再生粗骨料用作混凝土內養護媒介的實驗研究

楊先忠,江晨暉,沈萬岳

(浙江建設職業技術學院,浙江 杭州 311231)

1 概 述

近年來,隨著我國城鎮化進程的不斷提速和升級,海量的新建和拆除垃圾不可避免地產生了。這些垃圾占城市垃圾總量的30%～40%,其中很大一部分是廢棄混凝土(waste concrete)。據不完全統計,中國大陸每年產生的廢棄混凝土以20億噸的速率不斷遞增[1]。對這些廢棄混凝土的傳統處理方法是辟地堆放或填埋,這不僅侵占了大量寶貴耕地,更誘發了環境污染和生態失衡。大量研究和應用表明[1-2],對廢棄混凝土進行回收再生利用,尤其是對其中的骨料部分經合理化加工處理后獲得的再生骨料(recycled concrete aggregate,下文均簡稱RCA)予以重復利用——生產再生骨料混凝土(recycled aggregate concrete,簡作RAC),不僅是處理這一固體廢棄物的有效途徑,更是節約非再生資源、開發綠色建材的得力舉措。

過去十年來,我國在參照發達國家和地區研究和應用經驗的基礎上,針對RCA和RAC進行了大量實驗及理論研究,其中以同濟大學肖建莊教授為代表的研究團隊更是走在前列,為RAC的工程應用奠定了深厚的理論基礎和技術支撐。

RCA與原生(天然)骨料(natural aggregate,下文均簡稱NCA)最根本的區別在于前者表面包裹著體積分數約占20%～30%的老砂漿或老水泥漿。這使得RCA具有表觀密度小(飽和面干表觀密度為2.31～2.62 g/cm3)、吸水率高(24 h吸水率可達9.25%,遠高于NCA,具體吸水率與生產它的廢棄混凝土有關)、高孔隙率(約為23%)、高壓碎指標值(9%～23%)等有異于NCA的性質[1]。RCA吸水率高的特點,使得其可能具有另一附加特性[3]——“內養護效應”(internal curing effect)。

關于“內養護效應”,美國混凝土學會(ACI)是這樣定義的：“混凝土拌制時將預濕輕骨料摻入其中,在混凝土內部蓄存備用水源,以便及時釋放并供給水化所需水分或由于外部蒸發、自干燥而散失的水分。”盡管輕骨料是最先研究也最常用的內養護媒介(internal curing agent),但后來的研究證明,高吸水性樹脂、天然纖維(如木纖維)等具有較好吸水和保水能力的物質均可用作內養護媒介[4-5]。本文則旨在通過試驗手段初步評估RCA用作內養護媒介的可行性。

2 內養護的機理和作用

圖1較為直觀地對比了內、外養護方式的主要區別。由于外部養護是“由外而內”的,水分的有效滲入深度大大受到混凝土滲透性的影響。對于低水膠比的混凝土而言,外部水分的滲入深度和速率都是很有限的。與此不同,內部養護可謂是“自內而外”和“均勻分布”的,其實際效果則隨內養護媒介的攜水能力(準確地說是解吸能力)和空間分布有關。

混凝土凝結和硬化過程中,如果其內部水分由于蒸發而耗散,一方面會造成水化反應變慢甚至停滯,使混凝土的強度發展受到限制,另一方面則會導致混凝土收縮及收縮受約束而發生開裂。為了避免混凝土內部水分的逸散,工程中通常采用表面密封(如包裹塑料膜、噴涂養護劑)和外部補水(如覆蓋飽水織物、噴霧、蓄水等)的外部養護(external curing)方法。前一類方法僅阻止自身水分散失而后者則補充額外水分,這對于通常具有低水膠比的高性能混凝土而言是非常重要的,因為此類混凝土即便沒有水分耗散,也可能因水化反應而發生自干燥收縮(self-desiccation shrinkage)[4-5]。

圖1 內、外養護方式對比

3 實 驗

3.1 原材料和配合比

3.1.1 原材料

制備混凝土的水泥(C)由杭州某水泥股份有限公司提供,品種為符合《通用硅酸鹽水泥(GB 175—2007)》的P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥。用于改善拌合物流動性的減水劑(WRA)由南京某建材供應商提供,系聚羧酸鹽超塑化劑,固含量為42%。

