再生混凝土制備工藝研究進(jìn)展

任 濤

(中鐵十七局集團(tuán)第二工程有限公司 陜西西安 710024)

1 引言

隨著我國(guó)交通建設(shè)、建筑工程以及水利水電等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)行業(yè)的迅速發(fā)展，工程建設(shè)中的集料供應(yīng)缺口越來(lái)越大[1]。為了解決工程建設(shè)中集料不足以及廢棄混凝土填埋處理造成污染環(huán)境的問(wèn)題，常采用將廢棄混凝土經(jīng)破碎、篩分等工藝制備再生骨料，部分或全部代替天然骨料配制再生混凝土用于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的消納方法。但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中依然存在再生骨料取代率低，且再生混凝土僅在非承重附屬結(jié)構(gòu)小范圍使用的問(wèn)題[2]。

國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)再生混凝土工作性、力學(xué)特性、收縮性以及耐久性的提升技術(shù)做了大量的研究工作并取得了一定的成果[3-6]。目前眾多新材料和新技術(shù)措施能夠針對(duì)性解決再生混凝土的特定性能缺陷，但存在應(yīng)用可行性與經(jīng)濟(jì)性的限制，難以系統(tǒng)性地解決再生混凝土的大范圍應(yīng)用問(wèn)題。再生混凝土在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的應(yīng)用包括設(shè)計(jì)、制備與施工等多個(gè)環(huán)節(jié)，由于再生骨料與天然骨料之間性能差異，傳統(tǒng)水泥混凝土制備方法不能完全適應(yīng)于再生混凝土的工程施工，部分學(xué)者針對(duì)再生混凝土組成設(shè)計(jì)方法核心科學(xué)問(wèn)題和再生混凝土制備的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題分別進(jìn)行了深入研究，但相應(yīng)的系統(tǒng)性綜述分析卻鮮有涉及。

鑒于再生混凝土制備工藝對(duì)再生混凝土在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵作用，為了大幅度提高再生骨料在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的利用率并擴(kuò)大其使用范圍，有效地實(shí)現(xiàn)再生混凝土的應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益，本文系統(tǒng)地評(píng)述了再生混凝土制備工藝中關(guān)鍵環(huán)節(jié)的研究現(xiàn)狀，分析現(xiàn)有研究存在的問(wèn)題并對(duì)后續(xù)研究提出了建設(shè)性意見(jiàn)。

2 再生混凝土制備工藝

水泥混凝土的制備是將水泥、骨料、水、外加材料按設(shè)計(jì)配合比稱量后，拌制成質(zhì)地均勻、顏色一致、具有一定流動(dòng)性的混凝土拌和物。考慮再生骨料與天然骨料差異性較大，傳統(tǒng)方法難以應(yīng)用于制備再生混凝土，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)再生混凝土制備流程中拌和工藝等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行了深入的研究[7-8]。

再生混凝土結(jié)構(gòu)較普通混凝土結(jié)構(gòu)復(fù)雜，普通混凝土具有骨料-砂漿單一界面過(guò)渡區(qū)(Interfacial Transition Zone，ITZ)，而再生混凝土內(nèi)部具有三個(gè)界面過(guò)渡區(qū)，見(jiàn)圖1:再生骨料和舊水泥砂漿界面過(guò)渡區(qū)(ITZ-1)，天然骨料和新砂漿之間的界面過(guò)渡區(qū)(ITZ-2)，新砂漿和舊砂漿之間的界面過(guò)渡區(qū)(ITZ-3)。

圖1 再生混凝土界面過(guò)渡區(qū)示意

大量研究表明，ITZ是混凝土中最薄弱的部位，混凝土受外力作用時(shí)，ITZ處存在很多細(xì)小的毛孔和裂紋(見(jiàn)圖2)，裂紋容易從ITZ處產(chǎn)生和擴(kuò)展，從而影響混凝土的強(qiáng)度；離子擴(kuò)散和溶液滲透也容易將ITZ作為遷移通道，進(jìn)而嚴(yán)重影響混凝土材料耐久性。再生混凝土ITZ較普通混凝土ITZ結(jié)構(gòu)更復(fù)雜是其力學(xué)性能以及耐久性不足的主要原因之一。

