再生集料強化對大摻量固廢的再生混凝土性能影響

夏月輝（上海建筑科學研究院有限公司，上海 200032）

隨著我國經濟快速發展和改擴建工程的不斷增多，近年來建筑垃圾量與日俱增。將廢棄混凝土作為再生集料，在一定程度上可以解決混凝土砂石原料來源問題，同時促進建筑垃圾資源化利用。此外，2015 年調整后的財稅政策規定“混凝土等建材產品中廢渣摻量達到 70% 可享受增值稅即征即退政策，退稅比例 70%”。因此，大摻量固廢混凝土的使用為大勢所趨。

然而，再生資源性能較差，如再生集料、機制砂等，強度低、吸水率大，對混凝土的工作性能、力學性能及耐久性能具有不利影響，故再生混凝土以 C 20～C 40 居多。為提升其性能，可將再生集料進行強化處理，包括物理強化、化學強化、碳化強化、微生物強化等。物理強化易引入微裂紋；碳化強化的程度與再生集料可碳化物質含量相關；利用微生物強化再生集料的研究較少，工藝較為復雜；化學強化方法現階段受到較多學者的青睞。

本研究利用鋼渣、礦渣粉、機制砂、再生粗集料等固廢配制大摻量再生混凝土，其中再生粗集料用水玻璃溶液、甲基硅酸鉀溶液浸漬處理。

1 試驗原材料與試驗方法

1.1 試驗原材料

水泥：P·O 42.5 水泥；再生粗集料：破碎混凝土再生集料，其顆粒級配符合 5～25 mm連續粒級的級配要求；礦粉：S 95 礦粉；粉煤灰：II 級低鈣粉煤灰；中砂：細度模數為 2.7；機制砂：細度模數為 3.2；減水劑：固含量為 20%的緩釋型高保坍聚羧酸減水劑；水玻璃：濃度為 40%，模數為 3.2；甲基硅酸鉀溶液：濃度為 60%。

1.2 試驗方法

再生集料混凝土強化方法：甲基硅酸鉀溶液浸泡5 min；水玻璃溶液浸泡 1 h，30℃ 條件下烘干。按照GB/T 2517—2010《混凝土用再生粗集料》測試再生粗集料的吸水率。

大摻量固廢混凝土拌合物工作性能、力學性能、耐久性分別參照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》、GB/T 50081—2019《普通混凝土力學性能試驗方法》、GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法標準》進行測試。

2 試驗結果分析

2.1 強化技術對再生集料性能的影響

選用不同濃度的甲基硅酸鉀溶液（ 15%、10%、5%，浸泡 5 min ）對再生集料進行強化；進行不同濃度水玻璃（ 3%、5%、8%、10%，浸泡 1 h，烘干溫度為 30℃ ）對再生粗集料吸水率的影響研究，試驗結果如圖 1 所示。

圖1 甲基硅酸鉀、水玻璃溶液濃度對再生集料吸水率的影響

由圖 1 可知強化技術對再生集料性能有以下影響。

（1）甲基硅酸鉀溶液強化后的再生集料吸水率降低40% 左右。其原因為甲基硅酸鉀溶液在再生集料的表面生成一層網狀甲基硅樹脂防水膜，這層水膜具有較好的防水性能，可滲入再生集料的微裂縫中形成防水層，有效降低再生集料的吸水率。

（2）水玻璃溶液強化后的再生集料的吸水率降低20% 左右，其原因為硅酸鈉溶液析出的硅酸凝膠填充再生集料的毛細孔；與氫氧化鈣反應，生成水硬性硅酸鈣膠體，填充再生集料孔隙，從而降低再生集料的吸水率。

2.2 強化技術對大摻量固廢混凝土力學性能的影響

大摻量固廢混凝土配合比如表 1 所示。

表1 大摻量固廢混凝土配合比

2.2.1 甲基硅酸鉀溶液對大摻量固廢混凝土性能的影響

研究不同濃度甲基硅酸鉀溶液（ 1%、3%、5%、10%、15% ）強化對 C 30 大摻量固廢混凝土性能的影響，結果如圖 2 所示。

由圖 2 可知甲基硅酸鉀溶液的濃度對大摻量固廢混凝土性能有以下影響。

圖2 甲基硅酸鉀溶液的濃度對大摻量固廢混凝土性能的影響

（1）甲基硅酸鉀溶液濃度從 0 增長至 5%，其坍落度保證在 180～200 mm，大摻量固廢混凝土用水量減少，水灰比從 0.52 降至 0.46；低濃度甲基硅酸鉀溶液（ 濃度＜5% ）對大摻量固廢混凝土用水量影響較小。

（2）隨著甲基硅酸鉀溶液濃度的增加，大摻量固廢混凝土力學性能基本呈現先增后降的趨勢，甲基硅酸鉀溶液濃度為 5%，其 3 d、7 d 抗壓強度與基準組接近，28 d 抗壓

