再生混凝土骨料強(qiáng)化探究

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摘要:再生混凝土骨料(RCA)的性能直接影響著再生混凝土(RAC)的性能。針對再生混凝土力學(xué)性能和耐久性能低等問題，從再生混凝土骨料凈化和預(yù)處理方面出發(fā)，分析研究了近年來再生混凝土骨料(RCA)物理強(qiáng)化方法。最后提出再生混凝土骨料強(qiáng)化方法在今后研究和應(yīng)用中的若干意見。

關(guān)鍵詞:再生混凝土骨料，強(qiáng)化方法，再生混凝土，耐久性能，力學(xué)性能

0引言

再生骨料混凝土(RecycleAggregateConcrete，以下簡稱再生混凝土)指的是復(fù)雜條件下將廢棄混凝土通過破碎、清洗、篩分、分級后用以部分代替或者全部代替天然混凝土骨料(主要是粗骨料)制備而成的混凝土，由于其不僅可以解決廢棄建(構(gòu))筑拆除產(chǎn)生的環(huán)境問題，還可以取代部分天然石材，解決天然骨料日益匱乏的壓力;是建筑垃圾資源化利用的重大舉措，獲得了學(xué)術(shù)界和工程界的高度重視。然而，再生混凝土骨料(RecycleConcreteAggregate，以下簡稱再生骨料)存在孔隙率大、吸水率大、質(zhì)量離散性大等特點(diǎn)，相比于天然骨料，再生骨料上附著有老砂漿，自帶“舊粗骨料—老砂漿”的界面過渡區(qū)。20世紀(jì)90年代，OL-LIVIER等［1］就證實(shí)了相同條件下水泥基材料的薄弱環(huán)節(jié)就是界面過渡區(qū)，導(dǎo)致再生混凝土性能劣化的本質(zhì)就是在界面過渡區(qū)。因此要想解決再生混凝土力學(xué)性能和耐久性能的問題，再生骨料品質(zhì)的提高是十分必要的［2］。近年來國內(nèi)外一些專家學(xué)者在強(qiáng)化再生骨料方面進(jìn)行了一系列基礎(chǔ)性研究，主要分為物理凈化方法和化學(xué)強(qiáng)化方法。物理強(qiáng)化方法主要包括機(jī)械強(qiáng)化［3］、加熱研磨［4］、濕處理強(qiáng)化法［5］、二次攪拌強(qiáng)化法［6］等;這些方法主要采用去除附著砂漿，將骨料凈化進(jìn)而提高再生混凝土性能。化學(xué)強(qiáng)化方法主要包括水玻璃強(qiáng)化法［7，8］、納米材料強(qiáng)化法［9，10］、二氧化碳強(qiáng)化法［11-13］、聚乙烯醇強(qiáng)化法［14］等;這些方法通過強(qiáng)化再生骨料界面過渡區(qū)來改善再生混凝土骨料各方面性能。本文主要是對再生骨料物理強(qiáng)化方法進(jìn)行綜述分析，并在最后對強(qiáng)化再生骨料技術(shù)開發(fā)需要進(jìn)一步的研究提出了相應(yīng)建議。

