,李愛衛(wèi),李長(zhǎng)江,段緒勝*

1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利土木工程學(xué)院,山東 泰安271018 2.山東省泰安市水利局,山東 泰安 271000

3.山東合信項(xiàng)目管理有限公司,山東 泰安 271000

4.山東省成武縣水務(wù)局,山東 成武 274200

全世界每年用于建筑工程的混凝土有將近10 億t[1,2]，生產(chǎn)混凝土需要消耗大量的原材料，同時(shí)建筑物拆除后產(chǎn)生的廢棄混凝土，沒有得到有效利用，這更加劇了資源的消耗。二十世紀(jì)中葉以來，隨著世界經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，建筑業(yè)也因乘坐經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的列車而愈加繁榮，一些達(dá)到使用壽命的陳舊建筑物破舊拆除，道路、橋梁等混凝土設(shè)施的老化和服務(wù)年限的到期，導(dǎo)致越來越多的建筑項(xiàng)目報(bào)廢拆除，隨之而來的大量廢棄混凝土留存于環(huán)境中。廢棄混凝土已成為城市建設(shè)中主要的建筑垃圾[3-5]，這些廢棄混凝土的運(yùn)輸和放置不僅占據(jù)土地空間、污染環(huán)境，而且如此浪費(fèi)資源，不滿足我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求及對(duì)生態(tài)環(huán)境的需求。將其回收處理符合我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，也減少了廢棄混凝土對(duì)環(huán)境的破壞。

如今，我國(guó)絕大部分廢棄混凝土未經(jīng)任何專業(yè)處理，便被施工單位運(yùn)往城區(qū)外、鄉(xiāng)村或者大山里，進(jìn)行露天堆放或填埋。這種簡(jiǎn)單的處置方式不僅占用大量土地資源，耗費(fèi)許多的拆卸費(fèi)、征用土地費(fèi)、垃圾清運(yùn)費(fèi)等建設(shè)經(jīng)費(fèi)，而且給社會(huì)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也給人們的正常生活和自然環(huán)境造成了很大的阻礙和威脅，這種露天堆放方式甚至?xí)＜叭藗兊慕】担@一系列的行為會(huì)對(duì)國(guó)家的發(fā)展產(chǎn)生不利的影響。基于此本文提出研究強(qiáng)化再生粗骨料分級(jí)方法，主要對(duì)再生粗骨料和強(qiáng)化再生粗骨料的物理性能、工作性能和力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)。本文的試驗(yàn)研究，不僅保護(hù)生態(tài)環(huán)境，還符合國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略[6]。本文是根據(jù)“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃中的村鎮(zhèn)規(guī)劃和環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施配置關(guān)鍵技術(shù)研究與示范，在低成本村鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施與環(huán)境建設(shè)技術(shù)研究與示范的課題下進(jìn)行的，目的是為強(qiáng)化再生粗骨料劃分等級(jí)，解決廢棄混凝土的污染問題，減少資源浪費(fèi)，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。隨著全世界提倡節(jié)約型的社會(huì)理念以及我國(guó)對(duì)自然資源一直倡導(dǎo)的節(jié)約優(yōu)先、保護(hù)優(yōu)先、自然恢復(fù)為主的環(huán)境理念，再生混凝土已經(jīng)成為現(xiàn)代社會(huì)重要的發(fā)展型資源，就再生混凝土而言，較為重要的組成部分就是再生骨料[7]，所以再生混凝土骨料的開發(fā)應(yīng)用是必要的、迫切的、也是可行的，再生骨料和再生混凝土的開發(fā)應(yīng)用，完全滿足世界環(huán)境組織提出的“綠色”三大含義即節(jié)約資源和能源、不破壞環(huán)境、更有利于環(huán)境；可持續(xù)發(fā)展，既可滿足當(dāng)代人的需求，又不危害后代人滿足其需要的能力[8]，這也滿足當(dāng)前我國(guó)所倡導(dǎo)的創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享的新發(fā)展理念，從可持續(xù)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)及節(jié)約自然資源角度來說[9]，再生混凝土骨料的研究也是十分必要的。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 強(qiáng)化劑 采用3 種強(qiáng)化再生粗骨料的強(qiáng)化劑，分別為801 膠、土壤固化劑和水性環(huán)氧AB 膠。801 膠是外觀呈無色透明的液體建筑膠水，由聚乙烯醇與甲醛在酸性介質(zhì)中經(jīng)縮聚反應(yīng)，再經(jīng)氨基化后而制得，其粘度為38，固體含量為6%，在室溫25 ℃條件下PH 值為6.0±0.5，儲(chǔ)存期為6 個(gè)月。

