康 磊

（中鐵十六局集團(tuán)第五工程有限公司，河北 唐山 064000）

1 背景介紹

目前，我國正處于城市市政路網(wǎng)大建設(shè)時期。鄭州市四環(huán)線及大河路快速化工程，該段總長92km，預(yù)算為378億人民幣，我公司承建西四環(huán)5.6km，截止日期為2019年初。項(xiàng)目在施工過程中產(chǎn)生大量的廢棄混凝土，且隨著項(xiàng)目繼續(xù)進(jìn)行將會產(chǎn)生更多的廢棄混凝土。這些廢棄混凝土主要來源于以下方面：

（1）大量強(qiáng)度等級為C25/C30的深基礎(chǔ)素混凝土樁樁頭將被去除。

（2）大量既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施的拆除。拆除橋混凝土強(qiáng)度等級為C40/C50，服役年限大部分不足一年。

（3）實(shí)驗(yàn)室澆筑的混凝土試件。由于清水混凝土質(zhì)量要求較高，故在實(shí)驗(yàn)室中預(yù)澆筑大量混凝土試件進(jìn)行測試，以保證混凝土質(zhì)量。此外，丟棄的預(yù)制結(jié)構(gòu)件也是廢棄混凝土部分來源。

（4）施工混凝土過程中遺落在現(xiàn)場和沖洗泵管丟棄的廢料。

在過去的幾十年中，廢棄混凝土研究工作主要集中于廢棄混凝土破碎工藝、再生骨料混凝土配合比技術(shù)、再生骨料混凝土力學(xué)性能和耐久性能以及結(jié)構(gòu)用再生骨料混凝土設(shè)計(jì)方面。大量的研究表明，用再生骨料制作再生骨料混凝土是可行的，即使將生產(chǎn)的再生骨料混凝土用于承重結(jié)構(gòu)也能滿足相應(yīng)要求。此外，該技術(shù)還可獲得一定經(jīng)濟(jì)效益，故可廣泛推廣。

盡管技術(shù)日趨成熟，但在該項(xiàng)目中應(yīng)用廢棄混凝土回收再應(yīng)用的理念仍面臨一些重大挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括：

（1）在施工現(xiàn)場，沒有專門設(shè)計(jì)的用于破碎廢棄混凝土的加工廠。

（2）由于廢棄混凝土加工過程中可能產(chǎn)生噪音和灰塵，因此，很難在工地上用移動破碎機(jī)進(jìn)行廢棄混凝土的破碎。

（3）缺乏相應(yīng)技術(shù)與理論，如廢棄混凝土加工、再生混凝土配合比設(shè)計(jì)和再生粗骨料對混凝土性能的影響等。

（4）工期非常緊張，這意味著廢棄混凝土的回收和再利用不應(yīng)影響工作計(jì)劃，也不應(yīng)給實(shí)驗(yàn)室技術(shù)人員和建筑工人增加太多額外工作。

為克服這些困難，一致決定在一個有經(jīng)驗(yàn)的學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)指導(dǎo)下進(jìn)行回收和再應(yīng)用廢棄混凝土工作。為此，聘請魯汶大學(xué)建筑材料回收利用研究中心作為技術(shù)顧問。根據(jù)該研究中心建議，按下列流程開展了研究工作：

（1）在天然石料加工廠破碎廢棄混凝土。

（2）僅以再生粗骨料生產(chǎn)再生骨料混凝土，以保證再生骨料混凝土滿足相應(yīng)規(guī)范要求。

（3）按GB/T 14685-2011《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測試再生骨料性能。

（4）利用再生骨料生產(chǎn)非承重構(gòu)件，再考慮將其用于生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的再生骨料混凝土。

2 再生骨料的加工及性能

2.1 廢棄混凝土破碎

本課題組選擇了距離廢棄混凝土收集地約10km的天然石料加工廠用以加工破碎廢棄混凝土。

由于破碎過程對再生骨料的性能有重要影響，因此，需對加工廠破碎設(shè)備和破碎工藝進(jìn)行考察。課題組首先對實(shí)驗(yàn)室澆筑混凝土試件在該加工廠破碎所得的再生骨料性質(zhì)進(jìn)行了測試。

