攪拌對再生骨料的破碎影響

王 波，趙利軍，李雅潔，李 晨，劉朝陽，李雪鵬

（長安大學道路施工技術與裝備教育部重點實驗室，陜西 西安710064）

0 引言

再生骨料混凝土（Recycled Aggregate Concrete，RAC），又稱為再生混凝土，是將廢棄混凝土經過破碎、篩分、清理等工序，得到一定粒徑的再生骨料（Recycled Aggregate），將這些再生骨料以一定的摻量代替天然骨料而制備的混凝土。用于生產再生骨料的原始混凝土稱為原生混凝土（Original Concrete）；再生骨料由原生骨料（原生混凝土骨料）、硬化附著砂漿（Residual Mortar）以及兩者之間的界面過渡區（ITZ）組成。

再生骨料混凝土性能缺陷主要是再生骨料性狀畸變及界面過渡區的微裂紋[1，2]。目前針對再生骨料性狀畸變提出了再生骨料的整形強化技術，主要包括物理強化跟化學強化兩種方式[3]。此外，從生產工藝方面提出了改善方式即再生混凝土二次攪拌工藝，主要有粗細骨料造殼法、先拌水泥凈漿法、再生骨料裹灰法和水泥裹砂法[4]等幾種。普遍認為這些二次攪拌工藝的改善機理主要是由于水泥漿體填充再生骨料表面多孔附著砂漿及界面過渡區微裂紋，從而獲得更加密實的界面過渡區結構使得混凝土性能提升；法國學者B Cazacliu等[5]提出另一種改善原因：再生骨料在攪拌過程中發生破碎或磨耗產生的顆粒物填充到混凝土內部，從而獲得更高的密實度，進一步提升硬化混凝土強度。再生骨料在攪拌機中的破碎與磨耗程度會影響再生混凝土配比和各項性能指標，不容忽視。本文通過試驗研究再生骨料在攪拌機中的破碎與磨耗情況，對優化配比與工藝具有重要指導作用。

1 試驗方案

1.1 試驗樣機

本次試驗采用的試驗樣機為仕高瑪MP75/50行星式攪拌機，整機結構如圖1所示。整機主要由行星式攪拌裝置、鏈條驅動升降裝置、自動卸料裝置及機架組成。其中行星時攪拌裝置主要由三個與攪拌臂相連的自轉攪拌葉片和一個公轉側刮刀組成。自動卸料裝置通過電機驅動，直接翻轉攪拌筒完成卸料過程。

圖1 仕高瑪行星攪拌機整體結構

1.2 試驗材料

本次試驗選取用于生產再生骨料的原生混凝土材料為課題組試驗所制備得到的C20混凝土試件，將這些C20試件利用顎式破碎機破碎，然后進行篩分處理，得到粒徑為13.2 mm~19 mm的再生骨料顆粒用于本次試驗。

1.3 試驗方法

首先對再生骨料與天然骨料的基本性能進行檢測試驗，根據《建設用卵石、碎石》（GB/T 14685—2011）[6]對再生骨料與天然骨料的壓碎指標、表觀密度及吸水率進行檢測試驗，得到各項基本數據如表1所示。

表1 再生骨料基本性能指標

本試驗主要包括再生骨料攪拌與篩分兩部分。首先將準備好的粒徑為13.2 mm~19 mm的再生骨料顆粒投入到試驗樣機中，分別以自轉30 r/min和55 r/min的轉速攪拌不同時間，為了適應目前常用攪拌工藝，在攪拌35 s后加入水濕拌一段時間，試驗設計如表2所示，試驗1-1表示以轉速55 r/min干拌35 s的攪拌參數對再生骨料進行攪拌，試驗1-2表示以轉速55 r/min干拌35 s后濕拌55 s的攪拌參數對再生骨料進行攪拌，依此類推，表2中共設計了六種不同的攪拌參數來攪拌再生骨料。得到攪拌后的再生骨料如圖2所示。然后將攪拌后的再生骨料顆粒用標準方孔石子篩進行篩分，記錄各層篩余質量，其中方孔篩的孔徑分別為2.36 mm、4.75 mm、9.5 mm和13.2 mm.

表2 試驗設計

對于篩分得到的粒徑小于2.5 mm的顆粒物，認定其為再生骨料在攪拌機中磨耗產生；對于粒徑在2.5 mm~13.2 mm之間的顆粒物，認定其為再生骨料在攪拌機中破碎產生。

圖2 攪拌前后的再生骨料

2 試驗結果分析

本試驗設計6組對比試驗，以不同速度在行星攪拌機中攪拌不同時間，對攪拌后的再生骨料顆粒進行篩分。如圖3所示為再生骨料顆粒攪拌后各層篩余粒徑分布情況，篩孔尺寸從大到小依次為13.2 mm、9.5 mm、4.75 mm、2.36 mm.

