高強(qiáng)度再生骨料混凝土性能優(yōu)化研究

王圣怡

(1.上海建工集團(tuán)股份有限公司,上海 200080；2.上海高大結(jié)構(gòu)高性能混凝土工程技術(shù)研究中心,上海 201114)

1 高強(qiáng)再生混凝土的研究背景

伴隨著我國(guó)城市建設(shè)的發(fā)展,我國(guó)城市建筑垃圾的規(guī)模也不斷增大。城市垃圾的不斷產(chǎn)生影響城市生態(tài),污染了城市環(huán)境,成為了每座城市面臨的重大挑戰(zhàn)。消極的填埋模式并不可取,因此,將這些垃圾處理后再利用才能真正緩解城市垃圾圍城的巨大壓力。建筑垃圾的主要成分是建筑拆、改建的混凝土,目前,將這些混凝土分揀、破碎、篩分、清洗后制得再生骨料重新用于混凝土生產(chǎn)是實(shí)現(xiàn)廢棄混凝土高效綜合利用的有效途徑。但在現(xiàn)階段,受生產(chǎn)工藝、破碎工藝、分揀、清洗技術(shù)等因素限制,骨料生產(chǎn)廠(chǎng)家生產(chǎn)的再生骨料普遍強(qiáng)度較差,吸水量高,這導(dǎo)致采用再生骨料配制的再生混凝土通常強(qiáng)度較差,流動(dòng)性差,坍落度損失大。這些不利因素嚴(yán)重限制了再生混凝土的生產(chǎn)和發(fā)展。通常來(lái)說(shuō),利用再生骨料配制的再生混凝土在工程上只用于回填標(biāo)高、道路墊層等低強(qiáng)度、非結(jié)構(gòu)承重場(chǎng)合。

現(xiàn)階段,工程上應(yīng)用C50以上強(qiáng)度等級(jí)混凝土的場(chǎng)合越來(lái)越多,為適應(yīng)工程發(fā)展需要,利用再生骨料配制C50以上強(qiáng)度等級(jí)混凝土已勢(shì)在必行。[1]再生骨料不同于天然骨料,其表面通常附著有大量惰性微粉,老舊砂漿,同時(shí),由于再生骨料通常采用機(jī)械力破碎方法生產(chǎn),其顆粒不規(guī)整,針片狀顆粒較多,而且其中的天然骨料基體也會(huì)不可避免地出現(xiàn)裂紋等機(jī)械損傷。這些原因都造成了再生骨料吸水量大、雜質(zhì)干擾多、壓碎指標(biāo)大,因此,沿用原商品高強(qiáng)混凝土的配制方法,很難配制出工作性能和力學(xué)性能俱佳的高強(qiáng)再生混凝土。

目前,研究人員在推進(jìn)再生混凝土高強(qiáng)化方面展開(kāi)了許多研究,主要有以下兩個(gè)方向。一是對(duì)再生粗骨料進(jìn)行改性強(qiáng)化。其主要方法是對(duì)再生骨料表面進(jìn)行改性處理,分為化學(xué)方法和物理方法：物理方法效果較好的是加熱研磨法[2],化學(xué)方法有以下幾種：CO2保護(hù)處理[3],有機(jī)或無(wú)機(jī)溶液覆層[4],納米漿液處理[5],另一個(gè)方向主要是優(yōu)化提高新拌水泥砂漿的性能,使其具備更佳的流動(dòng)性能,這主要通過(guò)添加適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)外加劑和無(wú)機(jī)礦物摻合料來(lái)實(shí)現(xiàn)。[6]水泥水化后的主要產(chǎn)物是水化硅酸鈣凝膠,研究表明其尺寸在納米級(jí)范圍,本研究中對(duì)再生骨料進(jìn)行強(qiáng)化即應(yīng)用自研的水化硅酸鈣凝膠溶液對(duì)再生骨料進(jìn)行改性強(qiáng)化。利用水化硅酸鈣凝膠材料對(duì)再生粗骨料進(jìn)行處理后,其作用主要在于,一是其能填充再生骨料上的細(xì)微缺陷和微裂紋,二是水化硅酸鈣凝膠溶液是納米材料,其能夠有效改善再生混凝土界面過(guò)渡區(qū)的結(jié)構(gòu),提高其強(qiáng)度。[7]另外,本論文還研究了新型混凝土降粘劑對(duì)再生混凝土性能的影響。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1. 原材料

