaggregateconcrete,thetestofworkabilityandstrength;theconfigurationofdifferentcompositionsadmixturecementslurrypreparationofclean,thetestofstrengthofmold;theanalysisofthegrindingfinepartical.Experimentshavefoundthat:
(1)regenerationaggregatecanreplacethemost40%oftheoriginalaggregate,anditcanguaranteethatitdoesnotaffectthestrengthdevelopment;
(2)thealummixingwasteconcreteadmixturecanimprovethestrengthofcement,thebesofthatismixing5%ofadmixturequality,sodiumcarbonatedoesnothavestimulatingeffect.
Keywords:
wasteconcrete、regenerationaggregate、admixture、stimulateagent、stimulatingmechanism.
目录
摘要I
AbstractII
第1章绪论1
1.1前言1
1.1.1研究的依据及意义1
1.1.2废弃混凝土的破碎工艺1
1.2再生骨料2
1.2.1概况2
1.2.2再生骨料的进展3
1.3掺和料的进展5
1.4国内外再生混凝土技术进展6
1.4.1国外技术进展6
1.4.2国内技术进展6
第2章实验部分8
2.1原材料8
2.1.1原料及其处理8
2.1.2原料的性质9
2.2再生骨料替代实验9
2.2.1混凝土配合比的选择9
2.2.2混凝土试件的成型10
2.2.3混凝土试件的养护11
2.2.4混凝土试件强度的测量11
2.3掺和料激发水泥强度实验12
2.3.1水泥净浆配合比12
2.3.2只添加掺和料的水泥试件的成型12
2.3.3添加掺和料和激发剂水泥试件的成型13
第3章结果与分析14
3.1再生骨料替代实验结果与分析15
3.1.1实验数据记录15
3.1.2结果分析与处理17
3.2掺和料激发水泥强度实验结果与分析18
3.2.1实验数据记录18
3.2.2结果分析与处理24
3.3激发机理分析26
结论28
参考文献29
致谢31
第1章绪论
1.1前言
1.1.1研究的依据及意义
传统的混凝土材料并不是取之不尽的,为了解决这个问题,各国都开始了废传弃混凝土的再生利用以及再生混凝土的开发。
肖建庄等[1]认为:
一方面,废弃混凝土的数量在迅速增加;另一方面,随着社会经济的发展、混凝土用量的增大,因开采砂石骨料而造成的资源枯竭和环境破坏已成为人们关注的焦点,混凝土的可持续发展与骨料危机的矛盾日益突出。
因此将废弃混凝土就地回收,经破碎、清洗、分级后作为骨料再利用,生产再生混凝土用于新建工程,则不仅能降低成本,节约天然骨料资源,缓解骨料供求矛盾,还能减轻城市环境的污染。
以安徽省[2]为例,目前每年排放的渣土总量呈持续发展态势,2002年在1800t万左右。
而废弃混凝土约占渣土总量的38%,即800万t左右,主要是由拆、建房以及道路翻修等土木工程施工过程中产生的。
大部分废弃混凝土未得到合理回收和高效利用。
本课题正是立足于安徽省大量的废弃混凝土,研究废弃混凝土的再回收利用,在回收的废弃混凝土经过破碎之后,本课题是将其分为两部分来研究,一部分是再生骨料,主要是研究再生骨料的性能,并与天然骨料进行比较,探索其大量开发利用的可能性;另外一部分通过磨细粉作为掺合料加入激发剂,研究其对混凝土有何作用,能否替代一些正统的掺合料,实现资源的循环利用。
1.1.2废弃混凝土的破碎工艺
1.1.2.1俄罗斯破碎工艺
