建筑废弃物回收再生混凝土保温承重砌块关键技术研究项目工作报告.docx
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建筑废弃物回收再生混凝土保温承重砌块关键技术研究项目工作报告
“建筑废弃物回收再生混凝土保温承重砌块关键技术研究”项目工作报告
本项目组于201年主持了“再生混凝土和新型钢结构建筑材料关键技术与应用”的子课题之“建筑废弃物回收再生混凝土关键技术研究”，现已完成全部研究工作，将工作情况汇报如下。
1项目背景
在固体建筑废弃材料再生混凝土资源化综合利用方面，废弃混凝土的再利用开始于1976年欧洲以当时的西德、比利时和荷兰为主成立了“混凝土解体与再利用委员会”，随后日本也相继开始了对废弃混凝土再生利用的研究。
1977年制订了《再生骨料和再生混凝土使用规范》，1991年制订了《资源重新利用促进法》，规定建筑施工过程中产生的渣土、混凝土块、沥青混凝土块、木材、金属等建筑废弃物，必须送往“再资源化设施”进行处理。
东京都在1988年对于建筑废弃物的重新利用率就已达到了56%。
美国再生利用的建筑废弃物约占70%，其余30%的建筑废弃物“填埋”（利用）在需要的地方。
新加坡2006年98%的建筑废弃物都得到了处理，其中50%~60%的建筑废弃物实现了循环利用。
我国每年施工建设产生的建筑垃圾达1亿吨以上，绝大部分都未经任何处理，有的对方在露天，有的填埋在地势低洼的地方，造成环境污染和资源的浪费。
再生混凝土用于民用房屋建筑的承重构件，再生混凝土需具备良好的力学性能、耐久性能与工作性能，再生混凝土梁柱及框架还需具有良好的抗震性能。
目前，国内外再生混凝土应用性能方面的研究开展得并不多，在我国还没有相关的技术标准。
随着国家环保政策的不断深化实施，该技术的发展必将提速，本项目研究产生的新材料、新工艺和新技术具有自主知识产权，并会极大地促进技术发展。
大学再生混凝土项目组于201年主持了“再生混凝土和新型钢结构建筑材料关键技术与应用”子课题“建筑废弃物回收再生混凝土关键技术研究”，并与新型建材有限公司联合成立“建筑固体废弃物再生利用工程技术研究中心”，成功利用本技术开发了“KS-J建筑废弃物复合硅酸盐保温空心砌块”，并成功申请发明专利“建筑废弃物复合硅酸盐保温空心砌块及其制备方法”。
2主要研究工作与研究成果
关键技术研究包括建筑废弃物的分选、原材料配方设计以及提高再生混凝土性能的研究，为实现“建筑废弃物回收再生混凝土保温承重砌块”的产业化奠定基础。
其主要内容与研究成果如下。
2.1原材料制备工艺
（破碎、粒径、级配、强度、孔隙率、吸水性、热工性能）
2.1.1再生粗骨料的来源
随着建筑行业的迅猛发展和更新的加快，产生了越来越多的废弃混凝土，这些混凝土经过粉碎加工可以生产出再生粗骨料重新加以利用，变废为宝，再生混凝土按其来源主要包括：
1.混凝土建筑物、道路及重大基础设施因达到使用年限或因老化被拆毁，产生废弃混凝土块，经回收、破碎、筛分及冲洗后可作为粗，细再生粗骨料。
研究表明：
混凝土的凝结硬化是一个非常缓慢的过程，龄期28d的混凝土，水泥的水化程度只有60%左右，一些混凝土经过20a的时间凝结硬化还没有完全结束!