實(shí)驗(yàn)采用的再生骨料為再生骨料廠(chǎng)采用鄂破方式生產(chǎn)的5-16mm連續(xù)粒級(jí)再生骨料,其性能指標(biāo)符合國(guó)標(biāo)《混凝土用再生粗骨料》(GB/T25177-2010)要求,外觀(guān)形狀如下圖1所展示,性能指標(biāo)如下表1所示；采用的天然骨料為符合國(guó)標(biāo)《建筑用卵石、碎石》(GB/T14685-2011)規(guī)定的5-25mm連續(xù)粒級(jí)天然骨料。實(shí)驗(yàn)采用的水泥為上海海螺明珠水泥有限公司生產(chǎn)的PⅡ52.5硅酸鹽水泥；礦粉為張家港恒昌新型建材有限公司生產(chǎn)的S95級(jí)礦粉；粉煤灰為上海杜云企業(yè)發(fā)展有限公司生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰。實(shí)驗(yàn)所采用高效減水劑為上海申立化工廠(chǎng)生產(chǎn)的803型聚羧酸減水劑,混凝土減水率≥25%；降粘劑為巴斯夫公司生產(chǎn)的Rehoplus 416降粘劑；強(qiáng)化骨料所用納米凝膠溶液為自研水化硅酸鈣凝膠溶液,為白色凝膠狀物質(zhì),如下圖2所展示。

表1 5-16mm連續(xù)粒級(jí)再生骨料性能指標(biāo)

微粉含量針片狀含量吸水率表觀(guān)密度(kg/m3)壓碎指標(biāo)堆積密度(kg/m3)緊密密度(kg/m3)2.30%8%4.10%263010%14601620

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)所采用高強(qiáng)再生骨料混凝土配合比如表2所示：

表2 高強(qiáng)再生骨料混凝土配合比表

*：上表中NA表示天然骨料；RA表示未經(jīng)處理的再生骨料；NRA表示納米凝膠溶液浸漬后晾干的再生骨料；WRA表示清水清洗后晾干的再生骨料。

經(jīng)納米凝膠溶液浸漬后的再生骨料需在干燥通風(fēng)處晾干至表面完全無(wú)水分后方可使用,否則水化硅酸鈣溶液的吸水性能會(huì)導(dǎo)致再生混凝土缺乏流動(dòng)性。經(jīng)晾干后的再生骨料表面有白色粉末附著,其外貌特征如下圖3所展示：

圖3 水化硅酸鈣凝膠溶液浸漬晾干后再生骨料

2.3 實(shí)驗(yàn)流程

(1)根據(jù)實(shí)驗(yàn)配合比,準(zhǔn)確稱(chēng)量實(shí)驗(yàn)材料。將再生骨料、天然骨料、黃砂、水泥、礦粉、粉灰投入攪拌機(jī)預(yù)攪拌1-2min。

(2)重啟攪拌機(jī),攪拌過(guò)程中緩慢加入拌合水、外加劑,繼續(xù)攪拌至混凝土攪拌均勻。

(3)立方體抗壓試件采用振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)成型,試件尺寸為150mm×150mm×150mm。

(4)試件成型后,拆模靜置水養(yǎng)護(hù)3d,14d,28d。

(5)新拌混凝土工作性能按照GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試,硬化混凝土力學(xué)性能按照GB/T50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試。

3 結(jié)果分析

3.1 強(qiáng)化骨料與降粘劑對(duì)高強(qiáng)再生混凝土工作性能的影響

試驗(yàn)各組高強(qiáng)再生混凝土基本工作性能如下表3所示：

表3 高強(qiáng)再生混凝土工作性能表

高強(qiáng)再生混凝土工作性能變化規(guī)律如下圖4所示：

圖4 高強(qiáng)再生混凝土工作性能

與普通高強(qiáng)混凝土相比,高強(qiáng)再生骨料混凝土的流動(dòng)性除受制于高強(qiáng)混凝土配比因素,如水灰比,用水量等條件外,還受再生骨料特征的影響,再生骨料公認(rèn)的空隙率大、吸水量大、含粉量高等特征都會(huì)對(duì)高強(qiáng)再生骨料混凝土的工作性能產(chǎn)生影響。

