攪拌對(duì)再生骨料的破碎影響

王 波，趙利軍，李雅潔，李 晨，劉朝陽(yáng)，李雪鵬

（長(zhǎng)安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710064）

0 引言

再生骨料混凝土（Recycled Aggregate Concrete，RAC），又稱為再生混凝土，是將廢棄混凝土經(jīng)過(guò)破碎、篩分、清理等工序，得到一定粒徑的再生骨料（Recycled Aggregate），將這些再生骨料以一定的摻量代替天然骨料而制備的混凝土。用于生產(chǎn)再生骨料的原始混凝土稱為原生混凝土（Original Concrete）；再生骨料由原生骨料（原生混凝土骨料）、硬化附著砂漿（Residual Mortar）以及兩者之間的界面過(guò)渡區(qū)（ITZ）組成。

再生骨料混凝土性能缺陷主要是再生骨料性狀畸變及界面過(guò)渡區(qū)的微裂紋[1，2]。目前針對(duì)再生骨料性狀畸變提出了再生骨料的整形強(qiáng)化技術(shù)，主要包括物理強(qiáng)化跟化學(xué)強(qiáng)化兩種方式[3]。此外，從生產(chǎn)工藝方面提出了改善方式即再生混凝土二次攪拌工藝，主要有粗細(xì)骨料造殼法、先拌水泥凈漿法、再生骨料裹灰法和水泥裹砂法[4]等幾種。普遍認(rèn)為這些二次攪拌工藝的改善機(jī)理主要是由于水泥漿體填充再生骨料表面多孔附著砂漿及界面過(guò)渡區(qū)微裂紋，從而獲得更加密實(shí)的界面過(guò)渡區(qū)結(jié)構(gòu)使得混凝土性能提升；法國(guó)學(xué)者B Cazacliu等[5]提出另一種改善原因：再生骨料在攪拌過(guò)程中發(fā)生破碎或磨耗產(chǎn)生的顆粒物填充到混凝土內(nèi)部，從而獲得更高的密實(shí)度，進(jìn)一步提升硬化混凝土強(qiáng)度。再生骨料在攪拌機(jī)中的破碎與磨耗程度會(huì)影響再生混凝土配比和各項(xiàng)性能指標(biāo)，不容忽視。本文通過(guò)試驗(yàn)研究再生骨料在攪拌機(jī)中的破碎與磨耗情況，對(duì)優(yōu)化配比與工藝具有重要指導(dǎo)作用。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)樣機(jī)

本次試驗(yàn)采用的試驗(yàn)樣機(jī)為仕高瑪MP75/50行星式攪拌機(jī)，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。整機(jī)主要由行星式攪拌裝置、鏈條驅(qū)動(dòng)升降裝置、自動(dòng)卸料裝置及機(jī)架組成。其中行星時(shí)攪拌裝置主要由三個(gè)與攪拌臂相連的自轉(zhuǎn)攪拌葉片和一個(gè)公轉(zhuǎn)側(cè)刮刀組成。自動(dòng)卸料裝置通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，直接翻轉(zhuǎn)攪拌筒完成卸料過(guò)程。

圖1 仕高瑪行星攪拌機(jī)整體結(jié)構(gòu)

1.2 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)選取用于生產(chǎn)再生骨料的原生混凝土材料為課題組試驗(yàn)所制備得到的C20混凝土試件，將這些C20試件利用顎式破碎機(jī)破碎，然后進(jìn)行篩分處理，得到粒徑為13.2 mm~19 mm的再生骨料顆粒用于本次試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)方法

首先對(duì)再生骨料與天然骨料的基本性能進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，根據(jù)《建設(shè)用卵石、碎石》（GB/T 14685—2011）[6]對(duì)再生骨料與天然骨料的壓碎指標(biāo)、表觀密度及吸水率進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，得到各項(xiàng)基本數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 再生骨料基本性能指標(biāo)

本試驗(yàn)主要包括再生骨料攪拌與篩分兩部分。首先將準(zhǔn)備好的粒徑為13.2 mm~19 mm的再生骨料顆粒投入到試驗(yàn)樣機(jī)中，分別以自轉(zhuǎn)30 r/min和55 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌不同時(shí)間，為了適應(yīng)目前常用攪拌工藝，在攪拌35 s后加入水濕拌一段時(shí)間，試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2所示，試驗(yàn)1-1表示以轉(zhuǎn)速55 r/min干拌35 s的攪拌參數(shù)對(duì)再生骨料進(jìn)行攪拌，試驗(yàn)1-2表示以轉(zhuǎn)速55 r/min干拌35 s后濕拌55 s的攪拌參數(shù)對(duì)再生骨料進(jìn)行攪拌，依此類推，表2中共設(shè)計(jì)了六種不同的攪拌參數(shù)來(lái)攪拌再生骨料。得到攪拌后的再生骨料如圖2所示。然后將攪拌后的再生骨料顆粒用標(biāo)準(zhǔn)方孔石子篩進(jìn)行篩分，記錄各層篩余質(zhì)量，其中方孔篩的孔徑分別為2.36 mm、4.75 mm、9.5 mm和13.2 mm.

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

對(duì)于篩分得到的粒徑小于2.5 mm的顆粒物，認(rèn)定其為再生骨料在攪拌機(jī)中磨耗產(chǎn)生；對(duì)于粒徑在2.5 mm~13.2 mm之間的顆粒物，認(rèn)定其為再生骨料在攪拌機(jī)中破碎產(chǎn)生。

圖2 攪拌前后的再生骨料

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)6組對(duì)比試驗(yàn)，以不同速度在行星攪拌機(jī)中攪拌不同時(shí)間，對(duì)攪拌后的再生骨料顆粒進(jìn)行篩分。如圖3所示為再生骨料顆粒攪拌后各層篩余粒徑分布情況，篩孔尺寸從大到小依次為13.2 mm、9.5 mm、4.75 mm、2.36 mm.