鉴于废弃混凝土中往往混有金属、玻璃及木材等杂质,因此在俄罗斯的工艺流程[3]中,特别设置了磁铁分离器与分离台等装置以便去除铁质成分。
配备有2台转子破碎机,分别对混凝土颗粒进行预破碎与二次破碎。
预破碎完毕的骨料经双筛网筛分机处理,被分为0—5mm、5—40mm及40mm以上三种粒径。
在普通配合比的结构混凝土中,骨料粒径一般不大于40mm,因此,为充分利用废弃混凝土资源,将40mm以上的碎石再次破碎,使粒径达到0—40mm。
该工艺的主要缺点是加工设备繁多,导致初期的投资规模较大,不利于其在短期内的推广应用。
1.1.2.2德国破碎工艺
德国的废弃混凝土[4]再生工艺流程主要由1个二档等级的破碎机组成,分为前破碎机和后破碎机,还必须装置2个颚式破碎机。
经破碎的石料须烘其干。
他的组成设备包括铁件收料台(电磁器)等。
通过颚式破碎机的加工,再生骨料的级配被筛分为0—4mm、4—16mm、16—45mm及45mm以上。
该工艺由于整个处理流程需安装2台颚式破碎机及4台筛分机,因此投资费用巨大且工程占地面积大。
1.1.2.3中国的破碎工艺
将废弃混凝土块经过破碎、清洗、分级后,按一定比例混合形成再生骨料,部分或全部代替天然骨料配制的新混凝土称为再生骨料混凝土,简称再生混凝土。
史巍[5]等人以某工厂行车梁拆除后废弃混凝土为再生骨料,对再生骨料和再生混凝土的有关性能进行了研究。
结果表明再生骨料的空隙率高,吸水率大,压碎指标比天然碎石高,说明其强度没有天然集料高;利用再生骨料配制的再生混凝土,其新拌混凝土的和易性较差,但若以30%以下的再生骨料等量取代混凝土中的天然骨料时,其性能与基准混凝土相似,对混凝土的强度不会有太大的影响;要达到相同的坍落度时,采用再生骨料配制的混凝土比用天然骨料配制的混凝土的用水量大;将废弃混凝土再生资源化,可以节省天然砂石骨料,缓解了因开采砂石骨料对环境造成的破坏,有效的解决了废物处理、废物利用的问题,具有明显的社会效益、经济效益和环境效益。
1.2再生骨料
1.2.1概况
(1)再生骨料的定义:
再生骨料[6]是指将废弃混凝土通过破碎、分级、清洗,并按国家标准对粗骨料颗粒级配的要求进行调整后得到的混凝土粗骨料。
它是由拆除因达到使用年限或老化的旧建筑物而产生的废弃混凝土块,这是废弃混凝土的主要来源;因意外原因如地震、台风、洪水、战争等造成建筑物倒塌而产生的废弃混凝土块;市政工程的动迁以及重大基础设施的改造产生的废弃混凝土块;商品混凝土工厂产生的废弃混凝土这几类废弃混凝土生产而成。
(2)生产再生骨料的原因[7]:
环境分析——由于我国经济进入高速发展阶段,基础建设规模越来越大,每年用于浇筑混凝土的骨料就达11~14亿立方米。
而这些山体是不可再生的资源,它的消失对人类与环境是难以估计的损失。
到目前为止由于过度开采,造成许多因人为因素引起的自然灾害(洪水、水土流失、土地荒漠化、环境污染、生态破坏等),严重影响了我国的可持续发展战略。
(3)再生骨料使用情况【8】:
英国每年使用的骨料中有10%是再生骨料;在1997年荷兰就消耗了78000t再生骨料;德国每年有40%以上的建筑废弃物被重新利用;2004年前希腊学者就强烈建议使再生骨料运用于希腊奥运会工程建设之中。
1.2.2再生骨料的进展
1.2.2.1性能
顾荣军[9]等利用自己设计的实验进行测试得到了
(1)再生骨料颗粒级配连续,粒径为5—31.5mm,平均粒径在12—16mm之间,符合标准;
(2)再生骨料的表观密度受原废弃混凝土密度影响,相对于天然骨料降低了8.1%;
(3)再生骨料的含水率约为天然骨料的23倍,吸水率约为天然骨料的8倍;
(4)再生骨料压碎指标值可以满足配置c30以上混凝土的要求,一般都在14%—30%之间;
(5)再生骨料的针片状含量比天然骨料小很多;
(6)再生骨料界面存有缝隙,相对天然骨料具有表面粗糙孔隙率大棱角较多等特点在混凝土中,再生骨料中旧水泥砂浆与新水泥砂浆有相对较密实的界面。
1.2.2.2再生骨料对新拌混凝土性能的影响
