再生骨料綠色混凝土預制襯砌抗壓和抗凍性能試驗研究

韓 鵬 徐子龑 馬吉剛

(1.山東省調水工程運行維護中心，山東 濟南 250100；2.山東水發集團，山東 濟南 250102)

為了在調水工程建設中貫徹好綠色發展理念，結合引黃濟青改擴建渠道襯砌改造工程，開展使用舊襯砌板生產再生骨料、制造綠色混凝土預制襯砌的試驗研究，以實現資源的再生利用，達到降低建設項目成本和保護生態環境的目的。為了確保綠色混凝土預制襯砌的性能指標符合設計要求，項目組重點研究了不同替代率再生骨料對綠色混凝土預制襯砌抗壓、抗凍等性能的影響，以綜合評價綠色混凝土預制襯砌在調水工程中應用的可行性。

1 研究背景

作為當今世界工程領域中使用量最大、范圍最廣的一種基本材料，混凝土綠色化已經成為一種趨勢[1]。使用再生骨料生產再生混凝土實現資源的再生利用以保護生態環境[2]，是綠色混凝土的重要研究方向。

骨料在膠結材料的包裹下，獲得了優于自然條件的保護，在混凝土產品因風化、侵蝕等性能降低[3]的過程中，骨料的性能指標沒有顯著變化。通過破碎、洗選，消除掉基質成分，可以再生為合格的骨料產品,通過合理的配合比生產符合建設要求的綠色混凝土[4-5]。

早在20世紀40年代，國外就已經開始了再生綠色混凝土的研究，并取得了一定的成果[6]。20世紀80年代左右，日本就制定了《資源重新利用促進法》和《再生骨料和再生混凝土使用規范》等法律法規，以保障建筑資源的再生利用[7]。雖然我國對再生混凝土技術的研究和應用開始較晚，但隨著人們對環境保護和可持續發展的重視，綠色混凝土研究與應用也迅速展開。2007年，同濟大學肖建莊教授主編的上海市地方標準《再生混凝土應用技術規程》(DG/TJ 08—2018—2007)在上海試用。近年來國內對再生混凝土的研究主要集中在再生骨料的的強化方面，以提高骨料和混凝土產品的性能[8]。

調水工程中結合渠道襯砌改造工程開展再生骨料和綠色混凝土的研究和應用仍然較少。調水工程渠道襯砌在工程運行過程中，主要因水流沖刷、凍融剝蝕等產生破壞，因此對混凝土性能的要求較其他行業有顯著差異。本研究重點對綠色混凝土預制襯砌的抗壓和抗凍性能進行了試驗分析和驗證。

2 試驗方案

根據引黃濟青改擴建工程實際情況，試驗結合東營段襯砌改造工程開展研究。首先對廢舊預制襯砌進行破碎、清洗和篩分，得到再生粗、細骨料；然后進行再生粗細骨料性能測試和不同替代率的綠色混凝土性能室內試驗測定；根據室內試驗結果選擇合適的綠色混凝土配比進行工程現場驗證。

2.1 試驗設計

通過使用再生骨料對混凝土中骨料進行不同比例的替代，將混凝土制成標準試塊，按照《水工混凝土試驗規程》(SL 352—2006)測試抗壓、抗凍融等性能指標。為充分對照測試再生骨料替代率對綠色混凝土產品的性能影響，試驗分為天然細骨料(河砂)和再生細骨料兩組，每組再按不同粗骨料替代率進行試驗，共設置9組不同配合比進行對照試驗，各配合比見表1。

表1 綠色混凝土不同再生骨料替代率試驗配合比 單位：kg

2.2 再生骨料性能檢測

在引黃濟青改擴建工程東營段渠道整體取樣470塊(每塊板平均30.1kg，容重為2.14t/m3)廢舊預制襯砌進行破碎試驗。試驗使用錘式破碎設施，破碎清洗后通過篩分設備，分級5～20mm的再生粗骨料和5mm以下的再生細骨料。按《水工混凝土試驗規程》(SL 352—2006)對破碎所得骨料進行骨料含水率、表觀密度、吸水率和壓碎指標等方面的性能檢測，結果見表2～表3。

