建筑垃圾再生混合骨料混凝土的受力性能研究.docx

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建筑垃圾再生混合骨料混凝土的受力性能研究

摘要

我国城市化和工业化的快速发展，使建筑资源的需求快速增长。

同时随着人们生活水平的提高和对城市市政设施的需求，以及城市早期规划的不科学性，使

得拆迁改造不断发生，建筑垃圾大量产生。

形成的大量建筑垃圾不仅占用土地，

而且污染环境。

这种建筑资源大量消耗和建筑垃圾不断产生的状态对经济、社会

发展形成了巨大的影响。

发展循环利用技术成为迫在眉睫的问题。

如能将建筑垃

圾加以处理后代替砂石资源用于混凝土生产将对经济、社会发展产生极大的促进

作用。

本文在综合整理大量国内外文献资料的基础上，并通过大量试验研究和分析，主要工作如下:

以由杭州地区建筑垃圾破碎而来的再生混合骨料为试验原材料，在大量试验及理论分析的基础上，对再生混合骨料及其混凝土制品的性能进行了初步研究:

再生混合骨料自身吸水率高，强度较低，由此制成的再生混合骨料混凝土强度为25Mpa左右，基本满足一般道路路面砖使用，且强度到达路面砖一等品的力学性能要求，其强度受水胶比影响最大，当再生粗骨料的替代率在50%左右，用水量为300kg时，再生混合骨料混凝土的强度较高。

关键词:

建筑垃圾;再生混合骨料;正交试验

Abstract

WiththerapiddevelopmentofChina'sUrbanizationandindustrialization,thedemandforconstructionresourcesgrowsrapidly.Meanwhile,alargenumberofconstructionwastegeneratedwiththeimprovementoflivingstandards,theneedsofurbaninfrastructureandunscientificurbanplanningearly.Theconstructionwasteisnotonlyoccupyingland,butalsopollutestheenvironment.Thestateofsuchconstructionresourcesconsumedlargelyandconstructionwastegeneratedconstantlygreatlyimpacttheeconomicandsocialdevelopment.Therefore,thedevelopmentofrecyclingtechnologyisbecominganimminentissue.Iftheconstructionwastecanbeprocessedandreplacethegravelresourceswhichusedinconcreteproduction,theeconomicandsocialdevelopmentwillpromotegreatly.

Inthispaper,weconsolidatealargenumberofdocumentshomeandabroad.Onthebasisofalargenumberofresearchandanalysis,themainworkisasfollows:

Takethemixedrecycledaggregatewhichbroughtbybrokenconstructionwasteinhangzhouareaasrawmaterialsfortheexperiments,onthebasisofalargenumberofexperimentsandtheoreticalanalysis,takingapreliminarystudyofrecyclesourcesofaggregateandconcreteproductsperformance:

themixedrecycledaggregatehashighwaterabsorptionitselfandlowintensity,therecycledmixedaggregateconcretewhichmadebyithasastrengthabout25Mpa,basicallymeetthegeneraluseaspaviorbricks,anditsstrengthreachedthefirst-classofthepaviorbricks'propertiesrequirements,whichinfluencedbywater-cementratiogreater.Whenthereplacementrateofrecycledcoarseaggregatearearound50%,thevolumeofwateris300kg,thestrengthofthemixedaggregateconcreteishigher.

Keywords:

Constructionwaste;Mixedrecycledaggregate;Orthogonalexperiment.

1绪论

1.1引言

我国城市化和工业化的快速发展，使建筑资源的需求快速增长。

同时随着人们生活水平的提高和对城市市政设施的需求，以及城市早期规划的不科学性，使得拆迁改造不断发生，建筑垃圾大量产生。

形成的大量建筑垃圾不仅占用上地，而且污染环境。

这种建筑资源大量消耗和建筑垃圾不断产生的状态对经济、社会发展形成了巨大的影响。

发展循环利用技术成为迫在眉睫的问题。

如能将建筑垃圾加以处理后代替砂石资源用于混凝土生产将对经济、社会发展产生极大的促进作用。

建筑垃圾主要由渣土、碎石块、废砂浆、砖瓦碎块、混凝土块、沥青块、废塑料、废金属料、废竹木等组成。

因建筑垃圾的来源不同，其组成成分变化很大。

其中混凝土（包括道路沥青混凝土）、碎石块含量约1-70%;砖瓦碎块含量约2-75%;废金属料含量约0.1-2%;废砂浆含量约0-15%;渣土含量约3-15%;废玻璃、废木材含量约0.5-5%;废旧塑料、破衣物和其它少量的生活用具、用品含量约0.01-0.2%。

