再生混凝土制備工藝研究進展

任 濤

(中鐵十七局集團第二工程有限公司 陜西西安 710024)

1 引言

隨著我國交通建設、建筑工程以及水利水電等基礎設施建設行業的迅速發展，工程建設中的集料供應缺口越來越大[1]。為了解決工程建設中集料不足以及廢棄混凝土填埋處理造成污染環境的問題，常采用將廢棄混凝土經破碎、篩分等工藝制備再生骨料，部分或全部代替天然骨料配制再生混凝土用于基礎設施建設中的消納方法。但在實際應用過程中依然存在再生骨料取代率低，且再生混凝土僅在非承重附屬結構小范圍使用的問題[2]。

國內外研究學者對再生混凝土工作性、力學特性、收縮性以及耐久性的提升技術做了大量的研究工作并取得了一定的成果[3-6]。目前眾多新材料和新技術措施能夠針對性解決再生混凝土的特定性能缺陷，但存在應用可行性與經濟性的限制，難以系統性地解決再生混凝土的大范圍應用問題。再生混凝土在基礎設施建設中的應用包括設計、制備與施工等多個環節，由于再生骨料與天然骨料之間性能差異，傳統水泥混凝土制備方法不能完全適應于再生混凝土的工程施工，部分學者針對再生混凝土組成設計方法核心科學問題和再生混凝土制備的關鍵技術問題分別進行了深入研究，但相應的系統性綜述分析卻鮮有涉及。

鑒于再生混凝土制備工藝對再生混凝土在基礎設施建設推廣應用的關鍵作用，為了大幅度提高再生骨料在基礎設施建設中的利用率并擴大其使用范圍，有效地實現再生混凝土的應用價值和經濟效益，本文系統地評述了再生混凝土制備工藝中關鍵環節的研究現狀，分析現有研究存在的問題并對后續研究提出了建設性意見。

2 再生混凝土制備工藝

水泥混凝土的制備是將水泥、骨料、水、外加材料按設計配合比稱量后，拌制成質地均勻、顏色一致、具有一定流動性的混凝土拌和物。考慮再生骨料與天然骨料差異性較大，傳統方法難以應用于制備再生混凝土，國內外學者對再生混凝土制備流程中拌和工藝等關鍵環節進行了深入的研究[7-8]。

再生混凝土結構較普通混凝土結構復雜，普通混凝土具有骨料-砂漿單一界面過渡區(Interfacial Transition Zone，ITZ)，而再生混凝土內部具有三個界面過渡區，見圖1:再生骨料和舊水泥砂漿界面過渡區(ITZ-1)，天然骨料和新砂漿之間的界面過渡區(ITZ-2)，新砂漿和舊砂漿之間的界面過渡區(ITZ-3)。

圖1 再生混凝土界面過渡區示意

大量研究表明，ITZ是混凝土中最薄弱的部位，混凝土受外力作用時，ITZ處存在很多細小的毛孔和裂紋(見圖2)，裂紋容易從ITZ處產生和擴展，從而影響混凝土的強度；離子擴散和溶液滲透也容易將ITZ作為遷移通道，進而嚴重影響混凝土材料耐久性。再生混凝土ITZ較普通混凝土ITZ結構更復雜是其力學性能以及耐久性不足的主要原因之一。

圖2 再生混凝土界面過渡區形貌

為了改善再生混凝土ITZ，國內外學者通常采用優化拌和工藝增加拌和次數，進而提升再生混凝土力學及耐久性[9-10]。本文對近年來國內外常用的再生混凝土拌和工藝進行總結分析，為了進一步評價其對再生混凝土性能的改善作用，統一采用抗壓強度比(采用特殊拌和工藝制備的混凝土28 d抗壓強度與傳統工藝制備的再生混凝土28 d抗壓強度之比)進行評價，再生混凝土拌和工藝匯總見表1。從表1可以看出，目前國內外對拌和工藝的研究大致可分為二次攪拌法、三次攪拌法以及振動攪拌。

表1 再生混凝土拌和工藝

續表1

(1)二次攪拌法

二次攪拌工藝早期是由Miyazato等人提出的一種名為雙重混合方法(Double mixing methods，DM)。二次攪拌制備方法的重點在于在混凝土攪拌過程中對于水補充時間上做出了一定調整，將水分成兩階段分次加入，分別發揮水在不同階段所需要的不同作用，用于解決再生混凝土受內部微裂紋和表面砂漿影響導致再生骨料的孔隙率、吸水率和壓碎值增大等問題，提高混凝土強度、抗氯離子滲透性和抗碳化能力[11]。同時，從制備方法上擴寬了再生混凝土的應用范圍，也為其他攪拌方法提供了重要的參考意見。

