強吸水再生預處理對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，降低直接生產成本，研究了骨料預處理方法對再生混凝土性能的影響。通過試驗考察強吸水骨料的吸水特性，建立了再生骨料吸水量預測模型，以計算不同時間預吸水骨料的孔隙飽和度，并基于飽和度推求預濕時間，設計了飽和預濕法、濃漿裹預濕砂石法、水泥裹預濕砂石法等高吸水骨料預處理方法制備再生混凝土，并與傳統方法比較，研究了骨料預處理方法對再生混凝土力學性能及抗凍性的影響。結果表明：28 d養護后的混凝土試塊抗壓強度表現為飽和預濕法>濃漿裹預濕砂石法>傳統方法>水泥裹預濕砂石法，抗凍性表現為濃漿裹預濕砂石法>水泥裹預濕砂石法>傳統方法>飽和預濕法，建議采用濃漿裹預濕砂石法制備再生混凝土。

關鍵詞：再生骨料;吸水量預測;預處理;抗凍性;抗壓強度

中圖分類號：TV431+.9

文獻標志碼：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的環境問題，而且可以減少天然建筑材料的開采，對節約資源、保護生態環境具有重要意義。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[1]、彈性模量低等特性，常用于配置中低強混凝土。

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，當原生混凝土強度大于20 MPa時，其吸水率為3% - 6%，遠高于普通混凝土[2-3]。針對強吸水再生骨料（吸水率大于6%），采用經濟可靠的手段提高其自身性質及再生混凝土性能是當前研究的熱點。SHIMA H等[4]從骨料強化處理的角度提高骨料強度，如機械處理，但此方法工作效率低，對設備磨損大，適用性有待研究;羅素蓉等[5-6]采用化學漿液浸泡法對骨料進行預處理，但化學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：BARRADE O M等[7]采用濕處理方式改善骨料特性。上述骨料強化措施操作簡單，但未全面考察混凝土性能。筆者在前人研究[8]的基礎上，從批量化生產、操作簡單的角度出發，在拌制再生混凝土過程中采用再生粗骨料預濕、改變投料順序的方法，分析其對混凝土工作性能、強度及耐久性的影響，從微觀角度揭示影響機制，以期為高吸水再生骨料的應用提供依據。

1 試驗概況

1.1 原材料

試驗采用水泥為河南天瑞有限公司生產的425#普通硅酸鹽水泥，選取I級粉煤灰作為試驗材料。細骨料采用來自姚河的河砂，粒徑0.35 - 0.50 mm，為中砂。粗骨料選用5-20 mm連續級配的再生含磚骨料。混凝土拌和用水為自來水。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 再生混凝土試驗配合比

再生骨料含量對再生混凝土性能影響較大，粗骨料采用再生粗骨料，骨料級配粒徑5 - 10 mm與粒徑10-20 mm之比為2：3.細骨料以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計規程》（ JGJ55-2011）在0.20 - 0.62進行調配，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。考慮到再生骨料摻量對混凝土耐久性及力學性能的影響9-10]，確定再生骨料摻量為骨料質量的330-/0。單位體積再生粗骨料、天然細骨料、再生細骨料、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

與普通砂、石骨料相比，再生混凝土骨料吸水能力極強，天然石料15 min的吸水率約為0.4%，而再生骨料可達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，改變再生混凝土細觀結構，進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，考察預吸水時間對骨料飽和度的影響，吸水率隨時間的變化情況見表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間的延長而增大，前5 min的吸水速率最大，之后趨于平緩，孔隙水基本達到飽和。骨料粒徑比表面積不同，粒徑越大，比表面積相對較小，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間變化情況見圖1。

1.4 再生骨料預處理

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，晾曬2d以上達到氣干狀態，氣干粗骨料飽和度約為25%。要使孔隙水飽和度達到94%，需將粗骨料在水中浸泡10 min;要使粗骨料飽和度達到1 00%.需在水中浸泡2d以上。

根據上述結論和肖建莊等[11-12]的研究成果，采用上述飽和度設計飽和預濕法、濃漿裹預濕砂石法、水泥裹預濕砂石法制備再生混凝土，并與傳統工藝制備的再生混凝土進行對比。飽和預濕法：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攪拌120 s：水泥裹預濕砂石法：將氣干再生粗骨料浸泡在水中10 min.和砂放人攪拌機，加入水泥攪拌60 s，再加入剩余水及減水劑攪拌90 s。

