高取代率再生骨料強化混凝土的性能優化研究

陳衛平

上海建工材料工程有限公司 上海 200086

據統計，我國產生的建筑垃圾總量每年以8%的增長率上升，預計到2020年總量達到6.4億 t，其中廢棄混凝土量達到5 000萬～7 000萬 t[1]。這些廢棄混凝土如不加以利用，會占用大量土地，耗用建設經費并造成環境污染，因此對廢棄混凝土進行破碎、篩分以及洗滌后形成再生骨料用于再生混凝土的制備，不僅能夠避免天然骨料過度開采所帶來的環境破壞，還能有效地回收和利用廢棄資源[2]，具有非常重要的社會、生態和經濟意義。但是再生骨料普遍呈現出砂漿附著率以及含雜質量高等特征，嚴重影響再生骨料吸水率、壓碎指標和堆積孔隙率等關鍵性能，因而會導致再生混凝土的工作性能和力學性能的劣化[3]。

針對高取代率再生骨料吸水率高和吸水速率快導致的工作性能差和砂漿包裹不足等缺點，需要對高取代率再生骨料混凝土的漿骨比進行重新設置。史才軍等[4]提出了應用廣泛的Metha-Aitcin配合比設計方法，認為水泥漿體的體積分數為35%時，混凝土的強度、工作性能和體積穩定性達到最佳平衡狀態。而Xiao等[5]對不同取代率的再生骨料混凝土進行力學性能研究，得出20%以下的骨料取代率對再生混凝土抗壓強度的影響很小，50%以上骨料取代率對抗壓強度的不利影響較大，而全骨料取代能降低再生混凝土20%～40%的抗壓強度的結論。為了提高再生骨料混凝土的骨料取代率和性能指標，國內外學者采用多種方法對再生骨料進行強化處理。Tam等[6]采用HCl、H2SO4和H3PO4等3種酸來降低骨料吸水率，發現當酸的質量分數超過20%時，對附著砂漿的去除效果較好，其吸水率降低約10%；程海麗等[7]發現水玻璃濃度和浸泡時間對抗壓強度的影響較大，在5%濃度水玻璃中處理1 h后，抗壓強度提高約20%，而在30%濃度溶液中浸泡處理1 d，抗壓強度反而降低。Katz[8]和Shayan等[9]用火山灰材料制備均質的火山灰漿體，再將再生骨料浸泡在漿體中，利用其吸水性將火山灰顆粒填充到孔隙內，抗壓強度提高約5%。Zhang等[10]采用碳化處理法使再生骨料附著漿體中的水化產物Ca(OH)2和C-S-H（水化硅酸鈣）與CO2反應生成CaCO3和無定型硅膠SiO2·nH2O，改善了再生混凝土的雙界面性能，從而提高了抗壓強度。

本研究通過優化配合比設計并分別采用硅酸鈣納米凝膠溶液和聚乙烯醇（PVA）溶液對再生骨料進行表面強化處理，來制備再生骨料替代率為100%的再生骨料混凝土。具體通過測試在不同配合比下的再生骨料混凝土的坍落度和抗壓強度來選取最優配合比。在最優配合比的基礎上，對再生骨料強化混凝土的坍落度、抗壓強度和耐久性進行測試，分析其強化機制。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

本試驗采用的P·O 42.5水泥由上海金山南方水泥有限公司生產；黃砂采用符合GB/T 14684—2011《建設用砂》規定的中砂；骨料使用5～25 mm連續粒級再生骨料，其性能指標如表1所示；外加劑采用上海建工材料工程有限公司生產的701中效減水劑；礦物摻合料分別使用張家港恒昌新型建材有限公司產S95級礦渣微粉和上海杜云企業發展有限公司產Ⅱ級粉煤灰；硅酸鈣納米凝膠溶液由上海建工材料工程有限公司生產；4%濃度的PVA溶液采用市售的PVA-1788配制。

表1 再生骨料性能指標

1.2 試樣制備

為了優化高取代率再生骨料混凝土的配合比，再生骨料混凝土配合比的選取如表2所示。準確稱量各組原材料質量，將再生骨料、黃砂、水泥、礦粉和粉煤灰投入攪拌機進行預攪拌至均勻，然后將減水劑溶于水中，緩慢加入攪拌機，攪拌混凝土至均勻狀態后，制作100 mm× 100 mm×100 mm的立方體試塊。24 h后脫模放置于標準環境（20 ℃±2 ℃，相對濕度＞95%）中進行養護備用，至指定齡期后取出進行相應測試。

在對配合比進行優化的基礎上，為進一步提高高取代率再生骨料混凝土的性能，對再生骨料進行強化處理。分別采用硅酸鈣納米凝膠溶液和PVA溶液對再生骨料進行24 h的浸泡處理，然后放置于60 ℃的烘箱中烘24 h至恒重備用。再生骨料強化混凝土配合比如表3所示。

表2 不同漿骨比的再生骨料混凝土相關參數

表3 再生骨料強化混凝土相關參數

1.3 測試方法

新拌混凝土工作性能按GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行測試，硬化混凝土力學性能按GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行測試，耐久性試驗按GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試樣方法標準》進行測試。

