強化再生粗骨料對混凝土性能的影響

,李愛衛,李長江,段緒勝*

1.山東農業大學 水利土木工程學院,山東 泰安271018 2.山東省泰安市水利局,山東 泰安 271000

3.山東合信項目管理有限公司,山東 泰安 271000

4.山東省成武縣水務局,山東 成武 274200

全世界每年用于建筑工程的混凝土有將近10 億t[1,2]，生產混凝土需要消耗大量的原材料，同時建筑物拆除后產生的廢棄混凝土，沒有得到有效利用，這更加劇了資源的消耗。二十世紀中葉以來，隨著世界經濟的飛速發展與現代科學技術的進步，建筑業也因乘坐經濟高速發展的列車而愈加繁榮，一些達到使用壽命的陳舊建筑物破舊拆除，道路、橋梁等混凝土設施的老化和服務年限的到期，導致越來越多的建筑項目報廢拆除，隨之而來的大量廢棄混凝土留存于環境中。廢棄混凝土已成為城市建設中主要的建筑垃圾[3-5]，這些廢棄混凝土的運輸和放置不僅占據土地空間、污染環境，而且如此浪費資源，不滿足我國可持續發展的戰略要求及對生態環境的需求。將其回收處理符合我國的可持續發展戰略，也減少了廢棄混凝土對環境的破壞。

如今，我國絕大部分廢棄混凝土未經任何專業處理，便被施工單位運往城區外、鄉村或者大山里，進行露天堆放或填埋。這種簡單的處置方式不僅占用大量土地資源，耗費許多的拆卸費、征用土地費、垃圾清運費等建設經費，而且給社會帶來了巨大的經濟損失，同時也給人們的正常生活和自然環境造成了很大的阻礙和威脅，這種露天堆放方式甚至會危及人們的健康，這一系列的行為會對國家的發展產生不利的影響。基于此本文提出研究強化再生粗骨料分級方法，主要對再生粗骨料和強化再生粗骨料的物理性能、工作性能和力學性能進行試驗。本文的試驗研究，不僅保護生態環境，還符合國家可持續發展戰略[6]。本文是根據“十二五”國家科技支撐計劃中的村鎮規劃和環境基礎設施配置關鍵技術研究與示范，在低成本村鎮基礎設施與環境建設技術研究與示范的課題下進行的，目的是為強化再生粗骨料劃分等級，解決廢棄混凝土的污染問題，減少資源浪費，保護生態環境。隨著全世界提倡節約型的社會理念以及我國對自然資源一直倡導的節約優先、保護優先、自然恢復為主的環境理念，再生混凝土已經成為現代社會重要的發展型資源，就再生混凝土而言，較為重要的組成部分就是再生骨料[7]，所以再生混凝土骨料的開發應用是必要的、迫切的、也是可行的，再生骨料和再生混凝土的開發應用，完全滿足世界環境組織提出的“綠色”三大含義即節約資源和能源、不破壞環境、更有利于環境；可持續發展，既可滿足當代人的需求，又不危害后代人滿足其需要的能力[8]，這也滿足當前我國所倡導的創新、協調、綠色、開放、共享的新發展理念，從可持續發展、環境保護及節約自然資源角度來說[9]，再生混凝土骨料的研究也是十分必要的。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 強化劑 采用3 種強化再生粗骨料的強化劑，分別為801 膠、土壤固化劑和水性環氧AB 膠。801 膠是外觀呈無色透明的液體建筑膠水，由聚乙烯醇與甲醛在酸性介質中經縮聚反應，再經氨基化后而制得，其粘度為38，固體含量為6%，在室溫25 ℃條件下PH 值為6.0±0.5，儲存期為6 個月。

土壤固化劑是由多種有機和無機材料科學合成的新型節能環保工程材料[9]，對于需加固的土壤，根據土壤的物理和化學性質，只需摻入一定量的固化劑，經拌勻、壓實處理，即可達到需要的性能指標。土壤固化劑外觀呈乳白色液體，耐磨比為418%，在室溫25 ℃條件下pH 值為12.0±0.5，其中固體含量為51.3%。

