废弃混凝土再生利用的研究-研究报告

废弃混凝土作为再生骨料和掺合料的利用研究

绪论

近二三十年来，随着我国城市化进程加快，建筑业进入高速发展阶段，大量旧建筑物达到使用年限，或由于其他因素需要拆除。一般的混凝土工程使用年限约为50-100年，我国建国初期所建成的混凝土工程己经逐步进入拆除期，21世纪将是我国混凝土结构破坏的高峰期，伴随拆除而来的是大量的建筑垃圾，在建筑垃圾中作为最大宗的建筑材料——废弃混凝土所占份额最大。

废弃混凝土最常用的处理方式是填埋，这样不仅占用土地，而且污染环境。所以废弃混凝土的处理方式，能不能回收再利用是当今各国科学家研究的一个热点，并已有成效，如废弃混凝土作为再生骨料。

再生混凝土不仅有效的解决了废弃混凝土的处理问题，还减少了因此而产生的环境污染问题。另外，自然资源的日夜匮乏严重影响着传统混凝土工业的发展，因此我们必须改变传统的混凝土生产方式，将混凝土的生产方式转变到一个可持续发展的轨道上来。再生骨料混凝土技术可实现对废弃混凝土的再加工，使其恢复原有性能，形成新的建材产品，从而既能使有限资源得以利用，又解决了部分环保问题。这是发展绿色混凝土，实现建筑资源环境可持续发展的主要措施之一。

第1章研究背景

1.1混凝土的发展史

混凝土也称砼，是当代最主要的土木工程材料之一。它是由胶凝材料（无机的、有机的或无机有机复合的）、颗粒状集物以及必要时加入化学外加剂和矿物掺合料组分经合理配合的混合料加水拌合硬化后形成具有堆聚结构的材料。混凝土具有原料丰富、价格低廉、生产工艺简单的特点，同时混凝土还具有抗压强度高、耐久性好、强度等级范围宽、使其使用范围十分广泛，因而其使用量越来越大；混凝土不仅在各种土木工程中使用，也广泛使用在造船业、机械工业、海洋的开发、地热工程等领域。

混凝土在古代就已得到使用，罗马人曾用火山灰混合石灰、砂制成的天然混凝土在古代的一些建筑中使用。天然混凝土具有凝结力强、坚固耐久、不透水等特性，使之在罗马得到广泛应用，大大促进了罗马建筑结构的发展，而且拱和穹顶的跨度上不断取得突破，造就了一大批至今为人们津津乐道的公共建筑。公元前1世纪中，天然建筑在券拱结构中几乎完全排斥了石材。

19世纪20年代波特兰水泥出现，用它配制成的混凝土具有工程所需要的强度和耐久性，而且原料易得，造价较低，特别是能耗较低，因而深受人们喜爱。水泥、石灰、石膏等无机胶凝材料与水拌和使混凝土拌合物具有可塑性；进而通过化学和物理化学作用凝结硬化而产生强度。一般说来，饮用水都可满足混凝土拌和用水的要求，但是水中过量的酸、碱、盐和有机物都会对混凝土产生有害的影响。集料不仅有填充作用，而且对混凝土的容重、强度和变形等性质有重要影响。

20世纪初，水灰比等学说初步奠定了混凝土强度的理论基础。相继出现了轻集料混凝土、加气混凝土及其他混凝土。为改善混凝土的某些性质，各种混凝土外加剂也开始使用。为改善混凝土拌合物的和易性或硬化后混凝土的性能,节约水泥,在混凝土搅拌时也可掺入磨细的矿物材料──掺合料。它分为活性和非活性两类。掺合料的性质和数量，影响混凝土的强度、变形、水化热、抗渗性和颜色等。由于掺用外加剂有明显的技术经济效果，它日益成为混凝土不可缺少的组分。

60年代以来，广泛应用减水剂，并出现了高效减水剂和相应的流态混凝土；同时高分子材料进入混凝土材料领域，出现了聚合物混凝土；多种纤维被用于分散配筋的纤维混凝土。现代测试技术也越来越多地应用于混泥土材料科学的研究。