土壤固化劑是由多種有機(jī)和無機(jī)材料科學(xué)合成的新型節(jié)能環(huán)保工程材料[9]，對(duì)于需加固的土壤，根據(jù)土壤的物理和化學(xué)性質(zhì)，只需摻入一定量的固化劑，經(jīng)拌勻、壓實(shí)處理，即可達(dá)到需要的性能指標(biāo)。土壤固化劑外觀呈乳白色液體，耐磨比為418%，在室溫25 ℃條件下pH 值為12.0±0.5，其中固體含量為51.3%。

AB 膠是兩液混合硬化膠的別稱，A 液是本膠，B 液是硬化劑，兩液相混才能硬化，是不須靠溫度來硬應(yīng)熟成的，所以是常溫硬化膠的一種，因其操作簡(jiǎn)便，常溫下可快速聚合固化，粘結(jié)強(qiáng)度高、韌性大、性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，因而具有極為廣泛的應(yīng)用，如應(yīng)用與建筑、機(jī)械等領(lǐng)域。A 膠的外觀呈乳白色液體，pH 值為7.0±0.5，粘度為100～900 mPa·s，環(huán)氧當(dāng)量純樹脂為200～220 g/mol；B 膠外觀呈乳淡黃色黏稠液體，使用溫度均為室溫25 ℃，粘度為5000～15000 mPa·s，胺值為180～190 mg KOH/g，樹脂含量63±2%。

1.1.2 再生粗骨料 試驗(yàn)中用來制備再生粗骨料的混凝土主要有兩種：一種是在實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)、養(yǎng)護(hù)28 d 后的C20、C30 混凝土廢棄試塊，另一種則是泰安市某公路混凝土面層拆卸后的廢棄混凝土（C20）。將不同來源的混凝土樣經(jīng)人工初步破碎，再利用實(shí)驗(yàn)室里的顎式破碎機(jī)進(jìn)行機(jī)械破碎，得到再生粒徑30 cm 以下的再生骨料，然后用不同孔徑的方孔篩網(wǎng)進(jìn)行篩分，選取滿足試驗(yàn)的再生粗骨料。

1.1.3 強(qiáng)化再生粗骨料 將滿足試驗(yàn)的再生粗骨料分為兩部分以控制變量的方法進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，選取其中一部分，用增強(qiáng)劑801 膠、土壤固化劑和水性環(huán)氧AB 膠進(jìn)行強(qiáng)化，按照材料使用說明書將膠體按一定比例用水稀釋，把再生粗骨料放入稀釋后的溶液中浸泡1 h，然后將粗骨料撈出，在自然條件下進(jìn)行風(fēng)干，同時(shí)對(duì)各類粗骨料進(jìn)行編號(hào)，編號(hào)見表1。

表1 粗骨料樣本試驗(yàn)編號(hào)Table1 Test number of coarse aggregate sample

1.2 試驗(yàn)方法

由于目前尚無專門針對(duì)強(qiáng)化再生粗骨料基本性能測(cè)試的規(guī)程，本文參照《普通混凝土用碎石或卵石質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及檢驗(yàn)方法》（JGJ53-92）[10]和《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》（GB50666-2011）[11]對(duì)不同來源再生粗骨料和不同強(qiáng)化方式的再生粗骨料進(jìn)行基本物理性能測(cè)試并對(duì)制備的再生混凝土的坍落度、保水性、粘聚性等工作性能進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)測(cè)試以抗壓強(qiáng)度為主的力學(xué)性能。