AB 膠是兩液混合硬化膠的別稱，A 液是本膠，B 液是硬化劑，兩液相混才能硬化，是不須靠溫度來硬應熟成的，所以是常溫硬化膠的一種，因其操作簡便，常溫下可快速聚合固化，粘結強度高、韌性大、性能優良等優點，因而具有極為廣泛的應用，如應用與建筑、機械等領域。A 膠的外觀呈乳白色液體，pH 值為7.0±0.5，粘度為100～900 mPa·s，環氧當量純樹脂為200～220 g/mol；B 膠外觀呈乳淡黃色黏稠液體，使用溫度均為室溫25 ℃，粘度為5000～15000 mPa·s，胺值為180～190 mg KOH/g，樹脂含量63±2%。

1.1.2 再生粗骨料 試驗中用來制備再生粗骨料的混凝土主要有兩種：一種是在實驗室生產、養護28 d 后的C20、C30 混凝土廢棄試塊，另一種則是泰安市某公路混凝土面層拆卸后的廢棄混凝土（C20）。將不同來源的混凝土樣經人工初步破碎，再利用實驗室里的顎式破碎機進行機械破碎，得到再生粒徑30 cm 以下的再生骨料，然后用不同孔徑的方孔篩網進行篩分，選取滿足試驗的再生粗骨料。

1.1.3 強化再生粗骨料 將滿足試驗的再生粗骨料分為兩部分以控制變量的方法進行對比試驗，選取其中一部分，用增強劑801 膠、土壤固化劑和水性環氧AB 膠進行強化，按照材料使用說明書將膠體按一定比例用水稀釋，把再生粗骨料放入稀釋后的溶液中浸泡1 h，然后將粗骨料撈出，在自然條件下進行風干，同時對各類粗骨料進行編號，編號見表1。

表1 粗骨料樣本試驗編號Table1 Test number of coarse aggregate sample

1.2 試驗方法

由于目前尚無專門針對強化再生粗骨料基本性能測試的規程，本文參照《普通混凝土用碎石或卵石質量標準及檢驗方法》（JGJ53-92）[10]和《混凝土結構工程施工規范》（GB50666-2011）[11]對不同來源再生粗骨料和不同強化方式的再生粗骨料進行基本物理性能測試并對制備的再生混凝土的坍落度、保水性、粘聚性等工作性能進行試驗，同時測試以抗壓強度為主的力學性能。

2 結果及分析

2.1 再生粗骨料物理指標

粗骨料和強化再生粗骨料的物理指標見表2～5。

表2 粗骨料的吸水率Table 2 Water absorption of coarse aggregate

表3 強化再生粗骨料的吸水率Table 3 Water absorption of Strengthening regenerated coarse aggregate

表4 強化再生粗骨料的表觀密度Table 4 Apparent density of Strengthening regenerated coarse aggregate

表5 粗骨料的壓碎指標Table 5 Crushing index of coarse aggregate

2.2 顆粒級配

強化再生粗骨料在人工破碎與機械破碎時，由于不可避免的誤差影響導致沒有控制好粒徑大小，以致于得到的強化再生粗骨料的粒徑偏小。從圖1 中可以看出，本文所采用的強化再生粗骨料13 mm～19 mm 粒徑不滿足相關規范要求，其余粒徑均在國家標準對粗骨料要求的范圍內。

2.3 強化再生粗骨料對混凝土工作性能的影響

本實驗進行配合比試驗時參照《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ55-2000）[13]，在水灰比0.54時，不同取代率的強化再生粗骨料對再生混凝土工作性能的影響試驗結果見表6 和圖2。

圖1 粗骨料的顆粒級配Fig.1 Particle size distribution of coarse aggregate

圖2 強化再生粗骨料取代率對混凝土坍落度的影響Fig.2 Effect of strengthening regenerated coarse aggregate on slump of concrete

表6 強化再生粗骨料對混凝土粘聚性和保水性的影響Table 6 Effects of strengthening regenerated coarse aggregate on the cohesiveness and water retention of concrete

強化再生粗骨料SA1-1、SA1-2 和SA1-3 在取代率為40%下的塌落度，如表7 所示：

表7 不同強化方式對混凝土的塌落度的影響Table 7 Effects of different intensification methods on slump of concrete