圖2 再生混凝土界面過(guò)渡區(qū)形貌

為了改善再生混凝土ITZ，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通常采用優(yōu)化拌和工藝增加拌和次數(shù)，進(jìn)而提升再生混凝土力學(xué)及耐久性[9-10]。本文對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外常用的再生混凝土拌和工藝進(jìn)行總結(jié)分析，為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)其對(duì)再生混凝土性能的改善作用，統(tǒng)一采用抗壓強(qiáng)度比(采用特殊拌和工藝制備的混凝土28 d抗壓強(qiáng)度與傳統(tǒng)工藝制備的再生混凝土28 d抗壓強(qiáng)度之比)進(jìn)行評(píng)價(jià)，再生混凝土拌和工藝匯總見(jiàn)表1。從表1可以看出，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)拌和工藝的研究大致可分為二次攪拌法、三次攪拌法以及振動(dòng)攪拌。

表1 再生混凝土拌和工藝

續(xù)表1

(1)二次攪拌法

二次攪拌工藝早期是由Miyazato等人提出的一種名為雙重混合方法(Double mixing methods，DM)。二次攪拌制備方法的重點(diǎn)在于在混凝土攪拌過(guò)程中對(duì)于水補(bǔ)充時(shí)間上做出了一定調(diào)整，將水分成兩階段分次加入，分別發(fā)揮水在不同階段所需要的不同作用，用于解決再生混凝土受內(nèi)部微裂紋和表面砂漿影響導(dǎo)致再生骨料的孔隙率、吸水率和壓碎值增大等問(wèn)題，提高混凝土強(qiáng)度、抗氯離子滲透性和抗碳化能力[11]。同時(shí)，從制備方法上擴(kuò)寬了再生混凝土的應(yīng)用范圍，也為其他攪拌方法提供了重要的參考意見(jiàn)。

(2)三次攪拌法

三次攪拌是在二次攪拌工藝的基礎(chǔ)上通過(guò)增加礦物摻合料環(huán)節(jié)進(jìn)一步提升再生混凝土的性能。其原理為攪拌過(guò)程中摻入硅灰、硅粉漿料、納米SiO2礦物摻合料形成微粉漿體裹覆到再生骨料表面修復(fù)其表面缺陷，同時(shí)具有活性的微粒可以填充在再生混凝土過(guò)渡區(qū)和孔隙中，從而綜合提升再生混凝土力學(xué)性能及耐久性能。

(3)振動(dòng)攪拌

傳統(tǒng)強(qiáng)制式攪拌只能在短時(shí)間能使拌和料達(dá)到宏觀上的勻質(zhì)性，但是微觀層次上勻質(zhì)性較差，仍存在未參加水化反應(yīng)的小水泥團(tuán)以及骨料部分表面未覆蓋膠凝材料的情況，會(huì)直接影響到混凝土的力學(xué)性能和耐久性。振動(dòng)攪拌是在普通攪拌機(jī)所具有的宏觀對(duì)流運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，采用振動(dòng)和攪拌一體化技術(shù)，使振動(dòng)攪拌機(jī)具有了高頻微觀擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。通過(guò)振動(dòng)電機(jī)連接攪拌軸，使攪拌軸在低速攪拌同時(shí)以每秒20～30的頻次高頻振動(dòng)，攪拌軸帶動(dòng)攪拌臂和攪拌葉片振動(dòng)的一種新型攪拌模式。董武等[12]采用振動(dòng)攪拌法，在振動(dòng)圓頻率為185 rad/s、振幅為1.2 mm的條件下進(jìn)行試驗(yàn)，相對(duì)傳統(tǒng)攪拌技術(shù)，抗壓強(qiáng)度提升了20.7%。振動(dòng)攪拌有利于提升再生混凝土微觀密實(shí)度，使水泥顆粒均勻地分布在水中，有利于水分與水泥顆粒充分接觸，促進(jìn)了水化硅酸鈣的形成，從而改善了再生混凝土的微觀結(jié)構(gòu)與性能。振動(dòng)拌和設(shè)備在攪拌與振動(dòng)共同作用下，各組分在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到宏觀與微觀的均勻混合，從而盡量消除再生骨料中的微裂紋和孔隙，以達(dá)到提高再生混凝土性能的目的。傳統(tǒng)攪拌與振動(dòng)攪拌制備再生混凝土的微觀結(jié)構(gòu)分別見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 傳統(tǒng)攪拌方式制備再生混凝土的微觀結(jié)構(gòu)

