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再生骨料混凝土的结构性能，材料性能，力学性能和耐久性能
文章信息
1.文章历史：
完成于2015.11.11
完成修改后2016.1.14
接受于2016.2.14
上传于2016.2.6
2.关键词：
可持续性，再生骨料，材料测试，混凝土耐久性，结构测试，完全的结构
摘要
可持续发展是21世纪的一个紧迫的问题。在大多数国家，随着社会发展，人们越来越重视后代的未来，并通过立法保障的现在和未来的生活质量。这些需求引起各种行业,包括建筑，寻找可持续发展的解决方案。本文主要调查在新混凝土中使用高强再生混凝土骨料的可行性，为废渣使用提供再生选择。再生骨料的广泛使用会降低混凝土行业对环境的影响,比如减少垃圾填埋处置,减少采石场开采和缩短运输距离。本文主要侧重对混凝土样本和高强再生混凝土结构的材料，力学，耐久性能和短期结构性能的研究。本文打算从采购和破碎生成骨料过程进行不同的实验，得出不同的实验结果来进行一个整体的研究。实验结果以其他实验为基准，而且对再生骨料质量的重要性进行评估。本文是对再生骨料混凝土结构的第一次全面的实验研究。同时，有一些再生骨料混凝土实验在同类型实验中也是第一次进行。
1．介绍
人类的发展导致大量的资源浪费和环境损害。建设和拆迁活动是近来环境破坏最相关的因素之一。随着发展中国家的建筑活动,这些对环境的破坏会更大。
全球预期年度生产天然骨料(NA)[1]在2015年是483亿吨。再生骨料(RA)的使用可以减少天然骨料的生产,同时也减少了填埋处置。在该领域的研究进展中,Hansenrsquo;s[2]第一次对这个课题进行了论述。目前,研究不仅关注混凝土的材料特性,对耐用性和塑性性能,以及混凝土的结构性能也有所关注。
RA使用标准规范[3]已经从过去的实验数据中得到，当时有关再生骨料混凝土(RAC) 的知识并不发达，而且现在的程序像水补偿(补偿水吸收RA)在当时并不常见。这些标准强加了太严格的限制,不能运用已有的知识。同时，施工人员也谨慎使用这种材料,因为RAC通常被视为拥有高分散的特性和不可预知的性能。
为了解决施工人员这种过于谨慎的心理,这次实验活动按照一个建筑公司的标准建造程序对由建筑工人建造的四个结构进行,为了评估环境的改变，即从一直进行大多数RAC研究的实验室环境到实际施工环境，观察得到的结果是否会有显著的变化。RA的三个最常见的来源,混凝土，砌体与混合(混凝土和砌体)结构和拆除的废弃物。在这个实验中对来自公司(Opway)赞助的预制混凝土废渣RA进行了研究。实验的目的是确定由Opway公司制造的或其他建筑公司提供的预制废渣是否能够用于新型混合混凝土。本实验仅对再生骨料中添加的粗骨料部分（RCA）进行了研究。
2．实验程序
2.1程序规划
实验研究主要是关于RAC的短期性质,以及这些材料的耐久性和塑性性能。实验目的主要是分析混凝土性能，以其他实验研究结果为基准，做一些能够增加RAC性能的实验和打开新的实验前景的创新实验。实验活动分为两个分支:在实验室[4]条件下生产的标准混凝土试块测试和现场四个整体结构(5 – 8)实验测试。在实验室条件下生产的试块是用来检测其材料性能，力学性和耐久性能，如表1所示。
混凝土结构性能也进行了现场测试。表2给出了测试和使用标准。
RAC结构的反应的实验检测，可通过减少单独的混凝土因素，对一个RAC结构进行性能评估：动态特征，垂直荷载实验和水平荷载破坏实验。RAC的动态性能到目前为止还没有进行过研究，而垂直荷载实验到目前为止还局限在梁(9、10)(11 - 13), RA掺入比例较低的石板(15%)[14]或冲孔板的性能[15]。水平荷载对RAC结构影响的主要是集中在柱(16 - 19)，柱-梁节点（[16,17,20]或二维框架[14,20-22]）。Wang和Xiao[23]研究过一个1:4的3DRAC结构性能。根据作者所了解的知识，到目前为止还没有进行过对RAC结构的非线性静态分析。
