強(qiáng)吸水再生預(yù)處理對(duì)混凝土抗凍性影響研究

田園　郭乙霏　郭利霞　汪倫焰　曹永瀟　劉家甍　駱言

摘要：為提高再生混凝土性能，降低直接生產(chǎn)成本，研究了骨料預(yù)處理方法對(duì)再生混凝土性能的影響。通過(guò)試驗(yàn)考察強(qiáng)吸水骨料的吸水特性，建立了再生骨料吸水量預(yù)測(cè)模型，以計(jì)算不同時(shí)間預(yù)吸水骨料的孔隙飽和度，并基于飽和度推求預(yù)濕時(shí)間，設(shè)計(jì)了飽和預(yù)濕法、濃漿裹預(yù)濕砂石法、水泥裹預(yù)濕砂石法等高吸水骨料預(yù)處理方法制備再生混凝土，并與傳統(tǒng)方法比較，研究了骨料預(yù)處理方法對(duì)再生混凝土力學(xué)性能及抗凍性的影響。結(jié)果表明：28 d養(yǎng)護(hù)后的混凝土試塊抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)為飽和預(yù)濕法>濃漿裹預(yù)濕砂石法>傳統(tǒng)方法>水泥裹預(yù)濕砂石法，抗凍性表現(xiàn)為濃漿裹預(yù)濕砂石法>水泥裹預(yù)濕砂石法>傳統(tǒng)方法>飽和預(yù)濕法，建議采用濃漿裹預(yù)濕砂石法制備再生混凝土。

關(guān)鍵詞：再生骨料;吸水量預(yù)測(cè);預(yù)處理;抗凍性;抗壓強(qiáng)度

中圖分類(lèi)號(hào)：TV431+.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j .issn.1000- 1379.2019.04.029

再生混凝土是用再生骨料全部或部分取代天然砂石骨料配制成的混凝土[1].不但可以解決建筑廢棄物處理困難和由其引發(fā)的環(huán)境問(wèn)題，而且可以減少天然建筑材料的開(kāi)采，對(duì)節(jié)約資源、保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要意義。再生骨料是再生混凝土的主要組成材料，一般由廢棄混凝土破碎、加工處理而成，含有磚塊、砂漿塊、石塊及雜物，相比天然骨料，具有孔隙率高、吸水性強(qiáng)[1]、彈性模量低等特性，常用于配置中低強(qiáng)混凝土。

再生混凝土由于再生骨料表面由水泥砂漿包裹及含有磚塊，因此具有高吸水性，當(dāng)原生混凝土強(qiáng)度大于20 MPa時(shí)，其吸水率為3% - 6%，遠(yuǎn)高于普通混凝土[2-3]。針對(duì)強(qiáng)吸水再生骨料（吸水率大于6%），采用經(jīng)濟(jì)可靠的手段提高其自身性質(zhì)及再生混凝土性能是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。SHIMA H等[4]從骨料強(qiáng)化處理的角度提高骨料強(qiáng)度，如機(jī)械處理，但此方法工作效率低，對(duì)設(shè)備磨損大，適用性有待研究;羅素蓉等[5-6]采用化學(xué)漿液浸泡法對(duì)骨料進(jìn)行預(yù)處理，但化學(xué)漿液浸泡法目前還處于研究階段，不利于再生混凝土的工廠化生產(chǎn)：BARRADE O M等[7]采用濕處理方式改善骨料特性。上述骨料強(qiáng)化措施操作簡(jiǎn)單，但未全面考察混凝土性能。筆者在前人研究[8]的基礎(chǔ)上，從批量化生產(chǎn)、操作簡(jiǎn)單的角度出發(fā)，在拌制再生混凝土過(guò)程中采用再生粗骨料預(yù)濕、改變投料順序的方法，分析其對(duì)混凝土工作性能、強(qiáng)度及耐久性的影響，從微觀角度揭示影響機(jī)制，以期為高吸水再生骨料的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

試驗(yàn)采用水泥為河南天瑞有限公司生產(chǎn)的425#普通硅酸鹽水泥，選取I級(jí)粉煤灰作為試驗(yàn)材料。細(xì)骨料采用來(lái)自姚河的河砂，粒徑0.35 - 0.50 mm，為中砂。粗骨料選用5-20 mm連續(xù)級(jí)配的再生含磚骨料?；炷涟韬陀盟疄樽詠?lái)水。減水劑為聚羧酸高效減水劑，用于提高混凝土和易性。再生骨料主要成分是紅磚和混凝土，吸水性較高，再生骨料表觀密度為2 300 -2 500 kg/m，堆積密度為800 - 900 kg/m，屬于輕集料。