通過表6、表7 和圖2 本文可得出如下結論：（1）由于強化再生粗骨料取代率的增加從而導致再生混凝土的坍落度降低并且取代率不同坍落度也不同。（2）天然粗骨料的普通混凝土坍落度為20.2 mm；三種不同強化粗骨料取代率為100%時的混凝土坍落度分別為4.8 mm、9.7 mm 和9.2；普通混凝土的塌落度是再生混凝土塌落度的4.2 倍。（3）在相同取代率下，塌落度值為FSA1＜FSA3＜FSA2。（4）在取代率、廢棄混凝土相同的條件下，801 膠、土壤固化劑和水性環氧AB 膠強化的再生粗骨料對混凝土塌落度的影響差別不大，塌落度最大相差0.6 mm。主要原因是再生粗骨料強化后吸水性仍較大，隨著強化再生粗骨料取代率的增加，在水泥凝結前從其界面周圍的水泥砂漿中吸收水分，減少了參與到混凝土拌合和改善流動性工作的水，導致坍落度和流動性降低。

3 再生混凝土立方體的抗壓性能

再生混凝土立方體抗壓強度的試驗結果見表8 及圖3。

表8 再生混凝土的試驗結果Table 8 Test results of recycled aggregate concrete

圖3 再生混凝土的抗壓強度Fig.3 Compressive strength of recycled concrete

從表8 可以看出，在任意取代率下，經化學溶液強化后的再生粗骨料制備的28 d 再生混凝土立方體抗壓強度較再生粗骨料未強化的再生混凝土有所提高，其中R-FSA1 粗骨料在取代率為100%時，強化粗骨料混凝土的抗壓強度較未強化的再生混凝土提高了1.73 MPa，在取代率為40%時，提高了0.17 MPa，其它強化類型的粗骨料的再生混凝土相應提升在0.17～1.73 MPa 之間。強度提升是因為膠體溶液在強化再生粗骨料時，修復部分裂紋，降低了再生粗骨料的吸水率，同時提高了再生粗骨料的強度。使其在生產混凝土時，減少了粗骨料對水分得吸收，提升了粗骨料的力學性能。從圖3 可以看出，隨著強化再生粗骨料取代率的增加，再生混凝土的強度呈現一種斜直線的下降方式，最大相差10.21 MPa。取代率越高，再生混凝土強度越低，編號R-FSA2 和編號R-FCA2 再生混凝土的立方體抗壓強度大于其他編號的再生混凝土的立方體抗壓強度，且抗壓強度R-FSA2＞R-FCA2。對照表3、表5 粗骨料的相關指標，標號FSA2 和FCA2 的再生粗骨料的吸水率和壓碎指標較低，因此再生混凝土的抗壓強度主要取決于廢棄混凝土的物理性能。同時，較未強化的再生粗骨料的再生混凝土，強化的再生混凝土的吸水率與壓碎指標更小，以其作為粗骨料的再生混凝土抗壓強度有所提高。

3 結論

本文通過分析強化再生粗骨料與粗骨料的篩分、吸水率、表觀密度和壓碎指標等基本物理性能參數，以及強化粗骨料對再生混凝土工作性能和抗壓強度的影響，得出以下結論：

（1）通過強化再生粗骨料基本性能、工作性能和力學性能試驗可以得出：不同種類的化學溶液強化的再生粗骨料與未強化的再生粗骨料相比，性能有所提升。強化再生粗骨料混凝土的坍落度和流動性隨著強化再生粗骨料取代率的增加而降低，降低速率與未強化再生粗骨料混凝土的坍落度和流動性降低速率相近。當養護齡期為28 d 時，再生粗骨料混凝土的抗壓強度總體上隨著強化再生粗骨料混凝土取代率的增加而降低，同取代率下，較未強化粗骨料混凝土的抗壓強度略微增強。

（2）強化再生粗骨料對混凝土性能的影響與原始材料強度有關。原材料強度越高，強化再生粗骨料混凝土的工作性能越好，其抗壓強度越高。

（3）再生粗骨料強化溶劑、強化時間、強化方法需要進一步研究，找到最優的強化方案，提高建筑固體廢棄物的資源化轉化率。