高取代率再生骨料強(qiáng)化混凝土的性能優(yōu)化研究

陳衛(wèi)平

上海建工材料工程有限公司 上海 200086

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)產(chǎn)生的建筑垃圾總量每年以8%的增長(zhǎng)率上升，預(yù)計(jì)到2020年總量達(dá)到6.4億 t，其中廢棄混凝土量達(dá)到5 000萬(wàn)～7 000萬(wàn) t[1]。這些廢棄混凝土如不加以利用，會(huì)占用大量土地，耗用建設(shè)經(jīng)費(fèi)并造成環(huán)境污染，因此對(duì)廢棄混凝土進(jìn)行破碎、篩分以及洗滌后形成再生骨料用于再生混凝土的制備，不僅能夠避免天然骨料過(guò)度開(kāi)采所帶來(lái)的環(huán)境破壞，還能有效地回收和利用廢棄資源[2]，具有非常重要的社會(huì)、生態(tài)和經(jīng)濟(jì)意義。但是再生骨料普遍呈現(xiàn)出砂漿附著率以及含雜質(zhì)量高等特征，嚴(yán)重影響再生骨料吸水率、壓碎指標(biāo)和堆積孔隙率等關(guān)鍵性能，因而會(huì)導(dǎo)致再生混凝土的工作性能和力學(xué)性能的劣化[3]。

針對(duì)高取代率再生骨料吸水率高和吸水速率快導(dǎo)致的工作性能差和砂漿包裹不足等缺點(diǎn)，需要對(duì)高取代率再生骨料混凝土的漿骨比進(jìn)行重新設(shè)置。史才軍等[4]提出了應(yīng)用廣泛的Metha-Aitcin配合比設(shè)計(jì)方法，認(rèn)為水泥漿體的體積分?jǐn)?shù)為35%時(shí)，混凝土的強(qiáng)度、工作性能和體積穩(wěn)定性達(dá)到最佳平衡狀態(tài)。而Xiao等[5]對(duì)不同取代率的再生骨料混凝土進(jìn)行力學(xué)性能研究，得出20%以下的骨料取代率對(duì)再生混凝土抗壓強(qiáng)度的影響很小，50%以上骨料取代率對(duì)抗壓強(qiáng)度的不利影響較大，而全骨料取代能降低再生混凝土20%～40%的抗壓強(qiáng)度的結(jié)論。為了提高再生骨料混凝土的骨料取代率和性能指標(biāo)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用多種方法對(duì)再生骨料進(jìn)行強(qiáng)化處理。Tam等[6]采用HCl、H2SO4和H3PO4等3種酸來(lái)降低骨料吸水率，發(fā)現(xiàn)當(dāng)酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)20%時(shí)，對(duì)附著砂漿的去除效果較好，其吸水率降低約10%；程海麗等[7]發(fā)現(xiàn)水玻璃濃度和浸泡時(shí)間對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響較大，在5%濃度水玻璃中處理1 h后，抗壓強(qiáng)度提高約20%，而在30%濃度溶液中浸泡處理1 d，抗壓強(qiáng)度反而降低。Katz[8]和Shayan等[9]用火山灰材料制備均質(zhì)的火山灰漿體，再將再生骨料浸泡在漿體中，利用其吸水性將火山灰顆粒填充到孔隙內(nèi)，抗壓強(qiáng)度提高約5%。Zhang等[10]采用碳化處理法使再生骨料附著漿體中的水化產(chǎn)物Ca(OH)2和C-S-H（水化硅酸鈣）與CO2反應(yīng)生成CaCO3和無(wú)定型硅膠SiO2·nH2O，改善了再生混凝土的雙界面性能，從而提高了抗壓強(qiáng)度。

本研究通過(guò)優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)并分別采用硅酸鈣納米凝膠溶液和聚乙烯醇（PVA）溶液對(duì)再生骨料進(jìn)行表面強(qiáng)化處理，來(lái)制備再生骨料替代率為100%的再生骨料混凝土。具體通過(guò)測(cè)試在不同配合比下的再生骨料混凝土的坍落度和抗壓強(qiáng)度來(lái)選取最優(yōu)配合比。在最優(yōu)配合比的基礎(chǔ)上，對(duì)再生骨料強(qiáng)化混凝土的坍落度、抗壓強(qiáng)度和耐久性進(jìn)行測(cè)試，分析其強(qiáng)化機(jī)制。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