1.2 再生混凝土試驗(yàn)配合比

再生骨料含量對(duì)再生混凝土性能影響較大，粗骨料采用再生粗骨料，骨料級(jí)配粒徑5 - 10 mm與粒徑10-20 mm之比為2：3.細(xì)骨料以20%再生骨料取代天然骨料，水泥含量為22.6%。水灰比參照《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（ JGJ55-2011）在0.20 - 0.62進(jìn)行調(diào)配，最終確定水灰比為0.56。減水劑為QS-8020聚羧酸減水劑，減水率為30%，摻量為水泥用量的0.1%。配合比中水灰比指總水灰比，即有效水灰比與骨料水灰比之和?？紤]到再生骨料摻量對(duì)混凝土耐久性及力學(xué)性能的影響9-10]，確定再生骨料摻量為骨料質(zhì)量的330-/0。單位體積再生粗骨料、天然細(xì)骨料、再生細(xì)骨料、水泥、水、減水劑用量分別為237.0、973.6、243.4、425.0、237.0、0.53 kg/m.

1.3 骨料特性試驗(yàn)

與普通砂、石骨料相比，再生混凝土骨料吸水能力極強(qiáng)，天然石料15 min的吸水率約為0.4%，而再生骨料可達(dá)10.0%，且吸水率隨著再生骨料粒徑的減小而增大。由于粗骨料吸水飽和與否直接影響其表層界面的水分流向，改變?cè)偕炷良?xì)觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響再生混凝土特性，因此采用鄭州恒基建材有限公司的高吸水磚混凝土再生骨料，考察預(yù)吸水時(shí)間對(duì)骨料飽和度的影響，吸水率隨時(shí)間的變化情況見(jiàn)表1。

由表1可知：再生骨料孔隙率大，紅磚含量高，吸水率高：不同粒徑骨料的吸水量均隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，前5 min的吸水速率最大，之后趨于平緩，孔隙水基本達(dá)到飽和。骨料粒徑比表面積不同，粒徑越大，比表面積相對(duì)較小，吸水率越小;粒徑越小，吸水率越大。不同粒徑再生骨料吸水率隨時(shí)間變化情況見(jiàn)圖1。

1.4 再生骨料預(yù)處理

將篩分好的再生骨料用水沖洗，去除再生骨料表面的碎屑、粉塵及雜質(zhì)，晾曬2d以上達(dá)到氣干狀態(tài)，氣干粗骨料飽和度約為25%。要使孔隙水飽和度達(dá)到94%，需將粗骨料在水中浸泡10 min;要使粗骨料飽和度達(dá)到1 00%.需在水中浸泡2d以上。

根據(jù)上述結(jié)論和肖建莊等[11-12]的研究成果，采用上述飽和度設(shè)計(jì)飽和預(yù)濕法、濃漿裹預(yù)濕砂石法、水泥裹預(yù)濕砂石法制備再生混凝土，并與傳統(tǒng)工藝制備的再生混凝土進(jìn)行對(duì)比。飽和預(yù)濕法：首先將氣干再生粗骨料浸泡在水中2d，使其飽和吸水，然后加入水泥、砂、剩余水和減水劑，攪拌180 s;濃漿裹預(yù)濕砂石法：氣干再生粗骨料浸泡在水中10 min后備用，將全部水泥加浸泡剩余水及減水劑攪拌60 s形成水泥漿，再加入所有骨料繼續(xù)攪拌120 s：水泥裹預(yù)濕砂石法：將氣干再生粗骨料浸泡在水中10 min.和砂放人攪拌機(jī)，加入水泥攪拌60 s，再加入剩余水及減水劑攪拌90 s。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 工作性能

參照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（ GB/T 50080-2002）[13]，將初始塌落度作為衡量再生混凝土和易性的指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果表明，再生粗骨料浸泡時(shí)間越長(zhǎng)，越接近附加水量，剩余的攪拌用水量越少，實(shí)際攪拌過(guò)程中的自由水灰比越小，混凝土和易性越差，因此傳統(tǒng)方法配置的再生混凝土塌落度最大，為10.5 mm.其次為水泥裹預(yù)濕砂石法和濃漿裹預(yù)濕砂石法制成的再生混凝土，分別為10.1、10.0 mm.塌落度最小的是飽和預(yù)濕法制成的再生混凝土，為9.5 mm。塌落度整體相差不大，原因是再生骨料的摻量較小，僅占所有骨料（天然砂和再生骨料）質(zhì)量的33%。

2.2 力學(xué)性能

參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081-2002）[14].對(duì)預(yù)處理再生骨料配置的再生混凝土進(jìn)行3、7、28 d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。抗壓強(qiáng)度歷時(shí)的發(fā)展間接反映了混凝土的水化、硬化過(guò)程，前期抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)為飽和預(yù)濕法>濃漿裹預(yù)濕砂石法>水泥裹預(yù)濕砂石法>傳統(tǒng)方法，但發(fā)展到后期，抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)為飽和預(yù)濕法>濃漿裹預(yù)濕砂石法>傳統(tǒng)方法>水泥裹預(yù)濕砂石法。