2 試驗結果與分析

2.1 工作性能

參照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》（ 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。試驗結果表明，再生粗骨料浸泡時間越長，越接近附加水量，剩余的攪拌用水量越少，實際攪拌過程中的自由水灰比越小，混凝土和易性越差，因此傳統方法配置的再生混凝土塌落度最大，為10.5 mm.其次為水泥裹預濕砂石法和濃漿裹預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）質量的33%。

2.2 力學性能

參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081-2002）[14].對預處理再生骨料配置的再生混凝土進行3、7、28 d抗壓強度試驗，試驗結果見圖2。抗壓強度歷時的發展間接反映了混凝土的水化、硬化過程，前期抗壓強度表現為飽和預濕法>濃漿裹預濕砂石法>水泥裹預濕砂石法>傳統方法，但發展到后期，抗壓強度表現為飽和預濕法>濃漿裹預濕砂石法>傳統方法>水泥裹預濕砂石法。

粉煤灰及聚羧酸高效減水劑的摻入會對再生混凝土的后期性能產生影響。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穩定的懸浮狀態，而且能使水泥在加水初期所形成的絮凝狀結構分散解體，從而將絮凝結構內的水釋放出來。傳統方法中減水劑溶于水，釋放水量大，孔結構增多，早期強度最低。水泥石與骨料界面情況是影響再生混凝土強度的重要因素，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生的C-S-H凝膠反應，填充混凝土孔隙，提高密實性，相較于傳統方法，3種改良工藝使得用于水化反應的水量增加，結構更加致密，抗壓性增強。

預濕后的再生骨料，飽和度與砂漿持平，水分幾乎不發生轉移，再生骨料界面和新生混凝土相較未預濕骨料連結更密實，工作性能、強度均很好。傳統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移，新生水泥漿體孔隙較多，強度不高。早期再生骨料表面的水泥砂漿與新產生的水泥砂漿彈性模量相近，水泥顆粒進入再生骨料孔隙，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度普遍高于傳統方法的。

對于后期來說，再生骨料具有極強的吸水特性，提前預濕的骨料可看做再生混凝土的內養護材料[1]，一方面使得界面處后期水化反應更加充分，另一方面減少自收縮，使得骨料與水泥石連結界面處裂隙減少。因此，濃漿裹預濕砂石法與飽和預濕法處理得到的再生混凝土力學性能最佳。

針對不同的工藝方法，水泥裹預濕砂石法與水泥攪拌后前期會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濕砂石法的，界面強度提高，對早期強度有利，水泥裹預濕砂石法早期水化較充分，但界面處吸水性強，致使后期水泥水化不夠充分，力學性能不佳;飽和預濕法中骨料經飽和處理后，剩余攪拌水量減少，自由水灰比增大，混凝土水泥漿內水量較少，水泥漿體密實，因此強度最高，但該工藝再生粗骨料飽和，界面受內部水補給，水灰比要小于其他方法的，界面強度低：濃漿裹預濕砂石法再生骨料尚未飽和，表面處于面干狀態，被一層水泥漿殼包裹，填補附著漿體的孔隙及裂縫，再生骨料內部水補給范圍有限，幾乎達不到界面，界面強度較高，后期強度發展要優于飽和預濕法的。上述結論與文獻[15]一致。

2.3 抗凍性能

一般將相對動彈性模量和質量損失率作為抗凍性指標，何燕等[9-10]研究發現，再生混凝土骨料吸水量較大，質量損失率不宜作為抗凍性指標，因此這里僅考慮相對動彈性模量。試驗按《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（ GB/T 50082-2009）的規定，采用100 mmxl00 mmx400 mm棱柱體試件進行25次凍融循環后，傳統方法、飽和預濕法、水泥裹預濕砂石法、濃漿裹預濕砂石法相對動彈性模量分別為0. 85、0.82、0.86、0.90。試件經過25次凍融循環后，抗凍性表現為濃漿裹預濕砂石法>水泥裹預濕砂石法>傳統方法>飽和預濕法。

隨著水量的增加，水泥產物之間的接觸點相對減少，產物結構疏松不致密[1O]。對于飽和預濕法，水泥與骨料的接觸面水量充足，但再生骨料表層經充分飽和后，形成的表面水膜較厚，導致較厚的高水灰比界面過渡區。該區域內填充的水化產物越來越少，黏結強度較低，結構疏松，但剩余水量最少，自由水灰比減小，新生水泥石內孔隙較少，致密性高，粉煤灰量相對較多，多數粉煤灰顆粒不發生水化反應，不會減少水泥與骨料的結合，使得過渡層多孔，受凍融溫度變化影響，骨料和水泥石變形不一致，裂縫發展，抗凍性最差。