1.2废弃混凝土的产生和处理

目前，我国每年浇注混凝土约15-20亿立方米，而混凝土中砂石骨料占总重量的70%以上，因此我国每年的开山采石约为14亿立方米。另一方面，我国每年废弃混凝土量约为600万立方米，其中一小部分用于填筑海岸、充当道路和建筑物的基础垫层外，绝大部分作为垃圾填埋，这不仅占用大量的土地(甚至是耕地)，而且造成环境污染。对解体混凝土的处理方法：一是开发能够消解、消化混凝土的技术，减少固体垃圾量，但此法不能将废弃混凝土作为一种资源加以利用，是对资源的浪费；二是可将解体混凝土作为原料通过破碎、粉磨、锻烧来生产水泥；三是可将解体混凝土破碎并筛分成粗细骨料，用以代替部分天然骨料来配制成混凝土即再生骨料混凝土，可节省天然的矿物资源，同时减轻固体废弃物对环境的污染。因此，我们必须改变传统的混凝土生产方式，将混凝土的生产方式转变到一个可持续发展的轨道上来。再生骨料混凝土技术可实现对废弃混凝土的再加工，使其恢复原有性能，形成新的建材产品，从而既能使有限资源得以利用，又解决了部分环保问题。这是发展绿色混凝土，实现建筑资源环境可持续发展的主要措施之一。

第2章国内外废弃混凝土的再生利用现状

2.1国外废弃混凝土研究现状

再生混凝土的研究与应用并非从最近才开始。早在二次世界大战后, 苏联、德国、日本等国家重建家园，就注意到了废弃混凝土的问题，并对废弃混凝土进行了开发研究和再生利用, 国际已召开过三次有关废弃混凝土再利用的专题会议, 并制定了各种行动纲领和法规, 限制垃圾废料的大量产生,推动垃圾废料回收利用技术的开发研究。日本由于国土面积小, 资源相对匮乏, 因此将建筑垃圾视为“建筑副产品”, 十分重视将废弃混凝土作为可用资源而重新开发利用。它将废弃混凝土破碎成直径约40mm的粒状, 采用300℃高温加热, 使粒料相互混合、摩擦, 骨料及骨料外围粘附的水泥组分变成粉末完全分离, 所产生的水泥组分用于地基的改进材料, 分离出的骨料可与天然骨料一样用于结构物, 达到100%的回收利用。早在1977年日本政府就制定了《再生骨料和再生混凝土使用规范》, 并相继在各地建立了以处理混凝土废弃物为主的再生加工厂, 并制定了多项法规来保证再生混凝土的发展[2]。

美国政府制定了《超基金法》,给再生混凝土的发展提供了法律保障。美国采用微波技术,可100%地回收利用再生旧沥青混凝土路面料, 其质量与新拌沥青混凝土路面料相同,而成本降低了1/3,同时节约了垃圾清运和处理等费用,大大减轻了城市的环境污染[2]。

德国目前将再生混凝土主要用于路面, 提出“在混凝土中采用再生混凝土骨料的应用指南”,要求采用再生骨料配成的混凝土必须完

全符合天然骨料混凝土的国家标准[3]。

2.2国内废弃混凝土研究现状

我国政府制定的中长期科教兴国战略和社会可持续发展战略, 也鼓励废弃物再生技术的研究与应用,建设部将“建筑废渣综合利用”列入1997年科技成果重点推广项目。2005年我国两会又提出了“建设节能型社会, 发展循环经济”。我国再生混凝土的研究尚处于试验室阶段。尤其是再生集料自身的复杂性、变异性,使再生骨料混凝土的应用受到某些限制。虽然我国对垃圾废料的综合利用起步较晚,但也先后颁布了《固体废料污染环境防治法》、《城市固体垃圾处理法》, 提高了其重视度。目前少量再生混凝土用于路面、基础和非承重结构, 而用于承重结构如房屋建筑、桥梁工程还有相当一段路要走,多数废弃混凝土尚未得到较好的再生利用[4]。