母混凝土骨料最大粒徑為31.5mm，強(qiáng)度等級為C30/C37～C45/C45?；炷猎嚰?jīng)顎式破碎機(jī)初破碎，然后由錘式破碎機(jī)二次破碎，整個破碎過程與天然骨料的加工過程完全相同。破碎所得的再生骨料有3種粒徑范圍：5～10mm、10～20mm、16～31.5mm。各種粒徑的再生骨料表面都較粗糙且有棱角。類似于之前相關(guān)研究結(jié)果，破碎所得再生骨料表面附著有水泥砂漿。

2.2 再生骨料性能

實(shí)驗(yàn)室根據(jù)《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14685-2011）對再生骨料性能進(jìn)行測試。測試項(xiàng)目包括：粒徑級配、堆積和表觀密度、吸水率、針片狀指數(shù)和壓碎指標(biāo)。

再生骨料級配曲線如圖1所示。由圖1（a）～（c）可見，3種粒徑范圍再生骨料的級配曲線均符合GB/T 14685-2011中規(guī)定的最大和最小限值，這意味著再生粗骨料可滿足該規(guī)范對混凝土用粗骨料的級配要求。

圖1（d）展示了一個重組骨料的級配曲線，其中5～10mm、10～20mm 和 16～31.5mm 的骨料比例分別為20%、50%和30%，可以看出，重組骨料的級配曲線也符合混凝土粗集料的級配曲線。圖1給出了再生骨料的其他物理和力學(xué)性能的測試數(shù)據(jù)。從圖1中可以看出，在本項(xiàng)目中獲得的再生粗骨料能滿足歐洲標(biāo)準(zhǔn)和中國對混凝土用骨料的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 再生骨料級配曲線

3 再生骨料生產(chǎn)混凝土砌塊

如上所述，施工現(xiàn)場廢棄混凝土經(jīng)天然骨料加工廠破碎所得的再生骨料滿足規(guī)范要求。因此，可使用該再生骨料生產(chǎn)混凝土。考慮現(xiàn)場實(shí)際情況，決定暫將再生骨料用以配置市政道路護(hù)坡用預(yù)制混凝土砌塊。由于混凝土砌塊墻體厚度小，僅為5cm，故只選用5～10mm的再生粗骨料用以生產(chǎn)混凝土砌塊。

國內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)出于該砌塊工作環(huán)境和耐久性考慮，要求最低混凝土強(qiáng)度等級C25。此外，為便于砌塊的生產(chǎn)，要求坍落度為180～200mm。

3.1 材料

項(xiàng)目中水泥采用鄭州滎陽天瑞公司生產(chǎn)的低堿硅酸鹽水泥；砂采用項(xiàng)目部工程用砂，砂的粒徑為0～5mm；粗骨料全部采用廢棄混凝土破碎所得的5～10mm再生粗骨料；減水劑為山西產(chǎn)格瑞特高效減水劑；水為項(xiàng)目用普通自來水。

3.2 混凝土配合比

基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，課題組為護(hù)坡用混凝土砌塊提供了3組配合比，如表1所示。3組配合比具有相同水灰比，即0.6，但水泥漿量不同。應(yīng)指出的是，表1中所列材料用量為絕干狀態(tài)下的用量，在實(shí)際拌合混凝土?xí)r應(yīng)考慮砂的含水率。另外，由于再生骨料含水率較高導(dǎo)致了補(bǔ)償水的用量增加，這部分增加的用水量由再生粗骨料的吸水率決定。

表1 混凝土配合比

3.3 試樣制備

施工現(xiàn)場的中心實(shí)驗(yàn)室采用機(jī)械攪拌的方式完成了混凝土的拌合工作。經(jīng)測試，按3種配合比配置的混凝土坍落度均在180～200mm范圍內(nèi)，滿足和易性要求。

完成坍落度測試后，將3組混凝土拌合物制成150mm×150mm×150mm立方體試塊，每組21個。并將試塊放入20℃、相對濕度為95%（標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下）的養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，在達(dá)到相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)齡期后，分別測量其1d、2d、3d、7d、14d、21d和28d的抗壓強(qiáng)度。28d養(yǎng)護(hù)齡期抗壓強(qiáng)度增長曲線如圖2所示。

