不同強(qiáng)化工藝對(duì)再生混凝土骨料性能的影響綜述

0 引言

目前，對(duì)建筑垃圾最有效的處理流程為：破碎、磁選、篩分和清洗等，最終分類(lèi)得到再生骨料。再生骨料按來(lái)源和破碎方式，主要分為再生混凝土骨料、再生磚骨料和再生混合骨料。因混合骨料中含有木塊、塑料等雜質(zhì)，磚骨料吸水率極高，使得再生骨料中僅有再生混凝土骨料在建筑業(yè)中應(yīng)用最廣，但對(duì)于強(qiáng)度要求較高的混凝土或承重構(gòu)件來(lái)說(shuō)，再生混凝土骨料的利用率仍然非常低1，其與天然骨料的主要區(qū)別源于表面的弱砂漿層和內(nèi)部的損傷裂縫。為了實(shí)現(xiàn)再生混凝土骨料的高品質(zhì)利用率，國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開(kāi)了大量的研究與實(shí)踐，以縮小其與天然骨料的性能差異，但因來(lái)源不同，及本身存在個(gè)體差異，強(qiáng)化再生混凝土骨料的方法在實(shí)際工程應(yīng)用中的可操作性很低，例如選擇強(qiáng)化工藝、設(shè)置作用時(shí)間、標(biāo)準(zhǔn)化強(qiáng)化流程等。目前文獻(xiàn)中關(guān)于強(qiáng)化工藝對(duì)再生混凝土骨料性能改善效果的綜述相對(duì)較少，且缺乏系統(tǒng)性統(tǒng)計(jì)，所以本文分析了無(wú)機(jī)材料填充、酸處理和碳化工藝對(duì)再生混凝土骨料性能提升的原理，探討了強(qiáng)化工藝對(duì)再生混凝土骨料性能的改善效果，提出了再生混凝土骨料分級(jí)利用的原因及建議。

1再生混凝土骨料基本性能

再生混凝土骨料與天然骨料的主要區(qū)別源于其表面的黏附砂漿層和內(nèi)部損傷裂縫。一般來(lái)說(shuō)，增加破碎次數(shù)，可減少表面砂漿層含量，從而提高再生混凝土骨料的表觀(guān)密度。但隨破碎次數(shù)的增加，降低了再生骨料的粒徑，使回收的再生料出現(xiàn)了顆粒級(jí)配不良、粉體增加的情況。研究統(tǒng)計(jì)[2-18天然骨料的壓碎指標(biāo)、表觀(guān)密度和吸水率分別為 6%.2600～2700kg/m³ 和0. 5%～0.8% .而再生混凝土骨料的這些數(shù)值分別為 14%.2100～ 2580kg/m³ 和 12%～10% 。

2再生混凝土骨料的強(qiáng)化工藝

強(qiáng)化處理是再生混凝土骨料能夠獲得高價(jià)值利用的關(guān)鍵步驟，選擇適當(dāng)?shù)膹?qiáng)化方法可提升物理力學(xué)性能，提升再生混凝土骨料的利用率。再生混凝土骨料性能的關(guān)鍵指標(biāo)主要包括表觀(guān)密度、吸水率和壓碎指標(biāo)，其中表觀(guān)密度和吸水率屬于物理指標(biāo)，對(duì)新拌混凝土的工作性能有顯著影響，而壓碎指標(biāo)是其能夠再次作為制備“較高強(qiáng)度”混凝土的重要參數(shù)，屬于力學(xué)指標(biāo)。因此，降低壓碎指標(biāo)是再生混凝土骨料高價(jià)值利用的關(guān)鍵。目前國(guó)內(nèi)外有效的強(qiáng)化工藝主要有無(wú)機(jī)材料填充、酸處理和碳化等。

2.1無(wú)機(jī)材料填充工藝

無(wú)機(jī)材料填充屬于物理強(qiáng)化方法，主要通過(guò)憎水材料、黏結(jié)材料和改性黏合細(xì)粉，將再生混凝土骨料表面包裹，在其表層形成隔水層，從而達(dá)到降低吸水率的目的。但需要指出的是，直接通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試得到的結(jié)果并不是再生混凝土骨料的吸水率，而是表層無(wú)機(jī)填充材料的吸水率。目前的無(wú)機(jī)填充材料主要包括：硅灰漿、水泥漿、聚乙烯醇（PVA）等。

