PVA改性再生骨料對再生混凝土基本力學性能的影響

吳素瑤，宗翔

(安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001)

近年來，社會基礎設施大量重建，各地對混凝土的需求日趨增長，為實現資源的循壞利用，國內外再生混凝土的研究日趨豐富。目前國內大部分再生混凝土研究的再生骨料都是再生混凝土骨料，而老城區改造拆除的大多是磚混結構，還會產生大量再生磚混骨料。因此，將2種再生骨料同時加入研究，更加貼合我國現階段國情。為了擴大這些骨料的應用范圍，首先應從提高骨料自身質量入手[1～3]。再生混凝土骨料中一般包含天然骨料、硬化砂漿、天然骨料和硬化砂漿的黏合體，而再生磚混骨料中還包含大量黏土磚，天然骨料相對較少。同時磚混結構存在的時間相對較長，本身經歷了長時間的風化和碳化作用[4]，加上制成再生骨料時破碎造成骨料內部結構損傷，相比再生混凝土骨料，再生磚混骨料質量更為不佳。

再生骨料改性是提高再生混凝土性能的有效方法[5，6]。文獻[7]對再生骨料的改性方法做了總結，物理方法、化學浸泡和高溫蒸壓與微波加熱等方法對再生骨料均有不同程度的強化。文獻[8,9]的研究表明,浸泡一定濃度的聚乙烯醇(PVA)溶液可以很好的改善骨料的自身缺陷，濃度為10%時效果最佳。因此,筆者從提高再生骨料自身質量出發，通過浸泡10%PVA溶液的方法來改善骨料自身缺陷，提高再生混凝土的性能。

1 試驗材料

試驗所用水泥為八公山水泥廠生產的強度等級為42.5的復合硅酸鹽水泥；混凝土拌和及養護用水為淮南市自來水；細骨料為細度模數2.13的河砂；所用粗骨料有3種，分別為購于上窯鎮石料廠天然骨料NA、淮南市城區拆遷再生磚混骨料RA-Ⅰ以及安徽理工大學土木建筑學院建筑垃圾再生混凝土骨料RA-Ⅱ，粒徑均為4.75～20mm連續級配；聚乙烯醇為安徽維皖集團有限責任公司生產的聚合度1700、醇解度為99%的PVA-1799。

2 再生骨料強化試驗

將固體PVA配置成10%的水溶液，加熱至完全溶解。待其冷卻至室溫后，分別浸泡2種再生骨料RA-Ⅰ、RA-Ⅱ，24h后取出，PVA溶液初凝后沖洗骨料表面，在自然條件下晾干，制成改性再生磚混骨料(SRA-Ⅰ)和改性再生混凝土骨料(SRA-Ⅱ)。

測得5種粗骨料的基本性能如表1所示。由表1可知，2種再生骨料經過改性后，部分性能均有不同程度的提高。改性使得再生骨料的含水率略微增大，前15min吸水率大幅減小，SRA-Ⅰ比RA-Ⅰ下降42.9%，SRA-Ⅱ比RA-Ⅱ下降14.5%。PVA溶液浸泡晾干后形成一層憎水膜，填充在再生骨料表面孔隙和裂縫中，阻止水分進入，降低再生骨料吸水率。對于孔隙相對更多、吸水率更大的RA-Ⅰ來說，改性后吸水率降低也更加明顯。但是由于PVA常溫下微溶于水，憎水膜遇水變軟，改性后的再生骨料后期吸水速率相對提高，但總體吸水率降低。部分PVA晾干后凝結成堅硬固體，粘附在骨料表面，PVA固體的表觀密度相比骨料小，造成測出的表觀密度偏低。改性后壓碎值指標SRA-Ⅰ比RA-Ⅰ下降26.4%，SRA-Ⅱ比RA-Ⅱ下降12.1%，骨料的強度得到了提高。

表1 粗骨料的基本性能

3 再生混凝土基本力學性能試驗

將5種粗骨料分別制成5種混凝土，編號一一對應。根據5種粗骨料的表觀密度，采用絕對體積法計算出各組混凝土配合比[10]，取有效水灰比[11]為0.5，用水量為190kg/m3，砂率36%，再根據15min吸水率計算額外用水量，最終配合用量如表2所示。

表2 混凝土的配合用量

各組拌合物坍落度在60～80mm，無泌水現象，振搗密實抹平24h后脫模，置于20±2℃，濕度95%以上的標準養護環境中進行養護。試塊均為100mm×100mm×100mm的立方體試件，根據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2002)[12]取齡期3、7、28、90d試塊進行抗壓強度試驗以及劈裂抗拉強度試驗。

3.1 抗壓強度試驗

再生混凝土抗壓強度破壞形態與普通混凝土類似，隨著荷載增加，由試塊出現裂縫到表面水泥砂漿外鼓脫落，最終形成2個相對的四角錐形。抗壓強度增長早期破壞面主要位于新舊砂漿交界處，28d后RAC-Ⅰ和SRAC-Ⅰ還伴隨部分骨料被壓碎。

