PVA改性再生骨料對(duì)再生混凝土基本力學(xué)性能的影響

吳素瑤，宗翔

(安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

近年來(lái)，社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施大量重建，各地對(duì)混凝土的需求日趨增長(zhǎng)，為實(shí)現(xiàn)資源的循壞利用，國(guó)內(nèi)外再生混凝土的研究日趨豐富。目前國(guó)內(nèi)大部分再生混凝土研究的再生骨料都是再生混凝土骨料，而老城區(qū)改造拆除的大多是磚混結(jié)構(gòu)，還會(huì)產(chǎn)生大量再生磚混骨料。因此，將2種再生骨料同時(shí)加入研究，更加貼合我國(guó)現(xiàn)階段國(guó)情。為了擴(kuò)大這些骨料的應(yīng)用范圍，首先應(yīng)從提高骨料自身質(zhì)量入手[1～3]。再生混凝土骨料中一般包含天然骨料、硬化砂漿、天然骨料和硬化砂漿的黏合體，而再生磚混骨料中還包含大量黏土磚，天然骨料相對(duì)較少。同時(shí)磚混結(jié)構(gòu)存在的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，本身經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間的風(fēng)化和碳化作用[4]，加上制成再生骨料時(shí)破碎造成骨料內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷，相比再生混凝土骨料，再生磚混骨料質(zhì)量更為不佳。

再生骨料改性是提高再生混凝土性能的有效方法[5，6]。文獻(xiàn)[7]對(duì)再生骨料的改性方法做了總結(jié)，物理方法、化學(xué)浸泡和高溫蒸壓與微波加熱等方法對(duì)再生骨料均有不同程度的強(qiáng)化。文獻(xiàn)[8,9]的研究表明,浸泡一定濃度的聚乙烯醇(PVA)溶液可以很好的改善骨料的自身缺陷，濃度為10%時(shí)效果最佳。因此,筆者從提高再生骨料自身質(zhì)量出發(fā)，通過(guò)浸泡10%PVA溶液的方法來(lái)改善骨料自身缺陷，提高再生混凝土的性能。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用水泥為八公山水泥廠生產(chǎn)的強(qiáng)度等級(jí)為42.5的復(fù)合硅酸鹽水泥；混凝土拌和及養(yǎng)護(hù)用水為淮南市自來(lái)水；細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)2.13的河砂；所用粗骨料有3種，分別為購(gòu)于上窯鎮(zhèn)石料廠天然骨料NA、淮南市城區(qū)拆遷再生磚混骨料RA-Ⅰ以及安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院建筑垃圾再生混凝土骨料RA-Ⅱ，粒徑均為4.75～20mm連續(xù)級(jí)配；聚乙烯醇為安徽維皖集團(tuán)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的聚合度1700、醇解度為99%的PVA-1799。

2 再生骨料強(qiáng)化試驗(yàn)

將固體PVA配置成10%的水溶液，加熱至完全溶解。待其冷卻至室溫后，分別浸泡2種再生骨料RA-Ⅰ、RA-Ⅱ，24h后取出，PVA溶液初凝后沖洗骨料表面，在自然條件下晾干，制成改性再生磚混骨料(SRA-Ⅰ)和改性再生混凝土骨料(SRA-Ⅱ)。

測(cè)得5種粗骨料的基本性能如表1所示。由表1可知，2種再生骨料經(jīng)過(guò)改性后，部分性能均有不同程度的提高。改性使得再生骨料的含水率略微增大，前15min吸水率大幅減小，SRA-Ⅰ比RA-Ⅰ下降42.9%，SRA-Ⅱ比RA-Ⅱ下降14.5%。PVA溶液浸泡晾干后形成一層憎水膜，填充在再生骨料表面孔隙和裂縫中，阻止水分進(jìn)入，降低再生骨料吸水率。對(duì)于孔隙相對(duì)更多、吸水率更大的RA-Ⅰ來(lái)說(shuō)，改性后吸水率降低也更加明顯。但是由于PVA常溫下微溶于水，憎水膜遇水變軟，改性后的再生骨料后期吸水速率相對(duì)提高，但總體吸水率降低。部分PVA晾干后凝結(jié)成堅(jiān)硬固體，粘附在骨料表面，PVA固體的表觀密度相比骨料小，造成測(cè)出的表觀密度偏低。改性后壓碎值指標(biāo)SRA-Ⅰ比RA-Ⅰ下降26.4%，SRA-Ⅱ比RA-Ⅱ下降12.1%，骨料的強(qiáng)度得到了提高。

