再生混凝土力学性能的研究.pdf

1 4 0 材料导报 B： 研究篇 2 0 1 4年 1月( 下) 第 2 8卷第 1期 再生混凝土力学性能的研究 任铮钺 ， 冯琪 ， 房延凤 ( 1 大连理工现代工程检测有限公司， 大连 1 1 6 0 2 4 ； 2 大连理工大学土木工程学院建筑材料研究所， 大连 1 1 6 0 2 4 ) 摘 要 在低 温加热一 颗粒整形工艺分 离废弃混凝 土的基础 上， 分 析研 究 了再 生粗骨料 的性能 以及再 生混凝 土 的力学性能。实验结果表明： 在水灰比和砂率相同的基础上， 相较于素混凝土， 当再生粗骨料代替率为 4 O 时， 再生 混凝土 7 d 和 2 8 d的抗压强度分别提高约 6 9 和 4 2 ； 再生混凝土的峰值应力变化与抗压强度变化趋势相同， 且 两者的提高皆源于弹性应变的提高。 关键词 再生粗骨料低温分离工艺弹性应变 中图分类号： TU5 2 8 0 9 文献标识码： A S t u dy o n M e c ha ni c a l Pr o pe r t i e s o f Re c y c l e d Co n c r e t e R E N Z h e n g y u e ， F E NG Qi ，F ANG Ya n f e n g ( 1 Da l i a n I n s t i t u t e o f Te c h n o l o g y ，Mo d e r n En g i n e e r i n g De t e c t i o n C o L TD，Da l i a n 1 1 6 0 2 4； 2 I n s t i t u t e o f C o n s t r u c t i o n Ma t e r i a l s ，S c h o o l o f Ci v i l En g i n e e r i n g，Da l i a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y，Da l i a n 1 1 6 0 2 4 ) Ab s t r a c t Ba s e d o n t h e l o w t e mp e r a t u r e h e a t i n g - p a r t i c l e s h a p i n g p r o c e s s f o r s e p a r a t i n g wa s t e c o n c r e t e ，t h e p e r f o r ma n c e o f r e c y c l e d c o a r s e a g g r e g a t e ，c o mb i n e d wi t h t h e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t h e r e c y c l e d c o n c r e t e ，we r e a n a l y z e d s y s t e ma t i c a l l y Co mp a r e d t o t h e r e f e r e n c e c o n c r e t e ，a l l t h e r e s u l t s s h o we d t h a t t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f r e c y c l e d c o n c r e t e ，wh i c h p r e p a r e d b y 4 O r e p l a c e me n t r a t i o o f r e c y c l e d c o a r s e a g g r e g a t e ，wa s i mp r o v e d b y 6 9 a n d 4 2 a t 7 d a n d 2 8 d，r e s p e c t i v e l y Th e c h a n g e s o f p e a k s t r e s s f o l l o we d t h a t o f t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h，wh i c h c a u s e d b y t h e i mp r o v e me n t o f t h e c o r r e s p o n d i n g e l a s t i c s t r a i n Ke y wo r d s r e c y c l e d c o a r s e a g g r e g a t e ，l o w t e mp e r a t u r e s e p a r a t i n g p r o c e s s ，e l a s t i c s t r a i n 0 引言 能源危机和全球变 暖已被公认 为是人类必须面对和急 需解决的问题 1 ， 因此绿色和可持续发展成为现今材料发展 的必 由之路。