1機(jī)械強(qiáng)化法

機(jī)械研磨強(qiáng)化法主要是利用機(jī)械研磨和再生混凝土骨料間相互撞擊達(dá)到去除粘附在骨料上的水泥漿體，以此達(dá)到改善顆粒形貌的目的。日本早些年主要采用立式偏心研磨裝置、臥式回轉(zhuǎn)研磨法、磨內(nèi)研磨法等。何德湛［15］在這三種方法基礎(chǔ)上實(shí)驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn)，經(jīng)立式偏心研磨裝置處理的再生混凝土骨料回收率更高，達(dá)到了日本在再生混凝土骨料性能方面的標(biāo)準(zhǔn)。但這些方法普遍存在設(shè)備龐大、動力消耗大、設(shè)備磨損程度大等明顯缺點(diǎn)，尋找更加合適的強(qiáng)化方法越來越迫切。一些專家學(xué)者在機(jī)械強(qiáng)化法上不斷改良，李秋義等［16］開發(fā)出顆粒整形法。通過再生混凝土骨料相互撞擊和摩擦來去除附著在骨料表面的舊水泥砂漿，且只存在物料間的相互作用，無雜質(zhì)的摻入，降低了機(jī)械設(shè)備磨損，能得到品質(zhì)較高的再生混凝土骨料，隨著顆粒整形次數(shù)的增多再生混凝土的抗碳化性能在不斷加強(qiáng)［17］。孫犁等［18］將第一次磨碎后的再生粗骨料再進(jìn)行二次研磨和破碎后，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)化后再生骨料基本還原了原有天然碎石粗骨料的特性，但會產(chǎn)生較多微粉造成二次污染。DIMITRIOU等［19］利用混凝土攪拌機(jī)來去除較小的顆粒以及附著砂漿并篩分。經(jīng)強(qiáng)化處理后的骨料顆粒形貌圓潤，且方法相對于其他機(jī)械強(qiáng)化方法更加簡便，對再生混凝土骨料的吸水率、彈性模量都有積極影響。綜上所述，機(jī)械強(qiáng)化方法是最為簡單也是應(yīng)用最廣的一種方法，但也存在著能耗大、機(jī)械磨損、二次污染等明顯缺點(diǎn)。近年來，一些專家學(xué)者逐漸將目光投向機(jī)械結(jié)合其他強(qiáng)化方法方面［20，21］，索倫等［21］通過5%的鹽酸浸泡再生骨料后再采用機(jī)械強(qiáng)化法去除松動的水泥塊，最后用1%的EVA浸泡，可以達(dá)到比較好的強(qiáng)化效果。實(shí)驗(yàn)表明:機(jī)械能耗小，所制備的再生混凝土和易性也有改善。單純依靠機(jī)械研磨來強(qiáng)化再生骨料效果和收益并不理想，未來將機(jī)械強(qiáng)化法與其他強(qiáng)化方法相結(jié)合是一條不錯(cuò)的路徑。

2加熱研磨強(qiáng)化法

加熱研磨強(qiáng)化法是將廢棄混凝土在初步破碎后，經(jīng)300℃～400℃加熱處理，在機(jī)械力的作用下去除舊水泥砂漿，達(dá)到物理強(qiáng)化再生骨料的目的。由于廢棄混凝土顆粒是一種多相非均質(zhì)材料且硬化水泥砂漿和舊粗骨料的熱膨脹系數(shù)不同［22］，可以通過加熱使得再生粗骨料表面附著的舊水泥砂漿脆化，然后采用機(jī)械對其進(jìn)行研磨，從而使得再生骨料的性能與天然骨料十分接近，并可以制備出性能良好的再生混凝土。加熱溫度、研磨時(shí)間對廢棄混凝土的破碎和再生粗骨料質(zhì)量影響較大。隋玉武等［23］發(fā)現(xiàn)當(dāng)加熱溫度從20℃提高到600℃后，生成的再生粗骨料中水泥石的含量從原先的70%降低到10%，表觀密度增加了5．4%。且當(dāng)研磨時(shí)間從5min提高到25min，粗再生骨料中水泥石含量從30%下降到10%。表觀密度提高了12．6%。水中和等［22］通過研究熱與機(jī)械力作用下再生混凝土骨料結(jié)構(gòu)和性能方面的變化，發(fā)現(xiàn)再生混凝土骨料的吸水率得到降低與天然骨料的吸水率十分接近。值得注意的是，采用高溫對再生粗骨料會造成一定損傷。AKBARNEZHAD等［24］對再生骨料進(jìn)行高功率微波加熱后發(fā)現(xiàn)，過高的溫度會導(dǎo)致骨料本身的高溫?fù)p傷。SA-LAU等［25］研究了再生混凝土高溫?fù)p傷性能發(fā)現(xiàn)，當(dāng)再生骨料暴露于100℃～200℃的時(shí)候，其抗壓強(qiáng)度略微降低，當(dāng)溫度處于200℃～400℃的時(shí)候，再生骨料的強(qiáng)度增強(qiáng)，但當(dāng)溫度大于600℃時(shí)，強(qiáng)度降低明顯。肖建莊等［26］采用低功率微波加熱法，利用微波對骨料進(jìn)行瞬間加熱，使得骨料表面溫度達(dá)到300℃而內(nèi)部溫度很低，形成內(nèi)外溫差。外部舊砂漿由于高溫作用強(qiáng)度下降，和內(nèi)部天然骨料又形成很高的溫度應(yīng)力，從而導(dǎo)致外部砂漿的脫落。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明:微波加熱后的再生骨料混凝土強(qiáng)度接近于天然混凝土，具有較好的物理力學(xué)性能，具有一定的實(shí)踐意義。綜合考慮能耗、骨料質(zhì)量等因素，建議采用低溫處理(約450℃)，通過提高研磨強(qiáng)度和時(shí)間來提高再生骨料質(zhì)量。綜上所述，加熱研磨強(qiáng)化法對再生混凝土骨料具有一定的效果，能夠提高再生混凝土骨料表觀密度，降低壓碎指標(biāo)和吸水率，但該方法在強(qiáng)化過程中，需要消耗大量的能量，從經(jīng)濟(jì)角度來說并不實(shí)用。近年來一些學(xué)者也在研究骨料高溫?fù)p傷以及能耗的相關(guān)問題，蘇燕等［27］發(fā)現(xiàn)低溫加熱后再用振動的方式去除砂漿，在考慮強(qiáng)化效果的同時(shí)降低能耗。未來需要對適宜的加熱溫度和研磨力度進(jìn)行一定探究，當(dāng)再生骨料離散性大時(shí)，該強(qiáng)化方法的適宜條件可能不同。

