再生骨料強(qiáng)化及其對再生混凝土的力學(xué)性能影響

趙新瑞 李維亞

(青海省交通建設(shè)管理有限公司 西寧 810002)

0 引言

自20世紀(jì)40年代，學(xué)者們陸續(xù)開始關(guān)注到，如何利用廢棄混凝土實(shí)現(xiàn)資源再回收的問題上。隨著廢棄混凝土數(shù)量的不斷增加，生態(tài)環(huán)保要求不斷提高，相關(guān)砂石資源的不斷消耗，如何有效利用這些廢棄混凝土成了工程人關(guān)心的重點(diǎn)[1-3]。

在國際上，有關(guān)部門已召開過多次會議，多名學(xué)者參與并討論了有關(guān)廢棄混凝土利用的問題與解決方式，并高度強(qiáng)調(diào)了對再生骨料強(qiáng)化技術(shù)的探索?；谖覈木G色發(fā)展戰(zhàn)略，研究人員越來越注重對廢棄混凝土做骨料的再利用問題，如何去制備、利用再生骨料已經(jīng)成為一個研究熱點(diǎn)[4-10]。就目前而言，在工程上，出于操作簡易的原因，通常采用物理強(qiáng)化法進(jìn)行再生骨料強(qiáng)化[11-14]。然而物理強(qiáng)化法通過碰撞，盡管去除了一些舊砂漿，同時也對骨料內(nèi)部留下了微裂紋等結(jié)構(gòu)缺陷，對骨料力學(xué)性能上的負(fù)面影響較嚴(yán)重[15-20]。也有學(xué)者采用化學(xué)強(qiáng)化方法，但出于經(jīng)濟(jì)性原因，對于化學(xué)試劑的選擇和試劑劑量等問題還需進(jìn)一步研究。

為了更好提升再生骨料強(qiáng)化質(zhì)量，本文分別研究物理、化學(xué)以及復(fù)合強(qiáng)化方法，以吸水率與壓碎值作為評價指標(biāo)，分析了復(fù)合強(qiáng)化法對再生混凝土力學(xué)性能的影響，探究了其強(qiáng)化的最佳方式及參數(shù)。

1 試驗(yàn)原材料及測試方法

1.1 試驗(yàn)原材料

選用反擊式破碎機(jī)對廢棄混凝土進(jìn)行破碎，得到粒徑大于4.75 mm的再生粗骨料，其性能指標(biāo)見表1。水泥采用海螺牌PC.425普通硅酸鹽水泥。細(xì)集料為中砂，細(xì)度模數(shù)為2.8?；瘜W(xué)強(qiáng)化劑選用KH-570硅烷偶聯(lián)劑，TSR 900有機(jī)硅樹脂溶液，105鈦酸偶聯(lián)劑。

表1 再生骨料性能指標(biāo)

本試驗(yàn)根據(jù)JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》、GB/T25177-2010《混凝土用再生粗骨料》確定混凝土原材料及配合比。水膠比為0.37，砂率43%，減水劑1.5%。按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB50081-2002)的要求制備尺寸為 100mm×100mm×100mm 的立方體試件。成型24h后進(jìn)行脫模，并置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)28d，最后進(jìn)行力學(xué)性能測試。

1.2 試驗(yàn)方案

(1)物理強(qiáng)化工藝：選用磨耗法強(qiáng)化再生粗骨料，選取9.5～19mm粒徑大小的集料進(jìn)行烘干，將骨料置于烘箱內(nèi)3h后，搬出烘箱，將再生骨料放置在室外，待冷卻至室溫狀態(tài)再進(jìn)行強(qiáng)化。將冷卻后的再生骨料放置機(jī)器中，選用鋼球的數(shù)量分別為6、8、10、12，轉(zhuǎn)動圈數(shù)選擇200、300、400、500，控制兩個變量進(jìn)行物理磨耗實(shí)驗(yàn)；再根據(jù)壓碎值和吸水率的測試結(jié)果進(jìn)行分析比較，確定提升效果。

(2)化學(xué)強(qiáng)化工藝：選用同物理法同樣粒徑的集料，采用3種化學(xué)試劑分別對其進(jìn)行強(qiáng)化。要確保試劑可以在粗集料的表面相對勻稱地噴灑，3種試劑的用量為再生集料質(zhì)量的0%到4%，設(shè)置梯度為1%。經(jīng)過 80s 的拌和后，將拌和好的再生骨料放入烘箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，烘箱的溫度設(shè)置為105℃，讓再生骨料在烘箱中養(yǎng)護(hù)12h，取出再生骨料，放置室外，待到再生骨料冷卻至室溫狀態(tài)，測試強(qiáng)化后再生骨料的吸水率、壓碎值。

(3)復(fù)合強(qiáng)化工藝：即先采用物理強(qiáng)化工藝處理再生骨料，再通過化學(xué)強(qiáng)化工藝進(jìn)行二次強(qiáng)化。強(qiáng)化工藝參數(shù)選擇物理法和化學(xué)法測試分析所獲得的最佳參數(shù)。