第3章本试验研究的主要内容及研究思路

3.1再生混凝土的概念和特性

3.1.1再生混凝土的概念

再生骨料混凝土(Recycled Aggregate Concrete，RAC)简称再生混凝土(Recycled Concrete)，它是指将废弃混凝土块经过破碎、清洗、分级后，按一定比例与级配混合，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。相对于再生混凝土而言，把用来生产再生骨料的原始混凝土称为基体混凝土(Original Concrete)[1]。

3.1.2再生混凝土的分类

再生混凝土按骨料的组合形式可以有以下几种:骨料全部为再生骨料，粗骨料为再生骨料、细骨料为天然砂石，粗骨料为天然碎石或卵石、细骨料为再生骨料，再生骨料替代部分粗骨料或细骨料。3.1.3 再生骨料的制备和性质

3.1.3.1再生骨料的制造过程

用来生产再生骨料的废弃混凝土主要有以下几种来源:

1建筑物因达到使用年限或因老化被拆毁，产生废弃混凝土块，这是废弃混凝土块的主要来源；

2市政工程的运迁以及重大基础设施的改造产生废弃混凝土块；

3商品混凝土工厂产生的废弃混凝土；

4因意外原因如地震、台风、洪水等造成建筑物倒塌而产生废弃混凝土块。用废弃混凝土块制造再生骨料的过程和天然碎石骨料的制造过程相似，都是把不同的破碎设备、筛分设备、传送设备合理的组

合在一起的生产工艺过程。实际的废弃混凝土块中，不可避免的存在着钢筋、木块、塑料碎片、玻璃、建筑石膏等各种杂质，为确保再生混凝土的品质，必须采取一定的措施将这些杂质除去。

3.1.3.2 再生骨料的物理特性

基体混凝土经过破碎处理生产的再生骨料含有30%左右的硬化水泥砂浆，这些水泥砂浆大多数独立成块，少量附着在天然骨料的表面，同时由于在破碎的过程中，混凝土受到挤压、冲撞、研磨等外力的影响，造成损伤积累使骨料内部存在大量的微裂纹，使得基体混凝土块状骨料和水泥浆体的原始界面受到影响和破坏，粘结力下降。导致其相对于天然骨料吸水率高，吸水速度快，表观密度、堆积密度小、压碎指标大等特点。再生骨料的吸水率大和吸水速度快，而且受基体混凝土的影响吸水率的离散性比较大。吸水率随着再生骨料的最大粒径的下降而提高，而且随着基体混凝土强度的提高而下降。一般再生细骨料的吸水率在10%-12%，粗骨料的吸水率在2.5%-12%，远远高于天然骨料的吸水率。同时，再生骨料的吸水速率也远远大于天然骨料，其中前10分钟的吸水速率最大，之后吸水速率下降，基本趋于饱和。主要是由于骨料表面附着砂浆，其孔隙率大，在短时间内即可吸水饱和，10分钟即可达到饱和程度的85%左右，30分钟可达到饱和程度的95%以上，这些特性对再生混凝土的配合比设计和工作性产生较大的影响。再生骨料的堆积密度和表观密度均小于天然骨料，从目前的文献看，其数值的离散性较大。再生细骨料的堆积密度为天然骨料的75%-85%，再生粗骨料的堆积密度为天然骨料的85%以上;再

