再生骨料混凝土性能改善方法研究現(xiàn)狀

梁海堯

（中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院珠江水產(chǎn)研究所，廣東 廣州 511400）

0 引言

目前，混凝土結(jié)構(gòu)被廣泛運(yùn)用于建筑、橋梁、大壩等建筑或構(gòu)筑物中，但是混凝土的大量使用也給環(huán)境帶來了巨大的沖擊?；炷恋氖褂媒o環(huán)境帶來的問題主要包括：資源枯竭、高能耗、產(chǎn)生大量溫室氣體和建筑廢物?；炷林饕蕾囂烊簧啊⑹?、水泥和水等原料。隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的推進(jìn)，拆遷產(chǎn)生的建筑垃圾占固體廢物的很大一部分，并快速增長(zhǎng)。數(shù)據(jù)表明，自2006年至2019年我國(guó)建筑垃圾總產(chǎn)量變化如圖1所示［1］?；厥蘸驮倮媒ㄖ谴龠M(jìn)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要途徑，由于天然骨料日益缺乏，建筑垃圾中的再生骨料逐漸成為研究熱點(diǎn)。

圖1 我國(guó)2006—2019年產(chǎn)生的建筑垃圾總量

近年來，已有許多學(xué)者開展了再生骨料及其對(duì)混凝土性能影響的研究［2-4］。再生骨料上吸附了大量的舊砂漿，這些砂漿具有較大的孔隙率，導(dǎo)致再生骨料與天然骨料相比具有更大的吸水率。而再生骨料的密度和吸水率也主要取決于舊砂漿的水灰比和附著量。混凝土主要由水化的水泥漿體、骨料和界面過渡區(qū)組成。而界面過渡區(qū)通常是混凝土中最薄弱的部位，因其孔隙率和裂縫比較大。與天然骨料混凝土相比，再生骨料混凝土中具有更多的界面過渡區(qū)，包括舊砂漿和骨料之間的舊界面過渡區(qū)、舊砂漿和新砂漿之間的界面過渡區(qū)。因此，再生骨料混凝土與普通混凝土相比具有更低的強(qiáng)度。相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員逐漸開發(fā)和研究了各種提高再生骨料混凝土性能的方法，主要有降低砂漿附著力和提高再生骨料性能兩種方法。本研究主要對(duì)增強(qiáng)再生骨料的方法進(jìn)行探討。

1 再生骨料的處理

再生骨料的高吸水率是危害混凝土耐久性的主要因素，根本原因是再生骨料附著大量高孔隙率的舊砂漿，微裂紋多。增強(qiáng)表面砂漿的方法能有效地填充舊砂漿以及界面過渡區(qū)內(nèi)的孔隙，降低孔隙率，從而降低再生骨料的吸水率；或在舊砂漿表面再覆上一層浸漬層，使再生骨料的表面變得致密，達(dá)到減少吸水率的目的，具體方法如下。

1.1 去除舊砂漿

機(jī)械研磨、酸性溶液預(yù)漬是去除再生骨料表面黏結(jié)砂漿的常用改良方法。傳統(tǒng)的機(jī)械研磨是通過磨煤機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)偏心齒輪的滾動(dòng)振動(dòng)效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的。再生骨料上的舊砂漿在振動(dòng)作用下破碎脫落。通過改進(jìn)偏心齒輪獲得更高的轉(zhuǎn)速?gòu)亩_(dá)到提高砂漿的剝離效率和再生骨料的質(zhì)量。機(jī)械研磨的原理如圖2所示，原料通過顆粒整形設(shè)備的高速研磨和鼓風(fēng)后，附著砂漿脫落。機(jī)械研磨由于工藝簡(jiǎn)單而被廣泛運(yùn)用，但是研磨過程中容易因碰撞和磨削引起微裂紋而對(duì)再生骨料的性能造成影響［5］。熱研磨是在研磨前對(duì)骨料進(jìn)行加熱，去掉表面砂漿的水分，使砂漿更脆，更易于磨掉。采用破碎、研磨等方法可以將砂漿和骨料充分分離，改善骨料的形狀。預(yù)浸酸是通過酸類溶液與表面砂漿反應(yīng)，使其從骨料表面脫落的方法。但總體而言，上述去除表面舊砂漿的方法較為落后，體現(xiàn)在操作復(fù)雜，耗能高，處理量少，且容易造成骨料的次生缺陷，如微裂紋和酸堿腐蝕等，所以本研究不再贅述。