不同材料破碎后作为骨料用于混凝上生产时，对混凝土的性能会有不同的影响。

再生混合骨料主要是相对于现有的再生骨料的概念提出的，所谓再生骨料就是将废弃混凝土块（不包括碎砖和其他建筑垃圾种类）破碎、清洗、分级后，按一定的比例混合而形成的，然后将之部分或全部代替天然骨料，其应用的第一的步骤是先将废混凝土块从建筑垃圾中分离出来，进而再进行破碎和再利用。

而再生混合骨料则是包含了废混凝土块、砖瓦碎块、沥青块、废塑料、废玻璃、废竹木等不同成分的骨料，它是由建筑垃圾不经分离，不分材质统一破碎而来，相对于再生骨料而言，其成分更加复杂，对混凝土性能的影响也相对得更加复杂，因此有必要对再生混合骨料的性能进行深入的研究和分析。

1.2国内对建筑垃圾研究和利用现状

对于大量建筑垃圾引起的各种包括资源、环境和社会在内的问题，大量的学者都已经清楚的认识到了，目前国内对于建筑垃圾大部分采用填埋的处理方式，以香港建筑垃圾填料库为例，香港的将军澳填料库设计容量为1080万吨，现在存量已经超过750万吨，屯门填料库设计容量为650万吨，现在存量已超过450万吨，香港政府己为建筑垃圾填料库库满为患担忧，所以采用填埋建筑垃圾不仅占用了大量耕地，而且对资源产生了极大的浪费，因此需加大对于建筑垃圾再回收利用的研究。

虽然国内对建筑垃圾再回收利用起步较晚，但结合国外的一些先进经验，发展还是非常快的。

从90年代初期就开始陆续有研究人员提出各种关于建筑垃圾的再回收利用的途径，并申请了相关专利。

总结其再回收利用的途径主要以回收并将其破碎为一定粒径的骨料，并针对各种不同材料不同粒径不同强度的骨料进行相应的再利用措施，将它们进行合理有效的再利用，取得了较好的资源、环境、经济和社会效益。

目前国内针对破碎后的建筑垃圾骨料主要的利用途径有两种:

一、作为填充料直接运用于建筑地基换填材料和路基材料;二、作为生产各种建筑砌块（墙体材料、砖等）的原料。

1.3国外对建筑垃圾的研究和利用现状

从80年代初，欧洲就开始重视处理建筑废料和垃圾，发现预先的处理和筛选对再利用很重要，而且随着建筑材料中化学材料的增多。

再利用中的环境问题更重要。

在荷兰，经过3年的推广，从1999年1月1日起开始实施建筑材料法令。

它基于土壤保护法案和表面水保护法案，给出了重新使用材料的质量标准。

在原材料、二次使用材料及废料之间不进行区别，2001年1月垃圾掩埋指令在所有的欧洲成员国中执行。

对工业、商业特别是家庭和地方政府提出了更严格的要求。

如禁止某些垃圾的掩埋、垃圾掩埋场地的重新分类、提出垃圾预先处理比率等，改变过去的再利用政策和再利用率等末端管理思路。

从生产者家庭等的责任出发，作为全过程进行资源管理。

在德国，再生混凝土最初主要用于公路路面。

1998年8月德国钢筋混凝土委员会颁布了《再生骨料混凝土应用指南》，但该指南对再生混凝土的使用限制较多，阻碍其广泛运用。

之后几年里，科技工作者对再生骨料和再生混凝土的性能和应用又取得了大量的研究成果。

在此基础上德国规范委员会于2002年2月颁布了《DIN4226-100:

混凝土和砂浆骨料—100:

