陳亭偉, 呂航杰, 丁 輝, 陳建康

建筑垃圾再生混凝土的性價比研究

陳亭偉, 呂航杰, 丁 輝, 陳建康*

（寧波大學(xué) 機械工程與力學(xué)學(xué)院, 浙江 寧波 315211）

為了能夠有效進(jìn)行材料力學(xué)性能及成本耗費的比較研究, 提出了價格-強度比和價格-模量比兩個衡量指標(biāo). 在再生混凝土材料體系設(shè)計方面, 骨料取自建筑垃圾混凝土, 選取了砂率分別為30%、37%和39%的3種材料體系. 通過添加不同比例的礦物摻合料, 形成了不同的材料配合比. 通過一維應(yīng)力壓縮實驗, 得到了材料的模量和強度. 通過比較價格-強度比和價格-模量比的定量結(jié)果, 得到了性價比最優(yōu)的材料配合比設(shè)計. 研究結(jié)果對于合理利用建筑垃圾形成力學(xué)性能優(yōu)良的再生混凝土具有參考意義.

建筑垃圾再生混凝土; 高強混凝土; 配合比; 礦物摻和料; 減水劑

隨著城鎮(zhèn)化改造和城市化建設(shè)的迅猛推進(jìn), 建筑垃圾已經(jīng)成為破壞環(huán)境的重要因素之一. 目前, 在建筑垃圾混凝土方面, 國內(nèi)已有幾十所大學(xué)和研究機構(gòu)開展了再生混凝土的研究. 而對廢棄混凝土的再利用研究則主要集中在再生骨料[1-3]和再生混凝土的力學(xué)性能、物理性能、耐久性能等方面[4-8]. 然而, 力學(xué)性能高、耐久性能好、物理性能強通常導(dǎo)致再生混凝土成本的大幅提高, 制約了再生混凝土的工程應(yīng)用. 即使有一些比較成功的應(yīng)用[9], 如近年福建寧化城區(qū)就將廢棄水泥混凝土應(yīng)用在城市道路建設(shè)中, 已通車道路使用性能較好[10]; 北京市政路橋集團有限公司將再生骨料應(yīng)用在北京軌道交通新機場線中, 施工效果良好[11]. 但這些應(yīng)用場景都對混凝土強度要求較低, 所以研發(fā)性能較好、成本較低, 即性價比高的混凝土配合比方案顯得至關(guān)重要.

基于目前的研究, 建筑垃圾的強度[12-13]已非常可觀. 當(dāng)再生集料取代率為0~50%時, 再生混凝土強度呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢, 其強度在取代率為30%附近達(dá)到最低值, 在50%位置達(dá)到峰值, 且強度可以超過再生集料取代率為0的混凝土強度[14-15].

本文以浙江明峰建材集團的建筑垃圾破碎篩選生產(chǎn)線生產(chǎn)的再生骨料取代原有骨料, 選取23%及30%的取代率, 通過對砂率和礦物質(zhì)摻和料的比例調(diào)整, 使得混凝土強度提升的同時保證其有較高的性價比, 其中A4、C1組再生混凝土強度分別達(dá)到79.26、78.40MPa, 且強度值較為穩(wěn)定.

本研究從抗壓強度、性價比兩個方面進(jìn)行分析, 提出價格強度比、價格模量比概念, 給出了評判混凝土性價比的定量評定指標(biāo).

表1 30%砂率條件下的混凝土配合比

表2 37%砂率條件下的混凝土配合比

表3 39%砂率條件下的混凝土配合比

1 實驗研究

1.1 再生混凝土的配合比設(shè)計

為了比較再生混凝土的力學(xué)性能, 本文探究了不同砂率且保持膠凝材料總量不變的情況下, 調(diào)整礦物摻和料的比例來得到最高強度的配比. 本文選取了3套設(shè)計方案, 分別在砂率為30%、37%、39%的實驗中, 調(diào)整礦物摻和料比例. 各砂率條件下具體的混凝土配合比見表1~3, 其中A4、B4和C4組(作為對照組)采用普通混凝土的配合比設(shè)計.

1.2 混凝土試樣的制作與養(yǎng)護(hù)

根據(jù)配合比設(shè)計, 采用的主要原料有原石粗骨料、原石細(xì)骨料、再生骨料、水泥、硅灰、粉煤灰、磨細(xì)礦渣粉等. 試樣養(yǎng)護(hù)時間為28d.

如圖1所示, 樣品是規(guī)格為150mm×150mm× 150mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體塊, 具體編號為: A1-1至A1-8; A2-1至A2-5; A3-1至A3-7; A4-1至A4-6; B1-1至B1-7; B2-1至B2-6; B3-1至B3-8; B4-1至B4-8; C1-1至C1-6; C2-1至C2-7; C3-1至C3-5; C4-1至C4-4.