建筑物在拆建 、 改建和重建过程 中产生了相当 数量的建筑垃圾 2 ， 如果把这部分建筑垃圾 直接填埋 ， 不仅 占用农 田且在清运过程 中产生二次污染 3 J 。再生混凝土是 将废弃混凝 土经 破碎 、 整形 、 分级 后 ， 按照 一定 的 比例 混 合_ 4 ， 制备成与天然石 子级配接近的骨料， 采用部分或全部 替代天然骨料配置而成 的。再生粗 骨料压碎指标较基准骨 料低， 主要源于解体破碎过程中的损伤累积降低 了再生混凝 土强度 5 。为提高再生骨料的品质 ， 我 国对废弃混凝土的分 离方法进行了深入研究 。目前 ， 加热分离法是较有效且对骨 料损害最小的方法 ， 但研究多集中于高温分离_ 6 。本研究 以节能和环保为基础， 提出“ 低温加热一 颗粒整形” 工艺并对分 离出的再生粗骨料的利用进行了研究。 1 实验 1 1 原材料 水泥 ， P O 4 2 5 R水泥； 骨料， 天然石子 ， 天然砂； 废弃混 凝土 ， 龄期 2 年的 C 3 0 混凝土试块； 再生骨料， 将废弃混凝土 试块经低温加热一 颗粒整形工艺分离得到的再生骨料 ； 再生细 粉， 将废弃混凝土试块经低温加热一 颗粒整形工艺分离得到的 粒径小于 0 3 m m细料 ， 经球磨机粉磨 9 h 后得到细粉。 1 2实验方法 ( 1 ) 用万能压力机破碎废弃混凝 土试块 ， 并对破碎废弃 料过筛 ， 选用粒径不大于 2 6 5 m m 的物料作为本实验的再生 料 ， 将其在马弗炉中以 4 O m i n 匀速加热至 2 0 0后， 用水 泥试验磨粉磨 3 m i n ， 进行筛分处理， 选择粒径 5 2 6 5 m m 作为再生粗骨料( 其性能如表 1 所示) ， 0 3 1 5 5 mm为再生 细骨料( 其颗粒级面及与性能如表 2 和表 3 所示) ， 其余为再 生细粉。 表 1 再生粗骨料的性能 Ta b l e 1 Pr o p e r t i e s o f r e c y c l e d c o a r s e a g g r e g a t e 任铮钺： 男， 1 9 7 2年生， 高级工程师， 研究方向为高性能混凝土开发 E - ma i l ： r z y 0 4 1 1 1 2 6 C O rn冯琪： 女， 1 9 8 6 年生， 助理工程 师， 研究方向为废弃混凝土的回收与再利用 E - ma i l ： 4 9 4 8 7 6 0 2 1 q q c o m 再生混凝土力学性能的研究 任铮钺等 1 4 1 表 2 再生细骨料的颗粒级配 Ta b l e 2 Gr a i n c o mp o s i t i o n o f r e c y c l e d f i n e a g g r e g a t e 方孔筛筛孔边长 累计筛余 4 7 5 mm 2 3 6 mm 1 1 mm 6 0 0 L m 3 0 0 , u c t m m 1 5 0 1 5 0 u m O 4 4 0 4 6 3 1 1 8 2 3 9 1 O O 1 0 0 10 O ( 2 ) 将上述低温加热一 颗粒整形工艺分离的再生粗骨料作 为粗集料， 在水灰比和砂率相同的基础上， 通过调整再生粗 骨料的取代率 ， 制备 C 3 o 再生粗骨料混凝 土( 配合 比如表 4 所 示 ) 。 ( 3 ) 按表 5 所示的配合比， 在再生粗骨料取代率为 2 O ( 实验得出的最佳掺量) 基础上 ， 加入 3 O 再生细骨料替代天 然砂制备混凝土( 称再生混凝土) 。 表 3 再生细骨料与天然砂的性能 Ta b l e 3 Pr o p e r t i e s o f r e c y c l e d f i ne a g g r e g a t e a n d n a t u r a l s a n d 表 4 再生粗骨料混凝土配合比 Ta b l e 4 Mi x p r o p o r t i o n o f r e c y c l e d c o a r s e a g g r e g a t e c o n c r e t e 2结 果 与 分 析 鎏 薯 篙 嘉 嘉 蔷 2 1 再生粗骨料混凝土的力学性能 比和级配均相同的条件下， 再生骨料与类似材质的天然骨料 表 6 为同水灰 比、 同砂率条件下， 再生粗骨料替代率分 制成的混凝土相 Iz E ， 前者强度更高 别为 O 、 2 O 、 4 0 和 6 0 情况下不同龄期的抗压强度值 。 