圖3 攪拌后再生骨料粒徑分布

2.1 攪拌后破碎顆粒磨耗質量損失

再生骨料在攪拌過程中會發生磨耗和破碎兩種情況。其中關于再生骨料的磨耗，本文認為將攪拌后顆粒粒徑小于2.5 mm的再生骨料顆粒物定義為磨耗質量，其所占總質量的百分比為磨耗質量損失。根據磨耗質量所占總質量百分比繪制磨耗質量損失柱形圖如圖4所示，可以明顯看出當攪拌速度為55 r/min時，三種攪拌時間下磨耗質量損失都明顯大于攪拌速度30 r/min時的磨耗質量損失；與此同時，隨著攪拌時間的變長，兩種攪拌速度下的磨耗質量損失都明顯增加。

圖4 磨耗質量損失

目前攪拌機常用攪拌速度為55 r/min，由圖4可知在該攪拌速度下隨著攪拌時間的增加，顆粒磨耗現象越明顯，試驗1-3中磨耗質量損失可達到3.85%，本文認為這些大量的磨耗顆粒物主要是由于再生骨料表面附著砂漿在攪拌過程中發生了磨耗破碎產生的。當攪拌生產再生混凝土時，這些攪拌再生骨料后產生的大量細顆粒物會影響再生混凝土的配比、力學性能與工作性等各項性能。

2.2 攪拌后破碎顆粒分計篩余率

如圖5所示為攪拌后再生骨料顆粒的分計篩余率，對比攪拌前再生骨料粒徑為13.2 mm~19 mm發現，在行星攪拌機中攪拌后的再生骨料發生了明顯的磨耗與破碎，且攪拌速度越大、攪拌時間越長，磨耗破碎程度越明顯。攪拌后的破碎顆粒主要粒徑為10 mm~13.2 mm，如圖5所示，試驗1-2有22.82%的再生骨料在攪拌機中破碎為粒徑10 mm~13.2 mm的顆粒。

圖5 分計篩余率

如圖6所示，本文認為發生該現象的破碎形式主要有兩種：第一種是再生骨料在攪拌過程中表面附著砂漿發生破碎；第二種是在附著砂漿破碎后裸露出原始骨料，少量原始骨料顆粒也發生破碎。

圖6 再生骨料破碎形式

2.3 攪拌后破碎顆粒累計篩余率

如圖7所示為攪拌后再生骨料顆粒的累計篩余率，可以看出攪拌速度越快，攪拌時間越長，累計篩余率越大，產生破碎顆粒越多。在6組試驗中，篩孔孔徑為13.2 mm時累計篩余率均在20%以上，即破碎顆粒物所占再生骨料總質量均在20%以上，這就表明再生骨料在攪拌機中的磨耗破碎異常明顯，不容忽視，尤其在試驗1-3工況下該值可達28.71%.因此在攪拌生產再生混凝土時，必須要考慮到再生骨料在攪拌機中的破碎情況。這些磨耗破碎的顆粒會改變再生混凝土配比，其中磨耗產生的部分細顆粒物會填充到再生混凝土中改變混凝土各項性能。

圖7 累計篩余率

再生骨料攪拌過程中導致骨料顆粒磨耗與破碎的原因主要有兩種，第一種是骨料顆粒在攪拌時撞擊到攪拌機筒壁上或旋轉固件（如攪拌臂或攪拌葉片）上而產生磨耗破碎[7]；第二種是骨料顆粒在攪拌筒內自由空間中顆粒之間的相互摩擦碰撞而產生磨耗破碎。

3 結論

（1）再生骨料在行星攪拌機中會發生磨耗與破碎現象，攪拌速度越大，攪拌時間越長，磨耗與破碎現象越明顯，試驗1-3中，28.72%的再生骨料發生磨耗破碎，產生不同粒徑的顆粒物。

（2）破碎后的再生骨料粒徑主要為10 mm~13.2 mm，試驗1-2中，有28.71%的再生骨料在攪拌機中破碎為粒徑10 mm~13.2 mm的顆粒。

（3）磨耗與破碎產生的不同粒徑顆粒物會影響再生混凝土配比，進一步可能影響混凝土性能。