表1 粗骨料的基本性能

3 再生混凝土基本力學(xué)性能試驗(yàn)

將5種粗骨料分別制成5種混凝土，編號(hào)一一對(duì)應(yīng)。根據(jù)5種粗骨料的表觀密度，采用絕對(duì)體積法計(jì)算出各組混凝土配合比[10]，取有效水灰比[11]為0.5，用水量為190kg/m3，砂率36%，再根據(jù)15min吸水率計(jì)算額外用水量，最終配合用量如表2所示。

表2 混凝土的配合用量

各組拌合物坍落度在60～80mm，無(wú)泌水現(xiàn)象，振搗密實(shí)抹平24h后脫模，置于20±2℃，濕度95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。試塊均為100mm×100mm×100mm的立方體試件，根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)[12]取齡期3、7、28、90d試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)以及劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。

3.1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

再生混凝土抗壓強(qiáng)度破壞形態(tài)與普通混凝土類似，隨著荷載增加，由試塊出現(xiàn)裂縫到表面水泥砂漿外鼓脫落，最終形成2個(gè)相對(duì)的四角錐形?？箟簭?qiáng)度增長(zhǎng)早期破壞面主要位于新舊砂漿交界處，28d后RAC-Ⅰ和SRAC-Ⅰ還伴隨部分骨料被壓碎。

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示,再生混凝土RAC-Ⅰ、RAC-Ⅱ 3d抗壓強(qiáng)度比普通混凝土NAC高，7～90d期間低于NAC?？箟簭?qiáng)度增長(zhǎng)百分比如圖2所示，由圖2可知，再生混凝土RAC-Ⅰ、RAC-Ⅱ 3d抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)均超過(guò)了50% 。由于再生骨料孔隙率高、比表面積大，在混凝土水化反應(yīng)早期擴(kuò)大了水與膠凝材料的接觸面積，增加了早期水化反應(yīng)的速率，以致于再生混凝土早期抗壓強(qiáng)度比天然混凝土高。隨著齡期的增長(zhǎng)，3～28d時(shí)水化反應(yīng)逐漸完全，骨料在混凝土中逐漸起到“骨架”作用，再生混凝土由于骨料缺陷抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)受限，普通混凝土的抗壓強(qiáng)度快速增長(zhǎng)。由于再生骨料吸水率高，前期骨料吸入大量額外用水，28d后仍在緩慢釋放進(jìn)行進(jìn)一步的水化反應(yīng)，使得28～90d期間再生混凝土RAC-Ⅰ、RAC-Ⅱ抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)高于普通混凝土NAC。

圖1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果 圖2 抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)百分比