表 6 再生粗骨料混凝土强度和流动度 Ta b l e 6 Fl u i d i t y a n d s t r e n g t h o f r e c y c l e d c o a r s e agg r e ga t e c o nc r e t e 图 1 为根据抗压强度值绘制成的强度变化趋势 图。从 图 l中可看出， 当替代率为 4 0 时 ， 7 d 和 2 8 d的再生粗骨 料混凝土较基准提高约 6 9 和 4 2 ， 而替代率为 6 O 时 强度有所降低 ， 其值与基准强度持平。说明在水灰 比和砂率 日4 5 皇 寇4 0 想 3 5 3 0 怅 2 5 图 1 再生粗骨料抗压强度 F i g 1 Co mp r e s s i v e s t ren g t h o f r e c y c l e d c o a r s e a g g r e g a t e c o n c r e t e 为进一步评价本工艺分离得到的再生粗骨料的变形能 力 ， 测得再生粗骨料混凝土棱柱体 的峰值应力应变 ， 其结果 1 4 2 材料导报 B： 研究篇 2 0 1 4年 1月( 下) 第 2 8卷第 1期 见表 7 ， 变化趋势如图 2 。 表 7 再生粗骨料混凝土的峰值应力应变和弹性模量 Ta b l e 7 Pe a k s t r e s s s t r a i n a n d e l a s t i c i t y mo d u l u s o f r e c y c l e d c o a r s e a g g r e g a t e c o n c r e t e 日 岂 鹫 宝 趔 鹫 图 2 再生粗混凝土的力学性能 Fi g 2 M e c h a ni c a l p r o p e r t i e s o f r e c y c l e d a g g r e g a t e c o n c r e t e 图 2中峰值应力与立方体抗压强度变化相 同， 而峰值应 变在替代率为 6 0 时， 相对基准试样提高约 3 ， 表明再 生 粗骨料混凝土在短期加载的情 况下， 应力随应变增大而增 大。从混凝土力学性能上看， 弹性模量降低是峰值应力应变 改变的根本原因。这里弹性模量指的是应力应变曲线中混 凝土的原点弹性模量， 而峰值点压应变由弹性应变和塑性应 变组成 ， 其 中弹性应变为混凝土弹性阶段变形 ， 按 普通混凝 土力学性能试验方法 中取峰值压应力的 4 0 作为弹性应力 值 ， 可算出弹性阶段 的应变值 ， 进而得 到峰值点弹性应变 比 例 ， 其值如表 8 所示 。 表 8 再生粗骨料混凝土的峰值应变 Ta b l e 8 Pe a k s t r a i n o f r e c y c l e d c o a r s e a g g r e g a t e c o n c r e t e 、 姓 弹性应力 讽 样MP a 弹性模量 应变 ( 1 0 ) 峰值点弹性 MP a 弹性应变 峰值点应变 应变比例 由弹性应变比例可得 出： 峰值点弹性应变随再生粗骨料 替代率的增加而增加， 即弹性阶段再生粗骨料混凝土应力应 变曲线斜率较普通混凝土小 ， 曲线增长缓慢 ， 变形能力增强 ， 立方体抗压强度增高。 再生混凝土与普通混凝土类 似， 由水泥基材料 、 骨料和 两者界面三相组成 ， 其强度也由三者决定。首先 由废弃混凝 土中分离得到的再生粗骨料 ， 在分离和整形 的过程 中受到外 力作用， 使原骨料 中少量 已有裂纹 的粗骨料沿岩石解理破 裂， 从而达到棱角增强和坚固性选优的 目的。其次尽管再生 粗骨料经过多次整形 ， 但其表面仍有残余水泥石附着， 其较 强的亲水性使再生骨料与新水泥基材料的界面水 灰比变大， 过渡区内结构相对疏松且厚度增加 ， 当再生骨料大量替代天 然骨料时新 旧 I T Z( I n t e r f a c i a l t r a n s i t i o n z o n e ) 界面增厚， 混 凝土的第三相强度降低， 整体强度也随之下降。