圖4 振動(dòng)攪拌方式制備再生混凝土的微觀結(jié)構(gòu)

綜上，多次攪拌工藝相較于單次攪拌工藝的優(yōu)化主要體現(xiàn)在界面過(guò)渡區(qū)和孔結(jié)構(gòu)的改善。無(wú)論是通過(guò)水的分階段加入還是拌和過(guò)程中礦物的添加，目的是為減少再生混凝土內(nèi)部ITZ以及再生骨料上的微裂紋，增加了再生混凝土材料的密實(shí)度，從而改善再生混凝土的力學(xué)性能和耐久性。就多次攪拌制備工藝流程設(shè)計(jì)而言，其中大多數(shù)的制備工藝通過(guò)控制投料順序和水的投入次數(shù)以及添加外加劑或礦物摻合料來(lái)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看三次攪拌工藝相較于二次攪拌工藝有一定的力學(xué)與耐久性能提升。但是三次攪拌工藝過(guò)程中一般添加外加劑或礦物摻合料，相較于二次攪拌工藝一般都會(huì)有更加繁雜的流程。隨著研究不斷地深入，對(duì)于二次拌和工藝，建議進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)加水比例、加水次數(shù)與再生混凝土性能內(nèi)在聯(lián)系的研究。對(duì)于三次拌和，建議進(jìn)一步研究加水比例、加水時(shí)機(jī)與外加劑、礦物摻合料摻加工藝參數(shù)對(duì)再生混凝土性能的影響，建立參數(shù)之間的相互內(nèi)在關(guān)聯(lián)，最終實(shí)現(xiàn)拌和工藝的最優(yōu)化。

再生混凝土設(shè)計(jì)方法與制備工藝關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)，如設(shè)計(jì)中摻加摻合料會(huì)涉及到拌和工藝調(diào)整，然而目前研究再生混凝土設(shè)計(jì)方法與制備工藝均為獨(dú)立研究個(gè)體，二者之間的關(guān)聯(lián)性研究不足，建議加強(qiáng)再生混凝土設(shè)計(jì)方法與制備工藝的協(xié)同研究，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與制備一體化，降低成本，大幅度提高再生混凝土性能。

3 結(jié)論與展望

本文系統(tǒng)地評(píng)述了再生混凝土材料組成設(shè)計(jì)方法與制備工藝中關(guān)鍵環(huán)節(jié)的研究現(xiàn)狀，分析現(xiàn)有研究存在問(wèn)題并對(duì)后續(xù)研究提出了意見(jiàn)。

(1)多次攪拌工藝相較于單次攪拌工藝的優(yōu)化主要體現(xiàn)在界面過(guò)渡區(qū)和孔結(jié)構(gòu)的改善。三次攪拌工藝較二次攪拌工藝提升了再生混凝土的力學(xué)與耐久性能。

(2)建議進(jìn)一步研究加水比例、加水時(shí)機(jī)以及外加劑、礦物摻合料對(duì)再生混凝土性能的影響，建立各關(guān)鍵參數(shù)之間的相互內(nèi)在關(guān)聯(lián)，最終實(shí)現(xiàn)拌和工藝的最優(yōu)化。

(3)建議加強(qiáng)再生混凝土設(shè)計(jì)方法與制備工藝的協(xié)同研究，提高再生混凝土性能的同時(shí)降低生產(chǎn)成本。