建筑垃圾再生集料及其配制新混凝土的研究项目研究总结

建筑垃圾再生集料及其配制新混凝土的研究1建筑垃圾再生集料及其配制新混凝土的研究（2004BA809B0305）项目研究总结报告青岛理工大学2006年2月建筑垃圾再生集料及其配制新混凝土的研究2第1章绪论1.1研究背景从20世纪60年代开始，混凝土的用量急剧增加，如果混凝土建筑物的使用寿命按50年左右考虑，可以预计在不远的将来，由解体而产生的混凝土量会急剧增加。由于建筑业对混凝土的大需求以及废旧混凝土的大量的产生，我们必将面临，废旧混凝土的处理和天然砂石的紧张两个非常严峻的问题。一方面，我国与其它国家一样，许多老建筑物已达到了使用寿命，加之城区改造等工程，每年拆除的废旧混凝土量十分巨大，并呈逐年增多的趋势。若将这些由解体而产生的混凝土作为废弃物进行掩埋处理，无论是在环境保护方面，还是在资源利用方面，都非上策。因此，城市建筑垃圾主要是废旧混凝土的资源化处理是当今世界众多国家，特别是发达国家的环境保护和可持续发展战略追求的目标之一。建筑垃圾资源化循环利用，对于环境保护和自然资源保护都具有重要意义。虽然我国建筑垃圾循环利用的水平与世界先进国家有很大的差距，但是国家对废旧混凝土的再生利用的研究十分重视，已将其列入国家“十五”科技攻关项目，本课题则是来源于“绿色建筑关键技术研究中的子课题三建筑垃圾再生骨料及其配制新混凝土的研究”。另一方面，作为最大宗建筑材料的混凝土，其生产需要大量的天然砂石骨料。生产1立方米混凝土大约需要1700～2000千克的砂石骨料。目前，全世界每年混凝土的使用量超过20亿立方米，砂石骨料用量超过34～40亿吨。对砂石骨料如此巨大的需求，必然导致大量的开山采石，破坏生态环境。为解决上述两方面的问题，我们必须改变传统的混凝土生产方式，将混凝土的生产方式转变到一个可持续发展的轨道上。再生混凝土骨料，正是密切联系上述两个问题而提出的。利用废旧混凝土制备出高品质的再生骨料，不仅可以节省天然骨料资源，而且还可以减少废旧混凝土对环境的污染，从而实现废旧混凝土的循环再利用，走绿色可持续的发展道路。再生混凝土骨料（简称再生骨料），是将废旧混凝土块经过破碎、清洗与分级后，按一定的比例级配混合形成的混凝土骨料。用其部分或全部替代砂石等天然骨料配制而成的新混凝土称为再生混凝土。相对于再生混凝土而言，用来生产再生骨料的废旧混凝土称为原混凝土。建筑垃圾再生集料及其配制新混凝土的研究31.2国内外再生混凝土的研究现状对于废旧混凝土的再生利用，日本、前苏联、美国、德国、英国、丹麦、荷兰等国家都开展了大量的研究工作，其中以日本研究的最好[1-12]。日本由于国土面积小，资源相对匮乏，十分重视废旧混凝土资源化再利用的研究，他们将建筑垃圾视为“建筑副产品”。早在1977年，日本政府就制定了《再生骨料和再生混凝土使用规范》，并相继在各地建立了以处理混凝土废弃物为主的再生加工厂，还制定了多项法规来保证再生混凝土的发展。此外，日本还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。20世纪70年代主要对低品质再生骨料的利用方法进行了开发研究，当时的再生骨料品质低劣，除了在路基工程的应用之外，在一般建筑物上没有应用。近年来，为了提高再生骨料的性能，再生骨料制备技术急速发展，各种制备方法应运而生。生产出的再生骨料性能已经接近普通骨料性能，同时再生骨料的制备技术已经具备了比较高的骨料回收率。国内再生骨料的研究起步较晚[13-17]，生产出的再生骨料性能较差（粒形和级配都不好，表面附有大量砂浆，吸水率大，密实体积小，压碎指标低），多用于低强度的混凝土及其制品。近几年，人们对再生混凝土研究越来越多，但是研究工作主要集中在用再生骨料部分或全部代替天然骨料后，对制备的混凝土的性能影响方面，以及在制备混凝土时添加粉煤灰等矿物掺合料来提高再生混凝土的各种性能。除了很少学者开展过对简单破碎所得骨料进行表面化学处理（表面挂浆或聚合物处理等）的研究外，对再生骨料制备技术的研究工作甚少，而且没有获得令人满意的效果。