圖3 攪拌后再生骨料粒徑分布

2.1 攪拌后破碎顆粒磨耗質(zhì)量損失

再生骨料在攪拌過(guò)程中會(huì)發(fā)生磨耗和破碎兩種情況。其中關(guān)于再生骨料的磨耗，本文認(rèn)為將攪拌后顆粒粒徑小于2.5 mm的再生骨料顆粒物定義為磨耗質(zhì)量，其所占總質(zhì)量的百分比為磨耗質(zhì)量損失。根據(jù)磨耗質(zhì)量所占總質(zhì)量百分比繪制磨耗質(zhì)量損失柱形圖如圖4所示，可以明顯看出當(dāng)攪拌速度為55 r/min時(shí)，三種攪拌時(shí)間下磨耗質(zhì)量損失都明顯大于攪拌速度30 r/min時(shí)的磨耗質(zhì)量損失；與此同時(shí)，隨著攪拌時(shí)間的變長(zhǎng)，兩種攪拌速度下的磨耗質(zhì)量損失都明顯增加。

圖4 磨耗質(zhì)量損失

目前攪拌機(jī)常用攪拌速度為55 r/min，由圖4可知在該攪拌速度下隨著攪拌時(shí)間的增加，顆粒磨耗現(xiàn)象越明顯，試驗(yàn)1-3中磨耗質(zhì)量損失可達(dá)到3.85%，本文認(rèn)為這些大量的磨耗顆粒物主要是由于再生骨料表面附著砂漿在攪拌過(guò)程中發(fā)生了磨耗破碎產(chǎn)生的。當(dāng)攪拌生產(chǎn)再生混凝土?xí)r，這些攪拌再生骨料后產(chǎn)生的大量細(xì)顆粒物會(huì)影響再生混凝土的配比、力學(xué)性能與工作性等各項(xiàng)性能。

2.2 攪拌后破碎顆粒分計(jì)篩余率

如圖5所示為攪拌后再生骨料顆粒的分計(jì)篩余率，對(duì)比攪拌前再生骨料粒徑為13.2 mm~19 mm發(fā)現(xiàn)，在行星攪拌機(jī)中攪拌后的再生骨料發(fā)生了明顯的磨耗與破碎，且攪拌速度越大、攪拌時(shí)間越長(zhǎng)，磨耗破碎程度越明顯。攪拌后的破碎顆粒主要粒徑為10 mm~13.2 mm，如圖5所示，試驗(yàn)1-2有22.82%的再生骨料在攪拌機(jī)中破碎為粒徑10 mm~13.2 mm的顆粒。

圖5 分計(jì)篩余率

如圖6所示，本文認(rèn)為發(fā)生該現(xiàn)象的破碎形式主要有兩種：第一種是再生骨料在攪拌過(guò)程中表面附著砂漿發(fā)生破碎；第二種是在附著砂漿破碎后裸露出原始骨料，少量原始骨料顆粒也發(fā)生破碎。

圖6 再生骨料破碎形式

2.3 攪拌后破碎顆粒累計(jì)篩余率

如圖7所示為攪拌后再生骨料顆粒的累計(jì)篩余率，可以看出攪拌速度越快，攪拌時(shí)間越長(zhǎng)，累計(jì)篩余率越大，產(chǎn)生破碎顆粒越多。在6組試驗(yàn)中，篩孔孔徑為13.2 mm時(shí)累計(jì)篩余率均在20%以上，即破碎顆粒物所占再生骨料總質(zhì)量均在20%以上，這就表明再生骨料在攪拌機(jī)中的磨耗破碎異常明顯，不容忽視，尤其在試驗(yàn)1-3工況下該值可達(dá)28.71%.因此在攪拌生產(chǎn)再生混凝土?xí)r，必須要考慮到再生骨料在攪拌機(jī)中的破碎情況。這些磨耗破碎的顆粒會(huì)改變?cè)偕炷僚浔龋渲心ズ漠a(chǎn)生的部分細(xì)顆粒物會(huì)填充到再生混凝土中改變混凝土各項(xiàng)性能。

圖7 累計(jì)篩余率

再生骨料攪拌過(guò)程中導(dǎo)致骨料顆粒磨耗與破碎的原因主要有兩種，第一種是骨料顆粒在攪拌時(shí)撞擊到攪拌機(jī)筒壁上或旋轉(zhuǎn)固件（如攪拌臂或攪拌葉片）上而產(chǎn)生磨耗破碎[7]；第二種是骨料顆粒在攪拌筒內(nèi)自由空間中顆粒之間的相互摩擦碰撞而產(chǎn)生磨耗破碎。

3 結(jié)論

（1）再生骨料在行星攪拌機(jī)中會(huì)發(fā)生磨耗與破碎現(xiàn)象，攪拌速度越大，攪拌時(shí)間越長(zhǎng)，磨耗與破碎現(xiàn)象越明顯，試驗(yàn)1-3中，28.72%的再生骨料發(fā)生磨耗破碎，產(chǎn)生不同粒徑的顆粒物。

（2）破碎后的再生骨料粒徑主要為10 mm~13.2 mm，試驗(yàn)1-2中，有28.71%的再生骨料在攪拌機(jī)中破碎為粒徑10 mm~13.2 mm的顆粒。

（3）磨耗與破碎產(chǎn)生的不同粒徑顆粒物會(huì)影響再生混凝土配比，進(jìn)一步可能影響混凝土性能。