本試驗(yàn)采用的P·O 42.5水泥由上海金山南方水泥有限公司生產(chǎn)；黃砂采用符合GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》規(guī)定的中砂；骨料使用5～25 mm連續(xù)粒級(jí)再生骨料，其性能指標(biāo)如表1所示；外加劑采用上海建工材料工程有限公司生產(chǎn)的701中效減水劑；礦物摻合料分別使用張家港恒昌新型建材有限公司產(chǎn)S95級(jí)礦渣微粉和上海杜云企業(yè)發(fā)展有限公司產(chǎn)Ⅱ級(jí)粉煤灰；硅酸鈣納米凝膠溶液由上海建工材料工程有限公司生產(chǎn)；4%濃度的PVA溶液采用市售的PVA-1788配制。

表1 再生骨料性能指標(biāo)

1.2 試樣制備

為了優(yōu)化高取代率再生骨料混凝土的配合比，再生骨料混凝土配合比的選取如表2所示。準(zhǔn)確稱量各組原材料質(zhì)量，將再生骨料、黃砂、水泥、礦粉和粉煤灰投入攪拌機(jī)進(jìn)行預(yù)攪拌至均勻，然后將減水劑溶于水中，緩慢加入攪拌機(jī)，攪拌混凝土至均勻狀態(tài)后，制作100 mm× 100 mm×100 mm的立方體試塊。24 h后脫模放置于標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境（20 ℃±2 ℃，相對(duì)濕度＞95%）中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)備用，至指定齡期后取出進(jìn)行相應(yīng)測(cè)試。

在對(duì)配合比進(jìn)行優(yōu)化的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步提高高取代率再生骨料混凝土的性能，對(duì)再生骨料進(jìn)行強(qiáng)化處理。分別采用硅酸鈣納米凝膠溶液和PVA溶液對(duì)再生骨料進(jìn)行24 h的浸泡處理，然后放置于60 ℃的烘箱中烘24 h至恒重備用。再生骨料強(qiáng)化混凝土配合比如表3所示。

表2 不同漿骨比的再生骨料混凝土相關(guān)參數(shù)

表3 再生骨料強(qiáng)化混凝土相關(guān)參數(shù)

1.3 測(cè)試方法

新拌混凝土工作性能按GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試，硬化混凝土力學(xué)性能按GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試，耐久性試驗(yàn)按GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試樣方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 高取代率再生骨料混凝土配合比優(yōu)化研究

2.1.1 坍落度

坍落度測(cè)試是評(píng)價(jià)混凝土工作性能的重要指標(biāo)之一。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了不同高取代率再生骨料混凝土的配合比，測(cè)試每種漿骨比下的混凝土初始坍落度和1 h坍落度，其結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出，隨著漿骨比的增加，初始坍落度不斷增加，其中，漿骨比0.275組較之0.250組，坍落度提高5.4倍，達(dá)到160 mm。而各組漿骨比的1 h坍落度較初始坍落度都出現(xiàn)了不同程度下降，坍落度經(jīng)時(shí)損失較大，尤其是漿骨比為0.250的試樣，1 h坍落度降為了0 mm。分析認(rèn)為，當(dāng)漿骨比增加，水泥砂漿流動(dòng)度增加，并且水泥砂漿能包裹住更多的再生骨料，提高骨料之間的潤(rùn)滑作用，從而提高混凝土的坍落度。而1 h后，水泥水化消耗了大量的水，同時(shí)再生骨料也吸附了部分水，這導(dǎo)致1 h坍落度出現(xiàn)下降。從測(cè)得的數(shù)據(jù)值可以看出，只有當(dāng)漿骨比為0.275和0.300時(shí)才符合新拌混凝土的工作性能要求。

2.1.2 抗壓強(qiáng)度

圖1 不同漿骨比下的混凝土坍落度

抗壓強(qiáng)度也是決定最優(yōu)配合比的重要指標(biāo)之一。本試驗(yàn)對(duì)不同漿骨比下的全取代率再生骨料混凝土的3 d和7 d強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，其結(jié)果如圖2所示。隨著漿骨比增加，混凝土3 d和7 d抗壓強(qiáng)度均先增加再下降，都在漿骨比為0.275時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大。分析認(rèn)為，漿骨比的增大使混凝土中各組分分散更均勻，水化更加充分而使抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)增加，但更大的漿骨比會(huì)降低混凝土內(nèi)部各組分的黏結(jié)力和混凝土的密實(shí)度，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度下降[11]。因此通過(guò)坍落度值和抗壓強(qiáng)度值比較，可以得出本試驗(yàn)最佳的高取代率再生骨料混凝土漿骨比為0.275。