表2 再生細骨料的物理性能

表3 再生粗骨料的物理性能

由表3可見，與天然粗骨料的表觀密度2730kg/m3相比，再生粗骨料的表觀密度明顯降低，為2650kg/m3，降幅達3%。同時，再生粗骨料的飽和面干吸水率為3.6%，高于DL/T 5144—2001要求的2.5%。經分析得出是由于破碎再生過程中部分再生粗骨料表面膠著舊砂漿未完全脫落形成空隙，同時破碎使再生骨料內部產生一定的微裂紋，造成了再生粗骨料的吸水率偏高[9]。

2.3 試驗結果

試驗對綠色混凝土的含氣量、坍落度、強度、抗凍性能等按照《水工混凝土試驗規程》(SL 352—2006)進行了測定。再生骨料的使用對混凝土拌和物的含氣量影響不大。由于再生細骨料吸水性比較大[10]，因此再生細骨料的使用較為顯著地降低了混凝土拌和物的坍落度，與使用天然細骨料對照組相比降低5～10mm。由于本次試驗的重點是綠色混凝土產品的強度和抗凍性能，坍落度變化不再贅述。

2.3.1 再生骨料對混凝土抗壓強度的影響

試驗測定了混凝土試件的7天和28天強度，結果對比見圖1。

圖1 綠色混凝土試件強度對比

通過對兩組混凝土7天、28天抗壓強度進行對比，天然細骨料7天抗壓強度總體略高于再生細骨料對照組，再生細骨料28天抗壓強度總體高于天然細骨料對照組。初步分析認為再生細骨料吸水性較大，參與水泥水化的水相對減少，即水化過程水膠比減小，隨著水化的逐步發展，28天的強度就較高。抗壓強度的對比基本符合研究預期。

2.3.2 再生骨料對混凝土抗凍融性能的影響

抗凍融性能試驗對凍融質量損失和凍融循環前后的動彈模量進行了測定。按照規程，先測定凍融前質量和動彈模量，然后在50、100、150、200次的凍融循環后分別測定質量損失和動彈模量。凍融質量損失對比見圖2。

圖2 綠色混凝土凍融循環質量損失對比

通過對兩組混凝土50、100、150、200凍融循環后的質量損失進行對比，經50次循環后，各組再生混凝土試塊的質量均有不同程度的增加。分析原因是抗凍融循環過程中，由抗凍損失造成的內部裂紋可以成為水分的通道。不論全部天然細骨料還是全部再生細骨料，粗骨料替代率由小到大，質量損失率逐漸增大。但天然細骨料搭配再生骨料時，凍融損失較小。使用天然細骨料搭配40%天然粗骨料經200次凍融循環后，質量損失率也僅有1.29%，表明混凝土結構致密，抗凍性能較好，與程亮[11]研究結論基本相符。粗骨料替代率為30%～100%，使用天然細骨料比使用再生細骨料凍融質量損失率下降相對較小。

動彈模量對比結果見圖3。

圖3 綠色混凝土凍融后動彈模量對比

通過對比可以得知，不論全部天然細骨料還是全部再生細骨料，粗骨料替代率由小到大，相對動彈模量損失逐漸增大。當使用再生細骨料，粗骨料替代率為100%時，凍融循環F200次相對動彈模量下降到小于60%，但是凍融循環F150仍然高于60%，能滿足引黃濟青設計需要。

對比可見，再生細骨料的使用對混凝土抗凍融性能影響較大，主要原因是再生細骨料表面粗糙、附著砂漿較多，破碎再生時產生較多的裂紋，增大了混凝土的孔隙率，存積了較多的游離水，更容易造成凍融破壞[12]。