粉煤灰及聚羧酸高效減水劑的摻入會(huì)對(duì)再生混凝土的后期性能產(chǎn)生影響。聚羧酸減水劑作用在早期，減水劑不但能使水泥與水體處于相對(duì)穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)，而且能使水泥在加水初期所形成的絮凝狀結(jié)構(gòu)分散解體，從而將絮凝結(jié)構(gòu)內(nèi)的水釋放出來(lái)。傳統(tǒng)方法中減水劑溶于水，釋放水量大，孔結(jié)構(gòu)增多，早期強(qiáng)度最低。水泥石與骨料界面情況是影響再生混凝土強(qiáng)度的重要因素，粉煤灰作為微集料可以有效改善界面，原因是粉煤灰與水泥水化產(chǎn)生的C-S-H凝膠反應(yīng)，填充混凝土孔隙，提高密實(shí)性，相較于傳統(tǒng)方法，3種改良工藝使得用于水化反應(yīng)的水量增加，結(jié)構(gòu)更加致密，抗壓性增強(qiáng)。

預(yù)濕后的再生骨料，飽和度與砂漿持平，水分幾乎不發(fā)生轉(zhuǎn)移，再生骨料界面和新生混凝土相較未預(yù)濕骨料連結(jié)更密實(shí)，工作性能、強(qiáng)度均很好。傳統(tǒng)工藝制備的試塊骨料飽和度較低，骨料表層界面水分向骨料轉(zhuǎn)移，新生水泥漿體孔隙較多，強(qiáng)度不高。早期再生骨料表面的水泥砂漿與新產(chǎn)生的水泥砂漿彈性模量相近，水泥顆粒進(jìn)入再生骨料孔隙，使得界面處致密性提高，所以采用二次攪拌工藝的混凝土早期強(qiáng)度普遍高于傳統(tǒng)方法的。

對(duì)于后期來(lái)說(shuō)，再生骨料具有極強(qiáng)的吸水特性，提前預(yù)濕的骨料可看做再生混凝土的內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料[1]，一方面使得界面處后期水化反應(yīng)更加充分，另一方面減少自收縮，使得骨料與水泥石連結(jié)界面處裂隙減少。因此，濃漿裹預(yù)濕砂石法與飽和預(yù)濕法處理得到的再生混凝土力學(xué)性能最佳。

針對(duì)不同的工藝方法，水泥裹預(yù)濕砂石法與水泥攪拌后前期會(huì)在骨料表層迅速形成較薄的漿體殼，再生骨料表面漿體殼的水灰比低于濃漿裹預(yù)濕砂石法的，界面強(qiáng)度提高，對(duì)早期強(qiáng)度有利，水泥裹預(yù)濕砂石法早期水化較充分，但界面處吸水性強(qiáng)，致使后期水泥水化不夠充分，力學(xué)性能不佳;飽和預(yù)濕法中骨料經(jīng)飽和處理后，剩余攪拌水量減少，自由水灰比增大，混凝土水泥漿內(nèi)水量較少，水泥漿體密實(shí)，因此強(qiáng)度最高，但該工藝再生粗骨料飽和，界面受內(nèi)部水補(bǔ)給，水灰比要小于其他方法的，界面強(qiáng)度低：濃漿裹預(yù)濕砂石法再生骨料尚未飽和，表面處于面干狀態(tài)，被一層水泥漿殼包裹，填補(bǔ)附著漿體的孔隙及裂縫，再生骨料內(nèi)部水補(bǔ)給范圍有限，幾乎達(dá)不到界面，界面強(qiáng)度較高，后期強(qiáng)度發(fā)展要優(yōu)于飽和預(yù)濕法的。上述結(jié)論與文獻(xiàn)[15]一致。

2.3 抗凍性能

一般將相對(duì)動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失率作為抗凍性指標(biāo)，何燕等[9-10]研究發(fā)現(xiàn)，再生混凝土骨料吸水量較大，質(zhì)量損失率不宜作為抗凍性指標(biāo)，因此這里僅考慮相對(duì)動(dòng)彈性模量。試驗(yàn)按《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（ GB/T 50082-2009）的規(guī)定，采用100 mmxl00 mmx400 mm棱柱體試件進(jìn)行25次凍融循環(huán)后，傳統(tǒng)方法、飽和預(yù)濕法、水泥裹預(yù)濕砂石法、濃漿裹預(yù)濕砂石法相對(duì)動(dòng)彈性模量分別為0. 85、0.82、0.86、0.90。試件經(jīng)過(guò)25次凍融循環(huán)后，抗凍性表現(xiàn)為濃漿裹預(yù)濕砂石法>水泥裹預(yù)濕砂石法>傳統(tǒng)方法>飽和預(yù)濕法。