3濕處理強(qiáng)化法

濕處理強(qiáng)化法是歐美國家近年來采用的強(qiáng)化方法，該方法利用水對再生混凝土骨料進(jìn)行預(yù)處理，分離、去除再生混凝土骨料中的泥屑、有機(jī)物碎磚雜質(zhì)等，以此獲得品質(zhì)較好的骨料。這種方法處理比較簡單，且不容易造成機(jī)械研磨過程中產(chǎn)生的大量微粉，同時(shí)對增強(qiáng)界面粘結(jié)力有一定的成效。濕處理對再生骨料吸水率具有一定效果，JUNGMANN等［28］在篩分之前對簡單破碎的再生混凝土骨料進(jìn)行沖洗，得到去除雜質(zhì)后的骨料，骨料吸水率有較好的提升。王玲玲等［29］在拌制再生混凝土之前對再生混凝土骨料進(jìn)行簡單的預(yù)濕處理，發(fā)現(xiàn)該方法對再生混凝土耐水性、吸水率、28d抗壓強(qiáng)度等有積極作用，對再生混凝土表觀密度則影響不大。濕處理強(qiáng)化方法對再生混凝土骨料的強(qiáng)化具有一定的局限性。KATZ等［30］利用超聲波水洗技術(shù)清洗再生骨料研究發(fā)現(xiàn)，對于基體較弱的再生混凝土骨料可以去除再生混凝土骨料表面松散的顆粒，增強(qiáng)再生混凝土骨料與新水泥漿體的粘結(jié)力。但僅僅采用水沖洗其強(qiáng)化效果是十分有限的，對低等級的水泥基體會產(chǎn)生較多的細(xì)微顆粒且多次的水洗反而會增加工藝難度，浪費(fèi)大量水資源。郭耀東等［31］研究了再生混凝土預(yù)濕處理用水量對再生混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)濕處理量對再生混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著再生骨料取代率不同而不同，當(dāng)再生骨料取代率為30%，50%時(shí)，在同一取代率下其抗壓強(qiáng)度隨著再生混凝土的預(yù)濕量增加而增加，當(dāng)再生混凝土取代率為70%，100%時(shí)，在同一取代率下其抗壓強(qiáng)度隨著再生混凝土的預(yù)濕量的增加而提高。綜上所述，采用濕處理方法對再生混凝土骨料具有改善效果且工藝簡單、能耗小，鄭欣［32］通過對比預(yù)濕法、凈漿裹石工藝、摻硅灰的凈漿裹石工藝對再生混凝土基本力學(xué)性能的影響，表明濕處理強(qiáng)化法僅次于摻硅灰的凈漿裹石工藝，可以看出濕處理強(qiáng)化對再生混凝土基本性能是有一定積極影響的，因此將濕處理方法作為強(qiáng)化方法的一道工序不失為一種方法。