2.2酸處理工藝

酸處理工藝屬于去除再生混凝土骨料表面砂漿層的強(qiáng)化方法。具體做法為：將再生混凝土骨料浸泡在一定濃度的酸溶液中，通過(guò)控制溶液濃度、浸泡時(shí)間、反應(yīng)溫度、干燥方式等參數(shù)，去除再生混凝土骨料表面的砂漿層，其原理在于砂漿層有部分 Ca（OH）₂ ，在酸溶液中易生成可溶鹽或 C-S-H， 從而達(dá)到降低吸水率和提高表觀(guān)密度的目的。

2.3碳化工藝

碳化工藝主要是通過(guò)控制 CO₂ 的濃度，調(diào)節(jié)碳化裝置中的溫度、濕度、作用時(shí)間等參數(shù)，使 CO₂ 快速與再生混凝土骨料表面砂漿層的未水化顆粒、 Ca（OH）₂ 或C-S- H反應(yīng)，生成硅膠或碳酸鈣晶體，以填充骨料表層孔隙和內(nèi)部裂縫，從而降低再生混凝土骨料的壓碎指標(biāo)，是目前各種強(qiáng)化工藝中，能夠?qū)υ偕炷凉橇媳举|(zhì)進(jìn)

行改善的最有效的方法。

3強(qiáng)化后再生骨料混凝土的研究現(xiàn)狀

再生混凝土骨料表面黏附的砂漿層是再生骨料混凝土中的薄弱區(qū)域，是導(dǎo)致混凝土力學(xué)性能和耐久性方面劣化的主要原因。對(duì)其進(jìn)行去除或強(qiáng)化處理，是縮小再生骨料與天然骨料性能差距的關(guān)鍵。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要通過(guò)無(wú)機(jī)材料填充、酸處理和碳化等工藝對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)化處理，強(qiáng)化后，再生骨料混凝土的性能均得到不同程度的提升。具體來(lái)說(shuō)，Katz等[19]用硅灰漿浸泡再生粗骨料，制備得到的再生粗骨料混凝土，其28d抗壓強(qiáng)度提升 15% ;Sasanipour等[20采用同樣的方式制備的再生粗骨料混凝土，其28d電阻率有所提升；Liang等[21]采用了納米二氧化硅溶液和水泥漿進(jìn)行浸泡，28d抗壓強(qiáng)度從27.6MPa提升到 41.4MPa ；Tam等22]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鹽酸、硫酸、醋酸等酸性材料可去除再生粗骨料表面的黏附砂漿；Kazmi等[23]采用碳化和 3% 乙酸浸泡方式對(duì)再生粗骨料進(jìn)行處理，制備得到的再生粗骨料混凝土在抗凍性和抗硫酸鹽侵蝕性均有所改善；Ismail等[24]用鹽酸去除再生粗骨料的黏附砂漿，再用水玻璃浸泡的方式對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)化，制備得到的C30再生粗骨料混凝土28d抗壓強(qiáng)度提高了11. 1% 。將文獻(xiàn)中的各改善效果匯總，如表1所列。

如表1所示列出了再生混凝土骨料經(jīng)不同強(qiáng)化工藝后，吸水率、表觀(guān)密度和壓碎指標(biāo)的變化趨勢(shì)?？傮w來(lái)說(shuō)，吸水率和壓碎指標(biāo)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，表觀(guān)密度則為上升趨勢(shì)。同時(shí)，不同的處理工藝都達(dá)到了強(qiáng)化再生混凝土骨料物理和力學(xué)性能的目的，但在改善效果上區(qū)別明顯，例如文獻(xiàn)[22]～[24]中，表觀(guān)密度提升范圍在6. 13% ～29. 4% ，而吸水率降低至 lt;5 38% ，說(shuō)明酸處理工藝對(duì)表觀(guān)密度性能的提升明顯。文獻(xiàn)28中分別對(duì)粒徑為 0～ 5mm和5 ∴-20mm 的骨料進(jìn)行碳化處理，表觀(guān)密度改善效果相同，但吸水率最大分別提升45. 3% 和33. 3% 。由表1可知，強(qiáng)化前的表觀(guān)密度分別為 2.570g/cm³ 和2. 388 g/cm³ ，說(shuō)明碳化工藝更適合粒徑為 0～5mm 的再生混凝土粗骨料。文獻(xiàn)26中采用聚乙烯醇（PVA）分別對(duì)粒徑為 5～10mm 和 10～20mm 的骨料進(jìn)行強(qiáng)化處理，發(fā)現(xiàn)吸水率分別降低69. 3% 和 74.0% ，說(shuō)明無(wú)機(jī)材料填充工藝適宜降低吸水率?；谝陨蠑?shù)據(jù)，應(yīng)進(jìn)一步深入分析強(qiáng)化處理對(duì)不同粒徑再生混凝土骨料的改善效果，以確定最佳強(qiáng)化工藝與粒徑的關(guān)系。

