再生粗骨料用作混凝土內養(yǎng)護媒介的實驗研究

楊先忠,江晨暉,沈萬岳

(浙江建設職業(yè)技術學院,浙江 杭州 311231)

1 概 述

近年來,隨著我國城鎮(zhèn)化進程的不斷提速和升級,海量的新建和拆除垃圾不可避免地產生了。這些垃圾占城市垃圾總量的30%～40%,其中很大一部分是廢棄混凝土(waste concrete)。據不完全統(tǒng)計,中國大陸每年產生的廢棄混凝土以20億噸的速率不斷遞增[1]。對這些廢棄混凝土的傳統(tǒng)處理方法是辟地堆放或填埋,這不僅侵占了大量寶貴耕地,更誘發(fā)了環(huán)境污染和生態(tài)失衡。大量研究和應用表明[1-2],對廢棄混凝土進行回收再生利用,尤其是對其中的骨料部分經合理化加工處理后獲得的再生骨料(recycled concrete aggregate,下文均簡稱RCA)予以重復利用——生產再生骨料混凝土(recycled aggregate concrete,簡作RAC),不僅是處理這一固體廢棄物的有效途徑,更是節(jié)約非再生資源、開發(fā)綠色建材的得力舉措。

過去十年來,我國在參照發(fā)達國家和地區(qū)研究和應用經驗的基礎上,針對RCA和RAC進行了大量實驗及理論研究,其中以同濟大學肖建莊教授為代表的研究團隊更是走在前列,為RAC的工程應用奠定了深厚的理論基礎和技術支撐。

RCA與原生(天然)骨料(natural aggregate,下文均簡稱NCA)最根本的區(qū)別在于前者表面包裹著體積分數約占20%～30%的老砂漿或老水泥漿。這使得RCA具有表觀密度小(飽和面干表觀密度為2.31～2.62 g/cm3)、吸水率高(24 h吸水率可達9.25%,遠高于NCA,具體吸水率與生產它的廢棄混凝土有關)、高孔隙率(約為23%)、高壓碎指標值(9%～23%)等有異于NCA的性質[1]。RCA吸水率高的特點,使得其可能具有另一附加特性[3]——“內養(yǎng)護效應”(internal curing effect)。

關于“內養(yǎng)護效應”,美國混凝土學會(ACI)是這樣定義的：“混凝土拌制時將預濕輕骨料摻入其中,在混凝土內部蓄存?zhèn)溆盟?以便及時釋放并供給水化所需水分或由于外部蒸發(fā)、自干燥而散失的水分?！北M管輕骨料是最先研究也最常用的內養(yǎng)護媒介(internal curing agent),但后來的研究證明,高吸水性樹脂、天然纖維(如木纖維)等具有較好吸水和保水能力的物質均可用作內養(yǎng)護媒介[4-5]。本文則旨在通過試驗手段初步評估RCA用作內養(yǎng)護媒介的可行性。

2 內養(yǎng)護的機理和作用

圖1較為直觀地對比了內、外養(yǎng)護方式的主要區(qū)別。由于外部養(yǎng)護是“由外而內”的,水分的有效滲入深度大大受到混凝土滲透性的影響。對于低水膠比的混凝土而言,外部水分的滲入深度和速率都是很有限的。與此不同,內部養(yǎng)護可謂是“自內而外”和“均勻分布”的,其實際效果則隨內養(yǎng)護媒介的攜水能力(準確地說是解吸能力)和空間分布有關。

混凝土凝結和硬化過程中,如果其內部水分由于蒸發(fā)而耗散,一方面會造成水化反應變慢甚至停滯,使混凝土的強度發(fā)展受到限制,另一方面則會導致混凝土收縮及收縮受約束而發(fā)生開裂。為了避免混凝土內部水分的逸散,工程中通常采用表面密封(如包裹塑料膜、噴涂養(yǎng)護劑)和外部補水(如覆蓋飽水織物、噴霧、蓄水等)的外部養(yǎng)護(external curing)方法。前一類方法僅阻止自身水分散失而后者則補充額外水分,這對于通常具有低水膠比的高性能混凝土而言是非常重要的,因為此類混凝土即便沒有水分耗散,也可能因水化反應而發(fā)生自干燥收縮(self-desiccation shrinkage)[4-5]。

圖1 內、外養(yǎng)護方式對比

3 實 驗

3.1 原材料和配合比

3.1.1 原材料

制備混凝土的水泥(C)由杭州某水泥股份有限公司提供,品種為符合《通用硅酸鹽水泥(GB 175—2007)》的P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥。用于改善拌合物流動性的減水劑(WRA)由南京某建材供應商提供,系聚羧酸鹽超塑化劑,固含量為42%。

