石灰石作混凝土可循環(huán)集料的特征性能及其特征參數(shù)

[摘　要] 　為實(shí)現(xiàn)再生混凝土集料的重復(fù)循環(huán)使用,尤其是將廢棄混凝土破碎過(guò)程中產(chǎn)生的碎屑和細(xì)粉作為水泥的原料,在研究中,將石灰石作為原生混凝土粗集料和細(xì)集料,制備了多種強(qiáng)度等級(jí)的原生混凝土。達(dá)到預(yù)定齡期后破碎、篩分后生成再生混凝土集料,制備不同強(qiáng)度等級(jí)的再生集料混凝土。細(xì)粉留作燒水泥熟料配料用。試驗(yàn)研究表明,采用石灰石作混凝土可循環(huán)使用的集料是可行的,再生循環(huán)集料的表觀密度、體積密度、吸水率、空隙率及壓碎指標(biāo)等因素均隨著原生混凝土強(qiáng)度(包括水灰比的變化) 變化而不同,破碎時(shí)產(chǎn)生的缺陷及不同粒徑對(duì)再生集料混凝土的強(qiáng)度有較大影響。由于再生集料本身的強(qiáng)度不高,因此不宜用于配制C50 以上強(qiáng)度等級(jí)的混凝土,本研究還用統(tǒng)計(jì)方法分析了全部采用水灰比為0. 36 的原生混凝土制得的再生集料作粗集料的混凝土的粗骨料系數(shù)。

[關(guān)鍵詞] 　原生混凝土;再生骨料;壓碎指標(biāo);骨料系數(shù)

[中圖分類號(hào)] 　TU5281041 　　　　[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] 　A 　　　　[文章編號(hào)] 　10012523X(2004) 0420034204

1 　前言

隨著世界城市人口的不斷膨脹,規(guī)?？涨褒嫶蟮耐聊竟こ袒顒?dòng)幾度轟然升起。混凝土是當(dāng)今建筑工程中用量最大的人造建筑材料, 目前, 全世界混凝土的年產(chǎn)量大約為28 億m3 ,中國(guó)混凝土的年產(chǎn)量為13～14 億m3 ,約占世界總量的45 %[1 ] 。混凝土為人類構(gòu)筑了大量舒適、便捷的生活和生產(chǎn)環(huán)境,創(chuàng)造了豐富多彩的生活空間。然而混凝土在給人類創(chuàng)造美好生活空間的同時(shí),也給人類的生存環(huán)境帶來(lái)不容忽視負(fù)面影響。城鎮(zhèn)建筑設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期的到達(dá),建筑物及構(gòu)筑物維修、改造過(guò)程中的廢棄物,施工過(guò)程中散落的混凝土及攪拌站生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢品混凝土等大多數(shù)被作為建筑垃圾堆放。這種處理方法不僅占用大量土地資源,還污染了環(huán)境。隨著砂石骨料的大量開(kāi)采,我們所面臨的是資源枯竭和環(huán)境破壞,混凝土的可持續(xù)發(fā)展與水泥、骨料危機(jī)的矛盾逐漸被提上日程。據(jù)有關(guān)人士統(tǒng)計(jì),廢棄混凝土塊約占建筑垃圾的34 %[2 ] 左右,而混凝土中骨料是構(gòu)成其骨架的主要成分,約占混凝土總重量的75 %以上,如何實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)存廢棄混凝土和未來(lái)混凝土循環(huán)再利用被看作是混凝土可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一,具有既明顯又可見(jiàn)的環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。本研究以混凝土材料的循環(huán)利用為宗旨,建立了一套合理有效的循環(huán)工藝(具體循環(huán)工藝如圖1) 。通過(guò)以石灰石作為粗、細(xì)集料配制原生混凝土,通過(guò)逐級(jí)破碎、篩分即得再生石灰石集料。經(jīng)過(guò)對(duì)再生石灰石集料的部分物理及力學(xué)性能的研究,得出了再生石灰石骨料性能的一般變化規(guī)律,特別是對(duì)再生石灰石粗集料參數(shù)及小于0.16 mm微粉的生態(tài)處理進(jìn)行了討論,以促進(jìn)石灰石可循環(huán)混凝土材料的廣泛利用。

2 　試驗(yàn)原材料

2. 1 　再生石灰石骨料的來(lái)源

本研究全部采用石灰石作為集料制備原生混凝土(Original Concrete ,簡(jiǎn)稱OC) 或稱為基體混凝土,然后采用人工逐級(jí)破碎,經(jīng)過(guò)篩分后,即得再生石灰石骨料(RecycledLimestone Aggregate ,簡(jiǎn)稱RLA) 。經(jīng)綜合考慮骨料性能,選用W/ C 為0.36 時(shí)原生混凝土制備的石灰石可循環(huán)骨料進(jìn)行試驗(yàn),粒徑(5～20)mm。

