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再生骨料透水性混凝土的特性及應(yīng)用
【摘 要】建筑垃圾中同時(shí)存在大量可再生利用的組分，如：廢鋼材、廢木材、廢玻璃等。因此，如何資源化利用建筑垃圾已經(jīng)成為建筑行業(yè)和環(huán)境保護(hù)部門所面臨的一個(gè)重要課題。將廢棄混凝土用來再生循環(huán)生產(chǎn)混凝土對(duì)節(jié)省能源和資源，保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要意義。本文主要討論了再生骨料透水性混凝土相關(guān)問題，對(duì)于提高我國綠色建筑水平具有一定幫助。
【關(guān)鍵詞】建筑垃圾；再生骨料；再生混凝土
1. 前言
（1）隨著建筑垃圾帶來的環(huán)境污染問題和資源利用問題越來越嚴(yán)重，政府和國人環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，這些問題也引起了我國的高度重視[1]，先后頒布了《固體廢料污染環(huán)境防治法》、《城市固體垃圾處理法》等相關(guān)法律，對(duì)限制垃圾廢料的大量產(chǎn)生，推動(dòng)垃圾廢料回收利用技術(shù)的開發(fā)研究起到了積極作用[2]。上海已經(jīng)成立了綠色建材展示中心；同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院已經(jīng)將綠色建材列入重點(diǎn)建設(shè)發(fā)展的學(xué)科領(lǐng)域之一。不過對(duì)建筑垃圾進(jìn)行開發(fā)和綜合利用需要政府部門、環(huán)保部門、建筑建材行業(yè)等全社會(huì)的共同努力和大力支持。
（2）再生骨料混凝土（Recycled Aggregate Concrete ， RAC）是將廢棄混凝土塊經(jīng)過破碎、清洗與分級(jí)后，按一定的比例與級(jí)配混合形成再生混凝土骨料（Recycled Concrete Aggregate ， RCA），部分或全部代替砂石等天然骨料（主要是粗骨料）配置而成的混凝土。
2. 原材料的品種與選擇
2.1 眾所周知，普通混凝土為了進(jìn)一步提高它的密實(shí)性、抗?jié)B性和強(qiáng)度等工程適用性，常常通過改善混凝土的粒度級(jí)配、加強(qiáng)施工過程中的振搗等措施。而透水混凝土為了實(shí)現(xiàn)透水的目的，在力學(xué)強(qiáng)度滿足工程需要的同時(shí)，還要求含有符合一定要求空隙特征和孔隙率。因此在原材料、配合比與性能等方面再生混凝土與普通混凝土相比具有以下特點(diǎn)。
（1）在透水混凝土中，水泥石與骨料界面的粘結(jié)強(qiáng)度是混凝土中的薄弱環(huán)節(jié)，是決定混凝土強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，因此水泥的活性、品種數(shù)量的選擇尤為重要。透水混凝土要采用強(qiáng)度較高、混合材料摻量較少的水泥或普通硅酸鹽水泥。水泥漿的合適用量以剛能完全包裹骨料的表面為最佳，形成一種均勻的水泥漿膜層，并采用最小水泥用量為原則。過大的水泥用量不僅會(huì)造成透水性的減弱、增加成本，還會(huì)造成水泥石收縮量增大，更容易產(chǎn)生溫度裂縫，使混凝土的強(qiáng)度反而降低。
（2）骨料是透水混凝土的結(jié)構(gòu)骨架，骨料粒徑的大小視透水混凝土結(jié)構(gòu)的厚度、強(qiáng)度、透水性而定。骨料可以采用普通砂、碎石，也可以采用浮石、陶粒等輕骨料，甚至可以采用廢棄建筑物的碎磚、廢棄混凝土等。試驗(yàn)資料表明，透水混凝土的顆粒級(jí)配是決定其強(qiáng)度和透水的主要因素之一，為保證透水性混凝土強(qiáng)度及其透水功能，粗骨料常用顆粒較小的單粒徑。