实验的本质尤其重要, 因为RAC大小的影响尚未研究，而且RAC结构在水平荷载作用下的响应仅仅对有限的标本进行了实验，这可能高估了其延性[24]。这个实验有另一个相关层面，即使用常见的建筑行业流程的决定：骨料等级是根据支持这个项目的建筑公司的实践而选择的，再生骨料是在一个传统的破碎装置中获得的，而在实际的施工环境中混凝土结构是由建筑工人完成的。这个选择是为了消除施工人员对人造优质RAC性能的疑虑，因为在实验室的环境下能够更好的进行实验。
表1 混凝土试块实验
实验项目 标准 实验项目 标准
坍落度 EN 12350-2(2009) 耐磨性 DIN 52108(2010)
密度 EN 12350-6(2009) 收缩性 LNEC E 398(1993)
抗压强度 EN 12390-3(2011) 浸水吸水率 LNEC E 394(1993)
劈裂抗拉强度 NP EN 12390-6(2009) 毛细吸水率 LNEC E 393(1993)
杨氏模量 LNEC E 397(1993) 超声脉冲速度 EN 12504-4(2004)
抗碳化性能 LNEC E 391(1993) 抗氯化性 LNEC E 463(2004)
表2 现场材料性能实验
混凝土实验 标准 实验原料
抗压强度 EN 12504-1(2004) 现场制作标准试块
EN 12390-3(2011) 结构中的混凝土
超声脉冲速度 EN 12504-4(2004) 结构成分（梁，柱，板）
表面硬度 EN 12504-2(2002) 结构成分（梁，柱，板）
2.2破坏过程和骨料性能
实验的第一步就是RA的生产。以下因素是必须考虑的：（a）实验是为了回收Opway公司的预制废渣；（b）这些废渣必须达到实验所要求的RCA数量（估计40m3）；（c）RA的评价标准是减少浪费量；（d）为了减少费用和所用破坏时间，必须要尽量减少钢筋的配筋率；（e）只使用RA的粗骨料部分。
图1 预制废渣样例
鳄式粉碎机 RA初级粉碎传送带 二级锤式粉碎机 三级锤式粉碎机
图2 三级粉碎过程
关于预制废渣的原始结论可以从Opway公司产品设备中得到。这些原料都没有被弃置，因为他们材料性能不佳。图1写出了一些可再生的潜在材料。
在对几种因素进行检验后，RCA可从以下四种材料中得到：（a）标准混凝土试块；（b）桥梁结构中的倒pi;梁；(c)预制板; （d）和支持梁的混凝土成分一样的大跨度梁。这些混凝土标准试块不能被使用，因为它们由不同的混凝土成分组成的，而RA则需要同类的原材料。pi;梁显得细长，而很大数量的钢筋使其很难破坏。预制板是首选的解决方案,因为其低配筋率。然而，破坏和筛分实验进一步证明它们不适合RCA生产。用这种方案制造RA很不合适，因为产品有着超过60%的细骨料，而且1立方米混凝土的生产需要粉碎大约10立方米的空心板。这些材料来源是不可取的。大跨梁也在考虑范围之内，虽然它使用了较多的钢筋。钢筋的存在使破坏过程更为复杂，因为首先要进行结构的拆解和钢筋的排除。虽然如此，预制工厂却有很多我们需要的钢筋。运用这些材料而不是倒pi;梁，有一个很实际的好处就是避免了长细比的因素影响。这些混凝土材料有50MPa以上的抗压强度。这些原材料在采石场中的获得可采用原先获得NA的一般方法。这个过程中包括筛选和冲洗，以此排除那些细骨料部分。
