再生骨料混凝土及其專用外加劑的研究與應用

臧明輝 朱敏濤,2 季京安,2

1.上海建工材料工程有限公司 上海 200086；2.上海高大結構高性能混凝土工程技術研究中心 上海 201114

骨料作為混凝土中的主要原材料之一，約占混凝土體積的70%，它是廣泛分布的自然資源，但由于長年大量開采，已經出現短缺現象。同時，城市規劃和新農村改造產生了大量建筑垃圾，給社會帶來了嚴重的資源和環境問題。將廢棄混凝土回收再利用，不但節省了天然骨料，保護骨料產地的生態環境，還可以解決廢舊混凝土因堆放占地和處理不當而引起的環境污染等問題。

廢棄混凝土的回收再利用是實現建筑材料可持續發展的重要途徑。正是在這樣的趨勢下，再生骨料混凝土應運而生。再生骨料混凝土就是把廢棄的混凝土經過清洗、破碎、分級后，按一定比例配比得到“再生骨料”，用其部分或全部骨料配制成的混凝土。

再生骨料混凝土與普通混凝土相比，主要差異源于再生骨料和天然骨料的不同。廢棄混凝土經破碎、篩分、淋洗、干燥等處理而得到的再生骨料顆粒的表面棱角多、表面粗糙，組分中含有一定量的硬化水泥砂漿；另一方面，混凝土在破碎過程中由于機械損傷在內部形成了許多細微裂紋，使得再生骨料有表觀密度小、孔隙率大、吸水率大等缺陷。所以，使用再生骨料配制的混凝土用水量大、和易性差、坍落度損失快。

對此，很多專家進行了研究。研究發現，再生骨料由原生混凝土的骨料、附著砂漿與兩者之間的界面過渡區組成。附著砂漿是影響再生骨料性能的主要因素[1-2]，在再生骨料的生產過程中，原生混凝土中的骨料會產生狹長的分段裂縫，界面過渡區也將產生較大的裂縫[3]，附著砂漿并不總是影響再生骨料性質的主要因素，再生粗骨料中石子也會以裂縫的形式產生影響[4]。

再生骨料的吸水率大于天然骨料的吸水率[5-6]，主要原因是再生骨料中水泥砂漿含量較高，再加上機械破碎中造成的損傷積累使再生骨料內部存在大量微裂紋，使得再生骨料孔隙率高、吸水率大。Salomon M. Levy等[5]研究發現再生骨料的吸水率是天然骨料的6～8倍。

然而，再生骨料的應用仍具有其經濟價值[7]和應用價值，并且技術方面也比較完善，張亞梅等[8]和肖建莊等[9-10]對再生混凝土的基本性能、結構性能及可行性應用等方面做了相關研究，根據S. Manzi等學者對不同再生骨料混凝土的短期和長期性能研究[11]發現，再生骨料混凝土的抗壓強度和抗折強度普遍高于普通混凝土。

通過試驗得知，調整再生骨料混凝土中再生骨料的級配可使所得混凝土較普通混凝土有更小的孔隙率，所得結構的收縮和徐變更小，結構性能更好，說明再生骨料混凝土有很大的應用前景。為解決再生骨料的缺陷，這對混凝土外加劑提出了新的要求。采用再生骨料混凝土專用外加劑，是提高再生骨料混凝土工作性能的重要手段，對于實現廢棄混凝土的二次利用，減少天然骨料的使用量，實現可持續發展具有重要意義。

1 原材料與試驗方法

1.1 主要原材料

水泥：嘉善南方P·O 42.5，普通硅酸鹽水泥；金峰P·O 52.5，普通硅酸鹽水泥；金山P·O 42.5，普通硅酸鹽水泥。

礦粉：寶田S95級礦渣粉，比表面積420 m2/kg，燒失量為0.6%。

粉煤灰：Ⅱ級灰，45 μm篩篩余19.5%，需水量比98%，燒失量1.8%。

砂：機制砂與特細砂混合而成，細度模數2.4；天然中砂，細度模數2.6；混合砂，細度模數2.1，含泥量2.5%。

石子：再生石子，粒徑5～16 mm，連續級配；再生石子，粒徑5～25 mm，連續級配；天然石子，粒徑5～25 mm，連續級配；天然石子，粒徑5～25 mm，連續級配，含泥量2.5%。