隨著水量的增加，水泥產(chǎn)物之間的接觸點(diǎn)相對(duì)減少，產(chǎn)物結(jié)構(gòu)疏松不致密[1O]。對(duì)于飽和預(yù)濕法，水泥與骨料的接觸面水量充足，但再生骨料表層經(jīng)充分飽和后，形成的表面水膜較厚，導(dǎo)致較厚的高水灰比界面過(guò)渡區(qū)。該區(qū)域內(nèi)填充的水化產(chǎn)物越來(lái)越少，黏結(jié)強(qiáng)度較低，結(jié)構(gòu)疏松，但剩余水量最少，自由水灰比減小，新生水泥石內(nèi)孔隙較少，致密性高，粉煤灰量相對(duì)較多，多數(shù)粉煤灰顆粒不發(fā)生水化反應(yīng)，不會(huì)減少水泥與骨料的結(jié)合，使得過(guò)渡層多孔，受凍融溫度變化影響，骨料和水泥石變形不一致，裂縫發(fā)展，抗凍性最差。

水泥裹預(yù)濕砂石法再生混凝土的抗凍性較強(qiáng)，原因是界面交界處，相對(duì)于水量，膠凝材料充足，在骨料表面形成致密的漿體，增強(qiáng)了再生骨料與新漿體之間的界面強(qiáng)度;相較于交界面，外圍部分水灰比較高，結(jié)構(gòu)較為疏松，因此整體抗凍性有一定改善。

濃漿裹預(yù)濕砂石法交界面和外部水泥均可達(dá)到充分水化，水泥分散均勻，交界面與外部密實(shí)性差異較小，整體均衡，因此表現(xiàn)出的抗凍性最好。

傳統(tǒng)工藝自由水灰比較大，新生水泥石內(nèi)孔隙較多，密實(shí)性不強(qiáng)，抗凍性較差，但再生骨料表面水灰比最小，界面強(qiáng)度高，整體抗凍性一般。

3 結(jié)語(yǔ)

再生混凝土作為一種可持續(xù)發(fā)展建筑材料，生產(chǎn)成本略高于普通混凝土，為提高混凝土性能，降低直接生產(chǎn)成本，研究了提高再生混凝土性能的手段。考察了骨料吸水率隨時(shí)間的變化情況，建立吸水量預(yù)測(cè)模型，根據(jù)預(yù)測(cè)模型，推測(cè)不同飽和度下的骨料預(yù)濕時(shí)間，設(shè)計(jì)不同飽和度的飽和預(yù)濕法、濃漿裹預(yù)濕砂石法和水泥裹預(yù)濕砂石法進(jìn)行再生混凝土性能試驗(yàn)。

（1）骨料吸水量與骨料質(zhì)量成正相關(guān)關(guān)系，并得到了骨料吸水量預(yù)測(cè)模型。

（2）再生混凝土抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)為飽和預(yù)濕法>濃漿裹預(yù)濕砂石法>傳統(tǒng)方法>水泥裹預(yù)濕砂石法，抗凍性表現(xiàn)為濃漿裹預(yù)濕砂石法>水泥裹預(yù)濕砂石法>傳統(tǒng)方法>飽和預(yù)濕法。對(duì)于批量化工廠生產(chǎn)，推薦采用濃漿裹預(yù)濕砂石的再生混凝土制備方法，控制好骨料預(yù)濕時(shí)間。

（3）傳統(tǒng)工藝制備的試塊骨料飽和度較低，再生骨料吸水性極強(qiáng)，骨料表層界面水分向骨料轉(zhuǎn)移，新生水泥漿體孔隙較多，強(qiáng)度不高：濃漿裹預(yù)濕砂石法制備的試塊水化充分，再生骨料飽和度與砂漿持平，水分幾乎不發(fā)生轉(zhuǎn)移，界面和新生水泥漿相對(duì)較密實(shí)，抗壓性能和抗凍性均很好：飽和預(yù)濕法制備的試塊骨料飽和，在濕度梯度差下可向界面補(bǔ)給水分，界面水灰比小，抗凍性較差。

（4）富含紅磚再生骨料具有極強(qiáng)的吸水性，可作為內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料用于水灰比較小的混凝土制備中，能夠減少自收縮，使得界面水化反應(yīng)更加充分，對(duì)提高混凝土性能可發(fā)揮積極作用。綜合考慮對(duì)力學(xué)性能及抗凍性的影響，建議采用濃漿裹預(yù)濕砂石法制備再生混凝土。

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【責(zé)任編輯呂艷梅】