陈莹[10]等分别用10~20mm单粒级再生骨料和天然料作为混凝土骨料,P.O32.5R水泥,配制C30混凝土,重点研究再生骨料对新拌混凝土和易性和硬化混凝土抗压强度的影响规律。
每立方米混凝土各种材料的用量为:
水泥420kg/m3、砂628kg/m3石1218kg/m3、水185kg/m3。
通过研究发现:
(1)对和易的影响:
混凝土的和易性是指混凝土拌合物便于施工操作,并能施工出均匀密实混凝土的性能,包括拌合物的流动性、粘聚性和保水性。
流动性用坍落度值来评定,粘聚性和保水性则主要凭经验观测来评价。
测得再生骨料混凝土的坍落度与天然骨料混凝土相比明显降低:
从15mm下降到5mm。
显然由于再生骨料较天然骨料孔隙多,吸水率大,达到相同流动性时需水泥浆量多,从而降低混凝土坍落度,流动性比天然骨料小。
但在试验中,观察到再生骨料混凝土的粘聚性和保水性较天然骨料好。
(2)对抗压强度的影响:
实测天然骨料混凝土28天抗压强度为42.15MPa,而再生骨料混凝土的抗压强度为37.13MPa,比天然骨料混凝土的抗压强度下降了12.2%。
已有试验结果证明,与天然骨料混凝土相比,同一水灰比的再生骨料混凝土的28天抗压强度约低15%。
(3)对混凝土强度正反两方面的影响:
再生骨料自身强度低将降低混凝土强度,再生骨料混凝土强度比天然骨料混凝土强度低。
界面区结构和界面粘结强度将增强。
首先,再生骨料的亲水性较强,能很快被水润湿,使界面区的水灰比降低,形成较致密的界面结构。
其次,由于再生骨料表面粘附水泥砂浆,表面粗糙度比天然骨料大,再加上在解体破碎的过程中,部分骨料由于受力而沿纹理开裂,既增加了新的粗糙表面,又增加了棱角效应。
1.2.2.3再生骨料的优缺点
杜婷[11]等认为:
(1)再生骨料表面包裹的水泥砂浆较岩石强度小、孔隙率大,并且再生骨料在混凝土块解体破碎过程中产生大量微裂纹,因此再生骨料较普通骨料表观密度小、吸水率大、强度低。
(2)随着再生骨料颗粒粒径的减小,再生骨料的堆积密度降低,颗粒间的空隙率增大,骨料吸水率快速增大。
为保证再生骨料混凝土的正常生产和性能,应特别注意再生骨料的高吸水率问题。
(3)相对配比条件下,再生骨料将降低新拌混凝土的流动性,但粘聚性和保水性良好。
再生骨料虽强度较天然骨料强度低,但因再生骨料粗糙,吸水率大,与水泥砂浆界面粘结状况改善,可以部分补偿因骨料自身强度低对硬化混凝土强度形成的不利影响。
因此,再生骨料混凝土比天然骨料混凝土抗压强度略有降低。
国外Masuoka[12]等认为:
(1)再生骨料的基本性能与天然骨料存在差异,再生骨料由天然骨料与旧水泥砂浆组成,其表观密度较小吸水率与含水率高压碎指标值较高针片状含量小棱角较多孔隙率大。
(2)再生骨料的孔隙率大压碎指标值高等特点会对再生混凝土的强度与耐久性产生不利影响;再生骨料中旧水泥砂浆表面粗糙,可与新水泥砂浆产生良好的黏结,且针片状含量小,所以又会对再生混凝土性能形成一定的积极作用这将使得对再生混凝土的试验研究结果因为实际情况不同而产生离散性。
1.3掺和料的进展
(1)刘数华[13]等通过水泥·ISO标准砂·NAOH·无水NA2CO3·废弃混凝土磨细矿物掺料来研究fh、fz以不同比例替代水泥后以及分别加入NAOH或Na2CO3作激发剂后对水泥的一系列物理力学性能的影响,杨久俊[14]等得出结论:
碱性激发剂对FH、FZ有激发效果,加入激发剂后与未加激发剂的相比强度大大提高,尤其是早期强度。
激发剂的掺量以1.5%为佳。
(2)王武祥[15]等用磨成细粉的废弃混凝土;水泥熟料;标准砂;激发剂:
氢氧化钠(NaOH)来确定激发剂的最适量。
田芳[16]等证明了废弃混凝土磨细粉可以作为水泥的掺合料,比例为10%较为合理,碱性激发剂NaOH对废弃混凝土磨细粉的激发效果不明显,还有待继续研究效果良好的激发剂。
(3)朱国伟[17]等通过废弃石粉·复合矿物等材料来研究其对混凝土的影响,林可,胡红梅[18]通过本次试验认为:
