再生粗骨料多種改性方法對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度提升效果的試驗(yàn)

王江浩　耿歐　李富民

摘要：為對(duì)比粗骨料多種改性方法對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的提升效果，分別采用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鹽酸溶液和8%質(zhì)量分?jǐn)?shù)草酸溶液以及25%質(zhì)量分?jǐn)?shù)防水砂漿漿液和2%質(zhì)量分?jǐn)?shù)聚乙烯醇漿液對(duì)再生粗骨料進(jìn)行化學(xué)浸洗或物理填充，將處理得到的再生粗骨料制成邊長(zhǎng)為100 mm的立方體混凝土試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試。結(jié)果表明：粗骨料的不同處理方式對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度均有不同程度的提高，其中2%質(zhì)量分?jǐn)?shù)鹽酸溶液（處理效果接近最佳）、8%質(zhì)量分?jǐn)?shù)草酸溶液、25%質(zhì)量分?jǐn)?shù)防水砂漿漿液和2%質(zhì)量分?jǐn)?shù)聚乙烯醇漿液處理骨料分別可使混凝土抗壓強(qiáng)度提高11.84%，7%，4.37%，11.31%，并達(dá)到同級(jí)配天然碎石骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的96.63%，92.44%，90.18%，96.17%。

關(guān)鍵詞：廢棄混凝土；再生粗骨料；改性；抗壓強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：TU528.041文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract： In order to compare the effect of several measures by modifying recycled coarse aggregate on improving compressive strength of concrete， the HCl solution with different concentrations， H2C2O4 solution with concentration of 8%， waterproofing mortar solution with concentration of 25% and PVA solution with concentration of 2% were used to treat the recycled coarse aggregate samples by chemical immersion or physical filling， respectively. By using the treated recycled coarse aggregate，some cubic concrete samples with the dimension of 100 mm×100 mm×100 mm were fabricated for testing the compressive strength. The results show that different treatments may achieve an increase in the compressive strength of the mixed concrete to some different extents. Comparing with the untreated recycled coarse aggregate， the aggregates treated respectively with the abovementioned HCl solution with concentration of 2% （closing to the best effect）， H2C2O4 solution with concentration of 8%， waterproofing mortar solution with concentration of 25%， and PVA solution with concentration of 2% contribute to an increase in the compressive strength of the mixed concrete for 11.84%， 7%， 4.37% and 11.31%， respectively. The increased compressive strength achieves a good level as high as 96.63%， 92.44%， 90.18% and 96.17% of the concrete mixed with the natural coarse aggregate， which has the same grain composition with the recycled coarse aggregate.

Key words： waste concrete； recycled coarse aggregate； modification； compressive strength

0引言

由于規(guī)劃、設(shè)計(jì)及使用的不規(guī)范，中國(guó)建筑平均壽命僅為30年。目前已經(jīng)出現(xiàn)了大量被拆除或者即將被拆除的鋼筋混凝土建筑。這直接導(dǎo)致每年產(chǎn)生21億～28億噸建筑垃圾，其中廢棄混凝土占50%～60%[1]。目前廢棄混凝土的處理仍然以露天堆放及填埋為主，廢棄混凝土的弱堿性、難降解、堅(jiān)硬等特質(zhì)會(huì)對(duì)土地資源造成極大破壞。另一方面，中國(guó)作為世界上每年新建建筑量最大的國(guó)家，每年有約20億m2的新建建筑。骨料作為混凝土主要原料，每生產(chǎn)1 m3混凝土需消耗1 700～2 000 kg骨料[2]。僅2013年一年，中國(guó)混凝土使用砂石骨料的消耗就超過(guò)100億t。天然骨料的獲得不僅消耗大量不可再生資源，還會(huì)對(duì)環(huán)境造成破壞。將廢棄混凝土回收處理制成再生骨料替代天然骨料是目前可行的方法之一，這對(duì)節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境具有重要意義，符合國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略需求。

由于再生粗骨料特殊的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，其與天然粗骨料拌制的混凝土在力學(xué)等特性上存在明顯差異。

文獻(xiàn)[3]對(duì)再生粗骨料進(jìn)行了細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析，經(jīng)破碎所得的再生粗骨料表面分布有1～100 μm不等的細(xì)微裂縫，硬化水泥界面呈顆粒狀凹凸分布，形成松散的界面過(guò)渡區(qū)。同時(shí)文獻(xiàn)[3]還對(duì)再生粗骨料的基本性能進(jìn)行了測(cè)試，再生粗骨料具有表觀密度小、吸水率與含水率高、壓碎指標(biāo)值較高、針片狀含量小的特點(diǎn)。