強度較基準組增加 9.3%。若甲基硅酸鉀溶液濃度過高，在再生集料表面生成的防水薄膜亦較厚，從而妨礙了新老漿體在過渡區的粘接，使大摻量固廢混凝土的強度下降：若甲基硅酸鉀溶液濃度過低，不能形成防水薄膜，無法填充再生集料表面孔隙。根據試驗結果，適宜的甲基硅酸鉀溶液濃度為5% 左右。

2.2.2 水玻璃對大摻量固廢混凝土性能的影響

研究不同濃度水玻璃溶液（ 3%、5%、8%、10% ）強化對 C 30 大摻量固廢混凝土性能的影響，結果如圖 3所示。

圖3 水玻璃濃度對大摻量固廢混凝土性能的影響

從圖 3 可以看出，隨著水玻璃濃度的增加，大摻量固廢混凝土用水量先減少后增加。水玻璃濃度為0～5% 時，其坍落度保證在 180～200 mm，水灰比從 0.52 降至 0.46。當水玻璃濃度為 5% 時，混凝土的 3 d、7 d、28 d 抗壓強度分別比基準混凝土提高了 3%、11%、12%；而當水玻璃濃度為 8% 時，盡管混凝土的 3 d 和 7 d 抗壓強度提高幅度＞5% 濃度的水玻璃，但是混凝土 28 d 抗壓強度相比基準混凝土僅提高 7%。其原因為：

（1）水玻璃會與 Ca(OH)2反應生成水硬性硅酸鈣凝膠，其反應方程式如式 (1) 所示，填充再生集料孔隙和微細裂縫，改善內部孔隙結構，降低集料的吸水率，因此用水量減少，包裹于再生集料表面，促進水泥水化，在一定程度上有利于混凝土的早期強度。

（2）大摻量固廢混凝土中，水玻璃水解產物能與水泥的 Ca2＋、Al3＋生成水化硅酸鈣或鋁酸鈣，促進水泥水化，一定程度上促進大摻量固廢混凝土早期強度發展。

（3）較高濃度水玻璃溶液的水解產物增多，反應生成的水化硅酸鈣、鋁酸鈣可能包裹于未水化的水泥顆粒表面，從而影響大摻量固廢混凝土強度的發展。

2.3 強化技術對大摻量固廢混凝土耐久性能的影響

從 C30 大摻量固廢混凝土中選取 2 組工作性能、力學性能較優的配比，將強化后的再生粗集料配制混凝土，對混凝土力學性能、抗凍性、抗氯離子滲透、碳化性能、電通量等測試分析。大摻量固廢混凝土具體配合比及力學性能如表 2所示，耐久性如表 3 所示。

表2 大摻量固廢混凝土配合比及力學性能

表3 大摻量固廢混凝土耐久性能

由表 2 和表 3 可知，強化技術對大摻量固廢混凝土耐久性能有以下影響。

（1）大摻量固廢混凝土 28 d 強度可達到設計要求；且隨著摻合料的進一步水化，混凝土在 90 d 齡期內強度持續穩定增長，90 d 抗壓強度比 28 d 抗壓強度提高 20% 以上。

（2）快凍 150 次后，混凝土質量無損失，相對動彈模量＞85%。

（3）混凝土抗滲等級＞P 6，混凝土抗滲性能良好。

（4）混凝土碳化深度：10～15 mm，滿足混凝土抗碳化性 T-III等級要求，抗碳化性較好；混凝土 56 d 電通量的值＞1 000 C，滿足混凝土抗氯離子滲透性能 Q-III 等級要求，抗氯離子滲透性能較好。

（5）大摻量固廢混凝土 28 d 干縮為 200×10-6左右，低于普通混凝土的干縮（300～500）×10-6；隨著齡期的增加，其干縮均呈現上升趨勢。

3 結 語

（1）采用浸漬無機、有機溶液（水玻璃溶液、甲基硅酸鉀溶液）強化再生粗集料，并利用強化后的再生粗集料配制大摻量固廢混凝土，一定程度上改善了再生集料的性能，并提高了大摻量固廢混凝土力學性能。

（2）浸漬水玻璃溶液和甲基硅酸鉀溶液均能顯著降低再生粗集料的吸水率，當用濃度為 5% 的水玻璃溶液浸漬再生集料時，再生集料吸水率下降 20%。當用濃度為 5%的甲基硅酸鉀溶液浸漬再生集料時，再生集料吸水率下降42%。

（3）大摻量固廢混凝土工作性和基本力學性能方面，浸漬水玻璃溶液和甲基硅酸鉀溶液可提高大摻量固廢混凝土強度，當水玻璃濃度為 5% 時，混凝土的 3 d、7 d、28 d 抗壓強度分別較基準組增加 3%、11%、12%。當甲基硅酸鉀溶液濃度為 5% 時，大摻量固廢混凝土 28 d 抗壓強度較基準組增加 9%。

（4）大摻量固廢混凝土的強度可達到設計要求，且在 90 d 內強度持續穩定發展。經快凍 150 次后，質量無損失，相對動彈模量＞85%，抗凍性良好。抗滲性能良好，混凝土抗碳化、抗氯離子滲透性較好。