破碎过程中第三级破碎使用的是颚式粉碎机和锤式粉碎机，以确保良好的形状指数, 降低粗糙度并进行合适的评估。考虑这些因素是为了解决一些与RA掺入量[25]相关的常见问题。颚式粉碎机有60毫米的孔口，而锤式粉碎机有40毫米和20毫米的孔口。图2给出了三种粉碎机。这些材料被筛分为三种粒径：0 – 4mm，4-10mm，10 – 20mm。最小的粒径在研究中是不会使用的。三级破碎的方法似乎是让人觉得RA有更好性能，因为之前对RA 的使用调查大都是用一个简单的初级破坏过程或者二次破坏的过程。多数情况下,由于可行性的原因，有大多数对RA使用的研究都是在实验室进行的，使用的设备与工厂进行粉碎的设备相比是十分有限的。实际上，RA的生产可以通过建筑公司的正常制造，不过这个过程可能需要大量的骨料，粉碎工厂进行初级粉碎过程后，第二或第三级过程就能够用来制造RA。
这个过程中，一共制造了19.2t的粒径为4/10mm的RCA和19.3t的粒径为10/20mm的RA。它们有一部分是用RAC结构生产的，有一部分来自用于实验室分析的混凝土试块的骨料。
表3 RA和NA的性能
标准 骨料实验 细砂 粗砂 细石 中石 粗石 CRCA CRCA
4-10mm 10-20mm
EN 933-1(2012) 等级 - - - - - - -
EN 1097-6(2013) 密度 表观密度 2537 2622 2708 2756 2717 2654 2665
干密度 2511 2590 2634 2623 2621 2367 2370
饱和干密度 2522 2602 2661 2671 2657 2475 2481
体积密度 1583 1536 1407 1434 1368 1285 1248
EN 1097-6(2013) 24h吸水率 0.41 0.46 1.04 1.84 1.34 4.57 4.66
EN 1097(2010) Los Angeles wear - - 22.3 27.2 31.5 33.3 41.2
EN 933-4(2008) 形状指数 - - 16.4 21.7 14.5 11.5 12.2
这些关于RCA的分析从表3中看到。天然骨料的性质也有所体现。图3显示了骨料的分配等级。细骨料NA为硅砂，天然粗骨料为粉碎的石灰岩。
百分比（%）
细砂
粗砂
细石
中石
粗石
RA4-10
RA10-20
粒径大小（mm）
图3 骨料级配
就像Opway公司要求的一样，整个过程没有进行额外的RCA和NA 的筛选，这是为了遵循一般性实验的原则。基于这个实际情况，RCA和RA的分配等级并不是严格一致。
就像表3中给出的，RCA的密度比NA的低。全天吸水量也明显更高。然而，最近研究表明与RA占主体的混凝土性能相比，RCA的性能与NA 的性能更为相似—RA的密度高于大多数混凝土原料的密度，而且RA对于水的吸收水平与大多数混凝土原料的平均吸水水平相当，Silva et al.[26]给出了评价这些性能的数据分析。从这个研究可以得出结论：混凝土原料生产的RA的性能明显好于来源于混合结构的或者砌体的RA的性能。
RCA单位体积的重量比NA 的低，因为水泥砂浆的密度低些。RCA的形状指数略微低于NA，主要可能是第三级粉碎过程。因为获得NA的方法与加入水泥砂浆来制造RCA和RA的方法类似，但RCA和RA的性能比NA的差，这就能解释在一个相似的粉碎过程下，所制造的RA比NA 有着更圆滑的外表。除了形状以外，更为突出的是，RCA的性能比NA的差。尽管如此，性能上的下降与早期大多数在这个课题上的研究结果相比，其下降程度并没有早期下降程度那么高。这些RCA根据Silva et al.提出的分类等级应为B1级。B1级是所有等级中最高的等级。高强混凝土原料的使用和第三级粉碎过程的完成意味着高质量RA的产生。
2.3材料
在混合混凝土中使用的其他材料如表4所示。
表4
混凝土材料
水泥 水 强塑剂
Ⅰ等级水泥 自来水 高程度SP组成的水性
42.5R 黏合剂
2.4混凝土混合物的定义
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