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再生骨料透水性混凝土的特性及應用
【摘 要】建筑垃圾中同時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)境保護部門所面臨的一個重要課題。將廢棄混凝土用來再生循環(huán)生產(chǎn)混凝土對節(jié)省能源和資源，保護生態(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重，政府和國人環(huán)保意識的不斷增強，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，對限制垃圾廢料的大量產(chǎn)生，推動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；同濟大學材料科學與工程學院已經(jīng)將綠色建材列入重點建設(shè)發(fā)展的學科領(lǐng)域之一。不過對建筑垃圾進行開發(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、清洗與分級后，按一定的比例與級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，普通混凝土為了進一步提高它的密實性、抗?jié)B性和強度等工程適用性，常常通過改善混凝土的粒度級配、加強施工過程中的振搗等措施。而透水混凝土為了實現(xiàn)透水的目的，在力學強度滿足工程需要的同時，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。
（1）在透水混凝土中，水泥石與骨料界面的粘結(jié)強度是混凝土中的薄弱環(huán)節(jié)，是決定混凝土強度的關(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造成透水性的減弱、增加成本，還會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。試驗資料表明，透水混凝土的顆粒級配是決定其強度和透水的主要因素之一，為保證透水性混凝土強度及其透水功能，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，工程使用時還經(jīng)常摻用一定量的外加劑。如摻入適量的增強劑，有助于提高水泥漿與骨料的界面強度；摻加適量的減水劑，有助于改善混凝土的和易性，進一步提高混凝土的強度；增加適當?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，另外其堿性對酸雨有一定的中和作用，對提高混凝土的耐久性有積極作用；冬季施工時可摻加一定量的硫酸鈉、氯化鈣、木質(zhì)素磺酸鈣等早強劑，進一步提高混凝土的早期強度[3]。
2.2 不同成分骨料對混凝土性能的影響。
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，但基本可以達到一定的抗拉、抗壓強度，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)中應用受到限制，而在鋪路磚和人造基礎(chǔ)中的應用得到推廣[4]。破碎后的磚瓦在磨細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，降低由此引發(fā)的混凝土膨脹，同時還能增強抗化學腐蝕性。
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度、抗拉強度受替代影響較小，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度，且對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，因此其對再生混凝土強度的提高以及對粉煤灰的激發(fā)作用貢獻甚微[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）將廢玻璃磨得很細的時候（ 2.2.4 木纖維。
（1）在水泥和木集料之間存在著化學性質(zhì)上的不相容性。木集料中的單糖對水泥漿有緩凝作用；半纖維素在水泥漿中會降低強度和水泥的水化率。此外，還有萜烴和樹脂會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抗壓強度能達到7.2MPa，抗彎強度能達到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準。
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)能力不強引起，而且塑料的憎水性也會影響水泥的水化反應。同時舊塑料制成的混凝土抗彎強度和干密度也較低。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，強度越低，但韌性越好。研究同時表明，如果瀝青廢料只作為混凝土中的粗骨料，則強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，這點將可在土木工程中獲得較廣泛的應用。
3. 生態(tài)混凝土的特點
開展生態(tài)混凝土的研究符合和持續(xù)發(fā)展的要求，符合和諧社會發(fā)展的需要，更是順應了自然界萬物皆有因、萬物皆應順應自然的法則，因此生態(tài)混凝土的應用前景廣闊，具有如下特點：
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，采用單粒級骨料作為骨架，水泥凈漿或加入少量細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，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、人行通道等地方，就能夠在一定程度上擴大城市的透水、透氣面積，進一步增加行人、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，即通過導熱、氣流及機械振動等能量轉(zhuǎn)換方式，使聲音降低或消失。其吸音機制有多孔吸管、振動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行考慮和系統(tǒng)研究。
（3）關(guān)于材料厚度對于吸音性能的影響， 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于氣流的摩阻， 聲音的消失量與空氣的流動速度成正比。因此，如果音波從空氣流動速度快的位置入射， 吸音效果就好， 應該指出，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。當然，如果材料孔隙對于氣流的摩阻力、孔隙率和孔隙形狀達不到要求， 即使增加路面厚度， 也不會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。當然，降低透水性路面的噪音， 取決于多種因素， 因為交通噪音除車輛發(fā)動機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物組成，有著強大的離子交換能力。
3.4 熱儲性。
熱儲混凝土是針對再生混凝土孔隙率高的特點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)計和調(diào)節(jié)混凝土的孔隙率和平均孔隙直徑來達到凈化水質(zhì)的目的。
3.6 自適應植被混凝土或綠化混凝土。
清華大學材料系提出了自適應植被混凝土，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)本身具備自適應性、自供給特性，能適應植物生長的植被混凝土，屬于生態(tài)混凝土的一種。自適應植被混凝土是具有自適應（自動適合植物生長的酸堿度和濕度）和自供給（結(jié)構(gòu)內(nèi)部提供植物生長所需的營養(yǎng)元素）特征，并具有工程所需強度的多孔混凝土[8]。綠化混凝土是指能夠適應綠色植物生長、進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、水域護坡、樓頂、停車場等部位。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，同時能夠吸收一定量的噪音和粉塵，對調(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提供良好條件，為保護生態(tài)環(huán)境創(chuàng)造條件[9]。
參考文獻
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[4] 王武祥，透水性混凝土強度的研究，中國建材科技，1999（6）：25～28.
[5] Jin Weihua ， Meyer Christian ， Baxer Stephen . "Glasscrete"-Concrete with Glass Aggregate . ACI Materials Journal ， 2000，97（2）：208～213.
[6] Zainab Z . Ismail ， Enas A . AL-Hashmi . Use of waste Plastic in concrete mixture as aggregate replacement . Waste Management . Accepted 2007.08.
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[9] 李化建，孫恒虎，肖雪軍.生態(tài)混凝土研究進展[J]，材料導報，2005，19（3）：17～24.
[文章編號]1006-7619（2013）07-21-634
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