李佳鑫

(西華大學(xué) 應(yīng)急學(xué)院，四川 成都 610039)

1 再生骨料混凝土研究現(xiàn)狀

1.1 再生骨料定義

我國(guó)是工程建設(shè)大國(guó)，新興建筑大量產(chǎn)生，老舊建筑也在大量拆除，而老舊建筑的拆除會(huì)產(chǎn)生大量的建筑垃圾。據(jù)測(cè)算每1 000 m2建筑施工面積平均產(chǎn)生55 t建筑垃圾，占城市垃圾排放量的48%[1]。處理這些建筑垃圾的方式大多為掩埋或就地堆放，由于其體量巨大，無(wú)疑會(huì)給當(dāng)?shù)貛?lái)土地資源浪費(fèi)及環(huán)境污染等問(wèn)題。如何處理建筑固廢，美、德、日等國(guó)學(xué)者首先提出了再生骨料混凝土這一概念并開(kāi)始了研究，闡明其定義為：再生骨料混凝土(Recycled Aggregate Concrete，RAC)簡(jiǎn)稱再生混凝土(Recycled Concrete)，它是指將廢棄混凝土塊經(jīng)過(guò)破碎、清洗與分級(jí)后，按一定的比例與級(jí)配混合形成再生混凝土骨料，部分或全部代替砂石等天然骨料配制而成新的混凝土[2]。

1.2 再生粗、骨料取代混凝土的工作性能

1.2.1 再生粗骨料取代混凝土的工作性能

混凝土工作性又稱和易性，是混凝土拌合物最重要的性能之一。用坍落度試驗(yàn)法來(lái)測(cè)試混凝土工作性是比較可靠的方法。以坍落度試驗(yàn)來(lái)檢測(cè)再生粗骨料取代后的混凝土工作性，根據(jù)胡敏萍[3]、孫家國(guó)等[4]的研究結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，隨著再生粗骨料的取代率增加，混凝土坍落度呈下降趨勢(shì)。特別在孫家國(guó)等[4]的研究中，再生粗骨料取代率為100%時(shí)，坍落度下降了50%，但仍滿足塑性混凝土(坍落度為50～90 mm)的標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果如圖1所示。出現(xiàn)這種情況是由于再生粗骨料品質(zhì)不好，表面粗糙、裂縫多、孔隙多，吸收了大量水分。

1.2.2 再生細(xì)骨料取代混凝土的工作性能

同樣以坍落度試驗(yàn)法分析再生細(xì)骨料取代天然細(xì)骨料混凝土的工作性。從石瑩等[5]、卞立波等[6]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)再生細(xì)骨料取代率在50%以內(nèi)時(shí)，坍落度降低得不明顯。當(dāng)取代率大于50%后，坍落度呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)。當(dāng)再生細(xì)骨料取代率為100%，甚至出現(xiàn)離析現(xiàn)象，結(jié)果如圖2所示。這是由于再生細(xì)骨料并不能與天然粗骨料級(jí)配良好，且再生細(xì)骨料自身也存在表面粗糙、孔隙多的問(wèn)題。所以想要再生細(xì)骨料取代混凝土保持合格的工作性，其摻量要控制在50%以內(nèi)。

圖1 再生粗骨料取代率對(duì)坍落度的影響

圖2 再生細(xì)骨料取代對(duì)坍落度的影響

1.3 再生粗、骨料取代混凝土的力學(xué)性能

1.3.1 再生粗骨料取代混凝土的力學(xué)性能

抗壓強(qiáng)度是最基本的力學(xué)性能指標(biāo)。根據(jù)陳宗平等[7]、張波志等[8]的研究發(fā)現(xiàn)，隨再生粗骨料的摻量增加，混凝土抗壓強(qiáng)度變化幅度不大，甚至比天然骨料混凝土抗壓強(qiáng)度略有提升，最大增值達(dá)到約8%，結(jié)果如圖3所示。分析可能的原因有：①再生粗骨料表面粗糙增大了與水泥交界處的摩擦力；②再生骨料表面粗糙吸水率大，在混凝土內(nèi)部起到了蓄水池的作用，水分隨著膠凝材料水化反應(yīng)進(jìn)展逐漸釋放，形成“內(nèi)養(yǎng)護(hù)”作用[8]。

圖3 再生粗骨料取代率對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

1.3.2 再生細(xì)骨料取代混凝土的力學(xué)性能

同樣分析肖建莊等[9]、戴鵬[10]再生細(xì)骨料取代混凝土的研究結(jié)果，如圖4所示。當(dāng)再生細(xì)骨料取代率小于30%時(shí)，曲線下降得緩慢，說(shuō)明此時(shí)對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響不大。超過(guò)30%后，隨著取代率的增加，曲線下降速率加快，強(qiáng)度嚴(yán)重受到影響。在肖建莊等[9]試驗(yàn)中，當(dāng)取代率達(dá)到100%，其抗壓強(qiáng)度只有天然細(xì)骨料混凝土的61%。原因可能為：當(dāng)再生細(xì)骨料取代率較小時(shí)，能與天然細(xì)骨料形成良好級(jí)配，對(duì)抗壓強(qiáng)度影響不大。當(dāng)取代率增大到50%以上時(shí)，再生細(xì)骨料自身存在的強(qiáng)度低的問(wèn)題逐漸暴露。