因此，废混凝土加工后充当再生混凝土的集料是完全可行、有利的。
2.商品混凝土工厂产生的废弃混凝土.每个搅拌站在生产过程中都或多或少的生产出废混凝土，同时清洗搅拌机及运输车辆时残留的新拌混凝土的数量约占混凝土生产量的2.2%。
若充分利用这些废料，经济效益非常可观。
3.意外原因如地震、台风、洪水等造成建筑物破坏，而产生废弃混凝土块。
特别是5.12特大地震后产生了大量的废弃混凝土。
可以充分利用当地的废弃混凝土粉碎成再生粗骨料循环利用。
试验用再生粗骨料来源于第三类混凝土建筑物因地震被催毁，产生废弃混凝土块，经回收、破碎、筛分及冲洗后可作为粗，细再生骨料。
被拆迁的混凝土由于粒径太大不能直接加以利用，必须经过回收、破碎、筛分及冲洗等生产过程。
例如最大粒径为40mm的粗骨料生产工艺如图1：
图1最大粒径为40mm的粗骨料生产工艺
1、回收混凝土的回收比较方便，且成本较低，一般在一些房屋建筑的拆迁、道路的重建等地方都可以找到大量的废弃混凝土，回收废弃混凝土的成本也很低，平常只需考虑运输成本，所以在回收废弃混凝土时先调查清楚周边那些地方有废弃混凝土，然后选择去较近的地方回收。
回收后除去废弃混凝土中的其他杂质。
2、破碎废弃混凝土的破碎机械有很多种类型，有颚式破碎机、立式复合破碎机、锤式破碎机、反击式破碎机、对辊式破碎机、圆锥破碎机等。
这些破碎机有很多种型号，可根据实际需要调节破碎粗骨料的最大粒径。
比较常用的是颚式破碎机（见右图2）。
其工作原理是：
电动机驱动皮带和皮带轮，通过偏心轴使动鄂上下运动，当动鄂上升时与动鄂间夹角变大，从而推动鄂板向固定鄂板接近，同时物料被压破或劈碎，达到破碎的目的；当动鄂下行时，肘板与动鄂间夹角变小，动鄂板在拉杆、弹簧的作用下，离开固定鄂板，此时已破碎物料从破碎腔下口排出。
随着电动机连续转动而破碎机动鄂作周期性的压碎和排泄物料，实现连续生产。
图2试验用颚式破碎机
3、筛分再生粗骨料经破碎后其级配可能不满足生产规定的级配，应进行筛分后按生产需要的级配进行配合。
另外粗骨料经过过筛，除去水泥和砂浆等细小颖粒，最后得到的即为高性能再生粗骨料。
粗骨料的筛分可以用筛分机进行机械筛分，也可以采用人工筛分。
这根据实际情况进行选用。
4、冲洗再生粗骨料净破碎后粗骨料含泥量较高，还有大量的水泥和砂浆颗粒依附在其表面，通过冲洗可以去除这些杂质，使粗骨料的性能得到提高。
2.1.2再生骨料颗粒级配与最大粒径要求
再生粗骨料的颗粒级配目前处于探索阶段，其级配主要是依据石子的颗粒级配进行分类，分为单粒级和连续粒级，再生粗骨料的级配通过筛分试验确定，一套标准的筛有孔径为2.50、5.00、10.0、16.0、25.0、31.5、40、0、50.0、63.0、80。
0、100（mm）共12个筛子，可按需要选用筛号进行筛分，然后计算每个筛号的分计筛余百分率和累计筛余百分率。
再生粗骨料的颗粒级配范围按照碎石或卵石的颗粒级配范围。
本试验在研究再生粗粗骨料性能时，拟采取对最大粒径为20mm和40mm的连续粒级和单粒级分别进行对比检验，由于采用人工级配组合，试样在取量时各粒径的筛分应符合碎石和卵石的级配规定，见表1：
表1不同级配的取值表
级配
情况
公称
粒级mm
累积筛余（按质量计），%
筛孔尺寸（圆孔筛），mm
2.50
5.0
10.0
16.0
20.0
25.0
31.5
40
连续
级配
5～20
100
95
55
—
5
—
—
—
5～40
—
100
82.5
—
42.5
—
—
2.5
单粒级
10～20
—
100
92.5
—
7.5
20～40
—
—
100
—
90
—
—
5
同时，骨料最大粒径对再生混凝土强度也有直接的影响，当粗骨料的粒径增大时，其总表面积减少，因此包裹它表面所需要的水泥浆数量相应减少，可节约水泥，所以在条件许可的情况下，再生粗骨料最大粒径应尽量用得大些。