透水性混凝土除了采用砂、石、水泥和水這四種基本材料外，工程使用時(shí)還經(jīng)常摻用一定量的外加劑。如摻入適量的增強(qiáng)劑，有助于提高水泥漿與骨料的界面強(qiáng)度；摻加適量的減水劑，有助于改善混凝土的和易性，進(jìn)一步提高混凝土的強(qiáng)度；增加適當(dāng)?shù)闹珓┠芴岣呓ㄖ锏拿烙^效果；消石灰可增加水泥漿的粘聚性，提高工程表面的平整度，另外其堿性對(duì)酸雨有一定的中和作用，對(duì)提高混凝土的耐久性有積極作用；冬季施工時(shí)可摻加一定量的硫酸鈉、氯化鈣、木質(zhì)素磺酸鈣等早強(qiáng)劑，進(jìn)一步提高混凝土的早期強(qiáng)度[3]。
2.2 不同成分骨料對(duì)混凝土性能的影響。
2.2.1 磚瓦。
破碎后用作混凝土骨料的磚瓦碎塊骨料，孔隙較多，密度較小，壓碎指標(biāo)高，具有較高的吸水率，因此制成的混凝土雖然密度也較小，但基本可以達(dá)到一定的抗拉、抗壓強(qiáng)度，而混凝土的收縮、徐變、彈性模量和抗?jié)B性變差。再生碎磚混凝土的斷裂破壞通常是集中通過集料，而普通混凝土是繞過集料。研究表明，這種骨料的替代率在25%～50%為宜，而且鑒于由磚瓦碎塊制成的混凝土性能不高，所以在建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用受到限制，而在鋪路磚和人造基礎(chǔ)中的應(yīng)用得到推廣[4]。破碎后的磚瓦在磨細(xì)后還可以作為火山灰材料用于混凝土生產(chǎn)中代替部分水泥，用此磨細(xì)的廢磚瓦生產(chǎn)出來的混凝土，輕度和普通混凝土相差不大，但卻能減小堿——硅反應(yīng)，降低由此引發(fā)的混凝土膨脹，同時(shí)還能增強(qiáng)抗化學(xué)腐蝕性。
2.2.2 混凝土碎塊。
（1）總結(jié)已有的再生混凝土骨料和再生骨料混凝土的性能發(fā)現(xiàn)：再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度受替代影響較小，隨水灰比增大而降低。隨著再生骨料替代率的增大，再生骨料混凝土的坍落度急劇下降、彈性模量降低、收縮值顯著增大、抗凍性基本不變、滲透性增大、碳化速度略有增加、抗硫酸鹽侵蝕性略有降低[3]。
（2）有關(guān)研究還表明，不同齡期再生混凝土骨料對(duì)混凝土性能也有一定影響，一天齡期再生骨料中含有大量未水化的水泥，可以繼續(xù)水化，從而顯著提高再生混凝土的強(qiáng)度，且對(duì)于摻粉煤灰的再生混凝土而言，其生成的Ca（OH）2有助于激發(fā)粉煤灰的早期活性；而28天與111天齡期再生骨料中所含水泥的水化已基本完成，因此其對(duì)再生混凝土強(qiáng)度的提高以及對(duì)粉煤灰的激發(fā)作用貢獻(xiàn)甚微[4]。
2.2.3 玻璃。
將廢玻璃用于混凝土中，有兩種方法[5]：第一，將廢玻璃用于混凝土骨料。隨著廢玻璃骨料含量的增加，混凝土的坍落度、含氣量、密度以及抗拉強(qiáng)度都有不同程度的降低。第二，將廢玻璃磨碎用作礦物摻合料。（1）將廢玻璃磨得很細(xì)的時(shí)候（ 2.2.4 木纖維。
（1）在水泥和木集料之間存在著化學(xué)性質(zhì)上的不相容性。木集料中的單糖對(duì)水泥漿有緩凝作用；半纖維素在水泥漿中會(huì)降低強(qiáng)度和水泥的水化率。此外，還有萜烴和樹脂會(huì)在木集料表面形成干燥層而妨礙與水泥的粘結(jié)，但木灰可以用于強(qiáng)度要求不高的混凝土中。