2. 1. 1 　原生混凝土所用原材料

水泥:采用撫順?biāo)鄰S生產(chǎn)的42. 5 級(jí)普通硅酸鹽水泥。

骨料:粗骨料為本溪某石場(chǎng)的石灰?guī)r碎石, (5～20) mm ,連續(xù)級(jí)配,表現(xiàn)密度為2.79 g/ cm3 ,壓碎指標(biāo)為6.2 %;細(xì)骨料為沈陽(yáng)市房產(chǎn)局水泥廠生產(chǎn)水泥用石灰?guī)r碎料經(jīng)篩分所得,粒徑(0.16～5) mm ,表觀密度為2.68 g/ cm3 ,細(xì)度模數(shù)2.78。

減水劑: FDN 高效減水劑, 摻量為1 %時(shí), 減水率為18 %。

水:沈陽(yáng)市飲用水。

2. 1. 2 　實(shí)驗(yàn)選用配合比

為了對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土所制備的再生骨料的性能進(jìn)行橫向比較,本研究選用了以下配比(表1) 進(jìn)行試驗(yàn)。

2. 2 　水泥

制備再生石灰石混凝土所用的水泥為大連小野田水泥廠生產(chǎn)的華日牌42. 5 級(jí)硅酸鹽水泥,水泥的強(qiáng)度、初終凝時(shí)間及體積安定性均符合國(guó)家水泥質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB17521999 的規(guī)定。

2. 3 　減水劑和水

沈陽(yáng)市北方外加劑廠生產(chǎn)的FND 型高效減水劑。水:采用沈陽(yáng)市飲用水。

3 　試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)重點(diǎn)研究了針對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)的再生石灰石集料的特征性能及利用再生石灰石集料制備混凝土?xí)r, W/ C對(duì)可循環(huán)再生的混凝土強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)間斷的選取0.75 ,0.59 ,0.53 ,0.47 ,0.41 ,0.36 ,0.28 等7 個(gè)不同水灰比配制再生骨料混凝土,試件采用非標(biāo)準(zhǔn)試件(10 cm ×10 cm ×10 cm) ,進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d 后進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)(考慮尺寸效應(yīng),強(qiáng)度乘以系數(shù)0.95) 。

4 　試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 　再生石灰石骨料的特征性能

4. 1. 1 再生石灰石骨料的物理性能

為了反映不同水灰比對(duì)再生石灰石骨料的特征物理性能的影響,本研究將基體混凝土經(jīng)人工逐級(jí)破碎、篩分后的再生石灰石骨料的表觀密度(重量法) 、堆積密度(標(biāo)準(zhǔn)方法) 、細(xì)度模數(shù)(篩分析法) 、吸水率(飽和面干狀態(tài)) 及空隙率進(jìn)行了測(cè)試和計(jì)算,具體結(jié)果見(jiàn)表2 ,其直觀圖見(jiàn)圖2、圖3。

由表2 可以看出:再生石灰石骨料的表觀密度、體積密度較天然骨料低,而其吸水率、空隙率均較天然骨料高,這主要是因?yàn)樘烊还橇辖Y(jié)構(gòu)密實(shí),而再生石灰石骨料的組成除了有部分巖石外,表面還包裹部分水泥石(水泥石中存在大量的毛細(xì)管和孔隙) 。另外,再生石灰石骨料在破碎過(guò)程中不

可避免形成許多微裂縫,并且其表面比天然骨料粗糙,并粘附大量微粉,也是導(dǎo)致以上變化(尤其是吸水率) 的主要因素。隨著水灰比的降低,石灰石原生混凝土漸趨密實(shí),因而再生石灰石骨料的表觀密度、體積密度有提高趨勢(shì),空隙率及吸水率有所減小。由于再生骨料吸水率較大,以及其粒形等因素影響,導(dǎo)致了在相同配比下,再生混凝土的流動(dòng)性較普通混凝土差,但其粘聚性和保水性較好。據(jù)研究,當(dāng)配制相同坍落度的混凝土,若粗細(xì)骨料全部為再生骨料時(shí),用水量需增加15 %左右[3 ] ,則必然導(dǎo)致單方水泥用量增加,從而提高混凝土的造價(jià)。因而,再生石灰石骨料不宜生產(chǎn)大流動(dòng)性混凝土。

4. 1. 2 　再生石灰石骨料的壓碎指標(biāo)

為了反映不同水灰比對(duì)石灰石再生粗骨料的力學(xué)性能的影響,對(duì)不同水灰比的石灰石再生粗骨料的壓碎指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)定。對(duì)普通碎石而言,其母巖強(qiáng)度愈高,壓碎指標(biāo)值越小。同樣,對(duì)于再生石灰石骨料,隨著水灰比的減小,其原生混凝土強(qiáng)度增高,再生石灰石粗骨料的壓碎指標(biāo)值也逐漸減小,但其值遠(yuǎn)大于天然骨料,主要因?yàn)樵炷猎谄扑闀r(shí),混凝土內(nèi)部產(chǎn)生大量的微裂紋等缺陷所致。