1.3 測試方法

本試驗(yàn)中的壓碎值、吸水率根據(jù) GB/T 25177-2010《混凝土用再生粗骨料》、JTG E42-2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行測定。力學(xué)性能根據(jù)《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GBT 50081-2019進(jìn)行測試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 再生骨料試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 物理強(qiáng)化方法

轉(zhuǎn)動圈數(shù)和鋼球數(shù)量對吸水率和壓碎值的影響試驗(yàn)結(jié)果見圖1和圖2。

圖1 轉(zhuǎn)動圈數(shù)和鋼球數(shù)量對吸水率的影響

圖2 轉(zhuǎn)動圈數(shù)和鋼球數(shù)量對壓碎值的影響

從圖1和圖2可知，吸水率和壓碎值隨著鋼球個數(shù)的增加，呈先下降后上升趨勢，在鋼球數(shù)為8個時，壓碎值和吸水率均為最低。在轉(zhuǎn)動圈數(shù)為400圈時，再生骨料的壓碎值和吸水率達(dá)到最低水平，即鋼球數(shù)量為8個，轉(zhuǎn)動圈數(shù)為400圈時，再生骨料的強(qiáng)化效果最佳。相比較強(qiáng)化前的再生骨料，吸水率和壓碎值分別下降1.2%和3.1%。

2.1.2 化學(xué)強(qiáng)化方法

(1)最佳化學(xué)試劑以及劑量的確定

化學(xué)試劑種類與劑量對吸水率及壓碎值的影響見圖3和圖4。

由圖3和圖4分析可知，集料的吸水率和壓碎值，隨著試劑劑量的增加而逐漸下降，且下降趨勢逐漸變緩。由于化學(xué)試劑的使用，需要考慮其成本以及經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，由圖分析可知，當(dāng)劑量超過3%時，下降趨勢趨于平緩，因此當(dāng)試劑劑量為3%時，為最佳劑量，強(qiáng)化效果最佳的化學(xué)試劑為有機(jī)硅樹脂溶液。因此，化學(xué)強(qiáng)化法的最佳方案參數(shù)確定為使用有機(jī)硅樹脂溶液進(jìn)行強(qiáng)化，并且表面活性劑的最佳劑量為再生集料質(zhì)量的3%。

圖3 化學(xué)試劑種類與劑量對吸水率的影響

圖4 化學(xué)試劑種類與劑量對壓碎值的影響

(2)強(qiáng)化工藝

①拌和時間：通過控制變量法，確定養(yǎng)護(hù)溫度為 105℃、養(yǎng)護(hù)時間為12h，采用常溫拌合，拌合時間為20s、40s、60s、80s和100s，拌合時間對吸水率的影響見圖5。

圖5 拌合時間對吸水率的影響

從圖5可以發(fā)現(xiàn)，隨拌合時間的增加，吸水率逐漸下降，且趨勢逐漸變緩，拌合時間大于80s后，吸水率基本保持不變。因此，確定最佳拌和時間為80s。

②養(yǎng)護(hù)溫度：養(yǎng)護(hù)溫度的降低，一方面可以降低經(jīng)濟(jì)成本，另一方面可以減少能源消耗和環(huán)境污染。在工業(yè)生產(chǎn)中，養(yǎng)護(hù)處理的溫度越高，所需要的能源消耗就越多，導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)成本就越高，伴隨的環(huán)境污染也會更嚴(yán)重。通過控制變量法，設(shè)置除試驗(yàn)溫度外，其他變量均保持不變，設(shè)置常溫和105℃兩個對照組，研究探討兩個對照組強(qiáng)化再生骨料的效果，分析溫度對再生骨料吸水率和壓碎值的影響。常溫與105℃對再生骨料吸水率的影響試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

圖6 常溫與105℃對吸水率的影響

從圖6可知，常溫條件下處理的試件吸水率高于105℃下處理的試件吸水率，常溫養(yǎng)護(hù)的效果并不理想，而105℃養(yǎng)護(hù)能夠獲得更好的強(qiáng)化效果。

③養(yǎng)護(hù)時間：養(yǎng)護(hù)溫度會影響化學(xué)試劑反應(yīng)速率進(jìn)一步影響?zhàn)B護(hù)時間。本文選用劑量為3%有機(jī)硅樹脂溶液對再生骨料進(jìn)行化學(xué)強(qiáng)化，強(qiáng)化后分別在常溫和105℃下養(yǎng)護(hù)4h、8h、12h、16h后進(jìn)行吸水率試驗(yàn)。不同養(yǎng)護(hù)時間下常溫與105℃對再生骨料吸水率的影響試驗(yàn)結(jié)果見圖7。