2 結(jié)果及分析

2.1 再生粗骨料物理指標(biāo)

粗骨料和強(qiáng)化再生粗骨料的物理指標(biāo)見表2～5。

表2 粗骨料的吸水率Table 2 Water absorption of coarse aggregate

表3 強(qiáng)化再生粗骨料的吸水率Table 3 Water absorption of Strengthening regenerated coarse aggregate

表4 強(qiáng)化再生粗骨料的表觀密度Table 4 Apparent density of Strengthening regenerated coarse aggregate

表5 粗骨料的壓碎指標(biāo)Table 5 Crushing index of coarse aggregate

2.2 顆粒級(jí)配

強(qiáng)化再生粗骨料在人工破碎與機(jī)械破碎時(shí)，由于不可避免的誤差影響導(dǎo)致沒有控制好粒徑大小，以致于得到的強(qiáng)化再生粗骨料的粒徑偏小。從圖1 中可以看出，本文所采用的強(qiáng)化再生粗骨料13 mm～19 mm 粒徑不滿足相關(guān)規(guī)范要求，其余粒徑均在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)粗骨料要求的范圍內(nèi)。

2.3 強(qiáng)化再生粗骨料對(duì)混凝土工作性能的影響

本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行配合比試驗(yàn)時(shí)參照《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ55-2000）[13]，在水灰比0.54時(shí)，不同取代率的強(qiáng)化再生粗骨料對(duì)再生混凝土工作性能的影響試驗(yàn)結(jié)果見表6 和圖2。

圖1 粗骨料的顆粒級(jí)配Fig.1 Particle size distribution of coarse aggregate

圖2 強(qiáng)化再生粗骨料取代率對(duì)混凝土坍落度的影響Fig.2 Effect of strengthening regenerated coarse aggregate on slump of concrete

表6 強(qiáng)化再生粗骨料對(duì)混凝土粘聚性和保水性的影響Table 6 Effects of strengthening regenerated coarse aggregate on the cohesiveness and water retention of concrete

強(qiáng)化再生粗骨料SA1-1、SA1-2 和SA1-3 在取代率為40%下的塌落度，如表7 所示：

表7 不同強(qiáng)化方式對(duì)混凝土的塌落度的影響Table 7 Effects of different intensification methods on slump of concrete

通過表6、表7 和圖2 本文可得出如下結(jié)論：（1）由于強(qiáng)化再生粗骨料取代率的增加從而導(dǎo)致再生混凝土的坍落度降低并且取代率不同坍落度也不同。（2）天然粗骨料的普通混凝土坍落度為20.2 mm；三種不同強(qiáng)化粗骨料取代率為100%時(shí)的混凝土坍落度分別為4.8 mm、9.7 mm 和9.2；普通混凝土的塌落度是再生混凝土塌落度的4.2 倍。（3）在相同取代率下，塌落度值為FSA1＜FSA3＜FSA2。（4）在取代率、廢棄混凝土相同的條件下，801 膠、土壤固化劑和水性環(huán)氧AB 膠強(qiáng)化的再生粗骨料對(duì)混凝土塌落度的影響差別不大，塌落度最大相差0.6 mm。主要原因是再生粗骨料強(qiáng)化后吸水性仍較大，隨著強(qiáng)化再生粗骨料取代率的增加，在水泥凝結(jié)前從其界面周圍的水泥砂漿中吸收水分，減少了參與到混凝土拌合和改善流動(dòng)性工作的水，導(dǎo)致坍落度和流動(dòng)性降低。

