再生粗骨料性能改善方法試驗研究

蘇文洋， 洪 麗， 李他單， 張 鵬

(合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

在我國，隨著新時期城鎮化建設的進一步發展，老舊建筑被逐步拆除，這一過程中產生了大量的建筑廢棄物(主要成分為廢棄混凝土)。另一方面，由于大力發展的基礎建設消耗了大量的建筑資源，目前多地的建材價格大幅度上漲，資源枯竭問題日益嚴峻。當前我國的建筑廢棄物的處理方式主要為填埋，這不僅占用了大量土地，還造成了嚴重的環境污染。因此，研究建筑廢棄物的再利用意義重大。目前，這些廢棄混凝土較為有效的處理方式是經破碎、篩分后，制作成再生粗骨料(recycled coarse aggregates，RA)，并配制成再生粗骨料混凝土(recycled aggregate concrete，RAC)[1]。但是相較于天然骨料而言，再生粗骨料具有密度小、孔隙率高及吸水率高等缺陷[2]，導致其在實際工程中的應用受到限制。文獻[3～5]指出再生粗骨料的劣質性能是由表面附著的多孔殘余砂漿引起的，且該砂漿具有許多微裂縫。Wang等[6]認為高吸水率是再生粗骨料的主要缺點。為了提高再生粗骨料自身性能，推廣其在實際工程中的應用，進一步改善再生粗骨料的性能具有實際意義。

通過對現有文獻[7～19]進行總結發現，常用的再生粗骨料的改善方法主要有物理方法[7～9]、外裹膠凝材料法[10～14]、化學試劑浸泡法[15]、納米材料浸泡法[16]和生物誘導礦物沉淀法[17～19]等。物理方法主要是通過機械攪拌或者微波照射的方式除去再生粗骨料外表附著的舊砂漿，該類方法優點是能耗低、操作簡單易于控制，缺點是可能會在再生粗骨料內部產生新的微裂紋。外裹膠凝材料法主要是指將再生粗骨料浸泡在水泥漿(外摻活性材料)中，水泥漿硬化后包裹再生粗骨料，改變再生粗骨料表面性能，該類方法的優點是操作簡單，價格低廉，缺點是再生粗骨料表面引入新的界面，形成新的薄弱環節。化學試劑浸泡法是指采用化學試劑浸泡再生粗骨料，該類方法的優點是操作簡單，但化學試劑會對再生粗骨料產生腐蝕。納米材料浸泡法是指將再生粗骨料浸泡在納米材料(主要為納米二氧化硅)溶液中，使納米材料填充再生粗骨料表面微裂紋，該類方法的優點是納米材料具有活性，在配制再生粗骨料混凝土時繼續參加反應；缺點是納米材料價格昂貴，很難在實際工程中應用。生物誘導礦物沉淀法是指將再生粗骨料浸泡在微生物的培養液中，并利用微生物分解礦物沉淀，填充再生粗骨料表面裂紋，該類方法優點是技術新穎，應用前景廣闊；缺點是技術復雜且微生物的數量及其分解產物的數量難以精確計算。但是上述文獻中對再生粗骨料的性能改善通常與再生混凝土的制備過程同時進行，對再生粗骨料自身性能的改善效果知之甚少。本文采用機械攪拌法和苯乙烯/丙烯酸酯類聚合物膠乳浸泡法對再生粗骨料進行處理后，通過測試其自身各項性能指標的變化情況，分析上述方法對再生粗骨料改善效果。

1 試驗過程

1.1 試驗材料

1.1.1 再生粗骨料

本次試驗中所采用的再生粗骨料由安徽省某橋梁橋面板拆除后，去除其中鋼筋并經破碎后，篩分出粒徑為4.75～19.5 mm的再生粗骨料。

1.1.2 苯乙烯/丙烯酸酯類聚合物膠乳

本次試驗所用的型號為MD216的苯乙烯/丙烯酸酯類聚合物膠乳(以下簡稱聚合物膠乳)由安徽蒙達交通科技有限公司提供，具體性能指標見表1。

表1 聚合物膠乳性能指標

1.2 試驗方法

1.2.1 機械攪拌法

選取部分普通再生粗骨料(RA)置于強制式攪拌機中，分別攪拌1 min、3 min和5 min，得到RA-A-1、RA-A-3和RA-A-5三種再生粗骨料，經過攪拌處理后的再生粗骨料如圖1所示。

