王牌
土木工程的发展
1687 - 8094
1687 - 8086
Hindawi出版公司
594270年
10.1155 / 2011/594270
594270年
研究文章
发展轻质低碳足迹混凝土包含回收废料
Talukdar
年代。
伊斯兰教
s T。
Banthia
N。
Prezzi
莫妮卡
土木工程学系
英属哥伦比亚大学
1012 j - 6250应用科学的车道
温哥华
公元前
V6T 1 z4
加拿大
ubc.ca
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19
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04
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27
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2011年
2011年
版权©2011 s Talukdar et al。
这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。
使用任何回收材料有助于维持绿色环境,让废料垃圾填埋场。回收实践也可以减少制造业的环境和经济影响原始资源的材料,这样可以减少工业材料和过程的总体碳足迹。本研究调查了使用废料如碎玻璃、地面轮胎橡胶和再生骨料混凝土。抗压强度和弹性模量是主要感兴趣的参数。结果表明,地面轮胎橡胶引入大量的空气进入混合和不利影响力量。消泡器的引入能够成功删除的部分过剩空气的混合,但比例强度的改进并没有指出这意味着空气混合物在去除泡沫不可取的特点。冻融下执行测试来理解去除泡沫的空气混合物的性质,和结果表明,该空气也不是有助于抵抗冻融性。总体而言,虽然轻,低碳足迹混凝土材料看起来可能从回收的材料,仍有可能进一步大幅优化。
1。介绍
建筑材料正越来越多地根据他们的生态影响。目前,业界正专注于减少混凝土的生态足迹通过观察的方法使其“绿色”[
1 ]。因此,使用回收材料的粗和细骨料正在积极鼓励。
建设和拆迁废料构成所有生成的固体废物的主要部分,与200 - 300吨每年仅在美国产生。传统的处理这些大量浪费在垃圾填埋场已不再是一个可以接受的选择。加上越来越稀缺的合适的骨料,压力严重找到一个可接受的替代原始骨料。使用再生混凝土骨料(RCA)拆迁的旧结构可能是一个可接受的解决方案(
2 ]。有一些著名的将RCA纳入混合的技术问题,如污染物和有害材料的存在影响的强度和耐久性最终混合。也有水泥与骨料本身反应的可能性。例如,如果碎玻璃作为取代细骨料,然后是碱硅酸反应的可能性之间的粘贴和玻璃。然而,经验表明,如果清洗再生骨料,分类,然后选择得当,它可以作为一个可接受的替代原始粗骨料。
细和粗骨料传统上占少量的有限公司2 混凝土生产过程中排放的,尽管他们通常占2/3以上的混凝土体积。制造细和粗骨料胶结绑定的排放量低于生产尽管采石需要爆破、破碎、筛选、运输、储备总量。因此,最有效的方法降低混凝土的碳足迹是减少水泥混凝土的混合。然而,有限公司2 排放由于拆迁和重用的一小部分比较原始骨料的生产(
3 ]。此外,再生骨料的库存通常比维珍总靠近施工现场,通常是开采出来,从长途运输
2 ]。在这方面,使用再生骨料应该鼓励减少碳足迹。
美国每年产生大约2.42亿废轮胎,和美国环境保护署估计2 - 3美元废轮胎已经积累非法或不受控制的轮胎库存转储整个国家,与数以百万计的散落在自然环境中(
4 ]。至关重要的是,创新的解决方案来处理这个多余的材料,以防止它成为一个环境公害。
一个可持续发展的命题是用废轮胎在混凝土混合物。这样的研究是进行的研究报道。粗骨料取代高分数的地面轮胎橡胶、消泡剂的作用是检查。接下来,地面轮胎橡胶结合碎玻璃和再生骨料,进一步减少碳足迹。