為了考察再生骨料品種對內養護效果的影響,選用了兩種再生粗骨料(圖2)：第1種再生骨料(RCA-I)來自于既有混凝土結構拆除的廢棄混凝土,原混凝土的強度等級為C25,服役時間為24年；第2種再生骨料(RCA-II)來自于預拌混凝土廠回收的殘余混凝土,這些殘余混凝土由不同配合比的混凝土混合而成。RCA-I、RCA-II的相關技術指標均符合《再生混凝土應用技術規程(DG/T J08—2018—2007)》規定的I級再生粗集料,相對來說,RCA-I的總體質量高于RCA-II。作為與再生骨料的對比,另外選用了一種原生粗骨料(NCA,見圖2)。該骨料與所選用的2種再生粗骨料的母巖同為石灰巖,粒徑范圍均為5～20 mm。NCA、RCA-I和RCA-II的表觀密度分別為2.78 g/cm3、2.65 g/cm3、2.68 g/cm3,三者的質量吸水率分別為1.37%、4.39%、7.18%。細骨料均采用天然河砂,表觀密度為2.64 g/cm3,質量吸水率為4.26%,細度模數為2.64。

圖2 再生骨料和原生骨料顆粒形貌

3.1.2 混凝土配合比

共設計了3種混凝土配合比,見表1。全部配合比的名義水灰比(不考慮骨料中的水分)相同,均為0.35。若將骨料中可能釋放的水分全部計入有效拌合水,則這三種混凝土的實際水灰比分別為0.379、0.447、0.499。然而,骨料所含水分的解吸須待混凝土內部相對濕度下降到一定的水平(Bentz認為應達到93%[6])才會發生。唯有如此,內養護才能真正發揮應有的作用。各配合比的粗骨料體積分數亦保持不變,由于3種粗骨料的表觀密度不同,故單方的粗骨料重量有所區別。所有骨料的用量均對應完全飽水狀態下(即含水率為100%)的用量。

秸稈氣化集中供氣采用了城市管道煤氣相似的輸送方法，以小城鎮或自然村為單位，一臺或多臺氣化設備聯合使用，建設一個集中氧化供應站，將氣化機組產出的燃氣經過降溫、除塵、除焦油等措施后變成潔凈燃氣，再由風機成真空泵輸送至儲氣罐，再經過管網送入用戶。

表1 混凝土配合比

3.2 實驗內容及方法

3.2.1 混凝土攪拌

混凝土采用200 L單臥軸強制式攪拌機拌合。拌合流程如下：先將水泥與細骨料拌合,低速攪拌15 s；加入一半的拌合水,先慢拌15 s再快拌15 s；將剩下的一半拌合水與預濕粗骨料一起加入后,連續快拌3 min；靜置1 min后再快拌2 min。減水劑應須事先溶解分散于拌合水中。完成全部拌合步驟后,立即進行拌合物試驗和試件成型。

3.2.2 養護條件設置

為了把握(外部)養護條件對再生骨料內養護效應可能產生的影響,設置了以下兩種養護條件：其一,標準養護,環境溫度為(20±2) ℃、相對濕度為(95±5)%；其二,類現場養護,先以保濕織物(如麻袋或無紡布)和薄膜覆蓋7 d,之后直接暴露于相對濕度為(60±5)%的環境中,養護溫度同標準養護。

3.2.3 性能測試要點

參照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準(GB/T 50080—2016)》和《普通混凝土力學性能試驗方法標準(GB 50081—2002)》規定的方法分別測試3種混凝土的坍落度、含氣量、表觀密度、立方體抗壓強度、壓縮彈性模量和劈裂抗拉強度。其中表觀密度的測試齡期分別為拌合完成時、14 d、28 d、60 d、90 d；抗壓強度的測試齡期分別為7 d、14 d、28 d、60 d、90 d；彈性模量、劈裂抗拉強度的測試齡期均為28 d和90 d。

4 結果與討論

4.1 表觀密度

圖3直觀地呈現了3種混凝土在2種養護條件下的表觀密度隨齡期的變化態勢。凡例中,“-S”代表標準養護條件,“-D”代表類現場養護條件,以下各圖皆同此規定。橫坐標“0”點對應的數據是指新拌混凝土的表觀密度,由于對應2種養護條件的同一配比的混凝土來自于同一攪拌批次,故它們的初始表觀密度兩兩相同。類現場養護條件的混凝土試件從7d齡期開始暴露于干燥環境中。