4二次攪拌強(qiáng)化法

合理的攪拌工藝不僅能夠強(qiáng)化界面過渡區(qū)性能，還能對再生混凝土骨料自身性能進(jìn)行改善。二次攪拌強(qiáng)化法是考慮了混凝土組分中各個(gè)物料相互混合的基礎(chǔ)上，利用物料投放量、攪拌的次序來改良混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)。二次攪拌的工藝主要是能消除水泥顆粒黏聚抱團(tuán)的現(xiàn)象，使得水泥水化充分，改善界面過渡區(qū)水灰比的情況，提高混凝土強(qiáng)度。攪拌次序?qū)炷列阅苡绊戄^大，王衛(wèi)中等［33］對先拌水泥砂漿法、先拌水泥凈漿法、水泥裹砂法、粗細(xì)骨料全造殼法等不同攪拌次序方法對混凝土攪拌質(zhì)量的影響進(jìn)行分析，研究表明，二次攪拌工藝較傳統(tǒng)攪拌工藝能夠提高混凝土的攪拌質(zhì)量，可以改善界面過渡區(qū)的粘結(jié)強(qiáng)度。一些專家學(xué)者，將此強(qiáng)化方法應(yīng)用到再生混凝土骨料中。趙悟等［34］通過不同的攪拌方法發(fā)現(xiàn)，驗(yàn)證了攪拌工藝對再生骨料混凝土的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能改善作用，且當(dāng)其他條件不變，路面再生粗集料摻量為75%、再生細(xì)集料摻量為30%、減水劑摻量為0．8%時(shí)，再生混凝土的綜合性能最佳。RYU等［35］通過二次攪拌強(qiáng)化工藝制備再生混凝土表明，與傳統(tǒng)攪拌工藝相比，相同條件下二次攪拌制備的再生混凝土抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度得到了提高，界面過渡區(qū)的厚度降低了38%。二次攪拌對再生混凝土耐久性也有一定的積極效益，王玲玲等通過分析單獨(dú)采用水泥裹石法二次攪拌強(qiáng)化工藝，當(dāng)再生骨料摻量為20%可以提高再生混凝土的抗凍性和抗硫酸鹽侵蝕性。一些學(xué)者還研究了三次攪拌工藝，三次攪拌強(qiáng)化法在二次攪拌法的基礎(chǔ)之上增加了顆粒細(xì)度更小的礦物倉摻合料攪拌，能夠進(jìn)一步填充骨料的孔隙和界面過渡區(qū)，在再生混凝土耐久方面也具有一定的強(qiáng)化效果。綜上所述，二次攪拌工藝與一次攪拌工藝相比，可以改善界面過渡區(qū)粘結(jié)和增加混凝土拌合物的流動性，進(jìn)而提高再生混凝土性能。這種方法與其他方法相比更加的簡便，具有一定的實(shí)用性。未來可以研究二次攪拌工藝對再生混凝土耐久性能方面的影響，進(jìn)而完善該強(qiáng)化方法的強(qiáng)化效果和推廣。

5結(jié)語

再生骨料孔隙率大、表面附著砂漿、吸水率大等缺點(diǎn)一直以來影響著廢棄混凝土的回收利用，本文通過分析現(xiàn)有再生混凝土物理強(qiáng)化改性方法發(fā)現(xiàn):1)再生混凝土相較于普通混凝土而言，由于骨料的不同導(dǎo)致其界面過渡區(qū)更為復(fù)雜，因此為了改善再生骨料混凝土的性能，就必須了解它的破壞機(jī)理，并以此找到不同的改性措施來強(qiáng)化再生混凝土骨料。2)現(xiàn)有資料表明:再生混凝土骨料的薄弱區(qū)在于界面過渡區(qū)，主要受混凝土組成材料和水灰比的影響，雖然體積小，但是對混凝土強(qiáng)度影響極大。因此強(qiáng)化界面過渡區(qū)是再生混凝土骨料強(qiáng)化技術(shù)的必由之路。3)對再生混凝土在工程中的應(yīng)用，建立起有效的檢測機(jī)制，從而掌握再生混凝土在各種環(huán)境作用、受力條件下的各項(xiàng)性能指標(biāo)。以研究再生混凝土耐久性能方面與普通混凝土的差異，以此綜合分析后，對再生混凝土骨料強(qiáng)化方法耐久性能方面做出近一步改善。4)再生混凝土應(yīng)用時(shí)，不可缺少對其耐久性進(jìn)行相關(guān)的研究，應(yīng)同時(shí)考慮再生骨料強(qiáng)化方法對再生混凝土力學(xué)性能以及耐久性能的強(qiáng)化效果影響。

作者:劉晨 王濤 孟麗巖 李勐 侯明珠 鄭歡 單位:黑龍江科技大學(xué)建筑工程學(xué)院