圖1 再生混凝土試塊

1.3 材料的力學(xué)性能測試

試塊的力學(xué)性能測試在寧波市交通建設(shè)工程試驗檢測中心進(jìn)行, 測試的壓力機為上海華龍測試儀器股份有限公司生產(chǎn)的WHY-3000型微機控制壓力試驗機(圖2).

圖2 WHY-3000型微機控制壓力試驗機

2 性價比分析

2.1 強度比較

強度實驗結(jié)果如圖3~14所示. 經(jīng)過實驗, 可以發(fā)現(xiàn)A大組中, 對照組A4組強度普遍較高, 平均值達(dá)到79.26MPa, 最高值達(dá)到90.50MPa.

圖3 A1組試樣應(yīng)力—應(yīng)變曲線

圖4 A2組試樣應(yīng)力—應(yīng)變曲線

圖5 A3組試樣應(yīng)力—應(yīng)變曲線

圖6 A4組試樣應(yīng)力—應(yīng)變曲線

B大組中, B1組強度較高, 平均值達(dá)到42.24 MPa. 相比其他兩大組而言, B大組強度普遍較低.

C大組中C1組強度較高, 相較A4組強度稍低, 但整體上強度值比較穩(wěn)定, 平均值達(dá)到78.40MPa.

圖11 C1組試樣應(yīng)力—應(yīng)變曲線

圖12 C2組試樣應(yīng)力—應(yīng)變曲線

圖13 C3組試樣應(yīng)力—應(yīng)變曲線.

圖14 C4組試樣應(yīng)力—應(yīng)變曲線

綜上, A4組及C1組配比強度較高, 且強度值較為穩(wěn)定, 性能較為優(yōu)秀.

2.2 性價比

統(tǒng)計了寧波市場的原料價格(表4). 根據(jù)表4的價格, 計算了每種配比狀態(tài)下每立方米混凝土的價格(表5).

表4 原料價格 元·kg-1

表5 不同組別混凝土價格 元·m-3

為便于對結(jié)果進(jìn)行分析, 繪制了各大組的彈性模量表, 具體見表6~8.

表6 A組彈性模量表 MPa

表7 B組彈性模量表 MPa

表8 C組彈性模量表 MPa

綜上可得, A大組中A1組配比的混凝土價格最低, A4次之. B4、C4分別為B、C大組中的價格最低組.

通過對圖3~14所示的強度進(jìn)行比較, 可以看出A4組及C1組的強度值較高且較穩(wěn)定. 再對照表5的價格進(jìn)行比較, A4組每立方米混凝土價格較C1組低約500元, 且強度較C1組高, 具有較高的應(yīng)用價值.

不同組別價格及強度對比如圖15所示.

圖15 不同組別的價格與強度對比

為了更明顯地比較各組的價格和強度之間的關(guān)系, 定義“價格-強度比等于價格除以強度”, 價格-強度比越小, 則每提高1MPa強度所需金額越少. 不同組別價格-強度比如圖16所示, 可以發(fā)現(xiàn)A4、C1、C4價格-強度比較低, 較為經(jīng)濟. 計算試樣的彈性模量, 并定義“價格-模量比等于價格除以彈性模量”, 不同組別價格-模量比如圖17所示.

圖16 不同組別的價格-強度比

圖17 不同組別的價格-模量比

價格-模量比越小, 則每提高1MPa彈性模量所需金額越少. 從圖17中可以發(fā)現(xiàn)價格-模量比趨勢與價格-強度比趨勢基本一致, A4、B4、C1、C4價格-模量比較低, 較為經(jīng)濟.

綜上所述, 在本文所設(shè)計的配比中, A4、C1、C4組性價比較好.

3 結(jié)論

通過對3種試驗方案中的結(jié)果進(jìn)行分析, 可以得到如下結(jié)論:

(1)通過一定的配比, 建筑垃圾中的再生骨料等廢料可以得到重新利用并且形成較高強度的混凝土.

(2)實驗發(fā)現(xiàn), A4、C1組配比下的再生混凝土強度較高, 平均值分別達(dá)到79.26、78.40MPa, 且兩組樣品在具有較高強度值的同時, 其強度數(shù)值較為穩(wěn)定, 利用價值較大.

(3)綜合考慮價格因素, 結(jié)合各組別價格-強度比、價格-模量比分析, A4、C1、C4組配比在保持價格相對較低的同時, 具有較高的強度, 因而具有較高的應(yīng)用價值.

(4)再生混凝土在23%及30%再生骨料取代率下, 可通過砂、摻和料及減水劑的使用來提升混凝土強度, 具體可參閱A4、C1、C4組的配比.