文獻(xiàn)[4]使用再生粗骨料制作低強(qiáng)、中強(qiáng)、高強(qiáng)混凝土試塊，并進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、彈性模量和干縮性測(cè)試，結(jié)果表明：水灰比小于0.45時(shí)，再生骨料取代率高于40%的混凝土抗壓強(qiáng)度明顯降低，但彈性模量無(wú)明顯差異；干縮性測(cè)試中，100%再生粗骨料混凝土28 d齡期干縮率比天然骨料混凝土高出44%。文獻(xiàn)[5]的研究表明，再生粗骨料摻量的增加使混凝土彈性模量有一個(gè)明顯的降低。此外采用等量砂漿替代再生粗骨料，新拌混凝土工作性出現(xiàn)一個(gè)明顯的降低。筆者認(rèn)為以上現(xiàn)象是由于再生粗骨料高吸水率及高雜質(zhì)率造成的。文獻(xiàn)[6]采用不同齡期廢棄混凝土制得的再生粗骨料拌制混凝土進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果表明，不同齡期再生粗骨料均使新制混凝土抗壓強(qiáng)度降低，且降低程度隨齡期增大而增大，最大可達(dá)15%。文獻(xiàn)[7]分析了再生粗骨料取代率及骨料最大粒徑對(duì)混凝土強(qiáng)度、坍落度、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度等性能的影響。隨著混凝土中再生粗骨料摻量的增加，混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸減小，坍落度提高，抗折強(qiáng)度逐漸提高，且抗折強(qiáng)度隨再生粗骨料粒徑的增大而降低。文獻(xiàn)[8]，[9]通過(guò)試驗(yàn)研究了再生粗骨料對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。骨料級(jí)配調(diào)整前后，混凝土抗壓強(qiáng)度總體隨再生粗骨料取代率降低而增大。再生混凝土的長(zhǎng)期抗壓強(qiáng)度與普通混凝土有所不同，在28 d齡期之后，再生混凝土抗壓強(qiáng)度仍有較大增長(zhǎng)。再生混凝土的抗壓強(qiáng)度與其使用的再生粗骨料表觀密度基本呈線性關(guān)系。

文獻(xiàn)[10]，[11]，[12]將再生混凝土應(yīng)用在柱、框架及鋼管混凝土柱中進(jìn)行抗震試驗(yàn)，得到相近的試驗(yàn)結(jié)果：構(gòu)件破壞形式、滯回特性、剛度、承載力、骨架曲線、能量耗散等均與普通混凝土構(gòu)件相近，能夠提供良好的抗震性能，但仍劣于普通混凝土構(gòu)件。其中，文獻(xiàn)＼[10＼]經(jīng)試驗(yàn)得到鋼管再生混凝土柱剛度退化速率稍快于普通鋼管混凝土柱；文獻(xiàn)＼[11＼]指出再生混凝土柱延性比普通混凝土差，在摻入粉煤灰后延性得到改善但承載力下降；文獻(xiàn)＼[12＼]制作的再生混凝土框架表現(xiàn)為強(qiáng)柱弱梁形式，最大水平承載力比普通混凝土框架低2.3%～15.7%。

上述研究表明，未經(jīng)處理的再生粗骨料基本性質(zhì)劣于天然骨料，制成的混凝土與天然骨料混凝土相比也存在一定的差距。通過(guò)改性處理改善再生粗骨料基本性質(zhì)，從而提高再生混凝土性能成為一個(gè)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

文獻(xiàn)[13]對(duì)再生粗骨料進(jìn)行了鹽酸處理、硫酸處理、擦洗處理和加熱洗滌處理。試驗(yàn)結(jié)果顯示硫酸處理及加熱洗滌處理得到的骨料吸水率降低，其他性能與天然骨料相近，所制得的再生混凝土強(qiáng)度及特性與天然骨料混凝土基本相同。文獻(xiàn)[14]采用酸液處理法、水玻璃處理法、水泥漿液處理法、聚合物乳液處理法、有機(jī)硅防水劑處理法對(duì)再生粗骨料進(jìn)行處理，均取得了一定的強(qiáng)化效果。文獻(xiàn)[15]采用自制復(fù)合漿液用于強(qiáng)化再生粗骨料，并設(shè)計(jì)C30和C60強(qiáng)度的混凝土，骨料強(qiáng)化后制得的混凝土28 d抗壓強(qiáng)度較未強(qiáng)化骨料混凝土提高51.8%（C30）和31.4%（C60），未強(qiáng)化骨料混凝土抗壓強(qiáng)度未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，強(qiáng)化骨料混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。文獻(xiàn)[16]對(duì)再生粗骨料進(jìn)行了硅粉填充處理及超聲波清洗，所得的再生混凝土抗壓強(qiáng)度均有不同程度的增長(zhǎng)。