2。以前的工作
已经有无数的研究考察了混凝土的属性包含各种类型和数量的再生粗、细骨料。属性,如化学稳定性(
5 ],物理耐久性[
6 ],和易性[
7 )、强度(
8 ],渗透率[
9 ),收缩电阻(
10 检查了)。这些研究之间的一个普遍的共识是,包含再生粗骨料混凝土妥善清洁,和数量不超过50%替代原始总将有足够的耐久性,和易性、强度与混凝土相比含有100%原始骨料。包含再生骨料混凝土预计将显示收缩略高于只包含原始骨料(
10 ]。再生骨料混凝土的渗透性包含w / c比值相同的混凝土只包含原始总预计也将增加(
9 ]。对于化学稳定性,重要的是,垃圾总量正在使用不含活性二氧化硅为了避免alkali-silica反应(ASR)的最终产品。
废玻璃构成的问题在许多城市固体废物处置。当前实践仍垃圾。因为玻璃通常不能生物降解,垃圾填埋场不提供一个环保的解决方案。因此,有一种强烈的需要利用/回收废物的眼镜。一种选择是粉碎与品位和使用它作为一个替代细骨料在混凝土混合物。
再生骨料与浪费,这是很重要的,玻璃是silica-free为了避免ASR用于最终的复合。如果这个基本标准是满足,过去的研究表明,回收的废玻璃是一种可接受的材料用于混凝土。往往是有轻微下降,抗压强度作为回收玻璃的分数增加混合,混合和其他属性,如空气含量和依赖于单个颗粒的形状的碎玻璃
5 ,
11 ,
12 ]。
在混凝土使用回收废轮胎的想法已经存在一段时间。早些时候,研究磨损轮胎的使用集中在沥青混合料配合比设计。然而,它很快变得明显,沥青行业只能吸收30% - -40%的废轮胎产生(
13 ),因此,强调已经慢慢转向波特兰水泥混凝土混合设计。属性,测试和设计的橡胶在波特兰水泥混凝土作为工程材料研究早在1960年(
14 ]。全面总结包含废轮胎橡胶混凝土的特性和应用提出了由克和奈克(
15 )和Nehdi汗(
16 ]。
Hernandez-Olivares et al。
17 ),黄等。
18 李,et al。
4 ),Ganjian et al。
19 ),补强(
20. ),Batayneh et al。
21 ),Kahloo et al。
22 ,默罕默德(
23 )进行了研究,包括观察和建模再生胶粒混凝土力学性能的复合材料。观察到的总趋势是随着轮胎橡胶的百分比含量的增加,混合的强度降低。这很可能是由于增加的混凝土混合物的裹入气由于轮胎。也指出,这种复合材料表现出大的位移和变形,从而通常增加韧性,这很可能是因为橡胶总有能力承受大变形。萨瓦河et al。
24 )报道,混凝土的冻融耐久性与地面废轮胎橡胶恶化随着地面橡胶的百分比增加。
许多研究报道,废轮胎增加裹入气混凝土(
25 ,
26 ]。经常被引用的原因是粗糙的橡胶表面欺骗空气、非极性橡胶本身的性质及其疏水性的倾向。已经几次提高橡胶、亲水性和最有前途的一个到目前为止似乎是在氢氧化钠溶液浸泡橡胶短时间(
15 ]。
3所示。材料和方法
鉴于废轮胎使陷入过多的空气,这项研究的主要目标是调查使用消泡剂的有效性降低的空气混合包含地面轮胎橡胶。在成功实现减少空气中的内容,当时地面轮胎橡胶结合再生骨料和碎玻璃等回收材料,进一步减少碳足迹。四个混凝土混合物调查(M0、M1、M2和M3)给出了表
1 。他们的新属性也列在其中。
表1
混合比例和新鲜的属性。
混合的比例
材料
控制混合M0
RMC混合M1
RMC混合平方米
RMC M3混合
(m3 )
(1.25米3 )
(1.25米3 )
(1.25米3 )
水泥(公斤)
360年
360年
360年
360年
粗骨料(公斤)
1130年
960.5
960.5
565年
细骨料(公斤)
580年
580年
580年
290年
水(公斤)
180年
180年
180年
180年