2 煤矸石骨料混凝土研究現(xiàn)狀

2.1 煤矸石骨料簡(jiǎn)述

煤矸石是在建井、開(kāi)拓掘徑、洗煤、產(chǎn)煤過(guò)程中排出的一種固體廢物，該固體廢物的大量堆積不僅會(huì)占用土地資源、

圖4 再生細(xì)骨料取代率對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

污染河流，而且煤矸石中含有一定的可燃物，在適宜條件下會(huì)發(fā)生自燃，排放二氧化硫、氮氧化物和煙塵等有害氣體污染大氣環(huán)境[11]。目前關(guān)于煤矸石固廢的綜合利用主要集中在發(fā)電、制磚、建筑材料等，其中將煤矸石作為混凝土骨料制作混凝土是實(shí)用且環(huán)保的一種利用方法，既能解決煤矸石固廢處理問(wèn)題，又能解決混凝土天然骨料資源不足的問(wèn)題[12]。

2.2 煤矸石粗骨料取代混凝土的工作性能

同樣以坍落度試驗(yàn)來(lái)檢測(cè)煤矸石粗骨料取代后的混凝土工作性。在何文波[13]的研究中，混凝土坍落度隨煤矸石骨料取代率的增加而直線下降，最低降至天然骨料混凝土的41%，如圖5所示。而在李少偉等[14]的研究中，當(dāng)煤矸石骨料替代率高于50%后，混凝土坍落度驟降，甚至在100%取代后，坍落度幾乎失去，如圖6所示。由于煤矸石性質(zhì)不穩(wěn)定、孔隙率大、吸水率大，在拌制混凝土過(guò)程中會(huì)吸收大量的水分，導(dǎo)致坍落度大大降低，失去工作性能。所以用煤矸石制備混凝土要注意煤矸石骨料的摻量，或添加外加劑。

圖5 文獻(xiàn)[13]煤矸石取代率對(duì)坍落度的影響

圖6 文獻(xiàn)[14]煤矸石取代率對(duì)坍落度的影響

2.3 煤矸石粗、細(xì)骨料取代混凝土的力學(xué)性能

2.3.1 煤矸石粗骨料取代混凝土的力學(xué)性能

在孫強(qiáng)[15]、李少偉等[14]的研究中可以發(fā)現(xiàn)，只改變煤矸石粗骨料的取代率測(cè)定抗壓強(qiáng)度，隨煤矸石粗骨料取代率的增加，混凝土抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后下降的趨勢(shì)，如圖7～8所示。分析原因?yàn)椋好喉肥炷涟柚七^(guò)程中吸收大量水分，形成“內(nèi)養(yǎng)護(hù)”作用，從而短期提高混凝土強(qiáng)度，但這種現(xiàn)象僅在煤矸石摻量為30%以下時(shí)顯現(xiàn)。當(dāng)煤矸石摻量大于30%，會(huì)顯現(xiàn)出其自身強(qiáng)度低、針片狀含量高、壓碎指標(biāo)高等缺陷，對(duì)混凝土的不利影響將大于有利影響，從而導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度下降。

圖7 文獻(xiàn)[15]煤矸石粗骨料取代率對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

圖8 文獻(xiàn)[14]煤矸石粗骨料取代率對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

2.3.2 煤矸石細(xì)骨料取代混凝土的力學(xué)性能

以破碎后煤矸石細(xì)骨料代替天然河砂研究其力學(xué)性能。在孫鋼柱等[16]、段曉牧等[17]的試驗(yàn)中得出了相似的結(jié)果。煤矸石細(xì)骨料摻量為20%以下時(shí)，對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響較小，基本不會(huì)使其抗壓強(qiáng)度下降，反而會(huì)使其抗壓強(qiáng)度有小范圍增長(zhǎng)。但煤矸石細(xì)骨料摻量大于20%后，混凝土抗壓強(qiáng)度會(huì)明顯下降。其主要原因?yàn)椋好喉肥?xì)骨料中含有SiO2和Al2O3能與膠凝材料發(fā)生反應(yīng)，形成二次水化并形成水鈣沸石、水石榴石、鈣鐵榴石等新物相，可小范圍提高混凝土抗壓強(qiáng)度。這種現(xiàn)象僅存在于煤矸石細(xì)骨料摻量在20%以下時(shí)，煤矸石細(xì)骨料摻量一旦提高，由于煤矸石孔隙率大、吸水率大的特性，導(dǎo)致拌制過(guò)程中吸收大量水分，部分水泥水化反應(yīng)開(kāi)展不完全，嚴(yán)重影響混凝土強(qiáng)度。所以煤矸石細(xì)骨料取代混凝土需要控制摻量在20%以下，且存在一個(gè)最佳摻量，此時(shí)煤矸石表面活性物質(zhì)能與膠凝材料良好反應(yīng)，對(duì)混凝土力學(xué)性能有利。