為了考察再生骨料品種對內養(yǎng)護效果的影響,選用了兩種再生粗骨料(圖2)：第1種再生骨料(RCA-I)來自于既有混凝土結構拆除的廢棄混凝土,原混凝土的強度等級為C25,服役時間為24年；第2種再生骨料(RCA-II)來自于預拌混凝土廠回收的殘余混凝土,這些殘余混凝土由不同配合比的混凝土混合而成。RCA-I、RCA-II的相關技術指標均符合《再生混凝土應用技術規(guī)程(DG/T J08—2018—2007)》規(guī)定的I級再生粗集料,相對來說,RCA-I的總體質量高于RCA-II。作為與再生骨料的對比,另外選用了一種原生粗骨料(NCA,見圖2)。該骨料與所選用的2種再生粗骨料的母巖同為石灰?guī)r,粒徑范圍均為5～20 mm。NCA、RCA-I和RCA-II的表觀密度分別為2.78 g/cm3、2.65 g/cm3、2.68 g/cm3,三者的質量吸水率分別為1.37%、4.39%、7.18%。細骨料均采用天然河砂,表觀密度為2.64 g/cm3,質量吸水率為4.26%,細度模數為2.64。

圖2 再生骨料和原生骨料顆粒形貌

3.1.2 混凝土配合比

共設計了3種混凝土配合比,見表1。全部配合比的名義水灰比(不考慮骨料中的水分)相同,均為0.35。若將骨料中可能釋放的水分全部計入有效拌合水,則這三種混凝土的實際水灰比分別為0.379、0.447、0.499。然而,骨料所含水分的解吸須待混凝土內部相對濕度下降到一定的水平(Bentz認為應達到93%[6])才會發(fā)生。唯有如此,內養(yǎng)護才能真正發(fā)揮應有的作用。各配合比的粗骨料體積分數亦保持不變,由于3種粗骨料的表觀密度不同,故單方的粗骨料重量有所區(qū)別。所有骨料的用量均對應完全飽水狀態(tài)下(即含水率為100%)的用量。

秸稈氣化集中供氣采用了城市管道煤氣相似的輸送方法，以小城鎮(zhèn)或自然村為單位，一臺或多臺氣化設備聯(lián)合使用，建設一個集中氧化供應站，將氣化機組產出的燃氣經過降溫、除塵、除焦油等措施后變成潔凈燃氣，再由風機成真空泵輸送至儲氣罐，再經過管網送入用戶。

表1 混凝土配合比

3.2 實驗內容及方法

3.2.1 混凝土攪拌

混凝土采用200 L單臥軸強制式攪拌機拌合。拌合流程如下：先將水泥與細骨料拌合,低速攪拌15 s；加入一半的拌合水,先慢拌15 s再快拌15 s；將剩下的一半拌合水與預濕粗骨料一起加入后,連續(xù)快拌3 min；靜置1 min后再快拌2 min。減水劑應須事先溶解分散于拌合水中。完成全部拌合步驟后,立即進行拌合物試驗和試件成型。

3.2.2 養(yǎng)護條件設置

為了把握(外部)養(yǎng)護條件對再生骨料內養(yǎng)護效應可能產生的影響,設置了以下兩種養(yǎng)護條件：其一,標準養(yǎng)護,環(huán)境溫度為(20±2) ℃、相對濕度為(95±5)%；其二,類現(xiàn)場養(yǎng)護,先以保濕織物(如麻袋或無紡布)和薄膜覆蓋7 d,之后直接暴露于相對濕度為(60±5)%的環(huán)境中,養(yǎng)護溫度同標準養(yǎng)護。

3.2.3 性能測試要點

參照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準(GB/T 50080—2016)》和《普通混凝土力學性能試驗方法標準(GB 50081—2002)》規(guī)定的方法分別測試3種混凝土的坍落度、含氣量、表觀密度、立方體抗壓強度、壓縮彈性模量和劈裂抗拉強度。其中表觀密度的測試齡期分別為拌合完成時、14 d、28 d、60 d、90 d；抗壓強度的測試齡期分別為7 d、14 d、28 d、60 d、90 d；彈性模量、劈裂抗拉強度的測試齡期均為28 d和90 d。

4 結果與討論

4.1 表觀密度

圖3直觀地呈現(xiàn)了3種混凝土在2種養(yǎng)護條件下的表觀密度隨齡期的變化態(tài)勢。凡例中,“-S”代表標準養(yǎng)護條件,“-D”代表類現(xiàn)場養(yǎng)護條件,以下各圖皆同此規(guī)定。橫坐標“0”點對應的數據是指新拌混凝土的表觀密度,由于對應2種養(yǎng)護條件的同一配比的混凝土來自于同一攪拌批次,故它們的初始表觀密度兩兩相同。類現(xiàn)場養(yǎng)護條件的混凝土試件從7d齡期開始暴露于干燥環(huán)境中。

