建筑废渣混凝土的海洋工程应用分析*

刘文白 郭秩映

随着我国经济的高速发展,各地城市化进程的推进,大量混凝土建筑物因达到使用年限而被拆毁,或因市政建设需要而被改建、扩建,如上海市2010年世博会,从而产生大量的建筑垃圾,我国每年仅施工建设所产生和排出的建筑废渣就有4 000万t[1]。目前,建筑垃圾的处理绝大部分尚采用露天堆放或填埋方式,造成了资源浪费和环境污染,急需科学的处置方式。同时,伴随着我国海洋经济的快速发展,海洋交通运输业得到迅猛发展,沿海众多港口构筑物的新建、扩建,所需的混凝土构件数量巨大,考虑到传统普通混凝土对自然环境以及工程的巨大压力,新型海洋工程建筑材料的需求越发迫切。

若将建筑垃圾中大量存在的硬质无机成分经破碎、清洗、分级加工成为再生骨料,代替部分或全部天然骨料,配制建筑废渣混凝土,制作海洋工程构件。这将实现了建筑废渣的减量化和环境化,也为海洋工程新型环保建材改革提供了方向。

长期处于海洋环境下的海工混凝土结构,外部腐蚀介质的影响加上设计、施工或使用方法不当,引起结构开裂损坏,影响建筑物的正常使用。所以,相对于中低强度要求的海工混凝土结构,耐久性要求相对较高。本文将从建筑废渣混凝土大量耐久性试验研究出发,分析其与海洋腐蚀环境的关联度问题。

1 建筑废渣混凝土耐久性试验研究分析

导致处于海洋环境下的混凝土腐蚀的因素较多,主要有钢筋锈蚀、冻害、盐类结晶压力、化学腐蚀等。钢筋腐蚀导致混凝土结构体积膨胀,是结构开裂的主要原因;冻害是指在寒冷气候中混凝土由于潮差和浪溅影响而遭受的冻融循环破坏;盐类结晶压力是指海水中的盐分在混凝土的孔隙内部或者表面不平部位因过饱和结晶而产生的足以使混凝土开裂和脱落的应力破坏;海洋环境下的化学腐蚀主要有Cl-侵蚀、碳化作用、镁盐侵蚀、硫酸盐侵蚀及碱骨料反应。

1.1 抗渗性

影响混凝土耐久性的各种破坏过程几乎均与水有着密切的关系,对于沿江海分布的海工混凝土结构更是如此,因此混凝土的抗渗性是评价混凝土耐久性的重要指标。

混凝土的渗透性反映液体、气体或离子受压力、化学式或者电场作用在混凝土中渗透、扩散或迁移的难易程度,其与混凝土的孔隙率或密实度有直接关系。混凝土渗透性的表征主要有抗氯离子渗透性、透水性和透气性三种;其中,抗氯离子渗透性作为反映混凝土抵抗氯离子侵入和钢筋侵蚀能力的一个重要参数,与抗渗性的相关性最为密切。大量的试验研究证明,建筑废渣混凝土的抗氯离子渗透性较普通混凝土的低。Otsiki等[2]的试验结果见图1,试验结果表明:1)建筑废渣混凝土的抗氯离子渗透性能略低于或明显低于同配合比的普通混凝土;2)与普通混凝土相同,建筑废渣混凝土的抗氯离子渗透性随着水灰比的增大而明显降低。另外,肖开涛等[3]的试验表明建筑废渣混凝土抗氯离子渗透性随再生骨料取代率的增加而降低,而且再生细骨料比再生粗骨料对混凝土渗透性影响大。

分析其原因有两个方面:1)再生骨料表层残留的大量水泥砂浆,增大了建筑废渣混凝土的孔隙率;2)再生骨料分选破碎过程中产生的二次裂缝改变了建筑废渣混凝土的孔结构。

基于大量试验结果表明,建筑废渣混凝土的透水性和透气性与抗氯离子性变化规律基本相同。

1.2 抗冻融性

混凝土的抗冻融性,是指混凝土在水饱和状态下能经受多次冻融作用而不破坏,同时也不严重降低强度的性能。在海洋环境中,混凝土完全浸没于水中或处于高度潮湿条件下,其毛细孔内由于渗透扩散作用水分饱和程度高,处于冰冻环境中时间长,海水比热大导致热量变化剧烈,使混凝土所受冻融循环破坏比普通大气环境下严重。

