再生混凝土資源化利用及力學(xué)性能淺析

祖 寧 （西安高科國際社區(qū)建設(shè)開發(fā)有限公司，陜西 西安 710117）

0 前言

再生骨料混凝土[1]（Recycled Aggregate Concrete,RAC）簡(jiǎn)稱再生混凝土（Recycled Concrete）,是將廢棄混凝土塊經(jīng)過破碎、清洗、分級(jí)后，按一定比例與級(jí)配混合形成再生混凝土骨料（Recycled Concrete Aggregate,RCA），部分或全部代替砂石等天然骨料（主要是粗骨料）配制而成的新的混凝土。RAC技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)廢棄混凝土的有效再利用，而且能夠極大的節(jié)約土地資源、改善生態(tài)環(huán)境、解決環(huán)保問題。所以，RAC的制備技術(shù)是解決廢棄混凝土資源化利用問題的行之有效的方法，其研究成果對(duì)于實(shí)現(xiàn)建筑資源環(huán)境可持續(xù)發(fā)展有重要的社會(huì)意義。

我國建筑垃圾每年以數(shù)億噸的數(shù)量增長(zhǎng)，已經(jīng)占到城市垃圾總量的30%～40%，其中50%～60%為廢棄混凝土。然而，我國對(duì)建筑廢料的利用率極低，絕大多數(shù)未經(jīng)任何處理便被填埋或露天堆放，這種方式不僅占用大量耕地、耗費(fèi)大量清運(yùn)經(jīng)費(fèi)，而且造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。

1 資源化利用現(xiàn)狀

1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)中期，歐、美、日等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)便開始了RAC的研究和開發(fā)利用工作。歐洲各國對(duì)利用再生骨料制備混凝土較早就制定了相關(guān)規(guī)范，并對(duì)建筑廢料的回收利用率做出了要求。美國《混凝土骨料標(biāo)準(zhǔn)》明文鼓勵(lì)使用再生骨料。日本政府早在1977年就制定了《再生骨料和再生混凝土使用規(guī)范》，隨后相繼建立了處理建筑垃圾的再生利用工廠，生產(chǎn)再生水泥和再生骨料。目前，日本對(duì)建筑垃圾的再生利用率已達(dá)到70%左右，廢棄混凝土利用率更高。

1.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

近年來，我國政府對(duì)建筑垃圾的循環(huán)再利用高度重視。政府中長(zhǎng)期發(fā)展戰(zhàn)略鼓勵(lì)廢棄物的開發(fā)利用。住建部將“建筑廢渣綜合利用”列入科技成果重點(diǎn)推廣項(xiàng)目，同時(shí)，利用城市垃圾生產(chǎn)建材等資源優(yōu)化處理技術(shù)與成套設(shè)備也被放到優(yōu)先發(fā)展的項(xiàng)目中。在科研方面，諸多研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開展了再生混凝土的研究，并在骨料的結(jié)構(gòu)特性、水分遷移特性及界面過渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)的研究方面，取得了一定成果。

根據(jù)對(duì)砌體及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑施工過程中材料損耗的粗略統(tǒng)計(jì)，在每萬平方米建筑的施工中,會(huì)產(chǎn)生500t～600 t的建筑廢渣。大量的建筑垃圾隨之帶來一系列自然資源、能源、環(huán)境保護(hù)及可持續(xù)發(fā)展的問題。為符合發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略要求,實(shí)現(xiàn)混凝土產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，在建筑工程中使用再生混凝土勢(shì)在必行。

2 RAC力學(xué)性能研究現(xiàn)狀

2.1 RAC強(qiáng)度國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在再生骨料性能的研究方面，試驗(yàn)研究表明：再生骨料與天然骨料相比，具有壓碎值指標(biāo)高、孔隙率大、密度小、吸水性增強(qiáng)、粘結(jié)能力弱、骨料強(qiáng)度較低等特點(diǎn)。在力學(xué)性能的研究方面，試驗(yàn)研究表明：RAC抗壓強(qiáng)度平均低于普通混凝土15%左右，經(jīng)過分析總結(jié)出強(qiáng)度較低的最主要原因，就是基體混凝土中的天然骨料與原砂漿之間以及新砂漿交界處都存在薄弱過渡區(qū)[3-6]。

國內(nèi)學(xué)者在RAC力學(xué)性能方面也做了大量的研究，研究結(jié)果表明：RAC抗壓強(qiáng)度比普通混凝土低9%～12%，抗拉強(qiáng)度低7%左右。在彈性模量方面，試驗(yàn)研究表明：RAC彈性模量隨著取代率的增加而降低，水灰比是影響RAC彈性模量的重要因素，當(dāng)水灰比從0.8降至0.4時(shí)，RAC抗壓彈性模量增加了33.7%。RAC強(qiáng)度等級(jí)越高，相應(yīng)的抗壓強(qiáng)度與普通混凝土相比下降越快；隨著再生粗骨料取代率的提高與粉煤灰摻量的增加，高強(qiáng)度RAC的早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度都大幅下降，其強(qiáng)度的大小與水灰比、高效減水劑等外加劑摻量都應(yīng)根據(jù)基體骨料強(qiáng)度試配決定，而合理的選擇基體材料和外加劑等摻量以及對(duì)骨料進(jìn)行預(yù)處理則可以配制出超過50MPa的RAC。