在普通混凝土中，骨料粒径大于40mm有可能造成混凝土强度下降，根据《混凝土结构工程施工及验收规范》GB50204—2002的规定，混凝土粗骨料的最大粒径不得超过结构截面最小尺寸的1/4，同时不得大于钢筋间最小间距的3/4；对于混凝土实心板，骨料的最大粒径不宜超过板厚的1/2，且不得超过50mm；对于泵送混凝土，骨料的最大粒径与输送管内径之比，碎石不宜大于1：
3，卵石不宜大于1：
2.5。
石子粒径过大，对运输和搅拌都不方便，所以，再生粗骨料也应满足施工过程中对骨料粒径的这些要求。
2.1.3再生骨料试验及数据分析
采用颚式破碎机破碎后进行筛分，把粒径<5mm的细颗粒除去，目前由于机械生产出来的再生粗骨料既不能满足连续级配也不符合单粒级要求。
因此，本次试验通过人工级配研究再生粗骨料物理力学性能及设计三种不同最大粒径的再生混凝土，分别是5～20、5～31.5、5～40mm，然后测定不同最大粒径对再生混凝土强度有无直接或间接地影响。
目前针对再生骨料尚无统一的试验规范，本试验主要以《再生混凝土应用技术规程》（DG/TJ08-2018-2007）和《建筑用卵石、碎石（GB/T14685-2001）》为依据研究再生骨料混凝土的以下性能指标：
●再生混凝土骨料不同级配的表观密度、堆积密度
●加外掺料后再生混凝土的坍落度情况
●不同级配再生粗骨料吸水情况
●再生骨料压碎指标值
●不同最大粒径的再生混凝土试块28d抗压强度
●再生混凝土电镜扫描及分析
●超细粉煤灰掺入比例
根据前面所述试验材料和方案，进行不同级配下再生混凝土骨料性能的试验及再生混凝土强度的试验，试验情况及数据分析如下：
表2不同最大粒径再生粗骨料性能指标
级配
表观密度
（kg/m3）
吸水率
（%）
含水率
（%）
堆积密度
（kg/m3）
压碎指标
（%）
单粒级
（10～20）
2520
6.19
1.5
1245
14.8
单粒级
（20～40）
2589
5.07
2.1
1275
14.6
连续粒级
（5～20）
2484
5.79
2.5
1223
15.2
连续粒级
（5～40）
2591
5.94
2.0
1283
14.7
普通碎石
2670
2.19
<0.5
1392
10.1
①表观密度和堆积密度
石材的表观密度与其矿物组成和孔隙率有关，它能间接反映石材的致密程度和孔隙多少，在通常情况下，同种石材的表观密度愈大，其抗压强度愈高，吸水率愈小，耐久性愈好。
天然石材按表观密度大小分为：
轻质石材（表观密度≤1800kg/m3）；重质石材（表观密度＞1800kg/m3）。
（1）无论是连续粒级还是单粒级的再生粗骨料，最大粒径无论是20mm还是40mm，其表观密度和堆积密度都比碎石的要小（表2），降低了约5%～10%。
这是由于天然碎石结构坚硬致密，孔隙率低。
而对再生粗骨料而言，其表面粗糙，棱角较多，并且骨料表面还包裹着相当数量的水泥砂浆（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。
图3不同最大粒径下表观密度和堆积密度
（2）连续粒级和单粒级其表观密度与最大粒径持同向变化（图3），即随着再生骨料粒径的增大而增大,由于等质量的再生粗骨料粒径越大，其表面积减少，表面砂浆的空隙率也降低。
当最大粒径为20mm时，单粒级的表观密度比连续粒级相差不大（约大1.5%），而最大粒径为40mm时，连续粒级和单粒级则更接近一些。
（3）堆积密度（连续粒级和单粒级）都表现出随着最大粒径的增加而增大。
对于连续粒级，5～40mm比5～20mm大4.9%左右，而单粒级20～40mm比10～20mm只大于2.4%左右。
②吸水率与含水率
图4不同最大粒径下吸水率和含水率
（1）再生粗骨料的含水率、吸水率远大于碎石。