生细骨料的表观密度为天然骨料的80%-85%，再生粗骨料的表观密度为天然骨料的75%以上。再生骨料的压碎指标比天然骨料的压碎指标要高，同时，再生骨料的压碎指标还与基体混凝土的强度和加工破碎方法有很大的关系，基体混凝土的强度越高，再生骨料的压碎指标就越低，破碎过程中水泥浆体和砂浆脱落越多，压碎指标越低。再生骨料表面粗糙、棱角较多，并且骨料表面还包裹着相当数量的水泥砂浆(水泥砂浆孔隙率大、吸水率高)，再加上混凝土块在解体、破碎过程中由于损伤积累使再生骨料内部存在大量微裂纹，这些因素都使再生骨料的吸水率和吸水速率增大，这对配制再生混凝土是不利的。同样由于骨料表现的水泥砂浆的存在，使再生骨料的密度和表观密度比普通骨料低。对于再生的粗细骨料，随着水灰比的增大，吸水率逐渐增大，而表观密度逐渐减小。这是由于水灰比越大，意味拌合混凝土时加入的水越多，凝结硬化后多余的水蒸发的越多，混凝土中的孔隙就越多，此时吸水率逐渐增大，表观密度逐渐减小。路面废弃混凝土经破碎、筛分后，再生粗集料按最大公称粒径分为两个粒级，分别为4.75~19.0nm、19.0~31.5nm。

表观密度：由于再生骨料比天然骨料的表观密度小，因此再生混凝土的密度低于普通混凝土，随着再生骨料掺量的增加，再生混凝土的密度有规律的降低，全部采用再生骨料的再生混凝土密度较普通混凝土降低7.5%。再生骨料表面粗糙，摩擦阻力大，其混凝土难以振捣密实。再者再生骨料内部缺陷多，空隙率大[1]。

随着混凝土中再生骨料的取代比例增大，混凝土的含气量增大，

表观密度变小。此外，再生骨料与河砂、卵石等天然骨料相比比重小，再生骨料使用的比例愈高，混凝土的表观密度愈小。用来生产砌块、空心砖、条板，取代传统的实心薪土砖，成为良好的填充墙体材料，具有明显的经济、环境效益。

导热性：再生混凝土的导热系数小、热工性能好，若用于围护结构，可明显增强建筑物的保温隔热效果。

3.2本次研究的主要内容

所谓建筑垃圾就是废弃的混凝土和砖块，从混凝土来看，只有水泥为活性材料，而水泥中活性材料为CaO ；从砖材来看，活性成分为Al 2O 3。本课题主要就是利用建筑垃圾中的活性物质，生产混凝土掺合料的研究。另外为了充分利用建筑垃圾，可将5～40mm 粒径的，作为粗骨料研究，研究不同含量的建筑垃圾对混凝土强度的影响。同时将5mm 以下的建筑垃圾进行研磨，作混凝土的掺合料，用复合激发剂激活建筑里面的活性物质，通过实验的方法，验证建筑垃圾能否重新被综合利用。 3.3本次研究的思路

图3-1本次研究的思路

确定实验工艺流程 查阅文献资料调

研

实验

研究

过

程 根据实验得出结论

论文论述

第4章 实验研究

4.1再生混凝土破碎工艺流程 图4-1 再生混凝土的破碎工艺流程

4.2利用废弃混凝土做骨料实验的准备

4.2.1建筑垃圾

利用合肥永健公司提供的建筑垃圾来做混凝土的骨料。将建筑垃圾用破碎机破碎，得到的建筑垃圾碎片，将其晒干。用筛分机筛分，得到粒径为5～40mm 的建筑垃圾用作混凝土的粗骨料。

4.2.2水泥

水泥砌体材料是强度主要贡献者，水泥质量是砌体质量的保证，可使用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥等通用硅酸盐水泥，水泥等级32.5、42.5均可，产品的各项指标应符合GB175-007《通用硅酸盐水泥》标准的要求。本实验砌块采用42.5级普通水泥，水泥的密度为ρc =3000kg/m 3。（购买地：巢东水泥厂）。

4.2.3配合比设计[9]

由于再生骨料各方面性质不同于天然骨料，因此必须根据再生骨料的特点，对再生混凝土的配合比设计进行专门的研究，试验研究表明，当再生混凝土设计强度为C30时，以普通混凝土配合比设计方 破 碎 筛 分 二次筛分 清洗去除杂质 废