4不同粒徑再生混凝土骨料改善效果對(duì)比

4.1無(wú)機(jī)材料填充工藝對(duì)不同粒徑再生混凝土骨料性能的改善

將表1所列文獻(xiàn)中數(shù)據(jù)繪制如圖2所示。由圖2可知，經(jīng)無(wú)機(jī)材料包裹后， 5～10mm 和 10～20mm 的再生料表觀(guān)密度分別增加了 0.85% 和 2.07% ，吸水率分別降低了69. 3% 和 74.0% ，說(shuō)明無(wú)機(jī)填充材料能有效降低吸水率，但對(duì)表觀(guān)密度改善較小。

4.2酸化工藝對(duì)不同粒徑再生混凝土骨料性能的改善

經(jīng)酸化工藝處理后， 5～10mm 和 10～20mm 的再生混凝土骨料，吸水率平均降低 10% 以上，表觀(guān)密度分別提高 5.37% 和 3.00% ，說(shuō)明酸處理能夠去掉黏附砂漿，降低骨料表面的砂漿含量，且吸水率測(cè)得值為再生混凝土骨料的實(shí)測(cè)值。研究顯示[33]：再生混凝土骨料的表觀(guān)密度與原生混凝土的水灰比和膠凝材料的摻量有關(guān)，說(shuō)明骨料表面黏附砂漿的含量和品質(zhì)是影響其吸水率和表觀(guān)密度的根本原因。此外，試驗(yàn)[34-35]證實(shí)，再生混凝土骨料粒徑越小，其表面黏附的砂漿含量越高，這也是經(jīng)酸處理后 5～10mn n粒徑骨料比 10～20mm 粒徑骨料的改善效果好的主要原因，從而得出酸處理工藝適宜粒徑為5～10mm的再生混凝土骨料的結(jié)論。

4.3碳化工藝對(duì)不同粒徑再生混凝土骨料性能的改善

按表1數(shù)據(jù)，繪制了碳化前后 0～5mm 和 15～20mm 的再生混凝土骨料的表觀(guān)密度與吸水率的關(guān)系圖（如圖3所示）。由圖3可知，再生混凝土粗骨料在強(qiáng)化前，表觀(guān)密度和吸水率分別在 2.55～2.60g/cm³ 和 6.9～ 13. 9% ，而強(qiáng)化后則變?yōu)? .56～2.629/cm³ 和 5.5% ～9.9% 。其中，粒徑為 0～5 mm的再生混凝土細(xì)骨料強(qiáng)化前表觀(guān)密度和吸水率分別在 2.39～2.45g/cm³ 和10.4%～12.3% ，強(qiáng)化后變?yōu)?2.40～2.46g/cm³ 和8.2%～9.5% 。說(shuō)明經(jīng)碳化處理后，骨料的表觀(guān)密度變化不大，而吸水率明顯降低，主要集中在 5.5%～9.5% 4特別是對(duì)于表觀(guān)密度 ?2.429/cm³ 和 gt;2.57 9/cm³ 的再生骨料，吸水率降低約 3.5% ，結(jié)合文獻(xiàn)[32]，碳化后粒徑為 10～5mm 的再生骨料，壓碎值由 18% 降至 10% ，降低了44. 4% 。如圖2（b）所示，碳化工藝可改善再生混凝土骨料的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)[36-38]，從而得出碳化工藝適宜強(qiáng)化粒徑為 10～5mm 再生骨料的結(jié)論。