消泡剂(毫升)
0
0
360年
360年
空气夹带剂(毫升)
90年
0
0
0
地面轮胎橡胶(公斤)
0
169.5
169.5
169.5
再生混凝土(公斤)
0
0
0
395.5
碎玻璃(公斤)
0
0
0
290年
强塑剂(毫升)
0
0
0
300年
新的属性
衰退(毫米)
150年
150年
150年
150年
空气含量(%)
4所示。5
16.0
5.5
9
测量密度(公斤/米3 )
2350年
2100年
2300年
2050年
CSA型10波特兰水泥,饱和面干河沙作为细骨料,砾石与9.5毫米,粗骨料的最大公称尺寸,混合和饮用自来水。所有混合的衰退是维持在150毫米。在地面使用轮胎橡胶,它被用作替代15%的粗骨料质量多生产25%的新鲜混凝土的体积。这意味着质量%的地面橡胶组合相对于水泥的47%。地上轮胎橡胶的比重1.1和9.5毫米的最大公称尺寸(图
1 )。其级配曲线在图给出
3 。回收玻璃材料的大小在297 - 840微米(图
2 )。使用的消泡剂被Brenntag Rhodoline 1010制造行业。空气夹带剂使用Darex II优雅建筑产品生产的。研究中使用的再生粗骨料的最大公称尺寸9.5毫米,它已经洗混合之前,SSD的条件。按ASTM C192批次准备。
图1
再生橡胶。
图2
回收玻璃。
图3
地面轮胎级配曲线。
衰退测试(ASTM C143)和含气量测试(ASTM C173)进行了新鲜的混合物和报道在表的值
1 。包含地面轮胎橡胶的混合更难以处理和显示稍微隔离处于新鲜状态。
从每个混合,十个标准100毫米×200毫米气缸投共40气缸。气缸是潮湿的治愈至少28天抗压强度测试后按ASTM C69进行。福尼890 kN能力抗压试验机使用。从每一批,5个样本进行测试在一个7天的时代,剩下的五个是测试在一个28天的时代。在28天,测试弹性模量的值也决定使用按ASTM C469变形笼。
空气含量值在表
1 表示,虽然空气含量减少由于消泡器,需要进一步描述大自然的空气,甩在了身后。获得这种理解,六个75 mm×100 mm×405 mm棱镜光束投从每个组合,共有24个这样的光束,冻融试验。混合M1和M2接触冻融循环后自动冻融室,损坏是量化使用超声波脉冲(ASTM C597)和速度(UPV)测量与控制M0混合。混合M3, ASTM C666之后,损坏是量化使用共振频率测试(ASTM C215)。每个样品的共振频率的变化定期监测的35个循环使用听力计。动态弹性模量是由测量的基本横向频率在每一个测试样本区间。相对动弹性模量和耐久性因素根据ASTM C666计算。
最后,一个300毫米×100毫米圆形面板是控制混合M0和RMC混合M3总共两个面板,洪流的渗透率进行了测试(
27 ]。种子表面渗透试验,确定了混凝土表面很容易得到饱和。
4所示。结果
4.1。强度
优势以7和28天,分别在数字
4 和
5(一个) 。在图
5 (b) ,28天弹性模也绘制。
图4
7天抗压强度。
(一)28天抗压强度,(b) 28天弹性模。
(一)
(b)
当混合M0、M1相比,大幅减少抗压强度这两个年龄段是明显的。本报道常常被别人最有可能与空气含量增加(从4.5%到16.0%)和一个明显缺乏债券之间的轮胎橡胶和粘贴。添加消泡剂并显著降低空气从16%到5.5%(几乎控制混凝土的水平),但去除泡沫的抗压强度混合(M2)略微增加。似乎失去了力量在混合废轮胎不仅是由于增加了空气,而且还由于贫穷的废轮胎与水泥粘贴。这是可以想象的,5.5%的混合空气留在M2是不同性质的。试图确定孔隙的类型和性质存在于包含地面橡胶混凝土,我们把断裂力学。
假设线性弹性断裂力学适用于混凝土、条件确定不稳定拉伸断裂模式我当一个内部缺陷的大小
2
一个
存在是吗
(1)
K
集成电路
=
Y
σ
c
π
一个
,
在哪里