弃

混

凝

土

块 粒径小于5mm 的做再生掺合料 粒径为5～40mm 的做再生骨料

法配制的再生混凝土的强度高于基准混凝土，但工作性能降低。在此基础上提出再生骨料预吸水法，这种方法的用水量分为两部分，一部分为再生骨料所吸附的水，另一部分为拌和用水，这部分水用来提高混凝土的流动性并参与水泥的水化反应，吸附水的量根据试验确定，一般采用再生骨料浸泡10分钟时所吸收的水量。这种方法配制的再生混凝土具有较好的工作性能，且坍落度的损失也为普通配合比设计的再生混凝土为小，但强度低于普通混凝土配合比设计的再生混凝土。在配合比设计中，水灰比和强度之间的关系有着重要意义，在水泥强度等级相同的情况下，水灰比愈小，水泥石的强度愈高，与骨料粘结力愈大，混凝土强度也愈高。但是，如果水灰比过小，拌和物过于干稠，在一定的施工振捣条件下，混凝土不能被振捣密实，出现较多的蜂窝、孔洞，将导致混凝土强度严重下降。根据研究，再生混凝土7d、28d强度与灰水比及净灰水比之间存在很好的线性关系，其相关系数:均在0.97以上，即混凝土强度和灰水比或净灰水比之间满足Bolomey公式线性关系。为进一步研究再生混凝土的配合比设计，应当进一步研究常数a与压碎指标和吸水率之间的关系。而不加任何建筑垃圾的普通混凝土的配合比设计如下：

4.2.3.1初步水灰比的计算

按选用的原材料性能及对混凝土的技术要求进行初步配合比的计算，以便得出供试配用的配合比。

4.2.3.1.1配制强度（0,cu f）的确定

为了使混凝土强度具有要求的保证率，则必须使其配制强度高于

所设计的强度等级值。 因σt f f k cu cu -=, 令配制强度cu cu f f =0,，则σt f f k cu cu

-=, 或cu v f C σ=，则

v

k cu cu tC f f +=1,0, 式4.1 式中 0,cu f ——混凝土的配制强度，MPa ；

k cu f ,——设计的混凝土立方体抗压强度标准值，MPa ； σ——混凝土的强度标准差，MPa ；

v C ——混凝土的强度变异系数；

t ——概率度。

当设计要求混凝土为已知时，混凝土的强度可按下式确定：

σt f f k cu cu -=,0, 式4.2

根据《混凝土结构工程施工及验收规范》（GB50204—92）和《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55—2000）的规定：

σ645.1,0,+≥k cu cu f f 式4.3

即混凝土强度的保证率为95%，对应t=-1.645。

4.2.3.1.2初步确定水灰比值（C

W ） 根据已经测定水泥的实际强度ce f （或选用的水泥强度等级）粗骨料的种类及所要求的混凝土配制强度（0,cu f ），按混凝土强度公式计算出所要求的水灰比值：

ce

cu ce f B A f Af C W ??+=0, 式4.4

配合比可根据以往的经验得到并确定，设计两组作对比实验，可确定水:水泥:粗骨料:细骨料为0.48:1:3:1.5和0.53:1:3:1.5。根据预测混凝土的密度，算出其总重量，根据总重量再计算出个参量的重量。

4.2.4骨料强度试验实验过程

4.2.4.1 实验目的：

骨料的压碎指标是衡量骨料强度的唯一标准，而且对混凝土配合比的设计也有一定的影响。所以要想知道骨料的强度和配合比的计算，必须测量其压碎指标。本次实验用的建筑垃圾作混凝土的骨料，要想知道骨料强度对实验结果的影响，我对所用的建筑垃圾进行了压碎指标的测试。

4.2.4.2 主要实验设备：

1.压力试验机

2.压碎值测定仪

3.方孔筛

4.天平

5.台秤等

4.2.4.3实验制备：

按规定取样，风干后筛除大于19mm和小于9.5mm的颗粒，并去除针片状颗粒并称量。

4.2.4.4实验步骤：

置圆模于底盘上，取试样一份，分两层装入，每装入一份试样后，左右交替颠击地面各25次，两层颠实后，平整模内试样表面，盖上