2.2 RAC耐久性的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

對(duì)RAC耐久性的研究，主要是對(duì)其抗凍性、抗?jié)B性、抗裂性、抗硫酸鹽侵蝕性和抗碳化能力以及混凝土徐變等方面的試驗(yàn)研究[7-9]。在抗凍性研究方面，一些學(xué)者研究了再生骨料完全替代天然骨料時(shí)，RAC抗凍融性明顯低于普通混凝土。研究表明：替代率為100%時(shí)RAC耐久性系數(shù)超過95%。在抗?jié)B性研究方面，試驗(yàn)研究表明：RAC抗?jié)B性能低于普通混凝土，且隨著取代率增加抗?jié)B性降低。在抗裂性研究方面，屈志中等研究結(jié)果表明：RAC最大延長(zhǎng)率要比普通混凝土增加約27.7%。另外，對(duì)于徐變的研究，一些學(xué)者認(rèn)為RAC徐變要比普通混凝土高30%～60%，且取代率越大，徐變?cè)酱螅ㄟ^增加再生骨料彈性模量和減小水灰比的方法，可減少其徐變。RAC抗硫酸鹽侵蝕性和抗碳化能力的研究結(jié)果表明：其抗硫酸鹽侵蝕低于相同水灰比的普通混凝土，而RAC抗碳化能力目前仍沒有可信的研究成果。

2.3 RAC構(gòu)件/結(jié)構(gòu)受力性能的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.3.1 RAC梁國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

對(duì)于RAC梁的研究，國內(nèi)外研究者主要集中在梁的抗彎和抗剪性能的研究，并取得了一定的成果。在RAC梁抗彎性能的研究方面，研究結(jié)果表明，RAC梁與普通混凝土梁基本相同，但RAC梁有較大的撓度和裂縫寬度，開裂彎矩較低，且服從平截面假定。在抗剪強(qiáng)度的研究方面，對(duì)不同配筋率、剪跨比和配箍率的RAC梁進(jìn)行了抗剪試驗(yàn)，結(jié)果表明：RAC梁抗剪設(shè)計(jì)不能沿用普通混凝土的設(shè)計(jì)方法。對(duì)取代率為50%的RAC梁抗剪性能進(jìn)行了研究，對(duì)比分析表明：RAC梁抗剪承載力和斜裂縫分布同樣受配箍間距的影響較大。通過對(duì)比再生混凝土梁和普通混凝土梁的撓度發(fā)現(xiàn)，在正常使用情況下，再生混凝土梁要比普通混凝土梁大10%～25%，在極限狀態(tài)下要大30%～50%，對(duì)于RAC梁受剪切破壞的試驗(yàn)研究指出，取代率越大的梁抗剪承載力越低。

2.3.2 RAC柱國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

對(duì)RAC柱的研究國外鮮見報(bào)道，部分學(xué)者對(duì)鋼管RAC柱的受力性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究了不同偏心距下的RAC柱的受壓破壞特征，分析結(jié)果表明：隨著加載偏心距的增大，RAC柱有明顯的軸心受壓破壞、大小偏壓破壞、界限壓彎破壞的破壞特征，而RAC取代率對(duì)破壞形態(tài)的影響不大。進(jìn)行了RAC短柱軸心受壓試驗(yàn),結(jié)果表明：RAC柱與普通混凝土柱具有相似的破壞機(jī)理。對(duì)不同配筋率，剪跨比為1.75、取代率分別為50%和100%的4根短柱進(jìn)行了抗震性能試驗(yàn)，結(jié)果表明：RAC柱的承載力隨著再生粗骨料的增加而逐漸降低。研究了不同摻量下RAC大偏壓長(zhǎng)柱的變形和承載能力，RAC柱變形能力較普通混凝土柱大，而隨著取代率增加，承載力卻無規(guī)律下降。

2.3.3 RAC梁-柱節(jié)點(diǎn)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國外學(xué)者對(duì)于全取代率下的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了抗震性能試驗(yàn)，并研究了RAC中摻加粉煤灰對(duì)節(jié)點(diǎn)性能的影響，指出粉煤灰對(duì)于改善節(jié)點(diǎn)抗震性能有較好的作用。國內(nèi)學(xué)者則完成了不同取代率的RAC框架邊節(jié)點(diǎn)的抗震性能試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明：RAC節(jié)點(diǎn)的抗震性能仍滿足抗震設(shè)防要求。對(duì)鋼筋與RAC之間的粘結(jié)錨固以及梁柱節(jié)點(diǎn)受力性能進(jìn)行了研究，相比普通混凝土節(jié)點(diǎn)，RAC節(jié)點(diǎn)在相同設(shè)計(jì)參數(shù)的情況下，在低周反復(fù)荷載作用下的耗能能力要比普通混凝土節(jié)點(diǎn)稍有降低。

3 結(jié) 論

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)RAC的研究，主要是針對(duì)不同取代率下RAC的基本力學(xué)性能、耐久性以及結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行研究，但是對(duì)于RAC的性能改善僅僅從基本力學(xué)角度進(jìn)行了探索性的初步試驗(yàn)研究，研究仍套用普通混凝土的相關(guān)規(guī)范，較少考慮現(xiàn)行規(guī)范對(duì)RAC以及性能改善后RAC的適用性。此外，從節(jié)約資源、改變粗放型生產(chǎn)方式的角度考慮，變廢為寶，利用建筑垃圾制備可應(yīng)用于建筑、道路等設(shè)施的混凝土，是改善城市建設(shè)環(huán)境、發(fā)展低碳和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的一個(gè)有效途徑，有利于我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)可持續(xù)發(fā)展，其研究成果具有重要的理論意義和社會(huì)效益。

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