实验 中发现 当替代率 为 6 O 时大部 分裂 缝沿 骨料 破坏 ， 而替 代率 为 2 0 和 4 0 时多为骨料破坏 ， 表明在一定替代率 范围内， 再 生混凝土的强度由骨料决定， 而超过这个范围则 由骨料与新 水泥基材料间的界面强度决定。 2 2 再生骨料混凝土的力学性能 表 9 为再生骨料混凝土的立方体抗压强度及流动度 ， 图 3 为根据立方体强度值绘制成的折线 图， 从 A 0 试样和 B试 样的强度变化可看出， 在保持水灰 比和砂率不变的情况下 ， 3 O 再生细骨料 替代 天然砂后 ， 7 d和 2 8 d 强度 均降低约 9 。这与再生细骨料 自身的性能有关 ， 其吸水率过高， 不但 降低了拌合物的坍落度， 而且使水泥基材料强度以及与骨料 的粘结应力都有所降低。 表 9 再生骨料混凝土的流动度及强度 Ta b l e 9 Fl u i d i t y a n d s t r e n g t h o f r e c y c l e d a g g r e g a t e c o n c r e t e 皇3 8 3 3 营 2 8 2 3 羹 1 8 1 3 图3 再生骨料抗压强度 F i g 3 Co mp r e s s i v e s t r e n g t h o f r e c y c l e d a g g r e g a t e c o n c r e t e 再生细骨料 中混有部分硬化水泥颗粒， 当替代部分天然 砂时， 其真实的砂率相对基准混凝土而言有所降低 ， 是再生 细骨料混凝土强度降低的原因之一 。其次， 石屑和硬化水泥 石掺入使再生细骨料强度和坚固性都大大降低。最后 ， 再生 细骨料吸水率偏高 ， 使过渡 区内水灰 比进一步提高 ， 造成界 面厚度增加且与骨料 间的粘结力下降 ， 这是再生细骨料混凝 土强度下降的主要原因。另外 ， 实验中裂缝界面均沿骨料破 再生混凝土力学性能的研 究 任铮钺等 1 4 3 坏， 再次表明再生细骨料混凝土强度降低源 自细骨料本身的 性能。 图 4中C试样强度较 A 0降低约 5 O ， 其原因在于 2 0 的细粉替代水泥后 ， 胶凝材料活性指数 降低 ， 进而在拌合混 凝土的过程中， 水灰 比较设计时降低， 立方体抗压强度 自然 随之降低 。 图 4为再生混凝土破坏形态图。从图 4中可看 出 A0试 样和 C试样的裂缝有明显区别 。C试样 由于加入再生细粉， 当出现裂缝后立方体试件立即被破坏， 且破坏模式表现为较 强的脆性剪切破坏 ， 而 A 0 试样则趋于倒相连的四角锥形。 ( a ) A 0试样 ( b ) C试样 图 4 再生混凝土的破坏形态 Fi g 4 Fa i l u r e a p p e a r a n c e o f r e c y c l e d c o nc r e t e 3 结论 ( 1 ) 在水灰 比和砂率相同的条件下 ， 随再生粗骨料替代 率提高再生粗骨料混凝土强度较原混凝土略微上升 ， 且在一 定替代率范围内， 再生粗混凝土的强度 由骨料决定， 而超过 范围则由骨料与水泥间的界面强度决定。 ( 2 ) 最终提出再 生粗骨料混凝土配合 比： 每立方米混凝 土所用水 、 水 泥、 沙石、 骨料 的质 量 比为 1 7 8：3 8 0： 8 1 0： 9 5 0。 ( 3 ) 再生粗骨料混凝土峰值应变较普通混凝土提高 ， 且 在一定再生粗骨料替代范围内， 峰值应变的提高主要来源于 弹性应变的提高 。 ( 4 ) 再生细骨料 自身性能的下降对再生细骨料混凝土强 度降低起决定作用 。 参考文献 1 W u Z h o n g we i Gr e e n h i g h p e r f o r ma n c e c o n c r e t e -Th e d e v e - l o p me n t d i r e c t i o n o f c o n c r e t e E J C h i n a C o n c r C e m P r o d u c t s ， 1 9 9 8 ( 1 ) ： 3 吴中伟绿色高性能混凝土混凝土的发展方向 J 混 凝土与水泥制品， 1 9 9 8 ( 1 ) ： 3 2 Ya n g J i n g。 