（2）目前國外還在研究用回收的木料和石灰粉混合制磚。這種磚有一定延性，即使超過最大荷載也不會(huì)發(fā)生脆性破壞，而且重量一般只有普通混凝土磚的65%左右，用30%木料取代率制成的混凝土磚的試驗(yàn)抗壓強(qiáng)度能達(dá)到7.2MPa，抗彎強(qiáng)度能達(dá)到3.08 MPa，比普通混凝土磚低，但基本能滿足建筑材料的使用標(biāo)準(zhǔn)。
2.2.5 舊塑料。
（1）舊塑料可以用作混凝土的粗骨料，用此制成的混凝土，抗壓強(qiáng)度比普通混凝土低，但表現(xiàn)出更好的延展性，能減少混凝土裂縫的形成和開展。同時(shí)舊塑料混凝土的抗?jié)B性比普通混凝土高。
（2）經(jīng)過破碎后的回收舊塑料還可作為細(xì)骨料代替混凝土中的砂子[6]。 用舊塑料制成的混凝土的抗壓強(qiáng)度隨塑料替代率的增加而降低。這可能是由于塑料表面和水泥漿的粘結(jié)能力不強(qiáng)引起，而且塑料的憎水性也會(huì)影響水泥的水化反應(yīng)。同時(shí)舊塑料制成的混凝土抗彎強(qiáng)度和干密度也較低。此外，研究表明舊塑料混凝土的收縮值在一定程度上減小[6]。
2.2.6 瀝青。
瀝青與水泥膠結(jié)料的粘結(jié)性較好，用瀝青廢料作骨料或膠結(jié)料都可以用于混凝土中[7]。制成的混凝土，抗拉和抗壓強(qiáng)度都有所降低，通常來說瀝青廢料作為骨料在混凝土中的替代率越高，強(qiáng)度越低，但韌性越好。研究同時(shí)表明，如果瀝青廢料只作為混凝土中的粗骨料，則強(qiáng)度下降較少而韌性明顯提高。總之，瀝青廢料作為骨料的混凝土，其韌性好于普通混凝土，這點(diǎn)將可在土木工程中獲得較廣泛的應(yīng)用。
3. 生態(tài)混凝土的特點(diǎn)
開展生態(tài)混凝土的研究符合和持續(xù)發(fā)展的要求，符合和諧社會(huì)發(fā)展的需要，更是順應(yīng)了自然界萬物皆有因、萬物皆應(yīng)順應(yīng)自然的法則，因此生態(tài)混凝土的應(yīng)用前景廣闊，具有如下特點(diǎn)：
3.1 透水性或排水性。
透水混凝土是由水、水泥、粗骨料組成的，采用單粒級(jí)骨料作為骨架，水泥凈漿或加入少量細(xì)骨料的砂漿薄層包裹在粗骨料顆粒的表面，作為骨料顆粒之間的膠結(jié)層，骨料顆粒通過硬化的水泥漿薄層膠結(jié)而形成多孔的堆積結(jié)構(gòu)，因此混凝土內(nèi)部存在著15%～30%的連通孔隙，且多為直徑超過1mm的大孔。在雨天或面積水時(shí)，水能沿這些貫通的孔隙順利滲入地下，因此具有較好的透水性和透氣性。如將此種混凝土用于鋪筑道路、城市廣場(chǎng)、人行通道等地方，就能夠在一定程度上擴(kuò)大城市的透水、透氣面積，進(jìn)一步增加行人、行車的舒適感和安全性，還在一定程度上減少城市噪音，并對(duì)調(diào)節(jié)城市環(huán)境的溫度和空氣濕度、維持地下土壤的水位和保持生態(tài)平衡有積極作用。
3.2 吸音性。
（1）透水性混凝土除本身固有的防水濺和透水性能之外，還具有降低噪聲的作用。任何筑路材料都或多或少地具有吸音功能，即通過導(dǎo)熱、氣流及機(jī)械振動(dòng)等能量轉(zhuǎn)換方式，使聲音降低或消失。其吸音機(jī)制有多孔吸管、振動(dòng)吸音和共鳴吸音等三種。透水性混凝土具有多孔吸音和共鳴吸音的功能。就吸音而言， 透水性路面的孔隙形式，可以分為有效孔隙、半有效孔隙和無效孔隙。有效孔隙能夠起多孔吸音作用， 共鳴吸音為噪聲共鳴所致。但是，如果透水性路面凹凸不平，便不能很好地共鳴，就會(huì)降低吸音效果。
（2）關(guān)于透水性路面， 在上述三種類型的吸音機(jī)制中，多孔型吸音占主要地位。多孔型吸音的吸音量的大小取決于孔隙對(duì)于氣流的摩阻性、孔隙率、孔隙形狀等。因此，要使路面具有比較好的吸音效果， 必須從材料、配合比和施工方法等方面進(jìn)行考慮和系統(tǒng)研究。