由于再生骨料性能的差异,建筑废渣混凝土抗冻融性的研究差异性较大。部分研究者如王武祥[4]的试验表明,建筑废渣混凝土具有良好的抗冻性能,甚至高于同水灰比的普通混凝土。原因可能是再生细骨料或是二次破碎产生的粉末与粗骨料形成良好的级配,导致混凝土内部孔隙率降低。但更多研究者如Salem[5]得出,建筑废渣混凝土的抗冻性能低于甚至明显低于普通混凝土,再生粗骨料是其抗冻性能的薄弱环节。这符合再生骨料的大孔隙率和破碎产生的内部微裂缝会使建筑废渣混凝土结构在经受冻融时,所受到的膨胀压力大于同配合比的普通混凝土的猜想。

1.3 抗碳化性

空气中的CO2通过混凝土中的毛细孔隙,由表及里地向内部扩散,在有水分存在的条件下,与水泥石中的Ca(OH)2反应生成CaCO3,使混凝土中Ca(OH)2浓度下降,并且使其成分、组织和性能发生变化,称之为混凝土的碳化,是衡量钢筋混凝土结构构件耐久性的重要指标。

Otsiki等[2]的试验发现再生混凝土的碳化深度较普通混凝土略大,同时随着水灰比增加,再生混凝土的碳化深度增加。再生混凝土抗碳化性能的基本规律是:随新水泥浆体密实度的增大(如减小水灰比、掺加适量矿物掺合料、采用二次搅拌工艺等),再生混凝土的碳化深度减小;对再生粗骨料进行表面改性并不能明显改善抗碳化性能;随再生粗骨料的取代率增加,再生混凝土的碳化深度增大。分析原因可能是再生骨料的孔隙率大,导致建筑废渣混凝土抗渗性差,抗碳化性低;二次破碎造成再生粗骨料内部裂缝是影响建筑废渣混凝土抗碳化性的重要因素。

1.4 镁盐及硫酸盐侵蚀性

海工混凝土结构长期受海水或潮湿空气的作用,其中的镁盐、硫酸盐会和水泥石中的Ca(OH)2反应生成:

1)Mg(OH)2,一种白色松软的不定形物质,使水泥浆体的结构遭到破坏。2)钙矾石(3CaO◦Al2O3◦3CaSO4◦32H2O),一种针状结晶体,其绝对体积比铝酸钙大,一旦生成可在混凝土内引起很大的内应力,引起混凝土膨胀和开裂。3)硅酸镁水化物(4MgO◦SiO2◦8H2O),对硅酸钙水化物的取代反应使混凝土强度下降并变脆。4)氯化钙和石膏可溶于水,使混凝土在海水流动环境中不断流失,质量损失增加;石膏还会引起混凝土膨胀。这些进一步使混凝土的孔隙率提高,结构被削弱,为其他腐蚀成分的渗入创造了条件,加速了水泥石结构的解体,这种现象在流动的海水中更为严重。

对于建筑废渣混凝土,镁盐硫酸盐侵蚀性的研究较少。由现有的试验研究可知,建筑废渣混凝土抗镁盐硫酸盐侵蚀性能低于同水灰比的普通混凝土;随着再生骨料取代率的增大,其性能的降低越发明显;掺加粉煤灰、高效减水剂(减小水灰比)、矿物外加剂以及对骨料进行改性处理均可提高建筑废渣混凝土抗硫酸盐侵蚀性能。

1.5 碱骨料反应

碱骨料反应是混凝土原材料中的水泥、外加剂、混合料、骨料和拌合水中的碱性物质(Na2O或K2O)与骨料中活性矿物成分发生的化学反应,反应后产物吸水严重膨胀,混凝土内部沿骨料与水泥石界面发生的体积膨胀不断加剧,混凝土内部逐渐产生自膨胀应力,造成混凝土从内向外延伸开裂。当碱骨料反应发展至膨胀开裂时,混凝土的力学性能明显降低,其抗压强度降低40%,弹性模量降低尤为显著。这种碱骨料反应遍布于混凝土骨料水泥石界面,发生碱骨料反应所引起的损坏必然是整体性的。碱骨料反应非常缓慢,一旦发生破坏,是无法修复的。碱骨料反应往往又加剧了钢筋锈蚀、冻融破坏等,碱骨料反应对混凝土的耐久性及结构安全性具有严重影响。