Fe n g Na i q i a r L Th e c o n c r e t e ma t e r i a l o f t h e 2 1 c e n t u r y -E n v i r o n me n t a l l y f r i e n d l y c o n c r e t e E J C h i n a C o n c r Ce m P r o d u c t s ， 1 9 9 6 ， 1 0 6 ( 2 ) ： 3 杨静， 冯乃谦 2 1 世纪的混凝土材料环保型混凝土 J 混凝土与水泥品， 1 9 9 6 ， 1 0 6 ( 2 ) ： 3 3 Di n g Xu e f e n Th e r e c y c l i n g o f wa s t e c o n c r e t e o n c o n s t r u c t i o n e n g i n e e r i n g J C o n c r e t e ， 2 0 0 3 ( 2 ) ： 5 6 丁雪芬 废弃混凝土在建筑工程上的回收利用 J 混凝土， 2 0 0 3 ( 2 )： 5 6 4 Ho u J i n g p e n g ， S o n g Yu p u ， S h i W e i Re s e a r c h a n d d e v e l o p me n t a l o f r e c y c l e d c o n c r e t e t e c h n o l o g y J L o w T e mp Ar c h i t e c t u r e Te c h n， 2 0 0 1 ( 2 )： 9 侯景鹏， 宋玉普， 史巍 再生混凝土技术研究与应用开发 J 低温建筑技术， 2 0 0 1 ( 2 ) ： 9 5 徐卓， 龙帮云 开发利用再生混凝土走可持续发展的道路 E J 中外建筑， 2 0 0 4 ( 2 ) ： 1 9 7 6 L v L i n n v ， He Y o n g j i a ， Hu S h u g u a n g E x p e r i me n t a l s t u d y o n c o mp o n e n t s e p a r a t i o n o f w a s t e c o n c r e t e E J J B u i l d Ma t e r ， 2 0 0 8， 1 1 ( 6 )： 7 2 2 吕林女， 何永佳， 胡曙光 废弃混凝土组分分离试验研究E J 建筑材料学报， 2 0 0 8 ， 1 1 ( 6 ) ： 7 2 2 7 Ma Xi n we i ，Ha n Z h a o x i a n g，Li Xu e y i n g ，e t a 1 Th e r ma l t r e a t me n t o f wa s t e c o n c r e t e a n d t h e r e h y d r a t i o n p r o p e r t i e s o f t h e d e h y d r a t e d c e me n t p a s t e E J J Q i n g d a o Te c h n o l o g i c a l Un i v e r s i t y， 2 0 0 9， 3 0 ( 4 )： 9 3 8 Ma Xi n we i ， Z h a n g Do n g q i n g， Yi n W e i f e n g， e t a 1 Ex p l o r a t i o n o n r e c y c l i n g t e c h n o l o g y o f wa s t e c o n c r e t e J L o w Te mp Ar c h i t e c t u r e Te c h n ， 2 0 0 9 ( 9 ) ： 4 马新伟 ， 张东青， 尹炜锋， 等废弃混凝土再生新技术探索 J 低温建筑技术， 2 0 0 9 ( 9 ) ： 4 9 W u S h u h a i ， Li Xi a o we n， Xi a o Hu i ， e t a 1 Ex p e r i me n t a l r e s e a r c h o n d e f o rm a t i o n p r o p e r t i e s a n d s t r e s s s t r a i n c u r v e o f C 3 0 r e c y c l e d c o n c r e t e E J C o n c r e t e ， 2 0 0 9 ( 1 2 ) ： 2 1 吴淑海， 李晓文， 肖慧， 等 C 3 0再生混凝土变形性能及应力一 应变曲线试验研究 J 混凝土， 2 0 0 9 ( 1 2 ) ： 2 1 1 O张虹， 熊学忠 废弃混凝土再生骨料的特性研究E J 武汉理 工 大学学报 ， 2 0 0 6 ， 2 8 ( 3 ) ： 6 4 ( 责任编辑周媛媛)