外加劑：聚羧酸減水劑TX600，上海建工材料工程有限公司外加劑廠生產；再生骨料混凝土專用外加劑TX600GF，上海建工材料工程有限公司外加劑廠生產。

2.4 旅游公共服務建設不達標 吳必虎將旅游產品的定義概括為景觀、設施和服務的集合。一個旅游產品的優劣不能狹隘地以資源品質的好壞來定論，旅游設施和旅游服務也是旅游產品不可分離的成分，這兩個部分都屬于旅游公共服務。按照國家分類，旅游公共服務分為交通便捷服務、公共信息服務、安全保障服務、便民惠民服務、行政服務五大類。張家界的各項旅游公共服務建設都處于起步階段，沒有形成完備的體系，也沒有專門的規章制度規范旅游公共服務的發展，這明顯不符合張家界國際化旅游城市的定位。

水：自來水。

1.2 試驗方法

再生骨料預濕處理：先將再生粗骨料浸入水中，24 h后取出并自然風干，使粗骨料表面無水。

混凝土拌和物靜置儲存方法：將新拌混凝土拌和物裝入潤濕的容器內，表面覆蓋保鮮膜，靜置所需時間。

按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法》測量新拌混凝土的坍落度和流動度。

按照GB/T 50081—2019《普通混凝土力學性能測試方法》測量試塊7、28 d抗壓強度。

2 試驗

2.1 再生骨料的吸水性對混凝土的影響

再生粗骨料與天然粗骨料相比，由于吸水性使由其配制的再生骨料混凝土在工作性方面較差，為研究再生粗骨料的吸水程度，分別對再生骨料做不同的處理：A0采用天然骨料；A1采用再生粗骨料部分取代天然骨料，取代率為50%，對再生骨料不做任何處理；A2對取代率為50%的再生粗骨料做預濕處理；A3對取代率為50%的再生粗骨料不做任何處理，但在混凝土攪拌過程中后加一定量的附加水。本試驗水泥為金峰P·O 52.5，外加劑為TX600，混凝土強度等級為C30，配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比 單位：kg/m3

試驗結果如表2所示。從結果可以看出，A0組采用天然骨料拌和的混凝土，初始工作性能良好，靜置1 h后，坍落度為200 mm，損失較小；A1組初始坍落度和流動度較A0組都偏小，這是因為再生粗骨料中砂漿含量高，使初始流動度小，并且粗骨料內部機械破碎導致的裂縫使混凝土在靜置時進一步吸水，使坍損很大；A2組的初始和1 h后的坍落度、流動度都與A0相近，是因為預濕處理彌補了再生骨料混凝土吸水率大的缺陷；A3組與A0相比，初始混凝土拌和物泌水，這是附加水導致的，但靜置1 h后，混凝土狀態與A0相近，這是因為在靜置過程中，再生粗骨料的縫隙進一步吸收多余的水分，減輕泌水，混凝土狀態良好。

表2 混凝土試驗結果

再生粗骨料對混凝土的強度也有一定的影響，從表2可以看出，A0與A1相比，A1組混凝土的7 d和28 d強度均增大，A2和A3均低于A0的強度，且A3的強度低于A2的強度。抗壓強度方面的差異與再生混凝土的表面和內部結構有關：A1組的抗壓強度高于A0組，是因為再生粗骨料的內部微裂縫吸水率較大，并且該吸水過程較迅速，在混凝土硬化之前就完成了吸水過程，使得再生混凝土的實際水膠比降低（雖然名義上的水膠比相等），實際水膠比的降低使得A1組的抗壓強度高于A0組。A2和A3組的強度均低于A0組，一方面由于A2和A3組的水膠比（實際用水包括預濕用水、附加水和拌和水）比A0高；另一方面由于再生粗骨料表面粘附的砂漿影響新拌水泥膠凝體與骨料間的黏結性能，降低兩者之間的黏結強度；再者，破碎導致再生粗骨料內部的細微裂縫，在受力時進一步擴展，降低了混凝土的抗壓強度。A3比A2的抗壓強度低，是因為A3組混凝土初始泌水，混凝土成形時內部結構不緊密，導致抗壓強度較低。

2.2 再生骨料混凝土專用外加劑的應用

從以上試驗可以看出，再生粗骨料的吸水性影響了混凝土的工作性，雖然預濕處理和添加附加水的方法都能改善混凝土的工作性，但會降低混凝土的抗壓強度。應用再生骨料混凝土專用外加劑解決這一問題，在不影響混凝土抗壓強度的前提下，能夠提高再生混凝土的工作性，使之與天然粗骨料的性能相當。