圖7 不同養(yǎng)護(hù)時間下常溫與105℃對再生骨料吸水率的影響

從圖7可以看出，再生骨料吸水率隨養(yǎng)護(hù)時間的增長而逐漸下降，且下降趨勢逐漸減緩。當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度為105℃時，養(yǎng)護(hù)時間達(dá)到8h后，吸水率隨著養(yǎng)護(hù)時間的增大而保持穩(wěn)定。當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度為常溫時，養(yǎng)護(hù)時間達(dá)到12h后，吸水率隨著養(yǎng)護(hù)時間的增大而保持穩(wěn)定。采用105℃養(yǎng)護(hù)較常溫養(yǎng)護(hù)能夠加速化學(xué)強(qiáng)化反應(yīng)縮短養(yǎng)護(hù)時間。養(yǎng)護(hù)溫度為105℃時，8h為最佳養(yǎng)護(hù)時間。

2.1.3 復(fù)合強(qiáng)化方法

復(fù)合強(qiáng)化為采用最佳方案物理強(qiáng)化后進(jìn)行化學(xué)強(qiáng)化，不同強(qiáng)化方法對再生骨料吸水率及壓碎值的影響見圖9。

從圖8和圖9可知，經(jīng)過強(qiáng)化的再生骨料其吸水率和壓碎值有明顯降低，其中復(fù)合強(qiáng)化法效果最佳，其次是化學(xué)強(qiáng)化，物理強(qiáng)化。物理研磨強(qiáng)化的效果比起化學(xué)漿液強(qiáng)化法效果略差，分析其原因?yàn)槲锢硌心H去除再生骨料附近易剝落的砂漿，也造成了一定的裂縫，而化學(xué)強(qiáng)化是利用漿液填補(bǔ)骨料縫隙及裂縫，強(qiáng)化效果更優(yōu)秀。在進(jìn)行物理強(qiáng)化去除砂漿后，繼續(xù)進(jìn)行化學(xué)強(qiáng)化，利用漿液填補(bǔ)骨料縫隙及裂縫，強(qiáng)化效果將更優(yōu)異。強(qiáng)化的再生骨料吸水率與未強(qiáng)化的再生骨料相比下降2.7%，壓碎值下降8.0%，強(qiáng)化效果最佳。

圖8 強(qiáng)化方法對再生骨料的吸水率的影響

圖9 強(qiáng)化方法對再生骨料的壓碎值的影響

2.2 復(fù)合強(qiáng)化工藝對再生混凝土強(qiáng)度的影響

采用強(qiáng)化和未強(qiáng)化再生骨料制備混凝土抗壓強(qiáng)度見表2。

表2 再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度(MPa)

從表3可知，經(jīng)過復(fù)合強(qiáng)化后再生骨料的壓碎值和吸水率分別下降 8.0%和2.7%，再生骨料性能提升，再生骨料經(jīng)強(qiáng)化后再用于制備混凝土，與未經(jīng)強(qiáng)化的混凝土相比較，其強(qiáng)度提升16.9%。而再生混凝土經(jīng)過復(fù)合強(qiáng)化后不僅使3、7d的抗壓強(qiáng)度有所提升，其28d的增長速度也較快。分析其原因，與強(qiáng)化后的骨料性能密切相關(guān)，通過物理和化學(xué)方法強(qiáng)化，使得原材料更為優(yōu)異，使其混凝土整體性能獲得提升。

采用復(fù)合強(qiáng)化方法生產(chǎn)再生骨料制備的再生混凝土軸心抗壓強(qiáng)度與彈性模量見表3。

表3 再生混凝土軸心抗壓強(qiáng)度與彈性模量

從表3可以看出，采用強(qiáng)化再生骨料制備的混凝土軸心抗壓強(qiáng)度為41.5MPa，較未采用強(qiáng)化再生骨料的混凝土提高了6.16%，彈性模量為36.8GPa，增加6.67%。隨著強(qiáng)化骨料帶來的壓碎值，吸水率的下降，再生混凝土28d立方體軸心抗壓強(qiáng)度及彈性模量都有所提升。

3 結(jié)論

(1)物理強(qiáng)化法最佳方案為采用機(jī)械研磨，鋼球數(shù)為8個，轉(zhuǎn)動圈數(shù)為400圈。再生骨料吸水率為3.2%，較強(qiáng)化前降低了1.2%，壓碎值為22.4%，較強(qiáng)化前降低了3.1%。

(2)化學(xué)強(qiáng)化法最佳方案為采用有機(jī)硅樹脂溶液作為強(qiáng)化溶液，化學(xué)試劑的用量為再生集料質(zhì)量的3%，拌和時間為80s，在105℃的烘箱進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時間為8h。與未強(qiáng)化的骨料相比，再生骨料經(jīng)化學(xué)強(qiáng)化后，吸水率下降了2.3%，壓碎值下降了5.6%。

(3)復(fù)合強(qiáng)化法相較于單一強(qiáng)化方法再生骨料的性能強(qiáng)化效果最佳，再生骨料吸水率下降2.7%，壓碎值下降8.0%。

(4)采用復(fù)合強(qiáng)化的骨料制備再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度，較未強(qiáng)化骨料制備混凝土的立方抗壓強(qiáng)度提升16.9%，軸心抗壓強(qiáng)度提升6.16%，彈性模量提升6.67%。