碎石的含水率一般不会超过0.5%，吸水率在2.19%左右，而再生粗骨料的含水率、吸水率是碎石的2.4～3倍。
这主要是由于再生骨料表面的旧砂浆以及破碎等过程中出现的裂纹引起的。
（2）再生粗骨料粒径小的含水率反而大。
连续粒级中公称粒级为5～20mm的再生粗骨料含水率比5～40mm大12%左右，而单粒级公称粒级为10～20mm的再生粗骨料含水率比20～40mm高6%左右。
（3）相同最大粒径的再生粗骨料，单粒级比连续粒级的含水率高。
当最大粒径都20mm时，单粒级和比连续粒级的再生粗骨料含水率大2%左右，相差不大，而最大粒径为40mm时，单粒级再生骨料的含水率比连续粒级高7.7%左右。
③压碎指标值
从上面的试验数据据结果看，本试验压碎指标均值为14.83%，而一般情况下，天然骨料的压碎指标为10.1%左右，所以再生粗骨料抵抗压碎的能力要比天然骨料小，主要是由于再生粗骨料包裹的砂浆以及其他外力（如破碎）破坏了骨料本身的结构造成的。
图5不同粒级再生粗骨料的压碎指标值
2.1.4再生骨料压碎指标与加载力关系
石子的压碎指标值用于相对的衡量石子在逐渐增加的荷载下抵抗压碎的能力。
工程施工单位可采用压碎指标值进行质量控制。
1.主要仪器设备：
压力试验机（量程600kN）、压碎值测定仪（见图6）、垫棒（ф10mm，长500mm）、天平（称量1kg，感量1g）、方孔筛（孔径分别为2.36mm、9.50mm和19.0mm）。
图6压碎值测定仪
2.试验方法及步骤
（1）将石料试样风干。
筛除大于19.0mm及小于9.50mm的颗粒，并除去针片状颗粒。
（2）称取11份试样，每份3000g（m1），精确至1g。
（3）将试样分两层装入圆模，每装完一层试样后，在底盘下垫ф10mm垫棒，将筒按住，左右交替颠击地面各25次，平整模内试样表面，盖上压头。
（4）将压碎值测定仪放在压力机上，按1kN/s速度均匀地施加荷载从100KN至300kN，每次稳定5s后卸载。
图7再生骨料压碎后试样
（5）取出试样，用2.36mm的筛筛除被压碎的细粒，称出筛余质量（m2），精确至1g。
图8再生骨料压碎后的筛分
（6）压碎指标值按下式计算，精确至0.1%。
Qe=（m1-m2）/m1*100%
式中：
Qe——压碎指标值（%）；
m1——试样的质量（g）；
m2——压碎试验后筛余的质量（g）。
表3再生骨料试样情况表
压碎前骨料重量
（kg）
加载力（KN）
压碎后剩余骨料重量
（kg）
压失百分率
（%）
3
100
2.62
12.67
3
120
2.64
12
3
140
2.59
13.67
3
160
2.5
16.67
3
180
2.49
17
3
200
2.38
20.67
3
220
2.3
23.33
3
240
2.25
25
3
260
2.2
26.67
3
280
2.24
25.33
3
300
2.24
25.33
图9再生骨料压碎指标与加载曲线图
从图9可以看出，再生骨料压失的百分率与加载力有直接的关系，总体说来，再生骨料压失的质量分数随加载力的增大而增加。
而在160KN和180KN时，再生骨料压失的百分率分别为16.67%和17.00%，基本相同。
由于再生骨料中天然卵石的表面包括一部分旧的水泥砂浆，在骨料破碎、筛分及压碎的过程中，由于旧水泥砂浆的弹性模量及强度远小于天然骨料。
因此，在加载过程中，加载力增大时达到旧水泥砂浆的破坏强度，造成包裹在原生骨料外的旧水泥砂浆首先发生剥离，剥离后，再生骨料的压失百分率与加载力呈现正常的（即加载力与压失百分比成正比例）变化过程。
通过该试验，我们可以对再生粗骨料的分级又增加一个新的评判标准，即在旧水泥砂浆剥离时所需加载力越大，则其等级较高，反之则较低，这种方法更直接地反映了再生骨料本身的强度。
2.2再生骨料混凝土配合比及抗压强度