再生骨料》规范，德国钢筋混凝土委员会于2004年12月颁布了更新的《再生骨料混凝土应用指南第一部分》。

《DIN4226-100:

混凝土和砂浆骨料一100:

再生骨料》为再生骨料的生产做了具体的规定，而《再生骨料混凝土应用指南第一部分》则为再生混凝土在土木工程中的广泛应用拓宽了渠道。

按照这两个规定，再生混凝土在满足一些基本条件的情况下，可与普通混凝土一样用于各种室内外建筑中。

日本对建设工程副产物和建筑垃圾的处理管理比较成功，早在1970年就制定了废弃物处理法，1991年3月日本建设省实行“再循环法”提出有效地利用资源，保护环境，建立“资源循环型社会”。

将每年10月定为“再循环活动月”，进行广泛普及和启发活动。

1993年5月制定了“推进建设副产物正确处理纲要”。

为建设工程的业主和施工者妥善处理建设副产物制定了标准。

1994年6月制定“建设副产物对策行动计划”，积极推进建设副产物再循环政策，建立有关建设副产物处理制度和措施，由建设工程业主，施工者和副产物处理单位三者组成一体共同推进建设副产物处理对策。

1997年10月修改再生循环法，制定了“建设再循环推进计划97”。

1998年8月建设省制定“再生循环指导方针”。

2000年5月制定“建设再循环法”及“绿色采购法”。

东京市在1988年对建筑垃圾的再生利用率己经达到了56%。

美国混凝土骨料规范C0033-03明确规定混凝土骨料包括再生骨料。

德国钢筋混凝土委员会颁布《再生骨料混凝土的应用指南》中第二部分给出了再生骨料的质量要求，指出再生骨料混凝土必须符合规范DIN4226中与天然骨料相同的技术要求。

日本于1994年4月颁布了《再生骨料混凝土材料的质量试行条例》。

试行条例给出了的再生骨料、再生基层材料和填充材料的质量标准，并根据其质量将再生粗骨料划分成3个等级。

1.4国内外对再生混合骨料的研究和利用

1.4.1国内对再生混合骨料的研究

再生混合骨料区别于原来所提的再生骨料在于它不仅包括废混凝土块，还包括土，碎粘土砖，碎瓷砖，木头和塑料等其他杂质的再生骨料，其破碎的原材料为统一回收的建筑垃圾，而传统的再生骨料则是由专门回收和筛拣出来废混凝土块破碎而得来的，其成分相对而言比较单一。

目前国内对此再生混合骨料己经有一定程度的应用，国内己经有部分厂家引进一系列生产线，将回收的建筑垃圾不分材质统一进行破碎，得到再生混合骨料后，再添加其他成分或添加剂进行二次利用，并由此申请了部分专利。

但这些专利大部分都只侧重于能对再生混合骨料进行再利用，其利用的成果也以对性能要求较低的墙砌体为主，而较少进一步研究其能否更加有效二次利用于性能要求较高的产品中，例如透水砖，甚至建筑构件等。

目前国内对成分相对单一的再生骨料己经有了一定程度的研究，已经有了对再生骨料制成的再生混凝土柱，再生混凝土梁，甚至框架的实验研究和分析。

但对于再生混合骨料由于其成分复杂，不同组成成分对混凝土性能的影响不一，因此还有必要加大对其进行研究和分析。

同时由于国内目前对于旧建筑物的拆除都是不分材质，没有分混凝土，砖或其他物质，统一拆除，统一处理，因此其再回收破碎后得到的也将主要是再生混合骨料，因此从这方面讲也有必要加大对再生混合骨料的性能进行研究和分析。

1.4.2国外对再生混合骨料的研究

当前国外大部分发达国家对于旧建筑物的拆除都是采用类似香港的选择性拆除，如图1.1所示：

图1.1选择性拆除建筑物的具体程序

由图中可知道，旧建筑物的拆除是有选择的，则由此产生的建筑垃圾就已经是分好类的，废混凝土、废砖和木屑等都是分类处理的，并不是混合在一起的，因此由这些分好类的建筑垃圾破碎而来的骨料并不是再生混合骨料，所以国外对再生混合骨料的研究并不多，这主要由于发达国家经济水平所决定的。