圖1 機械攪拌后的再生粗骨料

1.2.2 聚合物膠乳浸泡法

選取部分RA置于聚合物膠乳中浸泡24 h后，將再生粗骨料表面多余膠乳擦干，并攤鋪在室內干凈薄膜上晾曬7 d，得到RA-C,如圖2所示。

圖2 聚合物膠乳浸泡再生粗骨料(RA-C)

1.3 再生粗骨料性能指標確定方法

1.3.1 再生粗骨料吸水率

根據《建設用卵石、碎石》(GB/T 14685-2011)[20]中第7.14節的規定，再生粗骨料吸水率w可按式(1)計算獲得：

[1] Robert O. Keohane, Joseph S. Nye, Power and Interdependence (Third Edition), 北京：北京大學出版社, 2004年, p. 29.

(1)

式中：m1為再生粗骨料烘干后的質量，g；m2為再生粗骨料浸水后的質量，g。

1.3.2 再生粗骨料壓碎值

再生粗骨料壓碎值的測定儀器為合肥工業大學結構工程實驗室的YAW4306微機控制電液伺服壓力試驗機，測控系統為DCS-300全數字閉環測控系統，如圖3所示，量程為3 000 kN。根據規范《建設用卵石、碎石》(GB/T 14685-2011)[20]中第7.11節的規定可知， 再生粗骨料壓碎值Q可按式(2)計算獲得：

圖3 SANS壓力試驗機及壓碎儀

(2)

式中：m1為壓碎儀桶內再生粗骨料的總質量，g；m2為留在篩上的再生粗骨料質量，g。

1.3.3 再生粗骨料表觀密度

根據規范《建設用卵石、碎石》(GB/T 14685-2011)[20]中第7.12節的規定，再生粗骨料表觀密度ρb可按式(3)計算獲得：

(3)

式中：m0為烘干后再生粗骨料的質量，g；m1為再生粗骨料、水、瓶和玻璃片總質量，g；m2為水、瓶和玻璃片總質量，g。

根據規范《建設用卵石、碎石》(GB/T 14685-2011)[20]中第7.13節的相關規定,再生粗骨料堆積密度ρd和再生粗骨料空隙率a可分別按式(4)和(5)計算獲得：

(4)

(5)

式中：m1為再生粗骨料和容量筒的質量和，g；m2為容量筒的質量，g。

2 試驗結果分析

2.1 不同處理方法對再生粗骨料吸水率的影響

試驗結果表明，經機械攪拌和聚合物膠乳浸泡的再生粗骨料，其吸水率的變化分別如圖4所示，圖中的數值為三次試驗的平均值。

由圖4可知，再生粗骨料經機械攪拌處理后，RA-A-1，RA-A-3和RA-A-5的吸水率分別為2.0%，1.9%和1.8%。相較于普通再生粗骨料，改善后的再生粗骨料的吸水率分別降低了13.0%、18.2%和22.1%。這說明隨著攪拌時長的增加，再生粗骨料的吸水率逐漸降低。這是因為，在機械攪拌時，再生粗骨料之間相互摩擦、擠壓、碰撞使得再生粗骨料表面包裹的舊水泥砂漿含量減少；其次，機械攪拌后，再生粗骨料表面的棱角鈍化，比表面積減小。

圖4 不同改性方法對再生粗骨料吸水率的影響

由圖4還可發現，再生粗骨料經聚合物膠乳浸泡后，RA-C的吸水率為2.0%。與普通再生粗骨料相比，處理后的再生粗骨料的吸水率下降了13.4%，改善效果與RA-A-1相當。這是因為聚合物膠乳在再生粗骨料表面形成了一層不透水的膠狀薄膜，可阻止外部水進入再生粗骨料。