圖2 28d養(yǎng)護(hù)齡期抗壓強(qiáng)度增長曲線

3.4 混凝土強(qiáng)度測試結(jié)果及分析

對混凝土試塊按照國家標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》（GB 50081-2002）測試抗壓強(qiáng)度。具體實(shí)施在同一測試齡期，對每組配合比測試3個試件以取其平均值，測試結(jié)果見表2。由表中數(shù)據(jù)可知，混凝土抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期增長而增強(qiáng)，其強(qiáng)度主要增長發(fā)生在前7d，之后混凝土抗壓強(qiáng)度的增長趨勢變緩。這表明，再生骨料混凝土強(qiáng)度增長趨勢與傳統(tǒng)的天然骨料混凝土強(qiáng)度增長趨勢相吻合。經(jīng)過28d養(yǎng)護(hù)后，3組配合比的混凝土試塊表現(xiàn)出相似性質(zhì)，且均達(dá)到混凝土砌塊的強(qiáng)度要求。

表2 混凝土強(qiáng)度測試結(jié)果

中國水電科學(xué)院朱伯芳院士提出了以下公式來描述混凝土抗壓強(qiáng)度與時間的關(guān)系：

式中，fcu(t)——任意時間t的立方體抗壓強(qiáng)度（MPa）；

fcu, 28——28d混凝土立方體抗壓強(qiáng)度（MPa）；

t——混凝土齡期（d）；

λ——取決于使用的水泥類型的系數(shù)，對于普通硅酸鹽水泥，λ=0.172 7。

在目前歐洲混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（EC 2）中，公式2用來描述時間與混凝土抗壓強(qiáng)度的關(guān)系：

式中，s也是一個取決于水泥類型的系數(shù)。對于普通硅酸鹽水泥，s=0.25。

事實(shí)上，公式1和公式2具有相似的結(jié)果。圖3展示了依據(jù)測試數(shù)據(jù)，運(yùn)用公式2作出的預(yù)測結(jié)果比較。數(shù)據(jù)顯示，依據(jù)公式預(yù)測的數(shù)據(jù)與測量數(shù)據(jù)吻合，這表明該模型也同樣適用于本項(xiàng)目中的再生粗骨料混凝土。

圖3 預(yù)制混凝土砌塊

3.5 用再生粗骨料生產(chǎn)預(yù)制混凝土砌塊

在確定混凝土配合比后，立即開展用再生粗骨料生產(chǎn)預(yù)制混凝土護(hù)坡砌塊的工作。在護(hù)坡使用再生混凝土砌塊表面未發(fā)現(xiàn)任何由于混凝土收縮引起的裂縫，表面質(zhì)量較好。

4 結(jié)語

本文對鄭州市四環(huán)線及大河路快速化工程建設(shè)中產(chǎn)生的廢棄混凝土展開了于施工現(xiàn)場就地回收應(yīng)用的研究。將廢棄混凝土破碎得到的再生骨料作為粗骨料，生產(chǎn)用于市政道路護(hù)坡的預(yù)制混凝土砌塊，實(shí)現(xiàn)了對再生粗骨料的高效應(yīng)用。盡管遇到了一些重大挑戰(zhàn)，但研究結(jié)果表明，用再生骨料生產(chǎn)混凝土砌塊的嘗試達(dá)到了預(yù)期效果。從該研究工作中可得出如下結(jié)論：

（1）利用天然石料加工廠可獲得具有良好級配的再生骨料。再生骨料由天然骨料加工廠中顎式破碎機(jī)與錘式破碎機(jī)搭配破碎廢棄混凝土而成型。

（2）再生骨料的物理和力學(xué)性能滿足國內(nèi)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)，即可以使用再生骨料生產(chǎn)再生骨料混凝土。由于生產(chǎn)再生骨料的廢棄混凝土服役年限不足一年且沒有受到污染，因此，再生骨料混凝土的耐久性能滿足要求。

（3）通過優(yōu)化配合比，再生骨料混凝土能同時滿足工作性能和抗壓強(qiáng)度要求。

（4）再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期增加而增加。類似于天然骨料混凝土強(qiáng)度增長趨勢，養(yǎng)護(hù)7d后，再生骨料混凝土強(qiáng)度增加趨勢減緩。

（5）目前，在使用再生骨料大規(guī)模生產(chǎn)預(yù)制混凝土砌塊的過程中未發(fā)現(xiàn)問題。