粉煤灰和石粉作为工业废渣,完全可以作为混凝土的矿物掺合料用于混凝土生产,建议单掺石粉掺量为10%一15%,粉煤灰为15%一30%。
复掺石粉掺量为10%一巧%,粉煤灰为10%-20%。
必要的时候可以加人硅灰。
(4)杨义等[19]用矿渣粉、钢渣粉、粉煤灰和废弃混凝土配制出28d强度大于50MPa,坍落度为200mm的再生混凝土,废弃混凝土取代率为80%,当矿渣粉掺量由20%提高到40%时,混凝土抗压强度可由55.0MPa提高到57.6MPa。
1.4国内外再生混凝土技术进展
1.4.1国外技术进展
最近20年的资料[20]显示:
美国、日本和欧洲等发达国家对废弃混凝土的再利用研究主要集中在对再生骨料和再生混凝土基本性能的研究。
研究成果表明再生混凝土基本能满足普通混凝土的性能要求,其应用于工程结构是可行的。
日本的清水建设公司和东京电力公司[21]研究将混凝土废料破碎成小于40mm的颗粒,再在300℃温度下进行热处理。
然后,在特殊机械作用下使这些废料相互碰撞、摩擦,达到水泥砂浆与石子的分离。
石子分离后又恢复到天然骨料的状态,可生产新混凝土。
韩国一家名为“利福姆系统”公司[22]说,他们首先把废弃混凝土中的水泥与石子、钢筋等分离开来,然后在700℃的高温下对水泥进行加热处理,并添加特殊的物质,就能生产出再生水泥。
这种再生水泥的强度与普通水泥几乎一样,有些甚至更好,符合韩国的施工标准。
丹麦[23]于1990年颁布法规修正案允许再生骨料在适宜环境下用于某些特定的结构。
该修正案将回收的混凝土按强度分为2类:
其中强度为20MPa以下的为第1类,而强度为20~40MPa的为第2类。
在使用这些再生骨料过程中,要求各类骨料达到一定的技术要求。
1.4.2国内技术进展
国内数十家大学和研究机构[24]开展了再生混凝土的研究,而且研究工作逐渐深入。
为了解决再生骨料混凝土高吸水和高收缩的问题,研究人员系统研究了再生骨料的结构特性、水分迁移特性和再生混凝土界面过渡区微观结构,为采取合理有效的措施解决这些问题奠定了基础。
北京一家城建企业回收800多种建筑垃圾,成功地用于砌筑砂浆、内墙和顶棚抹灰、细石混凝土楼面及混凝土垫层。
另一利用途径是向深度研发。
湖北省襄樊市公路建设中大量采用了破损的混凝土路面,取得了良好的经济效益和社会效益。
他们在水稳基层中采用30%左右的再生骨料,并使水稳基层的性能得到改善,成本也有所降低。
第2章实验部分
2.1原材料
2.1.1原料及其处理
废弃混凝土:
取自安徽省建筑工业学院材化系实验室。
该废弃混凝土所具备的特征:
无钢筋、掺和料等添加料;含有粗骨料;干燥;规格:
150mm·150mm·150mm。
废弃混凝土的破碎:
由于废弃混凝土的规格过大,无法被破碎机直接破碎,因此需要进行初步压碎和破碎机破碎两个步骤。
(1)初步压碎:
利用抗压仪充当压力机,对试块进行压碎,收集碎块,对于有些仍然过大的碎块需
要用木槌敲碎;
(2)破碎机破碎:
破碎机如图。
图2.1规格为0-13mm的破碎机
破碎机规格:
0—13mm。
(破碎后粒料粒径有些偏小,此种情况在后文将给予说明)
碎料的筛分:
由于筛分过程比较简单,采用手工筛分。
先采用孔径为5mm
的振筛将破碎后的粒料筛分成5—13mm和0—5mm两组,如图
图2.2破碎筛分后0—5mm粒料
图2.3破碎筛分后5—13mm粒料
再采用孔径为1mm的振筛将0—5mm的粒料分为0—1mm和1—5mm两组。
细料的粉磨:
1mm以下的粒料不用作再生骨料,而是用球磨机粉磨成粉末作为水泥的掺和料使用。
本实验所采用的球磨机的最大容量为5千克。
由于实验的对比需要,需要两组粉磨不同时间的粉末,一组为30min,一组为1h。
粒料的处理:
5—13mm的粒料在本实验中被用作再生骨料的粗骨料使用,1—5mm的粒料用作细骨料,而1mm以下的粒料需要经过球磨机粉磨,用作水泥的掺和料使用。
本实验中由于破碎机规格的限制,最大粒径只有13mm,对于混凝土来说,有些偏小,但由于本实验是性能对比试验,所以可以通过以下措施来改善这一弊端:
