废旧混凝土全组分再利用试验研究

高 明,曹新叶,张晓东

(广西新发展交通集团有限公司,广西 南宁 530029)

0 引言

社会的快速发展对我国交通行业服务能力的要求不断提高[1-2],工程项目逐渐由设计建造转为旧路改扩建,高速公路改扩建过程中必将产生大量下役钢筋混凝土,如何妥善处理这些材料是目前亟待解决的问题。

针对再生集料二次利用的问题[3-4],国内外学者主要关注再生混凝土服役性能。Thai等[5]研究了含水量和细粉对再生混凝土力学性能的影响。刘灿等[6]发现再生粗骨料掺量在40%左右对混凝土的抗渗性能影响不大。侯永利等[7]通过添加玄武岩纤维,加强再生混凝土的抗冻性能,并建立寿命预测模型。邢智岩等[8]发现粉煤灰替换集料比例为4%时,再生混凝土砖的力学性能提升幅度最大。王海成等[9]分析了固废弃物在道路利用中的影响因素,提出合理的建议和方法。孔亮等[10]使用花岗岩废料配置再生混凝土,发现冻融损伤的根本原因是微裂缝渗水引起体积膨胀。

综上所述,现阶段已有研究主要关注再生混凝土的性能变化,而在再生混凝土应用方面鲜有研究。因此,本文依托工程项目,提出下役钢筋混凝土破碎工艺,通过室内试验验证再生集料性能,考虑不同应用场景设计再生混凝土配合比,提出再生集料的多场景利用方法,为再生集料的推广应用提供参考依据。

1 试验

1.1 废旧混凝土破碎工艺

合理的破碎工艺决定再生集料针片状含量、粒形、粒径等技术参数,更决定了可实现高值化利用的再生集料产出量。结合钦北高速公路改扩建工程实施情况,本文研究的混凝土再生集料的生产工艺流程如图1所示。

图1 再生集料生产工艺流程图

1.2 原材料及试验方法

1.2.1 原材料

本文使用的原材料来自广西钦北高速公路改扩建工程,其中再生集料由旧路防护、排水圬工设施与混凝土构造物破碎再生产出;原生集料及水泥均由改扩建工程项目部提供。

1.2.2 再生集料试验方法

参照规范《混凝土用再生粗骨料》(GB/T 25177-2010)对再生粗集料进行技术指标验证,包括吸水率、含泥量、压碎值,均按照《建设用卵石、碎石》(GB/T14685-2022)中规定的试验方法进行试验。

参照规范《混凝土和砂浆用再生细骨料》(GB/T 25176-2010)对再生细集料进行技术指标验证,包括吸水率、含泥量、细度模数、亚甲蓝值、压碎值,均按照《建设用砂》(GB/T14684-2022)中规定的试验方法进行试验。

1.2.3 再生混凝土试验方法

为高效利用再生集料,考虑应用场景分别设计再生混凝土配合比,包括路面基层、路面面层以及附属设施混凝土构造物。

由于再生细集料筛分试验不符合规范级配要求,因此路面基层考虑应用10～20 mm再生粗集料,配合比设计见下页表1;路面面层考虑不同程度利用再生集料替换原生碎石,配合比设计见下页表2;由于附属设施混凝土强度要求不同,因此设计C20、C25、C30三种强度等级再生混凝土配合比,不同再生集料掺量配合比设计见下页表3。

表1 路面基层再生混凝土配合比设计表

表2 路面面层再生混凝土配合比设计表

表3 附属设施再生混凝土配合比设计表

参照规范《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG 3420-2020)对再生混凝土进行力学性能试验,抗压强度计算见式(1),抗折强度计算见式(2):

(1)

(2)

式中:fcu——混凝土立方体抗压强度(MPa);

F——极限荷载(N);

A——受压面积(mm2);

ff——试件弯拉强度(MPa);

F——极限荷载(N);

L——支座间距离(mm);

b——试件宽度(mm);

h——试件高度(mm)。

2 试验结果与讨论

2.1 再生集料

2.1.1 再生粗集料

再生粗集料分5～10 mm和10～20 mm两档,各项试验结果见表4,规范要求见表5。由表4和表5可看出,钦北改扩建项目中5～10 mm粒径再生粗集料的吸水率、含泥量和压碎值满足Ⅲ级标准,表观密度接近Ⅱ级标准,针片状含量满足规范要求;10～20 mm粒径再生粗集料吸水率满足Ⅱ级标准,含泥量和压碎值满足Ⅲ级标准,表观密度满足Ⅰ级标准,针片状含量满足规范要求。通过各项技术指标试验可看出,再生粗集料各项参数所符合的质量等级具备差异性。