抗壓強度試驗結果如圖1所示,再生混凝土RAC-Ⅰ、RAC-Ⅱ 3d抗壓強度比普通混凝土NAC高，7～90d期間低于NAC。抗壓強度增長百分比如圖2所示，由圖2可知，再生混凝土RAC-Ⅰ、RAC-Ⅱ 3d抗壓強度增長均超過了50% 。由于再生骨料孔隙率高、比表面積大，在混凝土水化反應早期擴大了水與膠凝材料的接觸面積，增加了早期水化反應的速率，以致于再生混凝土早期抗壓強度比天然混凝土高。隨著齡期的增長，3～28d時水化反應逐漸完全，骨料在混凝土中逐漸起到“骨架”作用，再生混凝土由于骨料缺陷抗壓強度增長受限，普通混凝土的抗壓強度快速增長。由于再生骨料吸水率高，前期骨料吸入大量額外用水，28d后仍在緩慢釋放進行進一步的水化反應，使得28～90d期間再生混凝土RAC-Ⅰ、RAC-Ⅱ抗壓強度增長高于普通混凝土NAC。

圖1 抗壓強度試驗結果 圖2 抗壓強度增長百分比

改性后的再生混凝土SRAC-Ⅰ、SRAC-Ⅱ早期抗壓強度均表現出比未改性的再生混凝土RAC-Ⅰ、RAC-Ⅱ低。SRAC-Ⅰ抗壓強度至28d后才高于RAC-Ⅰ，90d抗壓強度SRAC-Ⅰ比RAC-Ⅰ高3.11MPa。SRAC-Ⅱ抗壓強度在28d略高于RAC-Ⅱ，90d抗壓強度SRAC-Ⅱ比RAC-Ⅱ高4.79MPa。混凝土拌制時，骨料表面PVA硬化形成的憎水膜遇水變軟，該憎水膜位于再生混凝土新老界面過渡區[13]，阻礙了新舊砂漿的結合，造成改性后的再生混凝土SRAC-Ⅰ、SRAC-Ⅱ早期抗壓強度較低。由圖2可直觀了解到，改性后的再生混凝土SRAC-Ⅰ、SRAC-Ⅱ抗壓強度增長百分比十分接近，說明PVA對再生骨料的改性降低了再生混凝土的早期抗壓強度的增長速率。由于PVA憎水膜包裹再生骨料，減小了再生骨料的比表面積，減小了早期水化反應的速率。該膜又減緩了再生骨料中吸收水的釋放速度，再生混凝土的抗壓強度在7～28d期間緩慢增長。28d后隨著水化反應的完全，水逐漸完全參與反應，PVA重新硬化填充在骨料孔隙中強化再生骨料，使得28d后再生混凝土強度還能有20%以上的增長。

圖3 劈裂抗拉破壞形態

3.2 劈裂抗拉強度試驗

劈裂抗拉破壞形態如圖3所示。由圖3可知，再生混凝土的劈裂抗拉強度試驗破壞形態隨著齡期的增長有所不同。由圖3(a)可知，在齡期3d，破壞主要沿著再生混凝土新舊砂漿交界處被劈裂，開裂面由于部分骨料沒有直接被劈開凹凸不平。由圖3(b)可知， 28d后再生骨料直接被劈開，開裂面相對平整。

劈裂抗拉強度試驗結果如圖4所示。由圖4可知，在混凝土劈裂抗拉強度增長的整個階段，普通混凝土NAC的劈裂抗拉強度均高于再生混凝土，骨料質量相對較差的RAC-Ⅰ也整體低于RAC-Ⅱ。由此可見骨料質量也直接影響到混凝土的劈裂抗拉強度。

劈裂抗拉強度增長百分比如圖5所示。與抗壓強度類似，改性后再生混凝土SRAC-Ⅰ、SRAC-Ⅱ早期劈裂抗拉強度低于未改性的再生混凝土RAC-Ⅰ、RAC-Ⅱ。28d時改性前后的再生混凝土劈裂抗拉強度相當，90d劈裂抗拉強度SRAC-Ⅰ比RAC-Ⅰ高0.35MPa，SRAC-Ⅱ 比RAC-Ⅱ高0.05MPa。PVA改性降低了水化反應的速率，降低了28d前劈裂抗拉強度增長速率，但填充在再生骨料孔隙中的PVA并不能大幅提高再生混凝土的劈裂抗拉強度。因此，PVA對再生骨料的改性，對提高再生混凝土劈裂抗拉強度效果并不顯著，主要降低了再生混凝土劈裂抗拉強度增長速度。

圖4 劈裂抗拉強度試驗結果 圖5 劈裂抗拉強度增長百分比

4 結論

1)再生骨料自身的質量直接影響了再生混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度的增長，提高再生骨料質量、改善自身缺陷是提高再生混凝土基本力學性能的關鍵。

2)再生骨料浸泡10%PVA溶液的方法可以很好的提高骨料質量、改善骨料的自身缺陷，尤其可以顯著降低再生骨料前期吸水率，骨料質量越差改性效果越佳。

3)PVA改性方法使得再生骨料比表面積降低，減小了水化反應的面積，減緩了早期水化反應速率，降低了再生混凝土早期強度增長速率，因此造成早期抗壓強度和劈裂抗拉強度較低。

4)再生混凝土抗壓強度增長后期，PVA硬化填充在骨料的孔隙中加強骨料，可提高中后期再生混凝土的抗壓強度，但對劈裂抗拉強度提高并不顯著。