2.2 不同處理方法對再生粗骨料壓碎值的影響

經機械攪拌和聚合物膠乳浸泡兩種方法處理后的再生粗骨料的壓碎值分別如圖5所示，圖中數值為三次試驗的平均值。

圖5 不同處理方法對再生粗骨料壓碎值的影響

由圖5可知，再生粗骨料經機械攪拌處理后，RA-A-1，RA-A-3和RA-A-5的壓碎值分別為12.2%、11.1%和10.5%。相較于普通再生粗骨料，改善后的再生粗骨料的壓碎值分別降低了1.9%(變化幅度可忽略不計)、10.8%和15.4%。這說明隨著攪拌時長的增加，再生粗骨料壓碎值逐漸降低，改善效果逐漸顯著。這是因為，在機械攪拌時，再生粗骨料之間相互摩擦、擠壓、碰撞使得再生粗骨料表面包裹的舊水泥砂漿脫落；其次，機械攪拌后，再生粗骨料表面的棱角鈍化，有效削弱了壓碎過程中應力集中的不利影響。

另外，由圖5還可以發現，再生粗骨料經聚合物膠乳浸泡后，RA-C的壓碎值為8.4%，相較于普通再生粗骨料，處理后的再生粗骨料的壓碎值降低了32.7%，改善幅度遠大于RA-A-5。說明該方法對再生粗骨料的壓碎值改善效果更好。這是因為，浸泡時再生粗骨料內部孔隙被膠乳填充，聚合物硬化后對孔壁產生支撐作用，從而提高了再生粗骨料的抗壓碎能力，壓碎值降低。

2.3 不同處理方法對再生粗骨料堆積密度、表觀密度和空隙率的影響

經機械攪拌和聚合物膠乳浸泡兩種不同方法處理后的再生粗骨料的堆積密度、表觀密度和空隙率分別如圖6、圖7和8所示，圖中數值均為三次試驗的平均值。

圖6 不同改性方法對再生粗骨料堆積密度的影響

圖7 不同改性方法對再生粗骨料表觀密度的影響

由圖8可知，再生粗骨料經機械攪拌處理后，RA-A-1，RA-A-3和RA-A-5的堆積密度分別為1 181 kg/m3、1 196 kg/m3和1 201 kg/m3，相較于普通再生粗骨料，改善后的再生粗骨料的堆積密度分別提高了3.0%、4.3%和4.7%；RA-A-1，RA-A-3和RA-A-5的表觀密度分別為2 532 kg/m3、2 556 kg/m3和2 548 kg/m3，相較于普通再生粗骨料，改善后的再生粗骨料表觀密度分別提高了0.8%、1.8%和1.5%；RA-A-1、RA-A-3和RA-A-5的空隙率分別為53.4%、53.2%和52.9%，相較于普通再生粗骨料，改善后的再生粗骨料的空隙率分別降低了6.5%、6.8%和7.4%。另外，由圖8還可發現，再生粗骨料經聚合物膠乳浸泡后，RA-C的堆積密度、表觀密度和空隙率分別為1 066 kg/m3、2 582 kg/m3和58.6%，與普通再生粗骨料相比，分別提高了-7.1%(負數表示降低)、2.9%和2.6%。由此可以看出，兩種處理方法對再生粗骨料的堆積密度、表觀密度和空隙率的改善效果不明顯，對各物理指標的影響程度均不超過9%，變化幅度可忽略不計。

圖8 不同改性方法對再生粗骨料空隙率的影響

3 結 論

(1)機械攪拌法和聚合物膠乳浸泡法均顯著能改善再生粗骨料的吸水率和壓碎值。在改善吸水率方面，兩種方法相差不大；而在壓碎值方面，聚合物膠乳浸泡法的改善效果遠大于機械攪拌法。綜合考慮，聚合物膠乳浸泡法改善效果更佳。

(2)機械攪拌法和聚合物膠乳浸泡法對再生粗骨料的堆積密度、表觀密度和空隙率影響均較小。