5再生混凝土骨料的多級(jí)利用建議

與天然骨料相比，再生混凝土骨料除表面附著砂漿外，其不同的粒徑具有顯著的性能差異。例如，粒徑為0～5mm 的再生混凝土骨料，經(jīng)碳化工藝后具有良好的壓碎指標(biāo)；粒徑為 10～20mm 的再生混凝土骨料，直接破碎就具有良好表觀(guān)密度和壓碎指標(biāo)；粒徑為 5～10mm 的再生混凝土骨料，強(qiáng)化前后均未能改善其多孔的屬性。為更好地利用再生混凝土骨料不同粒徑的性能優(yōu)勢(shì)，應(yīng)以強(qiáng)化前或強(qiáng)化后的優(yōu)勢(shì)性能作為其再利用的重要參數(shù)，按粒徑大小將其分為細(xì)粉骨料（粒徑 ?5mm 、細(xì)粒徑骨料（粒徑 5～10mm， ，粗粒徑骨料（粒徑 10～20mm 三個(gè)尺度，以提高再生混凝土骨料的高品質(zhì)利用率。

5.1細(xì)粉骨料和細(xì)粒徑骨料

細(xì)粒徑骨料因含大量的黏結(jié)砂漿，具有吸水率偏高和表觀(guān)密度偏低的特性，使其無(wú)法大量地與天然骨料匹配適用，所以應(yīng)利用其多孔隙的特征和細(xì)粉骨料碳化后的固化特性，將兩者按比例混合，壓制成型，制備成隔音板、隔熱板或小型砌塊等綠色建材預(yù)制品。

5.2粗粒徑骨料

粗粒徑骨料的壓碎指標(biāo)和表觀(guān)密度與天然骨料差異較小，可直接作為制備再生混凝土的粗集料使用，但骨料表面黏附的砂漿含量是影響新拌混凝土工作性和硬化后混凝土力學(xué)性能和耐久性的主要因素。此外，破碎得到的粗粒徑骨料形狀系數(shù)不同，且來(lái)源廣泛，其表面黏附砂漿層的含量和品質(zhì)差異化明顯，因此應(yīng)選擇快速的測(cè)試方法，準(zhǔn)確測(cè)量粗粒徑骨料的表面砂漿含量，按吸水率不同分類(lèi)備用。在此基礎(chǔ)上，按天然骨料的形狀系數(shù)對(duì)再生混凝土骨料進(jìn)行顆粒整形，以保證新拌再生混凝土的工作性和硬化后再生混凝土的力學(xué)性能，最終實(shí)現(xiàn)其高價(jià)值利用的目的。

6結(jié)語(yǔ)

本文綜述了強(qiáng)化工藝對(duì)再生混凝土骨料指標(biāo)的改善效果，以及不同強(qiáng)化工藝與骨料粒徑的關(guān)系。選擇適當(dāng)?shù)膹?qiáng)化處理方法對(duì)再生混凝土骨料的物理和力學(xué)性能的改善效果區(qū)別明顯，得出主要研究結(jié)果如下：

（1）無(wú)機(jī)材料填充工藝適用于粒徑 gt;5mm 的再生混凝土骨料，對(duì)吸水率指標(biāo)改善明顯；碳化工藝適用于粒徑5mm的再生混凝土骨料，能有效改善其吸水率和壓碎指標(biāo)，但對(duì)粒徑為 10～20mm 的再生混凝土骨料改善效果一般；酸處理工藝適用于粒徑5～10mm的再生混凝土骨料，對(duì)表觀(guān)密度、吸水率改善效果與其表面黏附的砂漿含量有關(guān)。

（2）按不同粒徑再生骨料強(qiáng)化前后的改善效果，將其分級(jí)利用，主要包括細(xì)粉骨料、細(xì)粒徑骨料和粗粒徑砂漿骨料三個(gè)尺度。其中，細(xì)粉骨料和細(xì)粒徑骨料碳化處理后具有固化特性，可直接制備成預(yù)制品；粗粒徑骨料具有與天然骨料接近的吸水率、表觀(guān)密度和壓碎值，可直接替換天然骨料制備再生粗骨料混凝土。

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