国内也有利用再生骨料制备高性能混凝土的报道，但用于制作再生骨料的原混凝土是预先专门配制的C100高强混凝土[17]，没有太大的实用价值。目前国内外再生骨料的制备技术主要是将切割破碎设备、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。国外具有代表性的再生骨料制备工艺流程见图1－1所示[19]，大体可分为以下三个阶段：(1)预处理破碎阶段：先除去废旧混凝土中的杂质，然后用破碎机将混凝土块破碎成约40mm粒径的颗粒，最后用鄂式破碎机破碎成颗粒更小的骨料。(2)强化处理阶段：混凝土块在强化处理设备内高速飞转，使其相互碰撞、摩擦，除去附着于骨料表面的水泥浆和砂浆，改善骨料的表面状况。(3)筛分阶段：经强化设备处理后的材料经过筛分，除去水泥和砂浆等细小颗粒，最后得到再生骨料。建筑垃圾再生集料及其配制新混凝土的研究4鄂式破碎机破碎过程传送带强化过程物理强化设备传送带筛分过程5mm5mm5～25mm＞25mm以下再生细骨料再生粗骨料振动筛图1－1再生骨料制备过程示意图国内对再生骨料的研究起步较晚，尚未形成工业化生产，主要是由破碎和筛分两部分组成。和国外的制备工艺比较，中间缺少强化处理阶段，这也使得由此得到的再生骨料性能明显劣于天然骨料。因此，对再生骨料的强化处理具有很大的现实意义和发展潜力。如果再生骨料的性能可以和天然骨料持平，甚或是优于天然骨料，那么废旧混凝土的再生利用再生混凝土就能够实现产业化生产。再生粗骨料颗粒一般由表面洁净的石子、表面包裹着部分水泥砂浆的石子和水泥砂浆颗粒三部分组成。再生细骨料主要由表面无水泥浆的砂粒、表面附着水泥浆的砂粒、水泥石颗粒和少量破碎石块组成。天然细骨料的尺寸范围一般为0.16ｍｍ～5ｍｍ，由于再生细骨料中含有细小水泥石颗粒，再生细骨料的粒径尺寸范围可以放宽定为0.08ｍｍ～5ｍｍ。目前我国尚无再生混凝土骨料的相关标准，应加大再生混凝土骨料的研究，制定相关的质量评定标准，使再生混凝土广泛应用于实际工程。日本开展再生骨料的研究较早，并对再生骨料的质量进行了分类【20】，具体情况见表1－1。表1－1日本再生骨料质量等级粗骨料细骨料等级吸水率坚固性指标1等级吸水率坚固性指标Ⅰ＜3%＜12%Ⅰ＜5%＜10%Ⅱ＜3%＜40％Ⅱ＜10%－或者＜5%＜12%Ⅲ＜3%－－－－建筑垃圾再生集料及其配制新混凝土的研究51.3低品质再生骨料的性能1.3.1吸水率未经强化处理的简单破碎再生骨料即低品质再生骨料颗粒棱角多，表面粗糙，组分中还含有硬化水泥砂浆（水泥砂浆孔隙率大、吸水率高），再加上混凝土块在解体、破碎过程中因损伤累积在内部造成大量微裂纹，导致再生骨料的孔隙率增大，从而使吸水率和吸水速率增大。吸水率的大小与骨料中的水泥石含量、骨料表面的水泥砂浆附着率﹑原混凝土强度﹑原混凝土所用骨料种类和再生骨料的制备方法等因素有关。本文作者先将废旧混凝土经简单破碎后得到低品质再生粗骨料，然后对不同粒径的再生粗骨料进行吸水率试验，分别测试它们在不同时间段内（30min、1h、24h）的吸水率，结果见表1－2。再生粗骨料的吸水率较大，最高达到7.9%。同时再生粗骨料吸水速率较快，30min吸水率可以达到24h吸水率的86%～93%。随着骨料粒径的减小，吸水率依次增大，这是由于粗骨料表面的水泥砂浆附着率随着粒径的减小而增加的缘故。表1－2再生粗骨料不同粒径吸水率（％）颗粒尺寸（mm）30min1h24h5.0～10.07.07.47.910.0～16.05.45.45.816.0～20.04.64.95.120.0～25.03.94.04.525.0～31.54.04.24.41.3.2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，内部存在大量微裂纹，从而导致再生骨料的堆积密度和表观密度均比天然骨料低。从目前的文献看，其数值的离散性较大，主要与制备方法、原混凝土的材料和性能等因素有关。