表4 再生粗集料技术参数表

表5 再生粗集料规范标准表

2.1.2 再生细集料

再生细集料各项试验结果见表6,规范要求见表7。由表6和表7可看出,钦北改扩建项目中的再生细集料按规格分类,细度模数为2.83,属于中砂范畴。再生细集料的含泥量、表观密度、压碎值满足Ⅲ级标准,亚甲蓝值为0.2,微粉含量也满足Ⅲ级标准。再生细集料的质量等级与再生粗集料质量等级大体一致。

表6 再生细集料技术参数表

表7 再生细集料规范标准表

综上所述,再生集料的鲁棒性较差,各项技术参数具有明显的分散性,不同技术指标在标准等级分类中存在明显差异,导致实际应用中难以精准标定再生集料标准等级,影响再生集料的高效利用,因此需要依据不同应用场景设计方案。

2.2 再生混凝土

2.2.1 路面基层再生混凝土

路面基层再生混凝土强度试验结果见表8。由表8可看出,两组配合比的再生混凝土试件7 d无侧限抗压强度均满足设计指标,两种配合比均可运用于路面水泥稳定碎石底基层或基层。其中,1#配合比可用于水泥稳定碎石底基层,2#配合比可用于水泥稳定碎石基层。

表8 路面基层再生混凝土试验结果表

2.2.2 路面面层再生混凝土

路面面层再生混凝土28 d抗折强度试验结果如图2所示。由图2可发现,1#配合比与3#配合比相比,增加20%再生细集料,28 d抗折强度下降10.2%,说明再生细集料对路面抗折强度具有较强负面影响,路面面层应用中需尽量减少再生细集料的使用;2#配合比与3#配合比相比,再生粗集料用量由30%增加到50%,28 d抗折强度仅下降3.9%,说明再生粗集料对路面抗折强度影响较小。因此,在路面面层应用中,建议减少再生细集料的使用,可适当增加再生粗集料。

图2 三种配合比路面面层再生混凝土的抗折强度试验结果曲线图

2.2.3 附属设施再生混凝土

附属设施再生混凝土强度试验结果如图3所示。由图3可发现,三种强度配合比中,不同再生料掺量下均能满足设计强度要求,说明本文研究的废旧混凝土再生技术产出的再生集料质量较高。再生集料替换量增加,对混凝土的抗压强度具有负面影响,但是高品质再生集料对混凝土的抗压强度影响较小,可以适当提高掺量。以保证混凝土强度和再生集料利用率为原则,推荐不同强度等级的配合比,见表9。

表9 三种强度等级推荐配合比表

图3 三种强度配合比附属设施再生混凝土的抗压强度试验结果曲线图

3 废旧混凝土全组分再利用方案

3.1 再生粗集料再利用

根据再生粗集料技术指标试验,本文提出三种再生粗集料应用方案:

(1)作为换填材料。路床采用砂砾、碎石、再生粗集料等水稳性好的粗集料填筑;桥梁台背处的土方上部采用10～20 mm的再生粗集料填筑;新建桥梁及涵洞、通道台背采用未筛分碎石及再生粗集料填筑。

(2)替换原生碎石用于路面水泥稳定碎石底基层与基层。再生集料符合《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20-2015)技术要求,可选用合适的配合比制备再生混凝土,施工时需进行试验验证。

(3)替换原生碎石用于低等级水泥混凝土路面。再生集料符合《公路水泥混凝士路面施工技术细则》(JTG/T F30-2014)相关规定时,低等级水泥混凝土路面中可采用再生混凝土。

3.2 再生细集料再利用

根据再生细集料技术指标试验,发现再生细集料对再生混凝土的力学性能负面影响较大,因此本文提出两种再生细集料应用方案:

(1)作为换填材料。传统级配碎石垫层施工工艺属于粗放式施工,粗糙的施工工艺难以保障施工质量,可将再生细集料用于路面垫层回填以及中分带渗沟回填碎石。

(2)替换原生碎石用于附属设施混凝土。可在强度要求不高的区域,利用再生细集料,比如矩形边沟与排水沟。

4 结语

本文介绍一种废旧混凝土再生工艺,对再生集料技术指标进行试验验证,考虑不同应用场景进行再生混凝土配合比设计,最终提出再生集料的高效应用方法,结论如下:

(1)介绍一种下役钢筋混凝土破碎工艺,具备自动除铁、清洗、补强以及分档归类的功能,大大提高再生集料利用效率。

(2)再生集料的鲁棒性较差,各项技术指标所符合的规范标准有所区别,实际应用中需考虑应用场景。

(3)再生粗集料对混凝土的力学性能影响不大,再生细集料对混凝土的抗折性能存在不利影响,满足规范要求的情况下可适当增加再生粗集料掺量。

(4)再生粗集料可应用于材料换填、水泥稳定碎石底基层和基层、低等级水泥混凝土路面;再生细集料可运用于材料换填、附属设施混凝土结构物。