3 再生混凝土立方體的抗壓性能

再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果見表8 及圖3。

表8 再生混凝土的試驗(yàn)結(jié)果Table 8 Test results of recycled aggregate concrete

圖3 再生混凝土的抗壓強(qiáng)度Fig.3 Compressive strength of recycled concrete

從表8 可以看出，在任意取代率下，經(jīng)化學(xué)溶液強(qiáng)化后的再生粗骨料制備的28 d 再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度較再生粗骨料未強(qiáng)化的再生混凝土有所提高，其中R-FSA1 粗骨料在取代率為100%時(shí)，強(qiáng)化粗骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度較未強(qiáng)化的再生混凝土提高了1.73 MPa，在取代率為40%時(shí)，提高了0.17 MPa，其它強(qiáng)化類型的粗骨料的再生混凝土相應(yīng)提升在0.17～1.73 MPa 之間。強(qiáng)度提升是因?yàn)槟z體溶液在強(qiáng)化再生粗骨料時(shí)，修復(fù)部分裂紋，降低了再生粗骨料的吸水率，同時(shí)提高了再生粗骨料的強(qiáng)度。使其在生產(chǎn)混凝土?xí)r，減少了粗骨料對(duì)水分得吸收，提升了粗骨料的力學(xué)性能。從圖3 可以看出，隨著強(qiáng)化再生粗骨料取代率的增加，再生混凝土的強(qiáng)度呈現(xiàn)一種斜直線的下降方式，最大相差10.21 MPa。取代率越高，再生混凝土強(qiáng)度越低，編號(hào)R-FSA2 和編號(hào)R-FCA2 再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度大于其他編號(hào)的再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度，且抗壓強(qiáng)度R-FSA2＞R-FCA2。對(duì)照表3、表5 粗骨料的相關(guān)指標(biāo)，標(biāo)號(hào)FSA2 和FCA2 的再生粗骨料的吸水率和壓碎指標(biāo)較低，因此再生混凝土的抗壓強(qiáng)度主要取決于廢棄混凝土的物理性能。同時(shí)，較未強(qiáng)化的再生粗骨料的再生混凝土，強(qiáng)化的再生混凝土的吸水率與壓碎指標(biāo)更小，以其作為粗骨料的再生混凝土抗壓強(qiáng)度有所提高。

3 結(jié)論

本文通過分析強(qiáng)化再生粗骨料與粗骨料的篩分、吸水率、表觀密度和壓碎指標(biāo)等基本物理性能參數(shù)，以及強(qiáng)化粗骨料對(duì)再生混凝土工作性能和抗壓強(qiáng)度的影響，得出以下結(jié)論：

（1）通過強(qiáng)化再生粗骨料基本性能、工作性能和力學(xué)性能試驗(yàn)可以得出：不同種類的化學(xué)溶液強(qiáng)化的再生粗骨料與未強(qiáng)化的再生粗骨料相比，性能有所提升。強(qiáng)化再生粗骨料混凝土的坍落度和流動(dòng)性隨著強(qiáng)化再生粗骨料取代率的增加而降低，降低速率與未強(qiáng)化再生粗骨料混凝土的坍落度和流動(dòng)性降低速率相近。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為28 d 時(shí)，再生粗骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度總體上隨著強(qiáng)化再生粗骨料混凝土取代率的增加而降低，同取代率下，較未強(qiáng)化粗骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度略微增強(qiáng)。

（2）強(qiáng)化再生粗骨料對(duì)混凝土性能的影響與原始材料強(qiáng)度有關(guān)。原材料強(qiáng)度越高，強(qiáng)化再生粗骨料混凝土的工作性能越好，其抗壓強(qiáng)度越高。

（3）再生粗骨料強(qiáng)化溶劑、強(qiáng)化時(shí)間、強(qiáng)化方法需要進(jìn)一步研究，找到最優(yōu)的強(qiáng)化方案，提高建筑固體廢棄物的資源化轉(zhuǎn)化率。