通常再生细骨料的堆积密度为天然细骨料的75%～80%，再生粗骨料的堆积密度为天然粗骨料的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。建筑垃圾再生集料及其配制新混凝土的研究61.3.3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石或砂浆，所以再生粗骨料的压碎指标值远高于天然粗骨料。再生骨料的压碎指标值的大小与原混凝土的强度和制备破碎方法等因素有关。原混凝土的强度越高，再生骨料的压碎指标值越低；再生粗骨料表面水泥砂浆附着率越小，压碎指标值越低；再生骨料颗粒的三度尺寸越接近，压碎指标值越低。1.4本文的研究内容和原材料的选用由于简单破碎后获得的低品质再生骨料的性能明显劣于天然骨料，使得再生骨料仅用于制备低强度的混凝土及其制品，还未用于高强度混凝土结构的构件如柱、梁、楼板等，大大限制了再生混凝土的发展和应用。简单破碎后的再生骨料经过强化处理后，性能将有很大的改善。参照国内外文献中关于再生骨料的强化技术，主要包括物理强化和化学强化方法，并对其进行比较，我们找到了一种适合我们国家废旧混凝土利用的强化技术即再生骨料颗粒整形强化技术，即通过颗粒整形设备对再生骨料颗粒进行强化。经过大量的实验证明即对颗粒整形处理前后的再生骨料进行性能实验对比，该技术对再生骨料性能改善的效果很显著。由于我们国家对于再生骨料的研究起步较晚，还未有相关的技术标准。我们期望通过试验研究能找出更好地反映再生骨料性能的试验方法，然后对再生骨料进行初步的分类，并对其质量检测提出一定的要求。再生骨料的性能通过颗粒整形后性能有所改变，但其对再生混凝土的性能是否也起到积极的作用，课题最后对再生混凝土的性能主要是新拌混凝土的性能和硬化后的力学性能进行试验，并以此判断颗粒整形再生骨料的可行性。考虑到废旧混凝土的来源情况比较复杂，强度等级会在一定范围内波动，我们选用的原混凝土是建筑工程质检站检验后的强度等级为C20～C50混凝土的混合料，这些混凝土的龄期一般在一年左右。我们首先利用颚式破碎机将原混凝土试块破碎成最大粒径为31.5mm的再生骨料，经混合均化处理后，再进行整形处理。最后将处理后的再生骨料用筛孔直径为5mm的圆孔筛进行筛分，即可得到再生粗骨料和再生细骨料。建筑垃圾再生集料及其配制新混凝土的研究7第2章再生骨料强化技术2.1再生骨料强化的必要性再生骨料颗粒棱角多，表面粗糙，组分中还含有硬化水泥砂浆，再加上混凝土块在破碎过程中因损伤累积在内部造成大量微裂纹，导致再生骨料的孔隙率大、吸水率大、堆积密度小、压碎指标值高的性能特点。与普通骨料相比，再生骨料制备的再生混凝土用水量较大、硬化后的强度低、弹性模量低。此外，再生混凝土的抗渗性、抗冻性、抗碳化能力、收缩、徐变和抗氯离子渗透性等耐久性能也均劣于普通混凝土。为了提高再生混凝土的性能，须对简单破碎获得的低品质再生骨料进行强化处理。强化处理的目的主要是改善骨料的粒形并除去再生骨料表面所附着的硬化水泥石，从而提高骨料的性能。国内外使用的强化方法主要有化学强化与物理强化两种。2.2国内外再生骨料强化技术综述2.2.1国内再生骨料强化技术国内再生骨料强化技术主要为化学强化技术，即采用不同性质的材料（如聚合物、有机硅防水剂、纯水泥浆、水泥外掺Kim粉、水泥外掺一级粉煤灰等）对再生骨料进行浸渍、淋洗、干燥等处理，使再生骨料得到强化的方法。研究结果表明，化学强化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显，没有推广应用价值[21]。2.2.1.1用聚合物（PVA）和有机硅防水剂处理将1%PVA溶液【22】用水稀释2～3倍，并搅拌均匀，然后把再生骨料倒入上述稀释的PVA溶液中，浸泡48小时。在此期间，用铁棒加以搅拌或用力来回颠簸，尽量赶走骨料表面的气泡，最后用带筛孔的器皿将再生骨料捞出，在50～60℃的温度下烘干。将有机硅防水剂用水稀释5～6倍，搅拌均匀