2.2.1再生混凝土强度等级的合理范围
再生混凝土的强度等级划分为6种，即RCl5、RC20、RC25、RC30、RC35和RC40。
尽管高强度再生混凝土的配制在技术上是可行的，但是试验表明，该类混凝土的界面强度明显低于水泥石基体强度。
破坏时很快从界面开始破坏，因此再生骨料不宜用于配制高强度的再生混凝土。
鉴于这一点，《再生混凝土应用技术规程》中规定再生混凝土的强度等级上限为RC40。
各再生混凝土强度等级的合理范围见表4。
表4再生混凝土强度等级的合理范围
类别名称
混凝土强度等级的
用途
合理范围
砌块用再生混凝土
RC15
主要用于围护结构或其他承重砌体
RC20
RC25
RC30
RC35
RC40
道路用再生混凝土
RC30
主要用于道路路面
RC35
RC40
结构用再生混凝土
RC15
主要用于承重构件
RC20
RC25
RC30
RC35
RC40
国内外许多学者对再生混凝土强度进行了大量的研究，Travakoli和soroushian强调影响再生混凝土强度的关键因素是再生骨料的强度、粒径分布和吸水率；AmnonKatz认为再生骨料的性能及其对混凝土的影响与轻骨料和轻骨料混凝土有着类似的规律，尤其是在强度和弹性模量方面，普遍的结论是利用再生粗骨料配制的混凝土与天然骨料混凝土相比，强度较低，弹性模量较小，徐变和收缩较大。
为此，通过正交设计试验优先混凝土配合比的基础上，配制了不同最大粒径的再生混凝土试块150mm×150mm×150mm各3组，同时分别做1组将粉煤灰和额外用水量对再生混凝土进行改性，改善其界面过渡区性能，提高其力学性能及耐久性，以满足其工艺、环境要求并降低成本造价，使之向高强高性能化方向发展。
该试验中粉煤灰用量取代了30%的水泥，额外用水量为再生混凝土单位体积用水量在普通混凝土的基础上应增加额外用水量，考虑再生骨料表面包裹旧砂浆所增加的用水量，主要是为提高混凝土和易性而采取的措施，再生骨料混凝土立方体标准试块配制强度fcu,0=38.23MPa。
2.2.2再生混凝土坍落度
试验表明：
再生混凝土坍落度与包裹在天然粗骨料外的旧水泥砂浆以及粉煤灰的掺入有很大关系，当未考虑再生粗骨料的吸水特性时，其坍落度偏小，约为普通混凝土的20％～75％；考虑再生粗骨料的吸水特性时，其坍落度与普通混凝土相近，原因是再生粗骨料吸水率较高，故未考虑其吸水特性时，在混凝土拌制过程中，再生粗骨料要吸收部分水分，使实际拌合水减少，故坍落度变小；而考虑了其吸水特性后，补充了拌合水，故使坍落度有所增加。
再生混凝土中加入粉煤灰，可以显著改善混凝土拌合物的和易性，减少用水量，提高混凝土强度并改善其耐久性能，收到很好的技术经济效果。
邢振贤[37]指出粉煤灰取代水泥量30％时再生混凝土强度最高。
从图10可以看出，当再生混凝土采用基准配合比时，坍落度非常小，只有1cm左右。
而加入粉煤灰后，再生混凝土的坍落度值增大为7cm，比采用基准配合比时增加了7倍，极大地提高了再生混凝土的和易性（见图11）。
图10基准配比时再生混凝土坍落度图11加粉煤灰后再生混凝土坍落度
2.2.3不同最大粒径的再生混凝土抗压强度
再生混凝土试块在适当养护条件下（温度20℃，相对湿度为≧95%）养护28d后，采用万能材料试验机（最大荷载1000KN）测试块的强度，其结果见表5。
表5不同最大粒径及外掺料下的再生混凝土试块28d抗压强度
粗骨料最大
粒径（mm）
水泥强度（MPa）
砂率
（%）
每立方米用料量（kg）
强度平均值（MPa）
水
水泥
砂
再生粗
骨料
额外用水量
粉煤灰
20
32.5
33
205
539
546
1110
—
—
31.7
205
539
546
1110
39
—
23.8
205
377
546
1110
—
162
19.4
31.5
32
195