3 煤矸石摻再生骨料混凝土問(wèn)題與展望

將建筑固廢破碎后作為混凝土骨料，或?qū)⒚喉肥瘑为?dú)作為混凝土骨料的研究已有許多，但將二者結(jié)合起來(lái)共同作為混凝土粗骨料的研究還存在大量空白。煤矸石摻再生骨料制備混凝土符合廢物再生利用的發(fā)展理念，但應(yīng)注意以下問(wèn)題：①煤矸石粗骨料與再生粗骨料均有骨料表面粗糙、孔隙率大的特點(diǎn)，拌制混凝土過(guò)程中骨料會(huì)吸入大量水分并儲(chǔ)存，這些水分會(huì)在水化反應(yīng)過(guò)程中帶來(lái)“內(nèi)養(yǎng)護(hù)”效應(yīng)，能在一定程度提高混凝土強(qiáng)度，但是也會(huì)導(dǎo)致混凝土失去流動(dòng)性。若想保證流動(dòng)性，就需要加大用水量，而水摻量過(guò)大又會(huì)導(dǎo)致泌水、強(qiáng)度不均勻等危害。因此需要在煤矸石粗骨料、再生粗骨料、用水量三者之間找到最合適的配合比，既能保證強(qiáng)度有一定程度的提高，又不損害其工作性能；②再生細(xì)骨料取代混凝土，其工作性能、力學(xué)性能均下降，應(yīng)謹(jǐn)慎使用；③煤矸石骨料具有化學(xué)成分特殊性，SiO2、Al2O3這兩種氧化物的含量占70%以上，研究表明SiO2、Al2O3能與膠凝材料發(fā)生反應(yīng)，形成二次水化并形成水鈣沸石、水石榴石、鈣鐵榴石等新物相，一定程度上提高混凝土強(qiáng)度。在煤矸石破碎成細(xì)骨料與膠凝材料混合后，此類反應(yīng)更加明顯，但仍然存在煤矸石細(xì)骨料摻量大于30%后，工作性能、力學(xué)性能下降的情況；④大多煤矸石骨料與再生骨料由于受其自身缺陷限制，只能滿足國(guó)家Ⅱ類、Ⅲ類骨料標(biāo)準(zhǔn)，配置低強(qiáng)度等級(jí)的混凝土。

在李永靖等[18]的研究中，煤矸石摻再生骨料制備出了符合各項(xiàng)性能要求的C30強(qiáng)度等級(jí)混凝土，利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)找到20%的煤矸石粗骨料、20%的建筑固廢再生粗骨料代替部分碎石粗骨，并在20℃環(huán)境中養(yǎng)護(hù)，得出最優(yōu)結(jié)果。驗(yàn)證了煤矸石骨料、再生骨料混合利用的可行性。在今后的研究中還可以從用水量、外加劑等方面考慮對(duì)煤矸石摻再生骨料混凝土的各項(xiàng)性能的影響。

4 結(jié) 論

1)混凝土工作性能基本隨再生粗骨料、再生細(xì)骨料、煤矸石骨料的摻量增加而下降。單摻再生粗骨料，摻量達(dá)到100%時(shí)，混凝土坍落度下降50%；單摻再生細(xì)骨料或單摻煤矸石骨料，摻量達(dá)到100%時(shí)，混凝土坍落度下降嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)離析。從混凝土工作性能考慮，不改變用水量的前提下，應(yīng)該控制再生骨料、煤矸石骨料摻量在50%以下。

2)再生粗骨料取代混凝土，其摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響不大。再生細(xì)骨料取代混凝土，其摻量大于30%后，混凝土抗壓強(qiáng)度隨摻量的增加逐漸降低。當(dāng)取代率達(dá)到100%，其抗壓強(qiáng)度只有天然細(xì)骨料混凝土的61%。煤矸石粗骨料取代混凝土，抗壓強(qiáng)度隨摻量增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，界限在煤矸石粗骨料摻量30%時(shí)。煤矸石細(xì)骨料取代混凝土，抗壓強(qiáng)度隨摻量增加也呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，界限在煤矸石細(xì)骨料摻量20%時(shí)。

3)從廢棄物再生利用的角度出發(fā)，將再生骨料、煤矸石骨料混合添加代替天然骨料，考慮用水量、外加劑等因素，結(jié)合正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)探尋最優(yōu)配合比，配置滿足各項(xiàng)性能要求的混凝土。

[ID：013755]