（3）關(guān)于材料厚度對(duì)于吸音性能的影響， 一股情況下， 路面厚度加大， 吸音效果就好，反之則相反。多孔型吸音的主要原理是孔隙對(duì)于氣流的摩阻， 聲音的消失量與空氣的流動(dòng)速度成正比。因此，如果音波從空氣流動(dòng)速度快的位置入射， 吸音效果就好， 應(yīng)該指出，必須始終保持路面材料具有某種程度的通氣性，“厚度”理論才能成立。當(dāng)然，如果材料孔隙對(duì)于氣流的摩阻力、孔隙率和孔隙形狀達(dá)不到要求， 即使增加路面厚度， 也不會(huì)收到良好的吸音效果。
（4）綜上所述，透水性路面的吸音效果受路面存在的孔隙條件和路面的厚度影響較大。厚度越大，吸音效果越好。當(dāng)然，降低透水性路面的噪音， 取決于多種因素， 因?yàn)榻煌ㄔ胍舫囕v發(fā)動(dòng)機(jī)的聲音和行車的聲音之外，還有輪胎和路面接觸發(fā)出的聲音。但是， 從筑路方面采取措施， 使路面具有吸音、降噪效果，則具有劃時(shí)代的意義。
3.3 吸收有害氣體。
相同尺寸條件下，多孔混凝土的內(nèi)外表面積大約是普通混凝土的500倍。將有害氣體吸收材料注入多孔混凝土中，能夠有效吸收空氣中包括CO2、SOx及NOx等特殊有害氣體。這種吸收材料主要由無機(jī)物組成，有著強(qiáng)大的離子交換能力。
3.4 熱儲(chǔ)性。
熱儲(chǔ)混凝土是針對(duì)再生混凝土孔隙率高的特點(diǎn)所制作的多孔混凝土，適用于各種建（構(gòu)）筑物的非承重結(jié)構(gòu)。
3.5 凈化水質(zhì)。
大孔混凝土的孔隙率為5%～35%，并且其聯(lián)通孔占15%～30%，如使用粒徑為5～13mm的碎石為骨料，且平均孔隙直徑為1.82mm，如空隙彎曲較好，就成為很好的過濾材料。因此，可以通過設(shè)計(jì)和調(diào)節(jié)混凝土的孔隙率和平均孔隙直徑來達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。
3.6 自適應(yīng)植被混凝土或綠化混凝土。
清華大學(xué)材料系提出了自適應(yīng)植被混凝土，即智能化混凝土和植被混凝土雙重特性的新型生態(tài)混凝土。該混凝土結(jié)構(gòu)本身具備自適應(yīng)性、自供給特性，能適應(yīng)植物生長(zhǎng)的植被混凝土，屬于生態(tài)混凝土的一種。自適應(yīng)植被混凝土是具有自適應(yīng)（自動(dòng)適合植物生長(zhǎng)的酸堿度和濕度）和自供給（結(jié)構(gòu)內(nèi)部提供植物生長(zhǎng)所需的營養(yǎng)元素）特征，并具有工程所需強(qiáng)度的多孔混凝土[8]。綠化混凝土是指能夠適應(yīng)綠色植物生長(zhǎng)、進(jìn)行綠色植被的混凝土及其制品。綠化混凝土用于城市道路兩側(cè)及中央隔離帶、水域護(hù)坡、樓頂、停車場(chǎng)等部位。一方面可以增加城市的綠化空間，調(diào)節(jié)人們的生活情緒，同時(shí)能夠吸收一定量的噪音和粉塵，對(duì)調(diào)節(jié)城市氣候的生態(tài)平衡也起到積極作用。
3.7 海洋生物、淡水生物相容型混凝土。
海洋生物、淡水生物相容型混凝土是將多孔混凝土設(shè)置在河流、湖泊和海濱等水域，讓陸生和水生小動(dòng)物附著棲息在凹凸不平的表面或連通空隙內(nèi)，通過相互作用或共生作用，形成食物鏈，為海洋生物和淡水生物生長(zhǎng)提供良好條件，為保護(hù)生態(tài)環(huán)境創(chuàng)造條件[9]。
參考文獻(xiàn)
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[文章編號(hào)]1006-7619（2013）07-21-634
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