綜上所述，再生粗骨料對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響根據(jù)骨料級(jí)配、骨料取代率、骨料最大粒徑以及混凝土種類的不同而不同；另一方面，不同處理方式對(duì)再生粗骨料的改性效果也不同，而且差別較大；強(qiáng)化漿液的選取和強(qiáng)化機(jī)理仍需進(jìn)行大量的試驗(yàn)來(lái)研究，目前仍未找到比較經(jīng)濟(jì)合理的強(qiáng)化方式。

本文選用化學(xué)浸洗和物理填充2類再生粗骨料處理方法進(jìn)行對(duì)比研究，以期得到再生粗骨料的良好改性方案。

1試驗(yàn)方案

1.1試驗(yàn)材料

水泥采用PO 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥。所用砂為天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.75，含水率為2.88%。再生粗骨料取自江蘇省徐州市中國(guó)礦業(yè)大學(xué)建筑垃圾堆放場(chǎng)廢棄混凝土，經(jīng)人工和顎式破碎機(jī)二級(jí)破碎而成。再生粗骨料的基本性能和級(jí)配分別如表1，2所示。另外，對(duì)比用相同級(jí)配的天然碎石骨料，基本性能亦見(jiàn)表1。

水泥砂漿，骨料表面砂漿的平均覆蓋率隨粒徑的增大而減小，但減小趨勢(shì)并不顯著，粒形呈飽滿顆粒狀，并有少量純砂漿顆粒；經(jīng)化學(xué)浸洗的再生粗骨料[圖1（b），（c）]表面砂漿明顯減少，覆蓋率趨于一個(gè)極低值且無(wú)明顯差異，不受原始骨料粒徑、粒形影響，原始骨料粒形顯露，無(wú)純砂漿顆粒殘留；經(jīng)物理填充的再生粗骨料[圖1（d），（e）]表面被強(qiáng)化漿液覆蓋，原廢棄砂漿部分覆蓋均勻、致密，而外露原始骨料表面覆蓋相對(duì)薄弱，故漿液平均覆蓋率隨骨料粒徑增大而減小。1.3混凝土試件設(shè)計(jì)與制作

參照《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ 55—2000），按C30普通混凝土配合比配置再生混凝土。每種改性處理方式設(shè)置試件9個(gè)，共9組81個(gè)，試件編號(hào)如表4所示。試件成型后，在實(shí)驗(yàn)室靜置24 h后拆模，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d，試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，試件抗壓強(qiáng)度按《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》（GB/T 50081—2002）進(jìn)行測(cè)試。

總體上講，鹽酸處理再生骨料具有積極作用，而處理效果則與所用鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)密切相關(guān)。當(dāng)鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低（0%

2.2不同方法改性粗骨料的效果

不同改性方式處理的骨料制成的混凝土抗壓強(qiáng)度如圖3所示。未處理骨料混凝土抗壓強(qiáng)度僅為天然骨料混凝土的86.4%，經(jīng)處理的再生粗骨料混凝土抗壓強(qiáng)度較未處理的強(qiáng)度均有所提高，其中2%質(zhì)量分?jǐn)?shù)鹽酸處理效果最佳，再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度提高11.84%，達(dá)到天然骨料混凝土的96.63%；2%質(zhì)量分?jǐn)?shù)聚乙烯醇漿液處理使再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度提高11.31%，達(dá)到天然骨料混凝土的96.17%；8%質(zhì)量分?jǐn)?shù)草酸溶液處理使再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度提高7%，達(dá)到天然骨料混凝土的92.44%；25%質(zhì)量分?jǐn)?shù)防水砂漿處理使再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度提高4.37%，達(dá)到天然骨料混凝土的90.18%。即處理后的再生粗骨料試件抗壓強(qiáng)度均未達(dá)到天然骨料試件抗壓強(qiáng)度。

強(qiáng)化漿液的填充作用降低了表面砂漿的孔隙率，粘結(jié)作用能夠加固部分松散脆弱砂漿，從而有效改善再生粗骨料的表觀特性，提高混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度。