4. 2 　再生石灰石粗集料參數(shù)的研究

在進(jìn)行混凝土配合比計(jì)算時(shí). 不同品種的粗集料相應(yīng)的具有不同的骨料系數(shù),根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ5522000) ,對(duì)于碎石:骨料系數(shù)A = 0.46 , B = 0.07 ;而對(duì)于卵石:骨料系數(shù)A = 0.48 , B = 0.33。然而,對(duì)于石灰石混凝土可循環(huán)粗集料,它具有獨(dú)立的骨料系數(shù)。我們通過(guò)利用水灰比為0. 36 時(shí)制備的再生石灰石骨料,采用不同水灰比,對(duì)再生石灰石骨料配制混凝土強(qiáng)度進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)對(duì)再生石灰石粗骨料而言,水灰比與強(qiáng)度之間存在著密切的關(guān)系,試驗(yàn)配比及結(jié)果見(jiàn)表3。

當(dāng)再生骨料混凝土強(qiáng)度低于原混凝土強(qiáng)度時(shí)(即剔除水灰比為0.28 那一組) , C/ W 與強(qiáng)度的散點(diǎn)圖近似呈一條直線(如圖4) ,根據(jù)一元線性回歸原理,我們可以得到石灰石作基體混凝土集料的再生混凝土強(qiáng)度與C/ W 回歸方程為: y = 25.307 CPW – 12.836。而普通混凝土抗壓強(qiáng)度f(wàn) cu與CPW 之間呈線性關(guān)系,即f cu = Af ce ( CPW - B) ,由f ce =49.5 MPa ,經(jīng)計(jì)算可以得到可循環(huán)粗集料系數(shù)為: A = 0.511 ;B = 0.507。

由此可見(jiàn),就骨料系數(shù)而言,再生石灰石粗骨料系數(shù)與天然粗骨料系數(shù)存在較大差別。另外, 通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):利用較小水灰比也可以實(shí)現(xiàn)再生混凝土較高的強(qiáng)度。當(dāng)利用水灰比為0.36 的原生混凝土制備的再生集料所配備的混凝土與同配比純天然骨料混凝土強(qiáng)度比較僅差4 MPa ,強(qiáng)度下降約6.7 %。

由此可見(jiàn),石灰石可循環(huán)骨料拌制的再生混凝土可以用于安全等級(jí)要求較低的建筑及構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)中。因此,可循環(huán)再生的石灰石混凝土將具有良好的應(yīng)用前景。

4.3 　再生微粉的利用

再生混凝土經(jīng)逐級(jí)破碎、篩分而剩下的粒徑小于0.16 mm 微粉,若隨意排放,也必然會(huì)對(duì)城市的空氣及地面環(huán)境造成嚴(yán)重污染。因而,合理有效地利用有害于人類生存和生活的微粉,同樣具有重大意義。水泥是普通混凝土中除水及外加劑、摻合料外用量最小,價(jià)格最高的成分,其價(jià)格約占混凝土總造價(jià)的95 %以上。本研究通過(guò)利用W/ C 為0.36 的石灰石混凝土經(jīng)逐級(jí)破碎、篩分(0.16 mm 方孔篩) 后所篩余的粒徑小于0.16 mm微粉的成分進(jìn)行化學(xué)分析(如表4) 。因其含鈣率較高,含硅率較低,適合用作燒制水泥的石灰質(zhì)原料。

試驗(yàn)表明,經(jīng)過(guò)重新配料及“兩磨一燒”工藝燒成的再生水泥,同樣可以很好滿足GB17521999 各項(xiàng)指標(biāo)的規(guī)定。因此,可以通過(guò)這種微粉生產(chǎn)水泥,從而實(shí)現(xiàn)了混凝土材料的循環(huán)利用,這從資源再生和循環(huán)利用及降低環(huán)境負(fù)荷的角度出發(fā),為人類與環(huán)境共生做出貢獻(xiàn)。

5 　結(jié)論

a) 再生石灰石骨料的表觀密度、體積密度均較天然骨料低,空隙率、吸水率較天然骨料高,尤其是吸水率偏高。在相同配比下,若生產(chǎn)流態(tài)混凝土?xí)蛊涑杀敬蟠筇岣?因而不宜拌制大流動(dòng)性混凝土。我們可以用來(lái)拌制干硬性混凝土,如生產(chǎn)混凝土預(yù)制構(gòu)件等。

b) 石灰石可循環(huán)粗骨料系數(shù)不同于天然碎石的骨料系數(shù),W/ C 為0.36 的石灰石混凝土制備的再生粗骨料,其骨料回歸系數(shù)為:A = 0.511 ; B = 0.507。

c) 粒徑小于0.16 mm 的微粉用作水泥成分,經(jīng)重新配料、粉磨、鍛燒等工藝可以重新激發(fā)其活性而燒成水泥,其性能符合GB17521999 規(guī)定。

參考文獻(xiàn)

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