但国外对建筑垃圾各成分如碎粘土砖、碎瓷砖、碎玻璃和废沥青等各自对再生混凝土性能的影响有较深入的研究，但对于将各个成分混合在一起形成再生混合骨料的研究则较少。

2建筑垃圾中各种组成材料对混凝土性能的影响

2.1引言

不同结构类型的建筑所产生的垃圾各种成分的含量虽有所不同，但其基本组成是一致的，主要由土、渣土、散落的砂浆和混凝上、剔凿产生的砖石和混凝土碎块、打桩截下的钢筋混凝土桩头、金属、竹木材装饰装修产生的废料、各种包装材料和其它废弃物等组成。

而其中的废钢筋、废铁丝、废电线和各种废钢配件等金属，经分拣、集中、重新回炉后，可以再加工制造成各种规格的钢材，如今在旧建筑拆除的过程中，这一部分都进行单独回收进行再利用，因此可以排除在建筑垃圾之外。

而建筑垃圾中的其他大部分（以砖、石、混凝土等废料为主）废弃物破碎后，形成再生混合骨料，则可以用于制作砌块、道路砖等建材制品甚至混凝土构件的使用。

而经破碎形成的再生混合骨料由于其破碎来源一建筑垃圾本身组成的多样性和复杂性，导致再生混合骨料的成分多样，进而对由此制成的各种再生建筑材料的性能影响不一。

因此有必要对再生骨料的成分及其影响进行研究分析，进而研究分析再生骨料对由其制成的再生建筑材料性能的影响。

各种组成材料对混凝土性能的影响。

2.2不同骨料对混凝土性能影响的研究方法

目前在研究不同再生骨料对混凝土性能的影响时，主要采用两种方法:

宏观方法和微观方法，两种方法都是基于试验的基础上。

2.2.1宏观方法

宏观方法主要有两种:

一，研究不同再生骨料的物理性质（压碎指标，吸水率，耐腐蚀性，比表面积等），进而推测其对混凝土的影响。

这是研究骨料对混凝土性能比较初级，也是比较间接的方法，因为其主要基于骨料的性质进而推测对混凝土性能的影响，因此具有一定盲目性和较大的不确定性;二，直接将不同的骨料成分配制成不同的混凝土进行试验。

这是比较直观、也是目前大多数学者和研究人员所采用的方法，能较容易的比较出不同再生骨料混凝土的性能差异，进而推断不同再生骨料对其性能的影响。

2.2.2微观方法

微观方法这里是指通过特殊的仪器设备观察和检测再生混凝土内不同骨料与水泥浆豁结界面强度或其他性能（孔隙率、水泥水化程度等），进而推测骨料对混凝土性能的影响。

2.3不同成分骨料对混凝土性能的影响

2.3.1砖瓦

破碎后用作混凝土骨料的砖瓦碎块骨料多孔和密度小、压碎指标高，吸水率高，因此制成的混凝土密度也小，都可以达到一定的抗拉、压强度，但收缩、徐变、弹性模量和抗渗性等变差。

再生碎砖混凝土的断裂破坏与普通混凝土有所区别，破坏通常是集中通过集料，而不是绕过集料。

研究表明，这种骨料的替代率在25—50%为宜，而且鉴于由砖瓦碎块骨料制成的混凝土的性能不高，所以应限制其用于结构中，但可在铺路砖和人造基础中推广。

破碎后的砖瓦在磨细后还可以作为火山灰材料运用于混凝土生产中代替水泥。

普通粘土砖在烧制的时候，温度一般高达1000摄氏度，在这个温度下，粘土矿物原有的晶体结构被破坏形成铝硅酸盐结构，具有了很好的火山灰性质（粉煤灰的活性也即火山灰效应，是指在一些火山灰质的混合料中的活性氧化硅、活性氧化铝与氢氧化钙发生反应，生成具有胶凝性质的水化铝硅酸钙，以此来增强砂浆、混凝土的强度）。