由再生骨料本身引入到建筑废渣混凝土的碱量不可忽略,而表层包裹着老水泥砂浆的建筑废渣又增大了碱骨料反应发生的几率,Marta等[6]的试验研究证明了这一点。

2 建筑废渣混凝土用于海洋工程的途径

2.1 建筑废渣的绿色应用途径

目前,我国建筑垃圾的数量已占到城市垃圾的30%～40%,其中有大量的硬质无机成分,如废砖、废瓦和废混凝土,比例高达80%[7]。目前建筑垃圾绝大部分未经任何处理,便被露天堆放或填埋,这样不仅占有大量耕地、耗费垃圾清运等建设费用,更重要的是造成资源严重浪费和环境污染。我国海岸线延绵不断,随着海洋运输的迅猛发展,可知海工混凝土需求量庞大。若采用建筑废渣混凝土制造海洋工程构件,大量建筑垃圾被循环利用,实现建筑垃圾的减量化,有利于建筑废渣的绿色利用。

2.2 施工周期利于建筑废渣混凝土的持续使用

海工建筑物施工时间都比较长,中小型建筑物施工时间一般需要3个～5个月,大型工程施工时间一般在10个月以上。由于施工时间较长,施工地点相对固定,有利于建筑垃圾的堆放,再生骨料的制备生产,利于建筑废渣混凝土的持续使用。

2.3 节约天然资源的环境保护利用

随着海洋工程规模的发展,海工混凝土的需求量急剧增加,天然骨料的开发利用也越发紧张。施工单位一般采用就近原则,在建筑物附近的河床内开采天然骨料作为施工之用,为了满足海工建筑物大方量混凝土,必然需要开采大量天然骨料,这可能需要多个供料点,这样对河床的地质及生态会造成不良的影响。同时,建筑垃圾填埋场一般设在河流附近,占用了大量的耕地,还造成了环境污染。利用建筑废渣作为再生骨料,生产建筑废渣混凝土用于海洋工程,是一个两全其美的方法。

随着海工混凝土用量增大,寻求新型建材已成趋势,为响应生态建筑,减少碳排量,建筑废渣混凝土可以缓解天然骨料紧张的行业需求,为海工环保建材产品研发开辟新路。

2.4 材料的力学性能符合海洋工程需要

试验表明,通过降低水灰比可提高建筑废渣混凝土的抗渗性和抗冻融性。在海工混凝土中,由于本身建筑物的需要,海工混凝土的水灰比要比普通建筑物的水灰比低,通过降低水灰比来提高建筑废渣混凝土的抗冻融性,这与对海工混凝土的技术要求相容。

有试验表明,同普通混凝土相比,再生混凝土极限延伸率增加27.7%。由于建筑废渣混凝土弹性模量低,抗压比高,因此建筑废渣混凝土抗裂性优于普通混凝土,这对于大体积海工混凝土结构的抗腐蚀性能和耐久性是非常有利的。

3 结语

建筑废渣混凝土与普通混凝土相比,耐久性指标较低,抗氯离子渗透性较低、抗冻性能较差、碳化深度略大及抗镁盐硫酸盐侵蚀性。但通过相应技术方法和手段可得到解决,如掺入矿渣、火山灰或降低水灰比能有效提高建筑废渣混凝土的耐久性。更重要的是建筑废渣混凝土技术能从根本上解决废弃混凝土的出路问题,在海洋工程中使用建筑废渣混凝土既能减轻废弃混凝土对环境的污染,又能减小大量开采天然骨料对生态环境的影响,缓解海洋工程庞大的骨料供求紧张,为新型环保建材开辟新路,具有显著的社会、经济和环境效益,符合可持续发展的要求。

[1] 石 峰,宁利中,刘晓峰,等.建筑固体废物资源化综合利用[J].水资源与水工程学报,2007,18(5):39-46.

[2] Otsiki N,Miyazato S,Yodsudjai W.Influence of recycled aggregate on interfacial transition zone,strength,chloride,penetration and carbonation[J].Journal of Materials in Civil Engineering,2003,15(5):443-451.

[3] 肖开涛.再生混凝土氯离子渗透性研究[J].山东建材,2004,25(1):31-33.

[4] 王武祥.再生混凝土集料的研究[J].混凝土与水泥制品,2001(4):9-12.

[5] Salem R.M,Burdette E.G.,Jackson N.M.Resistanceto freezing and thawing of recycled aggregate concrete[J].ACIMaterials Journal,2003,100(3):55-58.

[6] Marta SJ,Pilar AG.Influenceof attached mortar content on the properties of recycled concrete aggregate[C].//Proceedings of the International Conference on Sustainable waste management and recycling:Construction and demolition waste.2004,http://congress.cimne.upc.es/irlem04/admin/Files/FilePaper/p346.pdf.

[7] 张志红.建筑废弃物再生利用的调查与研究[D].济南:山东科技大学硕士学位论文,2006:5.