圖2 不同漿骨比下的混凝土的3 d和7 d抗壓強(qiáng)度

2.2 高取代率再生骨料強(qiáng)化混凝土性能研究

2.2.1 坍落度

圖3為不同再生骨料強(qiáng)化類型的混凝土初始坍落度和1 h坍落度的測(cè)試結(jié)果。從圖3可知，PRA組的初始坍落度最大，達(dá)225 mm，其余組的初始坍落度基本一致。各組的1 h坍落度均出現(xiàn)下降，其中，RA組和PRA組的坍落度經(jīng)時(shí)損失較大，分別損失120、135 mm。分析可得，PVA溶液能夠有效提高再生骨料混凝土的初始坍落度，但是坍落度的經(jīng)時(shí)損失較大，而硅酸鈣納米凝膠對(duì)初始坍落度基本無(wú)影響，但是能減少坍落度的經(jīng)時(shí)損失。主要原因是PVA作為有機(jī)防水劑，有效降低了再生骨料的吸水率而使初始坍落度增加，而納米硅酸鈣能參與到水泥水化反應(yīng)過(guò)程中，延緩了自身生成的水化硅酸鈣進(jìn)一步水化，起到保坍作用。

圖3 不同再生骨料強(qiáng)化混凝土坍落度

2.2.2 抗壓強(qiáng)度

圖4為不同再生骨料強(qiáng)化類型的混凝土3、7、28 d的抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果。由圖4可知，CRA組在不同齡期的抗壓強(qiáng)度值均最大，而PRA組和CPRA組的早期抗壓強(qiáng)度大于RA組，但后期的抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)了倒縮現(xiàn)象，分別只有RA組抗壓強(qiáng)度的97%和89%。分析可知，納米硅酸鈣對(duì)再生骨料混凝土的各齡期抗壓強(qiáng)度有很好的促進(jìn)作用，而PVA僅能提高混凝土的早期抗壓強(qiáng)度，會(huì)降低后期的抗壓強(qiáng)度。其主要原因?yàn)榧{米硅酸鈣吸附到再生骨料的附著砂漿表面后的填充效應(yīng)和成核效應(yīng)使其抗壓強(qiáng)度增加[12]，而PVA填充附著砂漿孔隙，降低骨料吸水率和新界面局部水膠比，同時(shí)PVA溶解也使水泥加速聚沉，這些均有利于早期抗壓強(qiáng)度提高，但PVA作為防水劑覆蓋在水泥顆粒表面，使其具有憎水性，阻礙水泥的水化，降低了后期抗壓強(qiáng)度[13-14]。

圖4 不同再生骨料強(qiáng)化混凝土抗壓強(qiáng)度

2.2.3 耐久性

圖5為不同再生骨料強(qiáng)化類型的混凝土28 d的電通量和碳化深度測(cè)試結(jié)果。從圖5可知，RA組的28 d電通量和碳化深度值均為最大，PRA組的電通量最小，CPRA組的碳化深度最小。參照J(rèn)GJ/T 193—2009《混凝土耐久性檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》，經(jīng)過(guò)硅酸鈣納米凝膠溶液和PVA溶液對(duì)再生骨料進(jìn)行表面強(qiáng)化處理后，再生骨料混凝土電通量指標(biāo)由Q-Ⅱ區(qū)間變?yōu)镼-Ⅲ區(qū)間，抗氯離子滲透性能明顯增強(qiáng)，同時(shí)碳化深度由T-Ⅲ區(qū)間降為T-Ⅳ區(qū)間，抗碳化性能也大幅提高。

圖5 不同再生骨料強(qiáng)化混凝土耐久性能

3 結(jié)語(yǔ)

1）對(duì)于100%取代再生骨料混凝土，提高混凝土的漿骨比可明顯提高其新拌坍落度和經(jīng)時(shí)坍落度，但坍落度損失仍然較大，通過(guò)對(duì)坍落度值和抗壓強(qiáng)度值的比較，得出本試驗(yàn)最佳的漿骨比為0.275。

2）硅酸鈣納米凝膠溶液強(qiáng)化處理的再生骨料可明顯減小混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失，其各齡期抗壓強(qiáng)度有較大增加，耐久性得到較大提升。

3）PVA溶液強(qiáng)化處理的再生骨料可提高混凝土的初始坍落度，促進(jìn)早期抗壓強(qiáng)度的提高，但會(huì)降低混凝土的后期強(qiáng)度，同時(shí)耐久性有較大提高。

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