用此磨细的废砖瓦生产出来的混凝土，在强度上和普通混凝土差别不大，但却能减小碱一硅反应，降低由此而引起的混凝土膨胀，同时还能增强抗化学腐蚀性。

2.3.2混凝土碎块

总结已有的再生混凝土骨料和再生骨料混凝土的性能发现再生骨料的表观密度和堆积密度分别在2.31—2.62（Kg/

）和1.29—1.47（Kg/

）之间，其吸水率处于4%一10%之间，压碎指标在14.2—23.1之间。

再生骨料混凝土抗压强度随再生骨料替代率增加而降低，随水灰比增大而降低。

再生骨料混凝土的抗拉强度受替代率影响比较小。

随着再生骨料替代率的增大，再生骨料混凝土的坍落度急剧下降、弹性模量降低、收缩值显著增大、抗冻性基本不变、渗透性增大、碳化速度略有增加、抗硫酸盐侵蚀性略有降低。

有关研究还表明不同龄期再生混凝土骨料对混凝土的性能也有一定的影响。

试验表明，1天龄期再生骨料中含有大量未水化的水泥，可以继续水化，从而显著提高再生混凝土的强度，且对于掺粉煤灰的再生混凝土而言，其生成的物质有助于激发粉煤灰的早期活性;而28天与111天龄期再生骨料中所含水泥的水化已基本完成，因此，其对再生混凝土强度的提高以及对粉煤灰的激发作用贡献甚微。

因此由1天龄期再生混凝土骨料制成的混凝土的强度也相对较强。

2.3.3玻璃

由于玻璃中含有70%左右的无定形SIO2，通常认为不宜将其用作混凝土骨料，因为玻璃骨料中的氧化硅与混凝土中的碱金属离子有产生碱骨料反应的潜在可能。

近年来，随着人们对碱骨料反应产生机制、试验方法和抑制措施的理解越来越深入，将回收的废弃玻璃骨料视为一种潜在的混凝土用建筑材料正越来越引起世界各国混凝土研究工作者的关注。

将废玻璃用于混凝土中，有两种方法。

第一，将废玻璃用作混凝土骨料。

随着废玻璃骨料含量的增加，混凝土的坍落度、含气量、密度以及拉压强度都有降低。

第二，将废玻璃磨碎用作矿物掺合料。

①将废玻璃破碎得很细的时候，它会呈现出类似火山灰的性质，而且粒径越小，火山灰的性质就会越明显。

研究表明，当废玻璃磨碎用作矿物掺合料时，如果粒径越小，混凝土的抗压强度就越高，而且膨胀也会越小。

②相比较于粉煤灰混凝土（掺量相同的情况下），玻璃混凝土会表现出更高的早强和后期强度。

③玻璃骨料对混凝土的有害作用更重要是体现在会发生碱一硅反应。

当玻璃骨料粒径减小到一定值时，不仅碱一硅反应引起膨胀的减小，而且还会提高混凝土强度，或者需要加入碱一硅反应抑制剂一偏高岭土，否则会产生碱一硅膨胀反应，导致后期强度的降低。

2.3.4木纤维

在水泥和木集料之间存在着化学上的不相容性。

木集料中的单糖对水泥浆起着缓凝作用;半纤维素在水泥浆中会降低强度与水泥的水化率。

此外，还有菇烃和树脂会在木集料表面形成干燥层而妨碍与水泥的粘结，但木灰可以用于强度要求不高的混凝土中。

目前国外还在研究用回收的木料和石灰粉混合制砖。

研究表明这种砖有一定的延性，即使超过最大荷载也不会发生脆性破坏，而且重量一般只有普通混凝土砖的65%左右，用30%木料取代率制成的混凝土砖的试验抗压强度能达到7.2MPa抗弯强度能达到3.08MPa，低于普通混凝土砖，但也能满足建筑材料使用标准。