草酸對(duì)水泥砂漿的作用機(jī)理同鹽酸，故對(duì)骨料的改性效果也比較顯著，但仍不及2%質(zhì)量分?jǐn)?shù)鹽酸。這是因?yàn)椴菟崮芘c碳酸鈣反應(yīng)產(chǎn)生不溶于水的草酸鈣[21]附著在骨料表面，降低界面粘結(jié)性。同時(shí)草酸鈣呈弱酸性，在拌制混凝土過(guò)程中能夠與堿性混凝土反應(yīng)形成多個(gè)結(jié)晶水的水化鋁硫酸鈣，使試塊內(nèi)部尤其是骨料周圍孔隙率提高，體積膨脹[22]，最終導(dǎo)致試塊抗壓強(qiáng)度不及鹽酸處理骨料混凝土抗壓強(qiáng)度。

3討論

文獻(xiàn)[14]在室溫條件下，將再生粗骨料分別用0.1 mol·L-1的鹽酸溶液和硫酸溶液浸泡24 h，之后用清水洗去殘余酸液獲得改性骨料用于制作混凝土試塊，硫酸處理骨料混凝土抗壓強(qiáng)度最高，達(dá)到天然骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的95%。本文試驗(yàn)采用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)鹽酸溶液對(duì)再生粗骨料進(jìn)行改性處理，改性效果與文獻(xiàn)[14]的試驗(yàn)結(jié)果接近，在2%質(zhì)量分?jǐn)?shù)鹽酸下混凝土抗壓強(qiáng)度為天然骨料混凝土的96.63%，高于文獻(xiàn)[14]試驗(yàn)結(jié)果。由此可知對(duì)于同種改性漿液，處理液質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)對(duì)改性效果產(chǎn)生影響，且存在一個(gè)最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)值使骨料改性效果達(dá)到最佳。

文獻(xiàn)[16]采用自行配制的復(fù)合強(qiáng)化漿液強(qiáng)化再生粗骨料用于制作C30和C60混凝土試塊。強(qiáng)化漿液含固量為25%，由納米SiO2、納米CaCO3漿體、水玻璃和聚羧酸高效減水劑按照一定比例配制而成，骨料強(qiáng)化后制得的混凝土28 d抗壓強(qiáng)度較未強(qiáng)化骨料混凝土提高51.8%（C30）和31.4%（C60），未強(qiáng)化骨料混凝土抗壓強(qiáng)度未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，強(qiáng)化骨料混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。與文獻(xiàn)[16]相比，本文試驗(yàn)由于未處理再生粗骨料混凝土抗壓強(qiáng)度已經(jīng)能夠達(dá)到較高值，故防水砂漿及聚乙烯醇漿液對(duì)再生粗骨料改性并未使混凝土抗壓強(qiáng)度大幅度提升，但改性效果仍然明顯，分別達(dá)到天然骨料混凝土的90.18%和96.17%。由此可知，物理填充作為再生粗骨料的改性方式之一，其可行性是值得肯定的，但其改性效果因所用再生粗骨料自身特性不同而存在較大差異。4結(jié)語(yǔ)

（1）鹽酸溶液、草酸溶液通過(guò)化學(xué)浸洗的方式處理再生粗骨料，可以除去再生粗骨料表面廢棄砂漿，從而有效改善再生粗骨料細(xì)觀界面特性，提高再生混凝土抗壓強(qiáng)度。

（2）不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)鹽酸溶液對(duì)再生粗骨料改性效果不同。當(dāng)鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)c在0%～2%時(shí)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)與抗壓強(qiáng)度近似呈線性關(guān)系，且質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2%左右時(shí)抗壓強(qiáng)度最大，較未處理再生骨料混凝土提高11.84%，達(dá)到天然骨料混凝土的96.63%。當(dāng)鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)c>2%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增長(zhǎng)而降低，降低速率逐漸減小。

（3）防水砂漿和聚乙烯醇漿液通過(guò)物理填充的方式對(duì)再生粗骨料進(jìn)行處理，可以降低骨料表面水泥基孔隙率，從而提高再生混凝土抗壓強(qiáng)度；25%質(zhì)量分?jǐn)?shù)防水砂漿和2%質(zhì)量分?jǐn)?shù)聚乙烯醇漿液分別使再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度提高4.37%和11.31%，達(dá)到天然骨料混凝土的90.18%和96.17%。

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