K
集成电路
是普通应变断裂韧性(即。,Critical Stress Intensity Factor) in Mode I,
Y
是一个无量纲参数,取决于标本和裂纹几何图形,然后呢
σ
c
是失败的压力。
方程(
1 )也可以书面形式的最大允许缺陷大小(
一个
c
),将触发一个不稳定的骨折
(2)
一个
c
=
1
π
(
K
我
C
σ
c
Y
)
2
。
具体的,
K
集成电路
可以作为0.2 MPa米1/2 (
28 ]。为一个有限圆柱缺陷远小于汽缸的宽度,
Y
可以作为1.0 [
29日 ]。
最后,混凝土的抗拉强度(
σ
c
)可以从其抗压强度(估计
f
c
′
)(
30. ]
(3)
σ
c
=
0.94
f
c
′
。
用适当的值(
2 ),我们发现
(一)
M0,
一个
c
=
0.48
毫米,或允许的缺陷大小= 2
一个
c
= 0.96毫米,
(b)
M1,
一个
c
=
2.05
毫米,或允许的缺陷大小= 2
一个
c
= 4.10毫米。
有趣的是,大约40%的地面橡胶混合的名义长度约4毫米(图
3 ),对应于M1的近似预测裂纹尺寸。因此,这意味着,大多数包含地面橡胶混合的空气被困在橡胶和混凝土之间的接口,而不是在水泥浆携入的。这种截留的空气会导致可怜的债券之间的橡胶和混凝土和抗压强度的显著减少。即使对混合,添加消泡剂虽然是一个整体空气含量减少的水平控制混凝土,剩下的空气仍然聚集在rubber-concrete接口和继续削弱债券和持续降低强度。这个概念如图
6 。请注意,数据的混合M1
6 (b)裹入显著更大数量的空气混合M0图
6 (a)。而空气混合M2和M3看到改进和内容在M1,剩下的空气仍然持续聚集在接口,和不明显的力量获M0是可以实现的。空气M1、M2和M3继续驻留在凝聚,连续和细长的空间造成很大的应力集中和强度下降。这也可以增加了渗透水的M1, M2, M3变得饱和,描述低耐冻融之后会看到。
图6
比较不同形状的空洞在混凝土。
将其他回收材料混合(再生骨料和碎玻璃)进一步增加空气从5.5%降至9%。这个预计回收总做欺骗的空气。增加空气中也伴随着相应的抗压强度下降(和模数混合M3)在两个时代。
基于获得的数据,以下经验公式(
4 )提出了试图估计地面橡胶混凝土的弹性模量根据其强度和密度:
(4)
E
=
0.001
σ
0.5
γ
2
,
在哪里
E
与地面橡胶混凝土的弹性模量(MPa),
σ
是地面橡胶混凝土的抗压强度(MPa),然后呢
γ
混凝土的密度(公斤/米3 )。
ACI 318建立了实证关系之间的弹性模量、强度和密度为:
(5)
E
=
0.043
γ
1.5
σ
0.5
。
使用这两个方程,预测结果与实际结果如图
7 。
图7
预测结果与实际结果使用(
4 )和(
5 )。
因此,尽管的数据集(
4 )是相当有限的基础上推导出来的,它比较不仅与测量结果很好,但也与ACI 318年预测是基于大量的经验数据。因此,我们相信,它仍然可以作为今后工作的基础,试图制定之间的关系强度、密度和弹性模量包含地面橡胶混凝土。
4.2。耐冻融
为了进一步理解气孔的本质在混凝土运送废轮胎和其他回收材料,按ASTM C666冻融试验进行。耐冻融是评估使用超声波脉冲速度测量混合M0、M1和M2,而共振频率测量进行了混合M0和M3。标本的照片210年之后冰冻和解冻周期图
8 。
图8
梁210次冻融循环后样品。
注意混合M1和M2均含有橡胶显示显著降低初始UPV阅读控制相比,差异,持续在整个冻融试验的持续时间。这一发现是合理的,因为除了橡胶被认为有阻尼对波传播的影响,主要是由于提供额外的孔隙(
31日 ,
32 ]。M2最初没有尽可能多的减少UPV读数与控制相比,由于空气含量几乎是一样M0混合。
注意,在图