(1)普通混凝土参照组所使用的骨料也需要筛分,最大粒径为13mm,这样才能保证实验的可比性;
(2)再生骨料代替天然骨料时只替代5—13mm的部分,细骨料仍然采用天然细料。
2.1.2原料的性质
原料的组成:
实验所用的粒料主要由沙,石和粒料表面所附着的水泥浆体所组成。
2.2再生骨料替代实验
2.2.1混凝土配合比的选择
本实验部分采用的是杨湾海螺水泥厂生产的强度等级为42.5MPa的P﹒I硅酸盐水泥;
混凝土配合比[25]如下表:
表2.1混凝土配合比
水泥强度等级
W/C
每立方米混凝土材料用量(kg)
配合比
砂率
坍落度
42.5
0.6
水泥
水
中砂
石子
水泥:
砂:
石:
水
35.50%
80mm
317
190
654
1189
1:
2.06:
3.75:
0.60
实际配制混凝土的各物质量如下:
实配1%立方米的混凝土,需水泥3.17千克,砂6.54千克,石11.89千克,水1900ml。
2.2.2混凝土试件的成型
1.前期准备
共进行六组混凝土配制,其各物质掺量如下表:
表2.2混凝土物质配合量
组数
替代百分比
水泥(kg)
水(ml)
砂(kg)
天然粗骨料(kg)
再生粗骨料(kg)
1
0
3.170
1900
6.540
11.890
0
2
20%
3.170
1900
6.540
9.512
2.378
3
40%
3.170
1900
6.540
7.134
4.756
4
60%
3.170
1900
6.540
4.756
7.134
5
80%
3.170
1900
6.540
2.378
9.512
6
100%
3.170
1900
6.540
0
11.890
每组准备六个100mm·100mm·100mm的正方体模具和两个三连模,并将其全部擦净,四周模板与底板接触面上涂上黄油,紧密装配,防止漏浆。
内壁均匀刷一薄层机油,以防止混凝土凝结在模具上,这样也有利于拆模。
2.各组混凝土试块的成型
按照上表所示的物料掺量,成型各组试块,所成型的抗压试块的尺寸为100mm·100mm·100mm,抗折试块尺寸为40mm·40mm·160mm。
步骤如下:
(1)按照表中各物质量准确称取各物质,预混合各物质,进行人工拌合,拌合过程中要尽量混合均匀,这样有利于和易性的判定;
(2)拌合好之后,要进行坍落度的检验,检验范围在70mm—90mm之间,除此之外还要进行和易性的观察和判定,尽量保证各组混凝土的配合比,坍落度以及和易性非常相近,增强其对比性;
(3)根据坍落度和和易性修正配合比,再配制混凝土;
(4)配制好混凝土之后即可进行装模,在装模过程中要尽量除尽气泡,使其完全密实,另外,在捣实过程中,要注意不要使模具变形。
2.2.3混凝土试件的养护
1.脱模前的养护
将上述成型的全部试块放入地下室中养护,养护条件是:
温度为25℃、相对湿度大于50%。
一直养护到规定的脱模时间时再取出脱模。
2.脱模
将上述试块在成型后20-24h之间脱模。
脱模时应小心,防止损坏试块,导致测量结果不准确。
脱模完成后,用防水墨汁或颜料笔对试体进行编号。
2.2.4混凝土试件强度的测量
1.抗压强度的定义
材料的机械强度[26]是指材料收到外力作用时,其单位面积上所能承受的最大负荷。
一般用抗弯(抗折)强度、抗拉(抗张)强度、抗压强度、抗冲击强度等指标来表示。
材料抵抗机械作用的能力是材料最重要的性质之一。
不论是金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料或复合材料,当它们用作机械部件、结构材料等用途时,一般都要测定其力学性能。
混凝土的强度在使用中具有重要的意义。
混凝土强度是指混凝土试体在单位面积上所承受的外力,它是混凝土的主要性能指标。
注:
本
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