圖2 機(jī)械研磨的原理圖

微波加熱處理方法作為一種輔助生產(chǎn)且優(yōu)化再生骨料的手段，主要在骨料與砂漿之間產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致舊砂漿與骨料的界面結(jié)合強(qiáng)度降低，再經(jīng)簡(jiǎn)單的機(jī)械處理后使黏結(jié)砂漿分離，與高溫、長(zhǎng)時(shí)間的常規(guī)加熱處理方法相比更環(huán)保、更高效。相比之下，常規(guī)加熱方法的耗能高，并且長(zhǎng)時(shí)間的高溫處理可能會(huì)導(dǎo)致骨料性能下降。而微波加熱處理能夠與機(jī)械破碎工藝良好結(jié)合，經(jīng)過這兩種方法生產(chǎn)得到的再生骨料表面黏附砂漿量更少，并且對(duì)于粒徑大于5 mm的骨料作用更為顯著。再生骨料在微波加熱作用下，骨料與砂漿界面過渡區(qū)內(nèi)的原有的微裂縫開始擴(kuò)大，隨著加熱時(shí)間和微波功率的增加，裂縫沿砂漿與骨料界面的方向擴(kuò)展。另外，微波加熱過程中舊砂漿內(nèi)的Ca（OH）2也發(fā)生少量的轉(zhuǎn)化，XRD分析表明，微波加熱后碳酸鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從7%增加到13%，是由于高溫下舊砂漿內(nèi)的Ca（OH）2與空氣中的CO2反應(yīng)造成的，也因此優(yōu)化了舊砂漿內(nèi)的孔隙結(jié)構(gòu)，提高了再生骨料的性能。這種對(duì)再生骨料的改良也與微波處理的功率有關(guān)，低功率（2～3 kW）下骨料性能變化不大，無論是吸水率還是壓碎強(qiáng)度均與處理前接近，并且摻入低功率微波處理的再生骨料制備的混凝土強(qiáng)度和彈性模量能夠達(dá)到與天然骨料混凝土相當(dāng)?shù)乃剑c高功率微波改性的骨料制備的混凝土性能卻有差距。因此，低功率微波輔助再生骨料的生產(chǎn)既可以有效提高骨料的性能，也可以達(dá)到節(jié)能減排的目的。

1.2 增強(qiáng)舊砂漿

用火山灰溶液對(duì)再生骨料處理后，石灰石粉、沉積的碳酸鈣填充了舊砂漿內(nèi)部的孔隙，可以增強(qiáng)附著在再生骨料表面的舊砂漿。一些處理材料也可在再生骨料表面形成防水涂層，主要目的是填充薄弱的區(qū)域，使再生骨料形成較強(qiáng)的界面過渡區(qū)。聚合物乳液具有黏結(jié)性能，能在短時(shí)間內(nèi)固化，也常用于增強(qiáng)再生骨料表面的舊砂漿。聚乙烯醇乳液和硅烷基聚合物是一種防水材料，可用于降低多孔材料的吸水率。如果再生骨料浸入聚合物乳液中，聚合物分子可以填充所黏附的砂漿孔隙，并密封再生骨料表面，從而達(dá)到增強(qiáng)再生骨料界面過渡區(qū)的作用。鮑玖文等［6］用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的硅烷乳液浸漬不同取代率的再生骨料，結(jié)果表明，硅烷浸漬處理再生粗骨料的吸水率顯著降低，由其制備的混凝土強(qiáng)度稍有下降；再生混凝土毛細(xì)累積吸水量明顯減少，且抗氯鹽侵蝕性能顯著提高，其中骨料質(zhì)量取代率為50%的再生混凝土浸漬處理后氯離子擴(kuò)散系數(shù)降低了37.5%。聚乙烯醇浸漬還可以提高水泥漿體與骨料之間的結(jié)合度，并降低界面過渡區(qū)的水灰比。硅基拒水聚合物已被證明是一種有效的強(qiáng)化處理方法，其中包括硅烷、硅氧烷或兩者結(jié)合。硅氧烷聚合物的粒徑大于硅烷的粒徑。因此，硅烷基聚合物比硅氧烷基聚合物更容易滲透到舊砂漿中。杜均澤［7］使用試驗(yàn)和數(shù)值仿真相結(jié)合的方法對(duì)硅烷改性再生骨料混凝土的透水性、力學(xué)和細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。結(jié)果表明，硅烷基聚合物可形成具有良好拒水能力的交聯(lián)膜，顯著降低再生骨料混凝土的吸水率，但是混凝土強(qiáng)度有所降低。一般情況下，聚合物處理可以提高再生混凝土的質(zhì)量，提高再生骨料混凝土的工作性能和耐久性。但是，它們不能提高甚至?xí)档突炷恋目箟簭?qiáng)度，其原因可能是由于正聚合物基團(tuán)滲透到水泥漿體中，使其疏水，阻礙了水泥漿體中未水化水泥漿體的水化。同時(shí)，拒水膜的形成削弱了集料與水泥基體之間的結(jié)合強(qiáng)度。