改性后的再生混凝土SRAC-Ⅰ、SRAC-Ⅱ早期抗壓強(qiáng)度均表現(xiàn)出比未改性的再生混凝土RAC-Ⅰ、RAC-Ⅱ低。SRAC-Ⅰ抗壓強(qiáng)度至28d后才高于RAC-Ⅰ，90d抗壓強(qiáng)度SRAC-Ⅰ比RAC-Ⅰ高3.11MPa。SRAC-Ⅱ抗壓強(qiáng)度在28d略高于RAC-Ⅱ，90d抗壓強(qiáng)度SRAC-Ⅱ比RAC-Ⅱ高4.79MPa。混凝土拌制時(shí)，骨料表面PVA硬化形成的憎水膜遇水變軟，該憎水膜位于再生混凝土新老界面過(guò)渡區(qū)[13]，阻礙了新舊砂漿的結(jié)合，造成改性后的再生混凝土SRAC-Ⅰ、SRAC-Ⅱ早期抗壓強(qiáng)度較低。由圖2可直觀了解到，改性后的再生混凝土SRAC-Ⅰ、SRAC-Ⅱ抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)百分比十分接近，說(shuō)明PVA對(duì)再生骨料的改性降低了再生混凝土的早期抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)速率。由于PVA憎水膜包裹再生骨料，減小了再生骨料的比表面積，減小了早期水化反應(yīng)的速率。該膜又減緩了再生骨料中吸收水的釋放速度，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度在7～28d期間緩慢增長(zhǎng)。28d后隨著水化反應(yīng)的完全，水逐漸完全參與反應(yīng)，PVA重新硬化填充在骨料孔隙中強(qiáng)化再生骨料，使得28d后再生混凝土強(qiáng)度還能有20%以上的增長(zhǎng)。

圖3 劈裂抗拉破壞形態(tài)

3.2 劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

劈裂抗拉破壞形態(tài)如圖3所示。由圖3可知，再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)破壞形態(tài)隨著齡期的增長(zhǎng)有所不同。由圖3(a)可知，在齡期3d，破壞主要沿著再生混凝土新舊砂漿交界處被劈裂，開(kāi)裂面由于部分骨料沒(méi)有直接被劈開(kāi)凹凸不平。由圖3(b)可知， 28d后再生骨料直接被劈開(kāi)，開(kāi)裂面相對(duì)平整。

劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，在混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)的整個(gè)階段，普通混凝土NAC的劈裂抗拉強(qiáng)度均高于再生混凝土，骨料質(zhì)量相對(duì)較差的RAC-Ⅰ也整體低于RAC-Ⅱ。由此可見(jiàn)骨料質(zhì)量也直接影響到混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度。

劈裂抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)百分比如圖5所示。與抗壓強(qiáng)度類似，改性后再生混凝土SRAC-Ⅰ、SRAC-Ⅱ早期劈裂抗拉強(qiáng)度低于未改性的再生混凝土RAC-Ⅰ、RAC-Ⅱ。28d時(shí)改性前后的再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度相當(dāng)，90d劈裂抗拉強(qiáng)度SRAC-Ⅰ比RAC-Ⅰ高0.35MPa，SRAC-Ⅱ 比RAC-Ⅱ高0.05MPa。PVA改性降低了水化反應(yīng)的速率，降低了28d前劈裂抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)速率，但填充在再生骨料孔隙中的PVA并不能大幅提高再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度。因此，PVA對(duì)再生骨料的改性，對(duì)提高再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度效果并不顯著，主要降低了再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)速度。

圖4 劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果 圖5 劈裂抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)百分比

4 結(jié)論

1)再生骨料自身的質(zhì)量直接影響了再生混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的增長(zhǎng)，提高再生骨料質(zhì)量、改善自身缺陷是提高再生混凝土基本力學(xué)性能的關(guān)鍵。

2)再生骨料浸泡10%PVA溶液的方法可以很好的提高骨料質(zhì)量、改善骨料的自身缺陷，尤其可以顯著降低再生骨料前期吸水率，骨料質(zhì)量越差改性效果越佳。

3)PVA改性方法使得再生骨料比表面積降低，減小了水化反應(yīng)的面積，減緩了早期水化反應(yīng)速率，降低了再生混凝土早期強(qiáng)度增長(zhǎng)速率，因此造成早期抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度較低。

4)再生混凝土抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)后期，PVA硬化填充在骨料的孔隙中加強(qiáng)骨料，可提高中后期再生混凝土的抗壓強(qiáng)度，但對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度提高并不顯著。