(2)三次攪拌法

三次攪拌是在二次攪拌工藝的基礎上通過增加礦物摻合料環節進一步提升再生混凝土的性能。其原理為攪拌過程中摻入硅灰、硅粉漿料、納米SiO2礦物摻合料形成微粉漿體裹覆到再生骨料表面修復其表面缺陷，同時具有活性的微粒可以填充在再生混凝土過渡區和孔隙中，從而綜合提升再生混凝土力學性能及耐久性能。

(3)振動攪拌

傳統強制式攪拌只能在短時間能使拌和料達到宏觀上的勻質性，但是微觀層次上勻質性較差，仍存在未參加水化反應的小水泥團以及骨料部分表面未覆蓋膠凝材料的情況，會直接影響到混凝土的力學性能和耐久性。振動攪拌是在普通攪拌機所具有的宏觀對流運動的基礎上，采用振動和攪拌一體化技術，使振動攪拌機具有了高頻微觀擴散運動。通過振動電機連接攪拌軸，使攪拌軸在低速攪拌同時以每秒20～30的頻次高頻振動，攪拌軸帶動攪拌臂和攪拌葉片振動的一種新型攪拌模式。董武等[12]采用振動攪拌法，在振動圓頻率為185 rad/s、振幅為1.2 mm的條件下進行試驗，相對傳統攪拌技術，抗壓強度提升了20.7%。振動攪拌有利于提升再生混凝土微觀密實度，使水泥顆粒均勻地分布在水中，有利于水分與水泥顆粒充分接觸，促進了水化硅酸鈣的形成，從而改善了再生混凝土的微觀結構與性能。振動拌和設備在攪拌與振動共同作用下，各組分在短時間內達到宏觀與微觀的均勻混合，從而盡量消除再生骨料中的微裂紋和孔隙，以達到提高再生混凝土性能的目的。傳統攪拌與振動攪拌制備再生混凝土的微觀結構分別見圖3和圖4。

圖3 傳統攪拌方式制備再生混凝土的微觀結構

圖4 振動攪拌方式制備再生混凝土的微觀結構

綜上，多次攪拌工藝相較于單次攪拌工藝的優化主要體現在界面過渡區和孔結構的改善。無論是通過水的分階段加入還是拌和過程中礦物的添加，目的是為減少再生混凝土內部ITZ以及再生骨料上的微裂紋，增加了再生混凝土材料的密實度，從而改善再生混凝土的力學性能和耐久性。就多次攪拌制備工藝流程設計而言，其中大多數的制備工藝通過控制投料順序和水的投入次數以及添加外加劑或礦物摻合料來進行調整優化。從試驗結果來看三次攪拌工藝相較于二次攪拌工藝有一定的力學與耐久性能提升。但是三次攪拌工藝過程中一般添加外加劑或礦物摻合料，相較于二次攪拌工藝一般都會有更加繁雜的流程。隨著研究不斷地深入，對于二次拌和工藝，建議進一步加強對加水比例、加水次數與再生混凝土性能內在聯系的研究。對于三次拌和，建議進一步研究加水比例、加水時機與外加劑、礦物摻合料摻加工藝參數對再生混凝土性能的影響，建立參數之間的相互內在關聯，最終實現拌和工藝的最優化。

再生混凝土設計方法與制備工藝關聯性較強，如設計中摻加摻合料會涉及到拌和工藝調整，然而目前研究再生混凝土設計方法與制備工藝均為獨立研究個體，二者之間的關聯性研究不足，建議加強再生混凝土設計方法與制備工藝的協同研究，實現設計與制備一體化，降低成本，大幅度提高再生混凝土性能。

3 結論與展望

本文系統地評述了再生混凝土材料組成設計方法與制備工藝中關鍵環節的研究現狀，分析現有研究存在問題并對后續研究提出了意見。

(1)多次攪拌工藝相較于單次攪拌工藝的優化主要體現在界面過渡區和孔結構的改善。三次攪拌工藝較二次攪拌工藝提升了再生混凝土的力學與耐久性能。

(2)建議進一步研究加水比例、加水時機以及外加劑、礦物摻合料對再生混凝土性能的影響，建立各關鍵參數之間的相互內在關聯，最終實現拌和工藝的最優化。

(3)建議加強再生混凝土設計方法與制備工藝的協同研究，提高再生混凝土性能的同時降低生產成本。