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

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

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

3 結語

再生混凝土作為一種可持續發展建筑材料，生產成本略高于普通混凝土，為提高混凝土性能，降低直接生產成本，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間的變化情況，建立吸水量預測模型，根據預測模型，推測不同飽和度下的骨料預濕時間，設計不同飽和度的飽和預濕法、濃漿裹預濕砂石法和水泥裹預濕砂石法進行再生混凝土性能試驗。

（1）骨料吸水量與骨料質量成正相關關系，并得到了骨料吸水量預測模型。

（2）再生混凝土抗壓強度表現為飽和預濕法>濃漿裹預濕砂石法>傳統方法>水泥裹預濕砂石法，抗凍性表現為濃漿裹預濕砂石法>水泥裹預濕砂石法>傳統方法>飽和預濕法。對于批量化工廠生產，推薦采用濃漿裹預濕砂石的再生混凝土制備方法，控制好骨料預濕時間。

（3）傳統工藝制備的試塊骨料飽和度較低，再生骨料吸水性極強，骨料表層界面水分向骨料轉移，新生水泥漿體孔隙較多，強度不高：濃漿裹預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，水分幾乎不發生轉移，界面和新生水泥漿相對較密實，抗壓性能和抗凍性均很好：飽和預濕法制備的試塊骨料飽和，在濕度梯度差下可向界面補給水分，界面水灰比小，抗凍性較差。

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

參考文獻：

[1] 肖建莊，再生混凝土[M].北京：中國建筑工業出版社，2008：5-10.

[2] 萬朝均，劉立軍，張廷雷，等，基于原生混凝土性質評價的再生骨料質量評價[J].重慶建筑，2009，8（8）：36-39.

[3] 張士杰，李顯，王福晉，等，再生廢磚骨料的吸水返水特性研究[J].混凝土，2017（12）：185-188.

[4]

SHIMA H，TATEYASHIKIH，NAKATO T，et al.New Tech-nology for Recoving High Quality Aggregate from DemolishedConcrete[J].Proceedings of 5th International SymposiumonEast Asia Recycling Technology，

1999（5）：106-109.

[5]羅素蓉，葉世昌，黃海生，再生混凝土早齡期拉伸徐變試驗研究[J].建筑材料學報，2018，21（2）：228-234.

[6] SALLEHAN I，MAHYUDDIN R.Engineering Properties ofTreated Recycled Concrete Aggregate（ RCA） for StructuralApplications[J]. Construction and Building Materials，2013，44：464-476.

[7] BARRADE O M， VAZQUEZ E.‘rhe Influence of RetainedMoisture in Aggregate from Recycling on the Properties ofNew Hardened Concrete[J].Waste Management， 1996， 16（1）：113-117.

[8]

KISKU N，JOSHI H，ANSARI M， et al.A Critical Reviewand Assessment for Usage of Recycled Aggregate as Sustain-able Construction Material[ J]. Construction and BuildingMaterials， 2017， 131： 721-740.

[9] 何燕，彭磊，高輝，等，再生骨料取代率對再生混凝土耐久性的影響[J].粉煤灰綜合利用，2018（4）：28-30，34.

[10] 牛海成，范玉輝，張向岡，等，不同取代率下再生混凝土的抗凍融性能試驗[J].材料科學與工程學報，2018，36（4）：615-620.

[11] 肖建莊，李佳彬，孫振平，等，再生混凝土的抗壓強度研究[J].同濟大學學報（自然科學版），2004，32（ 12）：1558-1561.

[12] 郭鵬，韋萬峰，楊帆，等，再生集料及再生混凝土界面過渡區研究進展[J].硅酸鹽通報，2017，36（7）：2280-2286，2292.

[13] 中華人民共和國建設部，普通混凝土拌合物性能試驗方法標準：CB/T 50080-2002[S].北京：中國建筑工業出版社，2003：7-27.

[14] 中華人民共和國建設部，普通混凝土力學性能試驗方法標準：GB/T 50081-2002[S].北京：中國建筑工業出版社，2003：2-5.

[15] 鄭輝濱，再生粗骨料預處理對再生混凝土坍落度損失和基本力學性能影響研究[D].福州：福州大學，2012：17-25.

【責任編輯呂艷梅】