513
541
1151
—
—
30.3
195
513
541
1151
40
—
22.8
195
359
541
1151
—
154
17.5
40
31
185
487
536
1192
—
—
30.6
185
487
536
1192
42
—
25.0
185
341
536
1192
—
146
17.4
（1）由表5可知，全部采用再生粗骨料的再生混凝土强度在30.3～31.7MPa,比设计强度下降了17.1～20.7%，而文献总结出：
再生骨料混凝土的抗压强度低于基体混凝土或相同配比的普通混凝上的抗压强度，降低范围为0%一30%，平均降低15%,再生混凝土抗压强度降低的主要原因是再生骨料与新旧水泥浆之间在一些区域结合较弱。
（2）再生混凝土的强度与最大粒径没有明显的关系，同时加入粉煤灰和额外用水量，虽然改善了再生混凝土的工作性能，但却降低了再生混凝土的抗压强度，从表中我们可以看出，三种最大粒径下加入了额外用水量的再生混凝土的强度在22.8～25MPa之间，比不加的再生混凝土强度降低了18.3～24.9%，比设计强度下降了34.6～40.4%。
而加入粉煤灰后再生混凝土的强度在17.4～19.4MPa，比不加的再生混凝土强度降低了38.8～43.1%，比设计强度降低了49.3～54.5%，因此在配制再生混凝土时，需考虑对两者的优化。
图12不同情况下再生粗骨料的抗压强度
2.3承重墙用保温空心砌块块型设计及热工性能
项目组申请发明专利的三排孔空心砌块，其规格为390mm×220mm×190mm,
按照标准DB51/T5027-2002，材料的热传导系数
和蓄热系数
修正系数a为1.0。
……………………
（1）
--一层材料的平均导热系数，单位：
W/m·K。
、
……
--各个传热面积上材料的导热系数，单位：
W/m·K。
、
……
--各该层中按平行于热流划分的各个传热面积，单位：
m2。
……………………
（2）
=
+
+……+
--材料层热阻，单位：
m2·K/W，
、
……
--各层材料的热阻，单位：
m2·K/W。
………………………（3）
--传热系数，单位：
W/（m2·K）。
……………………（4）
--材料的蓄热系数，单位：
W/（m2·K）。
、
……
--该层各个传热面积上材料的蓄热系数，单位：
W/（m2·K）。
……………………（5）
，
--材料的热惰性指标，
、
……
--各层材料的热惰性指标。
图13砌块示意图
表6热传导系数和蓄热系数
实体热传导系数
（实际检测值）
空气层热传导系数
（DB51标准引用）
实体的蓄热系数
（实际检测值）
空气层的蓄热系数（DB51标准引用）
0.213W/m·K
0.18W/m·K
5.5W/（m2·K）
0
设面积为垂直热流方向划分，厚度为平行热流方向划分。
砌块的结构及尺寸如图13所示。
砌块共分七层，现在分别计算每一层的热工指标。
第一层:
由公式
（1）知，
W/m·K
由公式
（2）知，
m2·K/W
由公式（4）知，
W/（m2·K）
由公式（5）知，
第二层：
W/m·K
m2·K/W
W/（m2·K）
第三层：
W/m·K
m2·K/W
W/（m2·K）
第四层：
W/m·K
m2·K/W
W/（m2·K）
第五层：
W/m·K
m2·K/W
W/（m2·K）
第六层：
W/m·K
m2·K/W
W/（m2·K）
第七层：
W/m·K
m2·K/W
W/（m2·K）
砌块汇总：
W/m·K
m2·K/W
W/（m2·K）
W/（m2·K）
将结果如表所表7所示：
表7砌块的热工指标
平均热传导系数
（W/m·K）
厚度
（m）
热阻
R（m2·K/W）
平均蓄热系数
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