2 試驗結果與分析

2.1 高取代率再生骨料混凝土配合比優化研究

2.1.1 坍落度

坍落度測試是評價混凝土工作性能的重要指標之一。本試驗設計了不同高取代率再生骨料混凝土的配合比，測試每種漿骨比下的混凝土初始坍落度和1 h坍落度，其結果如圖1所示。從圖1可以看出，隨著漿骨比的增加，初始坍落度不斷增加，其中，漿骨比0.275組較之0.250組，坍落度提高5.4倍，達到160 mm。而各組漿骨比的1 h坍落度較初始坍落度都出現了不同程度下降，坍落度經時損失較大，尤其是漿骨比為0.250的試樣，1 h坍落度降為了0 mm。分析認為，當漿骨比增加，水泥砂漿流動度增加，并且水泥砂漿能包裹住更多的再生骨料，提高骨料之間的潤滑作用，從而提高混凝土的坍落度。而1 h后，水泥水化消耗了大量的水，同時再生骨料也吸附了部分水，這導致1 h坍落度出現下降。從測得的數據值可以看出，只有當漿骨比為0.275和0.300時才符合新拌混凝土的工作性能要求。

2.1.2 抗壓強度

圖1 不同漿骨比下的混凝土坍落度

抗壓強度也是決定最優配合比的重要指標之一。本試驗對不同漿骨比下的全取代率再生骨料混凝土的3 d和7 d強度進行測試，其結果如圖2所示。隨著漿骨比增加，混凝土3 d和7 d抗壓強度均先增加再下降，都在漿骨比為0.275時，抗壓強度達到最大。分析認為，漿骨比的增大使混凝土中各組分分散更均勻，水化更加充分而使抗壓強度出現增加，但更大的漿骨比會降低混凝土內部各組分的黏結力和混凝土的密實度，導致抗壓強度下降[11]。因此通過坍落度值和抗壓強度值比較，可以得出本試驗最佳的高取代率再生骨料混凝土漿骨比為0.275。

圖2 不同漿骨比下的混凝土的3 d和7 d抗壓強度

2.2 高取代率再生骨料強化混凝土性能研究

2.2.1 坍落度

圖3為不同再生骨料強化類型的混凝土初始坍落度和1 h坍落度的測試結果。從圖3可知，PRA組的初始坍落度最大，達225 mm，其余組的初始坍落度基本一致。各組的1 h坍落度均出現下降，其中，RA組和PRA組的坍落度經時損失較大，分別損失120、135 mm。分析可得，PVA溶液能夠有效提高再生骨料混凝土的初始坍落度，但是坍落度的經時損失較大，而硅酸鈣納米凝膠對初始坍落度基本無影響，但是能減少坍落度的經時損失。主要原因是PVA作為有機防水劑，有效降低了再生骨料的吸水率而使初始坍落度增加，而納米硅酸鈣能參與到水泥水化反應過程中，延緩了自身生成的水化硅酸鈣進一步水化，起到保坍作用。

圖3 不同再生骨料強化混凝土坍落度

2.2.2 抗壓強度

圖4為不同再生骨料強化類型的混凝土3、7、28 d的抗壓強度測試結果。由圖4可知，CRA組在不同齡期的抗壓強度值均最大，而PRA組和CPRA組的早期抗壓強度大于RA組，但后期的抗壓強度出現了倒縮現象，分別只有RA組抗壓強度的97%和89%。分析可知，納米硅酸鈣對再生骨料混凝土的各齡期抗壓強度有很好的促進作用，而PVA僅能提高混凝土的早期抗壓強度，會降低后期的抗壓強度。其主要原因為納米硅酸鈣吸附到再生骨料的附著砂漿表面后的填充效應和成核效應使其抗壓強度增加[12]，而PVA填充附著砂漿孔隙，降低骨料吸水率和新界面局部水膠比，同時PVA溶解也使水泥加速聚沉，這些均有利于早期抗壓強度提高，但PVA作為防水劑覆蓋在水泥顆粒表面，使其具有憎水性，阻礙水泥的水化，降低了后期抗壓強度[13-14]。

圖4 不同再生骨料強化混凝土抗壓強度

2.2.3 耐久性

圖5為不同再生骨料強化類型的混凝土28 d的電通量和碳化深度測試結果。從圖5可知，RA組的28 d電通量和碳化深度值均為最大，PRA組的電通量最小，CPRA組的碳化深度最小。參照JGJ/T 193—2009《混凝土耐久性檢驗評定標準》，經過硅酸鈣納米凝膠溶液和PVA溶液對再生骨料進行表面強化處理后，再生骨料混凝土電通量指標由Q-Ⅱ區間變為Q-Ⅲ區間，抗氯離子滲透性能明顯增強，同時碳化深度由T-Ⅲ區間降為T-Ⅳ區間，抗碳化性能也大幅提高。

圖5 不同再生骨料強化混凝土耐久性能

3 結語

1）對于100%取代再生骨料混凝土，提高混凝土的漿骨比可明顯提高其新拌坍落度和經時坍落度，但坍落度損失仍然較大，通過對坍落度值和抗壓強度值的比較，得出本試驗最佳的漿骨比為0.275。

2）硅酸鈣納米凝膠溶液強化處理的再生骨料可明顯減小混凝土坍落度經時損失，其各齡期抗壓強度有較大增加，耐久性得到較大提升。

3）PVA溶液強化處理的再生骨料可提高混凝土的初始坍落度，促進早期抗壓強度的提高，但會降低混凝土的后期強度，同時耐久性有較大提高。

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