由上圖可以看出,5組試件均具有較高坍落度,這表示其流動(dòng)性能均較好。單從坍落度數(shù)值上看,并沒(méi)有較大差別。但從現(xiàn)場(chǎng)操作的難易程度來(lái)看,加入了BASF 416降粘劑的第3組與第5組最易于鏟動(dòng),說(shuō)明其粘度最低。應(yīng)用了納米凝膠處理再生骨料NRA的第2組粘性則介于第1組空白樣與第3組、第5組之間。應(yīng)用了清水清洗再生骨料WRA的第4組粘性與第2組類(lèi)似。以上比較都基于制作試塊時(shí)操作的難易程度,而非科學(xué)指標(biāo),如需得到較為準(zhǔn)確的流變學(xué)參數(shù)指標(biāo),需應(yīng)用同軸流變儀等專(zhuān)業(yè)設(shè)備進(jìn)行測(cè)量。另外,經(jīng)清洗后晾干的再生骨料制備的再生混凝土漿液包裹骨料的能力較差,容易離析,推測(cè)這與其含粉量下降較多有關(guān)。5組試件初始坍落度照片如下：

3.2 強(qiáng)化骨料與降粘劑對(duì)高強(qiáng)再生混凝土力學(xué)性能的影響

試驗(yàn)各組高強(qiáng)再生混凝土基本力學(xué)性能如下表4所示：

表4 高強(qiáng)再生混凝土力學(xué)性能表

高強(qiáng)再生混凝土力學(xué)性能變化規(guī)律如下圖5所示：

圖5 高強(qiáng)再生混凝土力學(xué)性能

由以上數(shù)據(jù)可以看出,采用未經(jīng)處理的再生骨料制備的第1組再生混凝土28d強(qiáng)度最高。應(yīng)用了BASF416降粘劑的第3組和第5組28d強(qiáng)度最低,這說(shuō)明降粘劑影響了再生混凝土的最終強(qiáng)度。應(yīng)用了凝膠處理再生骨料和清洗后再生骨料的第2組和第4組在28d強(qiáng)度都出現(xiàn)了倒縮,但它們?cè)?4d都表現(xiàn)出了較好的力學(xué)性能。分析原因,主要原因在于對(duì)再生骨料表面的清洗和浸泡去除了大量的惰性微粉,對(duì)再生骨料的界面過(guò)渡區(qū)強(qiáng)度起到了改善效果。而凝膠浸泡的一組更高于清水清洗的一組說(shuō)明在其中,納米級(jí)的硅酸鈣凝膠顆粒起到了晶種的作用,促進(jìn)了水泥水化的進(jìn)程,對(duì)混凝土早期強(qiáng)度的提高也作出了貢獻(xiàn)。

4 結(jié)論

通過(guò)上述研究可以得出以下結(jié)論：

(1)對(duì)于高強(qiáng)再生骨料混凝土來(lái)說(shuō),由于其水膠比較低,同時(shí)再生骨料中也含有較多的微粉,因此用再生骨料制備的高強(qiáng)混凝土坍落度不大,同時(shí)粘性也較高。在其中加入適量的化學(xué)降粘劑和對(duì)再生骨料進(jìn)行表面處理后,可有效降低高強(qiáng)再生骨料混凝土的粘性,從而提高其施工性能。簡(jiǎn)單的用水清洗再生骨料表面可去除再生骨料附著微粉,但用其拌制的高強(qiáng)再生混凝土容易離析。

(2)在再生骨料取代率為30%的條件下,高強(qiáng)再生混凝土的強(qiáng)度都能滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。用凝膠處理的再生骨料和用清水清洗的再生骨料早期強(qiáng)度較高,但后期強(qiáng)度倒縮,說(shuō)明再生骨料的表面特征是影響高強(qiáng)再生混凝土早期強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。化學(xué)降粘劑的加入雖然可以有效降低高強(qiáng)再生混凝土的粘度,但對(duì)高強(qiáng)再生混凝土的強(qiáng)度發(fā)展有不利影響,因此在實(shí)際工程中要慎用。

(3)綜上所述,在實(shí)際工程應(yīng)用中,如需生產(chǎn)循環(huán)周期較短的建筑構(gòu)件,如預(yù)應(yīng)力混凝土管樁、高架橋面板等,可選用納米改性的高強(qiáng)再生骨料混凝土,其早期強(qiáng)度高,坍落度好,后期強(qiáng)度變化不大,完全能滿(mǎn)足工程要求。而在對(duì)混凝土工作性能要求較高的場(chǎng)合,如自密實(shí)混凝土等,則可在高強(qiáng)再生混凝土中摻入一定量的化學(xué)降粘劑,以提高其施工性能。

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