2.4 現場試驗

襯砌改造過程中不滿足直接復用的舊混凝土板，按照破碎試驗的流程進行破碎、清洗篩分。使用再生粗骨料100%替代率結合天然細骨料的配合比(9號試驗配比)生產綠色混凝土預制襯砌板(60cm×40cm×6cm)，養護28天后用于引黃濟青改擴建工程廣饒段64+778～65+178渠坡襯砌。另使用5號試驗配比(全天然骨料)生產同規格的預制襯砌板，養護28天后用于樁號廣饒段65+178～65+578渠坡襯砌。

400m試驗段共鋪設綠色混凝土預制襯砌板約32000塊，使用再生骨料約520t，經檢測，襯砌板平均抗壓強度為35MPa，F150凍融循環后相對動彈模量為86%，質量損失1.7%，均高于設計C30要求。

該段襯砌改造工程于2019年11月完工驗收，12月開始通水運行，至2021年3月已經兩個冬季冰期輸水，運行平穩。現場觀察，襯砌板面平整，無凍融剝蝕、斷裂等現象，特別是2020年冬季極端低溫情況下未見凍融剝蝕。停水期間，對兩段襯砌水下、水位變幅區及水上襯砌板分別進行隨機回彈檢測，每段測試襯砌板30塊以上，其中綠色混凝土預制襯砌回彈平均值為36.8(角度修正后)，各部位無明顯差距；天然骨料對照段預制襯砌回彈平均值為38.8(角度修正后)，各部位無明顯差距。室內、外試驗均表明綠色混凝土預制襯砌的產品性能滿足設計和調水運行要求。

3 應用效益分析

3.1 經濟效益

a.通過對破碎混凝土舊板生產再生骨料過程中使用的機械、材料等進行計算，全部再生骨料的生產費用約為13.6元/m3。同期工程周邊的天然粗骨料單價約110元/m3，細骨料80元/m3。按照引黃濟青改擴建渠道襯砌改造典型斷面設計計算，每千米渠道預制襯砌使用粗骨料約930m3。僅粗骨料利用一項，全部渠道256km就節約資金約2700萬元。細骨料可用于墊層，破碎產生的水泥石粉也可用于生產空心磚[13]。若在做好環境保護、生態保護措施的前提下，在改擴建工程的渠道棄土區進行破碎生產，結合利用渠道水源、占地等，成本還可進一步下降。因此，使用廢舊襯砌板生產再生骨料、綠色混凝土預制襯砌本身就具有較好的經濟價值。

b.舊板破碎生產再生骨料后，全部產物均可用于工程建設，在渠道襯砌修復改建中減少了廢舊混凝土襯砌板處置所需的經濟成本。

3.2 生態效益

a.使用舊襯砌板生產再生骨料、制造綠色混凝土預制襯砌降低了天然骨料的開采利用，減少了因石材的開采產生的損壞山體植被、造成水土流失及生態破壞。

b.使用再生骨料制造綠色混凝土預制襯砌減少了處置廢舊襯砌板所需的土地資源。廢舊混凝土預制板如作為建筑垃圾進行處填埋處置，占用土地資源，污染環境。按照我國當前建筑垃圾處理現狀計算，每萬噸建筑垃圾占地2.5畝[14]，處置引黃濟青改擴建產生的廢舊襯砌板需占用土地150畝。通過再生骨料生產結合舊板復用可以減少占用該部分土地，保護了生態環境。

4 結 論

在本項目的研究過程中，項目組分析有關數據和現場調查，得到以下結論：

a.引黃濟青改擴建工程中使用廢舊襯砌生產的再生粗骨料，無須進行強化即可用于綠色混凝土預制襯砌的生產。

b.可以使用再生粗骨料對混凝土配合比中的全部粗骨料進行替代，產品在抗壓、抗凍等方面均滿足設計及工程運行需要。

c.再生細骨料對預制襯砌的抗凍性影響較大，可考慮再生細骨料用于墊層、路基、水下等抗凍性要求較低的工程部位。

總之，在輸水渠道襯砌修復或改造過程中應用再生骨料及綠色混凝土是可行的，該應用可以有效降低工程建設成本，減少對天然骨料資源的開采利用，保護土地資源和生態環境。