再生骨料對(duì)混合料耐久性的負(fù)面影響也引起了人們的注意，可以通過摻入一定量的礦物摻合料（如粉煤灰和火山灰）來減輕這種影響。再生骨料加入火山灰的漿體，可填充黏質(zhì)砂漿內(nèi)的孔隙和空隙，然后與Ca（OH）?反應(yīng)生成C-S-H凝膠。研究發(fā)現(xiàn)，納米SiO2可顯著發(fā)揮填充再生骨料孔隙的作用。

生物碳酸鈣沉積技術(shù)也可增強(qiáng)再生骨料的強(qiáng)度，如通過培養(yǎng)巴氏桿菌在其細(xì)胞壁表面沉積碳酸鈣。這種菌株即便在極端條件下，如混凝土堿性環(huán)境中，也具有較大的碳酸鈣沉淀潛力，并且沒有致病性。這種菌株的沉積產(chǎn)物可提高環(huán)境pH值，從而加快碳酸鈣沉淀速率。如圖3所示，生物沉積可降低再生骨料的吸水率，且更適合性能差和骨料粒徑分布小的再生骨料。

圖3 生物沉積前后再生混凝土骨料的吸水率

碳化改性方法主要作用于再生骨料表面黏附的舊砂漿，增強(qiáng)其性能而非去除，相較于上述改性方法更為簡(jiǎn)便、節(jié)能。Ca（OH）?和水化硅酸鈣是再生骨料表面舊砂漿的主要水化產(chǎn)物。CO2可以進(jìn)入舊砂漿的孔隙，并與這些反應(yīng)產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)（1）和反應(yīng)（2）。

Ca（OH）?和C-S-H的碳化作用使固體體積分別提高11.5%和23.1%。因此，碳化可以減少舊砂漿的孔隙率。Ca（OH）?在混凝土中以固相和液相的形式存在。固體Ca（OH）?主要存在于孔隙壁上，水化水泥漿體中的Ca（OH）?不能完全反應(yīng)，而且含量可觀，因此碳化產(chǎn)生的碳酸鈣可以在部分反應(yīng)的Ca（OH）?晶體周圍形成致密的涂層，減少舊砂漿的孔隙率。C-S-H的碳化從脫鈣開始，如夾層中的鈣離子與孔隙中的碳酸鹽離子反應(yīng)，脫鈣會(huì)導(dǎo)致Si-OH基團(tuán)的形成，然后形成硅膠。此外，鈣礬石和單硫酸鹽水合物也可與CO2反應(yīng)。程亞卓等［8］嘗試采用碳化的方法提高再生骨料的性能。結(jié)果表明，碳化后再生骨料的吸水率和壓碎指標(biāo)均有所降低，碳化增強(qiáng)后再生骨料混凝土的90 d抗壓強(qiáng)度顯著提高。有碳酸鈣生產(chǎn)的界面過渡區(qū)與無碳化增強(qiáng)相比也更加致密。高越青等［9］也開展了濃度為20%的CO2和自然環(huán)境壓力下強(qiáng)化再生骨料的試驗(yàn)，結(jié)果表明，碳化作用顯著降低了再生骨料的吸水率，而提高了抗氯離子滲透能力和抗壓強(qiáng)度。碳化作用后再生骨料的物理性質(zhì)如表1所示，碳化作用可增大再生骨料的表觀密度，降低吸水率和壓碎指標(biāo)。