2.3.5旧塑料

旧塑料可用作混凝土的粗骨料，用此制成的混凝土抗压强度低于普通混凝土，但表现出现更好的延展性能减少混凝土裂缝的形成和开展。

同时旧塑料混凝土的抗渗性也要优于普通混凝土。

经过破碎后的回收旧塑料还可作为细骨料替代混凝土中的沙子。

用旧塑料制成的混凝土的抗压强度随塑料的替代率的增加而降低。

这可能是由于塑料表面和水泥浆的粘结能力不强而引起的，而且塑料的憎水性也会影响水泥的水化反应。

同时旧塑料制成的混凝土的抗弯强度和干密度相比之下也有一定程度的降低。

此外，研究表明旧塑料混凝土的收缩值却在一定程度上减小。

2.3.6沥青

沥青与水泥胶结料有比较好的勃结性，沥青废料作为骨料或胶结料都可以用于混凝土中。

制成的混凝土在抗压和抗拉强度上都有所减低，通常来说沥青废料作为骨料在混凝土中的替代率越高，则强度越低，但韧性越好。

研究同时表明如果沥青废料只作为混凝土中的粗骨料，则强度下降的程度最低而韧性却有明显提高。

总体来说用沥青废料作为骨料的混凝土的韧性要好于普通混凝土，这点将可在土木工程中获得极大运用。

2.3.7贝壳

贝壳的化学成分中有超过50%的成分是Cao，而且锻烧过的贝壳灰中的Cao含量更是高达70%以上，因此锻烧过的贝壳灰能提供大量有效的氧化钙，使之在水热条件下与硅质材料（粉煤灰）中的SiO2,A1Z03发生作用，生成水化硅酸钙，从而使制品获得高强度。

研究表明：

①掺有破碎后磨细的贝壳（代替细骨料）的混凝土的工作性能随着破碎后的贝壳的细度模量的降低而降低，同时随着混凝土中贝壳的替代率的提高而降低。

②实验表明掺有贝壳的混凝土的28天抗压强度和普通混凝土的相近，甚至还要更高，这说明贝壳并没有引起混凝土早期强度的降低。

③由于贝壳的弹性模量要小于天然细骨料的弹性模量，所以制成的混凝土的弹性模量随着贝壳替代率的提高而降低。

实验表明当细骨料的替代率在20%左右时，弹性模量大约下降10%。

2.4结论

本章经过大量的文献调查，对建筑垃圾中各种组成材料对混凝土性能影响的

研究现状进行了归纳分析，总结出将建筑垃圾回收再利用制作混凝土时，在组成

材料成分方面应该注意的几个问题:

（1）砖瓦骨料对混凝土各项性能都有影响，应控制其含量，但当磨细后有一定活性，对混凝土性能影响减小。

（2）随着再生混凝上碎块替代率的增大，对混凝土的各项性能均有不同程度的不利影响;同时不同龄期再生混凝土骨料对混凝土的性能也有一定的影响。

（3）玻璃骨料在混凝土中会产生有害的碱骨料反应，但当磨细到一定程度后会呈现出火山灰性质，能提高混凝土抗压强度，减小膨胀。

（4）用一定替代率的木料制成的混凝土砖虽然在多项性能上要低于普通的混凝土砖，但也能满足建筑材料的使用标准。

（5）旧塑料用做粗骨料可提高混凝土的延展性和抗渗性，用做细骨料则会影响水泥的水化反应，但却可减小收缩值。

（6）沥青骨料会影响混凝土的抗拉压强度，但却在很大程度上提高了混凝土的韧性。

（7）随着破碎贝壳的细度模数的降低和替代率的提高，混凝土的工作性能会降低，弹性模量也会下降，但并不会引起混凝土早期强度的降低。

总之，在对建筑垃圾进行回收再利用时应该先对其组成成分进行仔细的分析，确定其各种成分的含量，明白各个成分对混凝土性能的影响因素。

综合国内

外研究现状，在用建筑垃圾生产混凝土时应着重注意建筑垃圾的替代率和粒径，两者对混凝土性能的影响极大。

3再生混合骨料对混凝土性能的影响

本阶段的试验分为三个部分:

一，再生混合粗骨料取代率，用水量，水胶比等因素对再生混凝土抗压和抗拉性能的试验研究;二，再生混合粗骨料中不同成分对再生混凝土抗压和抗拉性能的试验研究;三，再生混合细骨料取代率，砂率对再生混凝土抗压和抗拉性能的试验研究。

3.1再生混合骨料物理性质

再生骨料就是将废弃混凝土块（不包括碎砖和其他建筑垃圾种类）破碎、清洗、分级而来。

而再生混合