圖3 不同齡期混凝土的表觀密度

盡管圖3呈現(xiàn)的數據一致性不是特別好(或存在一些變異),但這樣幾個方面的總體趨勢是較為明顯的。首先,標準養(yǎng)護條件下混凝土的表觀密度保持穩(wěn)定的前提下略有增大的趨勢。通常認為,表觀密度的變化主要與混凝土內部水分含量的變化有關。由于標準養(yǎng)護的濕度高,混凝土內部水分不易逸散,故表觀密度基本不變。反之,類現(xiàn)場養(yǎng)護條件對應的環(huán)境濕度較低,混凝土(特別是早齡期)失水較快,因此表觀密度隨齡期而減小。其次,混凝土的表觀密度與骨料的表觀密度具有一致性,即RAC的表觀密度普遍小于NAC。骨料的蓄水能力隨其吸水率的不同而改變,本文的3種粗骨料按內養(yǎng)護水量由多到少排序,應該是RCA-II、RCA-I、NAC。經過83 d持續(xù)暴露于干燥環(huán)境,RAC-II失去的水分最多,其次是NAC,最少的是RAC-I。這表明含水量越多,意味著混凝土水化消耗的水越多。

4.2 抗壓強度

圖4 不同齡期混凝土的抗壓強度

圖4為混凝土的抗壓強度發(fā)展特性。一方面,RCA對混凝土強度的影響與其品質有關。同養(yǎng)護條件的情況對比發(fā)現(xiàn),用質量較好的RCA-I制備的RAC-I強度高于NAC,而以質量較差的RCA-II制備的RAC-II強度則低于NAC。另一方面,混凝土強度受養(yǎng)護條件的影響較大,標準養(yǎng)護條件下的強度及其發(fā)展速率都明顯高于類現(xiàn)場養(yǎng)護條件。這客觀地反映了外部養(yǎng)護對強度發(fā)展的重要性。與NAC-D的對應情況相比,RAC-I-D在7 d、14 d、28 d的抗壓強度分別增長11.3%、14.7%、19.6%,平均增幅為15.2%。與NAC-S的對應情況相比,RAC-I-S在7 d、14 d、28 d的抗壓強度則分別增長4.6%、8.1%、11.7%,平均增幅為8.1%。類似地,RAC-II-D在7 d、14 d、28 d的抗壓強度分別為NAC-D對應情況的94.8%、103.6%、100.2%,平均減幅為0.5%。RAC-II-S在7 d、14 d、28 d的抗壓強度分別為NAC-S對應情況的91.9%、90.9%、94.6%,平均減幅為7.5%。上述數據的比較表明,對于較為惡劣的養(yǎng)護條件而言,粗骨料內蓄存的內養(yǎng)護水對于混凝土的強度增長是極為有利的；對于加濕養(yǎng)護的情況而言,內養(yǎng)護水對強度的貢獻基本上可以忽略不計。

4.3 劈裂強度和彈性模量

混凝土28 d和90 d的劈裂抗拉強度和壓縮彈性模量見圖5。無論高品質的RCA-I還是低品質的RCA-II,它們都會使混凝土的劈裂強度降低,且這一特征不受養(yǎng)護條件的影響。從試驗過程中發(fā)現(xiàn),試件的劈裂破壞面均從粗骨料內部貫穿。這說明劈裂強度很大程度上取決于粗骨料的強度。干燥養(yǎng)護條件對NAC劈裂強度的影響較2種RAC明顯,這可能與干燥養(yǎng)護對NAC水泥石基相的負面影響比RAC顯著[3]。

與抗壓強度的試驗相似,試件的含水率對測試結果有較大影響,比較不同養(yǎng)護條件下的試驗結果時,須對其加以修正[7]。就本文的研究對象而言,RCA具有減小混凝土彈性模量的效應,這與以往的相關研究報道[8]并無二致。就現(xiàn)有的試驗數據來看,養(yǎng)護條件對彈性模量的影響不如強度顯著。

對于NAC,劈裂強度、彈性模量與抗壓強度之間存在較好的相關性[7]。基于以上分析,由于NCA對這3個力學性能基本指標的影響特性不具有一致性,因此適用于NAC的力學性能相關性規(guī)律和經驗公式并不能直接用于RAC。

圖5 不同齡期混凝土的劈裂強度和彈性模量

5 結 語

基于上述實驗研究內容和初步結果,可歸納出以下結論：

1)內養(yǎng)護是一種不同于傳統(tǒng)養(yǎng)護方式的全新養(yǎng)護技術。再生粗骨料吸水率高、持水能力強的特性使得其有望成為一種新的內養(yǎng)護媒介。

2)外養(yǎng)護協(xié)同內養(yǎng)護的復合養(yǎng)護方式能長期有效地保持混凝土的內部水分,以便混凝土力學性能發(fā)展。

3)對于較為惡劣的養(yǎng)護條件而言,粗骨料內蓄存的內養(yǎng)護水對于混凝土的強度增長是極為有利的；對于加濕養(yǎng)護的情況而言,內養(yǎng)護水對強度的貢獻基本上可以忽略。

4)以預濕粗骨料作為內養(yǎng)護媒介,一定程度上降低了混凝土的抗拉強度和彈性模量。

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