[1] 徐詠梅. 不同工藝再生骨料對混凝土耐久性能影響研究[J]. 粉煤灰綜合利用, 2019(5):33-36.

[2] 應(yīng)敬偉, 蒙秋江, 肖建莊. 再生骨料CO2強化及其對混凝土抗壓強度的影響[J]. 建筑材料學(xué)報, 2017, 20(2): 277-282.

[3] Agarwal A, Bhusnur S, Shanmuga Priya T. Experimental investigation on recycled aggregate with laboratory concrete waste and nano-silica[J]. Materials Today: Proceedings, 2020, 22(4):1433-1442.

[4] 史才軍, 曹芷杰, 謝昭彬. 再生混凝土力學(xué)性能的研究進(jìn)展[J]. 材料導(dǎo)報, 2016, 30(23):96-103.

[5] 安新正, 楊瑩瑩, 陳科, 等. 腐蝕環(huán)境下再生混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計研究[J]. 河北工程大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2016, 33(2):15-18.

[6] Mohammed S I, Najim K B. Mechanical strength flexural behavior and fracture energy of recycled concrete aggregate self-compacting concrete[J]. Structures, 2020, 23:34-43.

[7] 戴俊, 李傳凈, 杜文平. 高品質(zhì)再生混凝土粗骨料物理性能試驗研究[J]. 混凝土, 2017(7):88-91.

[8] 王國林, 祁尚遠(yuǎn), 李聚義, 等. 再生粗骨料混凝土力學(xué)性能試驗研究[J]. 混凝土, 2020(3):168-171.

[9] Mohammadinia A, Wong Y C, Arulrajah A, et al. Strength evaluation of utilizing recycled plastic waste and recycled crushed glass in concrete footpaths[J]. Construction and Building Materials, 2019, 197:489-496.

[10] 孫劍. 基于寧化道路實例的廢舊水泥混凝土再生應(yīng)用研究[J]. 建材與裝飾, 2019(8):272-273.

[11] 石堅, 田景松. 建筑垃圾再生骨料在北京軌道交通新機場線中的應(yīng)用研究[J]. 市政技術(shù), 2018, 36(4):234- 237.

[12] Sahoo S, Singh B. Recycled aggregate concrete slab punching shear capacity[J]. Structures, 2020, 24:426-443.

[13] 何東林, 李軍, 宋太華. 再生混凝土強度試驗研究[J]. 人民黃河, 2009, 31(10):124-125.

[14] 肖建莊, 林壯斌, 朱軍. 再生骨料級配對混凝土抗壓強度的影響[J]. 四川大學(xué)學(xué)報(工程科學(xué)版), 2014, 46(4): 154-160.

[15] 肖建莊, 李佳彬, 孫振平, 等. 再生混凝土的抗壓強度研究[J]. 同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2004, 32(12): 1558-1561.

Comparative study on cost performance of recycled concrete from construction waste

Chen Tingwei, Lü Hangjie, Ding Hui, Chen Jiankang*

( Faculty of Mechanical Engineering & Mechanics, Ningbo University, Ningbo 315211, China )

Inthis study, the cost performance was investigated for recycled concrete from construction waste. Two indexes were proposed to quantificationally represent such a cost performance, namely, price-to-strength ratio (PSR) and price-to-modulus ratio (PMR). The aggregate was taken from construction waste concrete with varied proportion of mineral admixture added in the specimens, where the sand ratios of 30%, 37%, and 39% were designed. One-dimensional compress test was performed, and the strength and modulus were obtained by analyzing the experimental data. According to the definition of PSR and PMR, the values of PSR and PMR for recycle concrete with different mix ratios were obtained, and from those numerical results, the optimal mix ratio was determined. The results have reference significance for the rational use of construction waste to form recycled concrete with excellent mechanical properties.

recycled concrete from construction waste; high-strength concrete; mix ratio; mineral admixture; water reducing agent

TU528.31

A

1001-5132（2021）02-0080-07

2020?05?07.

寧波大學(xué)學(xué)報（理工版）網(wǎng)址: http://journallg.nbu.edu.cn/

國家自然科學(xué)基金（11772164, 11832013）; 寧波市社發(fā)重點項目（2013C51007）.

陳亭偉（1997－）, 男, 浙江溫嶺人, 在讀碩士研究生, 主要研究方向: 混凝土腐蝕損傷力學(xué). E-mail: young1_chen.nb@foxmail.com

陳建康（1957－）, 男, 江蘇宿遷人, 教授, 主要研究方向: 混凝土腐蝕損傷力學(xué). E-mail: chenjiankang1957@163.com

（責(zé)任編輯 韓 超）