9 ,虽然控制混凝土能够维持300年冰冻和解冻周期没有任何下降超声波脉冲速度阅读,增加橡胶混合(M1)有不良后果UPV开始在一个非常低的冻融循环次数。另外这些样本表现出严重的比例(图
8 )。消泡剂的混合表现略好nondefoamed混凝土相比,但最终仍然显示明显降低UPV冻融环境。UPV减少的结果将与动态模量下降相关后决定在ASTM C666进行混合M0和M3。这种相关性已经被Mirmiran之前尝试和魏
33 ]和Yildiz和Ugur [
34 ]。更具体地说,在ASTM C666 UPV测量进行了故障组合M3, UPV价值是用于判断失败冻融循环和狭义货币供应量M1及广义货币供应量M2。这被认为是可接受的方法和M1, M2, M3都有非常相似的28天强度。
图9
冻融性使用UPV值的函数周期。
在图
10 混合M3的冻融耐久性与控制混合使用ASTM M0 C666指定的标准的共振频率(从而动态模量)和耐久性因素(图
11 )。注意混合M3持续的周期数远远大于混合M1和M2,但仍然没有方法的性能控制,没有维持所需的300个周期。
图10
平均相对动态弹性模量与冻融循环。
图11
平均耐久性因素与冻融循环。
混合3标本失败210次后根据ASTM C666自耐久性因素跌破60%。UPV值被记录在这一点上是3050米/秒(图
12 )。相比之下,混合1在116年达到这个失败周期和混合2 171次后失败。消泡器似乎有积极的作用,它增加了时间失败的32.2%相比defoamer-free混合。
图12
冻融循环幸存下来的数量(
N
f
通过各种各样的混合。
其中一个原因为什么一个特定的混凝土混合物在冻融循环下其空隙结构表现不佳。具体包含携入的空气将会更持久和更有冻融阻力。携入的空气产生离散,近球形泡沫水泥浆,没有渠道水流形成和不增加混凝土的渗透性
35 ]。多余的水能够逃到这些空气填充空洞和损坏的混凝土由于冻融条件下不会发生。裹入气将形成较大,相互联系的空间,可能会降低混凝土强度,随后冻融性低。
评估可能性,洪流渗透率测试执行和结果表
2 。注意,混合M3控制混合M0相比更渗透。渗透率的增加进一步证明,额外的孔隙形成的包含地面橡胶的混合是nonentrained性质和凝结在rubber-concrete接口提出了本文前面。
表2
洪流渗透率测量。
控制混合M0
RMC M3混合
渗透系数(kT) (m2 )
0.063
×
10
- - - - - -
16
0.157
×
10
- - - - - -
16
5。结论和建议
(1)
增加地面轮胎橡胶混凝土混合物的空气含量大大增加,但似乎可能空气含量减少到可以接受的水平通过使用消泡剂。
(2)
当再生骨料和玻璃带进一个包含地面轮胎橡胶混合,空气内容移动起来,去沫剂不太有效。
(3)
在混凝土混合物包含地面轮胎橡胶,而消泡剂可以降低空气明显,比例增加抗压强度没有注意到。这意味着剩余的空气去除泡沫混合物的质量较差。具体来说,空洞似乎不那么分散,细长,在rubber-concrete接口和凝结,从而影响债券,减少整体实力。这些观察结果进一步支持冻融和渗透性测试。
(4)
冻融试验表明,混凝土地面携带轮胎橡胶在冻融中表现不佳,但性能使用消泡器可以略微提高。冻融性能稳定,当再生骨料和碎玻璃等可回收的材料被添加到混合。
(5)
虽然可能不会使用这里开发的混凝土混合结构元素,需要高强度和耐久性负载下,他们仍然可能被用于非结构应用,如分区墙壁,道路障碍,人行道,或者摘要素基础。
确认
作者要感谢帕特里克•麦康诺先生提供的帮助在这项研究中使用的回收材料。同时,他们要感谢阿德里安·Drochon先生,大脑侧Lioux先生,女士Saakshi Mahajan,和深重穆萨维女士的援助在实验室样品制备和测试。
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