圖3 不同齡期混凝土的表觀密度

盡管圖3呈現的數據一致性不是特別好(或存在一些變異),但這樣幾個方面的總體趨勢是較為明顯的。首先,標準養護條件下混凝土的表觀密度保持穩定的前提下略有增大的趨勢。通常認為,表觀密度的變化主要與混凝土內部水分含量的變化有關。由于標準養護的濕度高,混凝土內部水分不易逸散,故表觀密度基本不變。反之,類現場養護條件對應的環境濕度較低,混凝土(特別是早齡期)失水較快,因此表觀密度隨齡期而減小。其次,混凝土的表觀密度與骨料的表觀密度具有一致性,即RAC的表觀密度普遍小于NAC。骨料的蓄水能力隨其吸水率的不同而改變,本文的3種粗骨料按內養護水量由多到少排序,應該是RCA-II、RCA-I、NAC。經過83 d持續暴露于干燥環境,RAC-II失去的水分最多,其次是NAC,最少的是RAC-I。這表明含水量越多,意味著混凝土水化消耗的水越多。

4.2 抗壓強度

圖4 不同齡期混凝土的抗壓強度

圖4為混凝土的抗壓強度發展特性。一方面,RCA對混凝土強度的影響與其品質有關。同養護條件的情況對比發現,用質量較好的RCA-I制備的RAC-I強度高于NAC,而以質量較差的RCA-II制備的RAC-II強度則低于NAC。另一方面,混凝土強度受養護條件的影響較大,標準養護條件下的強度及其發展速率都明顯高于類現場養護條件。這客觀地反映了外部養護對強度發展的重要性。與NAC-D的對應情況相比,RAC-I-D在7 d、14 d、28 d的抗壓強度分別增長11.3%、14.7%、19.6%,平均增幅為15.2%。與NAC-S的對應情況相比,RAC-I-S在7 d、14 d、28 d的抗壓強度則分別增長4.6%、8.1%、11.7%,平均增幅為8.1%。類似地,RAC-II-D在7 d、14 d、28 d的抗壓強度分別為NAC-D對應情況的94.8%、103.6%、100.2%,平均減幅為0.5%。RAC-II-S在7 d、14 d、28 d的抗壓強度分別為NAC-S對應情況的91.9%、90.9%、94.6%,平均減幅為7.5%。上述數據的比較表明,對于較為惡劣的養護條件而言,粗骨料內蓄存的內養護水對于混凝土的強度增長是極為有利的；對于加濕養護的情況而言,內養護水對強度的貢獻基本上可以忽略不計。

4.3 劈裂強度和彈性模量

混凝土28 d和90 d的劈裂抗拉強度和壓縮彈性模量見圖5。無論高品質的RCA-I還是低品質的RCA-II,它們都會使混凝土的劈裂強度降低,且這一特征不受養護條件的影響。從試驗過程中發現,試件的劈裂破壞面均從粗骨料內部貫穿。這說明劈裂強度很大程度上取決于粗骨料的強度。干燥養護條件對NAC劈裂強度的影響較2種RAC明顯,這可能與干燥養護對NAC水泥石基相的負面影響比RAC顯著[3]。

與抗壓強度的試驗相似,試件的含水率對測試結果有較大影響,比較不同養護條件下的試驗結果時,須對其加以修正[7]。就本文的研究對象而言,RCA具有減小混凝土彈性模量的效應,這與以往的相關研究報道[8]并無二致。就現有的試驗數據來看,養護條件對彈性模量的影響不如強度顯著。

對于NAC,劈裂強度、彈性模量與抗壓強度之間存在較好的相關性[7]。基于以上分析,由于NCA對這3個力學性能基本指標的影響特性不具有一致性,因此適用于NAC的力學性能相關性規律和經驗公式并不能直接用于RAC。

圖5 不同齡期混凝土的劈裂強度和彈性模量

5 結 語

基于上述實驗研究內容和初步結果,可歸納出以下結論：

1)內養護是一種不同于傳統養護方式的全新養護技術。再生粗骨料吸水率高、持水能力強的特性使得其有望成為一種新的內養護媒介。

2)外養護協同內養護的復合養護方式能長期有效地保持混凝土的內部水分,以便混凝土力學性能發展。

3)對于較為惡劣的養護條件而言,粗骨料內蓄存的內養護水對于混凝土的強度增長是極為有利的；對于加濕養護的情況而言,內養護水對強度的貢獻基本上可以忽略。

4)以預濕粗骨料作為內養護媒介,一定程度上降低了混凝土的抗拉強度和彈性模量。

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