2.2.1 再生骨料混凝土專用外加劑在再生粗骨料中的應用

本試驗在上海建工材料工程有限公司同玖攪拌站進行。該廠部分采用再生石子制備預拌混凝土，但在使用過程中，用水量大、坍損快，本試驗采用再生骨料混凝土專用外加劑TX600GF解決了再生石子坍損大的問題。試驗中，水泥采用金峰P·O 52.5普通硅酸鹽水泥；礦粉為寶田S95級礦渣粉；粉煤灰為Ⅱ級灰，天然中砂，細度模數為2.6；粒徑5～16 mm的石子全部為再生石子，粒徑5～25 mm的石子部分使用再生石子，部分為天然石子；外加劑為聚羧酸減水劑TX600和再生骨料混凝土專用外加劑TX600GF；混凝土強度等級為C35。配合比如表3所示，混凝土試驗結果如表4、表5所示。

表3 混凝土配合比 單位：kg/m3

由試驗結果可知，應用普通聚羧酸外加劑TX600配制的混凝土初始坍落度和流動度分別為220 mm和480 mm；1 h后坍落度的為150 mm，流動性很差；2 h后坍落度僅剩95 mm，已經沒有流動性。而使用再生骨料混凝土專用外加劑TX600GF配制的混凝土初始坍落度和流動度分別為230 mm和490 mm，和易性良好；1 h后的坍落度和流動度分別為200 mm和450 mm，工作性較好；2 h后的坍落度為185 mm，仍具有工作性。說明外加劑TX600GF在解決再生石子配制的混凝土坍落度損失量大的問題中作用效果非常明顯。

表4 混凝土狀態

表5 混凝土的試驗結果

2.2.2 再生骨料混凝土專用外加劑在特細砂與機制砂中的應用

本試驗在上海建工材料工程有限公司第七構件廠進行。該廠使用嘉善南方P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；機制砂與特細砂的混合砂，細度模數為2.4；粒徑5～16 mm的石子全部為再生石子，粒徑5～25 mm的石子部分使用再生石子，部分為天然石子；外加劑為聚羧酸減水劑TX600和再生骨料混凝土專用外加劑TX600GF；混凝土強度等級為C35。配合比如表6所示，混凝土試驗結果如表7所示。

表6 混凝土配合比 單位：kg/m3

表7 混凝土的試驗結果

由試驗結果可知，應用TX600和TX600GF配制的混凝土的初始狀態都良好，初始坍落度都為200 mm，流動度分別為600 mm和550 mm，工作性能良好，但是2 h后，采用TX600配制的混凝土坍落度僅剩60 mm，已經沒有流動性，使用再生骨料混凝土專用外加劑TX600GF配制的混凝土2 h后的坍落度和流動度分別為240 mm和600 mm，工作性能良好，同時7 d和28 d的抗壓強度基本一致。說明在采用特細砂與機制砂配制混凝土時，外加劑TX600GF能解決坍損快的問題，并且作用效果顯著。

2.2.3 再生骨料混凝土專用外加劑在含泥砂石料中的應用

本試驗在上海建工材料工程有限公司富康攪拌站進行。該廠砂石料的含泥量較高，一般需提高外加劑的摻量，本試驗在不提高外加劑摻量和成本基本不變的前提下，解決含泥量高的問題。

該廠使用金山P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；混合砂，細度模數為2.1，含泥量2.5%；天然石子，含泥量2.5%；外加劑為聚羧酸減水劑TX600和再生骨料混凝土專用外加劑TX600GF；混凝土強度等級為C35。配合比如表8所示，混凝土試驗結果如表9所示。

表8 混凝土配合比 單位：kg/m3

表9 混凝土的試驗結果

由試驗結果可知，應用外加劑TX600和TX600GF配制的混凝土初始坍落度分別為200 mm和220 mm，但是1 h后，采用TX600配制的混凝土坍落度僅剩120 mm，損失了40%，使用外加劑TX600GF配制的混凝土在1 h和2 h后的坍落度分別為210 mm和200 mm，基本沒損失。說明外加劑TX600GF在原材料含泥量高的情況下，所配制的混凝土的工作性保持良好，具有一定的抗泥效果。

3 結語

通過天然粗骨料與再生粗骨料（50%替代）的對比混凝土試驗可知，再生粗骨料的吸水率高，影響混凝土的工作性，對再生粗骨料進行預濕處理或者補充附加水能解決初始工作性問題，但會降低其抗壓強度，使用再生骨料混凝土專用外加劑TX600GF能解決再生骨料混凝土在工作性和抗壓強度方面的缺陷。同時，TX600GF對不同水泥（嘉善南方、金峰水泥、金山水泥）有良好的適應性，在使用機制砂、特細砂、再生石子、高含泥量的砂石料的情況下仍能滿足工作性能要求并具有良好的保坍性能，這對提高由建筑廢棄物配制的混凝土的質量有著非常重要的作用。