表1 碳化前后再生骨料的物理性質(zhì)

另外，碳化改性方法也相對(duì)容易檢驗(yàn)，由于反應(yīng)使表面舊砂漿中的Ca（OH）2轉(zhuǎn)化為CaCO3，所以表面酸堿度有所變化，通過酚酞溶解即可簡(jiǎn)單地判斷舊砂漿是否被碳化。但是酚酞也僅是初步檢驗(yàn)，僅能通過表面現(xiàn)象來判斷表面砂漿是否被碳化，還需要通過熱重試驗(yàn)以定量分析表面砂漿中的Ca（OH）2含量和CaCO3含量，或者通過XRD分析碳化后表面砂漿中的物相組成。而透過SEM分析能夠直觀地觀察到碳化改性對(duì)黏附砂漿以及過渡區(qū)的改良，通過背散射電鏡能更清晰地觀察到碳化后骨料和砂漿界面中的孔隙和裂縫，突出碳化的填充效果。碳化環(huán)境是決定再生骨料碳化程度的關(guān)鍵因素，如CO2濃度、濕度、氣壓、溫度以及碳化時(shí)間，碳化時(shí)的濕度和溫度范圍一般分別為60%～70%、（20±2）℃。再生骨料吸收CO2主要發(fā)生在碳化的前3 h，約吸收總量的75%，隨著碳化的進(jìn)行，再生細(xì)骨料的孔隙率逐漸降低，并且在電鏡觀察下的微觀結(jié)構(gòu)越發(fā)致密，所制備的混凝土的抗壓強(qiáng)度也逐漸提高。但延長(zhǎng)碳化時(shí)間卻不能進(jìn)一步降低收縮率。碳化氣壓的增大能略微提高再生骨料的密度、壓碎強(qiáng)度和CO2吸收量。

1.3 處理方法對(duì)比

基于上述不同再生骨料增強(qiáng)方法的分析發(fā)現(xiàn)，去除舊砂漿和增強(qiáng)舊砂漿的處理方法均可在一定程度上改善再生骨料的力學(xué)性能。但是各種方法實(shí)施起來，其增強(qiáng)效果、經(jīng)濟(jì)性、耐久性、環(huán)境影響程度、實(shí)施難易度均存在一定差異，具體分析結(jié)果見表2。其中，機(jī)械研磨能耗較大，難以控制再生骨料質(zhì)量，經(jīng)濟(jì)效益差。納米SiO2浸泡法和生物碳酸鈣沉積法增強(qiáng)效果顯著，但是其經(jīng)濟(jì)效益差，加上技術(shù)上的限制難以大規(guī)模實(shí)施。CO2碳化處理法符合綠色減排的國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略，增強(qiáng)效果、經(jīng)濟(jì)性、耐久均良好，但是難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模批量處理。其中，酸溶液預(yù)漬和微波加熱處理法綜合效果最佳，易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模處理，推薦在工程中運(yùn)用。

2 結(jié)語

本研究對(duì)如何提升再生骨料及其混凝土性能的方法進(jìn)行了詳細(xì)的分析和總結(jié)。其中，提高再生骨料性能的兩個(gè)主要途徑是去除再生骨料表面的舊砂漿和增強(qiáng)再生骨料表面的舊砂漿。分析結(jié)果表明，處理后的再生骨料力學(xué)性能都有不同程度的提升。然后從增強(qiáng)效果、經(jīng)濟(jì)效益、耐久性、環(huán)境影響、實(shí)施難易程度對(duì)各種處理方法進(jìn)行了綜合評(píng)估，其中酸溶液預(yù)漬和微波加熱處理法綜合效果較好。