再生粗骨料多种改性方法对混凝土抗压强度提升效果的试验

王江浩　耿欧　李富民

摘要：为对比粗骨料多种改性方法对混凝土抗压强度的提升效果，分别采用不同质量分数的盐酸溶液和8%质量分数草酸溶液以及25%质量分数防水砂浆浆液和2%质量分数聚乙烯醇浆液对再生粗骨料进行化学浸洗或物理填充，将处理得到的再生粗骨料制成边长为100 mm的立方体混凝土试件进行抗压强度测试。结果表明：粗骨料的不同处理方式对混凝土抗压强度均有不同程度的提高，其中2%质量分数盐酸溶液（处理效果接近最佳）、8%质量分数草酸溶液、25%质量分数防水砂浆浆液和2%质量分数聚乙烯醇浆液处理骨料分别可使混凝土抗压强度提高11.84%，7%，4.37%，11.31%，并达到同级配天然碎石骨料混凝土抗压强度的96.63%，92.44%，90.18%，96.17%。

关键词：废弃混凝土；再生粗骨料；改性；抗压强度

中图分类号：TU528.041文献标志码：A

Abstract： In order to compare the effect of several measures by modifying recycled coarse aggregate on improving compressive strength of concrete， the HCl solution with different concentrations， H2C2O4 solution with concentration of 8%， waterproofing mortar solution with concentration of 25% and PVA solution with concentration of 2% were used to treat the recycled coarse aggregate samples by chemical immersion or physical filling， respectively. By using the treated recycled coarse aggregate，some cubic concrete samples with the dimension of 100 mm×100 mm×100 mm were fabricated for testing the compressive strength. The results show that different treatments may achieve an increase in the compressive strength of the mixed concrete to some different extents. Comparing with the untreated recycled coarse aggregate， the aggregates treated respectively with the abovementioned HCl solution with concentration of 2% （closing to the best effect）， H2C2O4 solution with concentration of 8%， waterproofing mortar solution with concentration of 25%， and PVA solution with concentration of 2% contribute to an increase in the compressive strength of the mixed concrete for 11.84%， 7%， 4.37% and 11.31%， respectively. The increased compressive strength achieves a good level as high as 96.63%， 92.44%， 90.18% and 96.17% of the concrete mixed with the natural coarse aggregate， which has the same grain composition with the recycled coarse aggregate.

Key words： waste concrete； recycled coarse aggregate； modification； compressive strength

0引言

由于规划、设计及使用的不规范，中国建筑平均寿命仅为30年。目前已经出现了大量被拆除或者即将被拆除的钢筋混凝土建筑。这直接导致每年产生21亿～28亿吨建筑垃圾，其中废弃混凝土占50%～60%[1]。目前废弃混凝土的处理仍然以露天堆放及填埋为主，废弃混凝土的弱碱性、难降解、坚硬等特质会对土地资源造成极大破坏。另一方面，中国作为世界上每年新建建筑量最大的国家，每年有约20亿m2的新建建筑。骨料作为混凝土主要原料，每生产1 m3混凝土需消耗1 700～2 000 kg骨料[2]。仅2013年一年，中国混凝土使用砂石骨料的消耗就超过100亿t。天然骨料的获得不仅消耗大量不可再生资源，还会对环境造成破坏。将废弃混凝土回收处理制成再生骨料替代天然骨料是目前可行的方法之一，这对节约资源和保护环境具有重要意义，符合国家可持续发展战略需求。

由于再生粗骨料特殊的细观结构，其与天然粗骨料拌制的混凝土在力学等特性上存在明显差异。

文献[3]对再生粗骨料进行了细观结构分析，经破碎所得的再生粗骨料表面分布有1～100 μm不等的细微裂缝，硬化水泥界面呈颗粒状凹凸分布，形成松散的界面过渡区。同时文献[3]还对再生粗骨料的基本性能进行了测试，再生粗骨料具有表观密度小、吸水率与含水率高、压碎指标值较高、针片状含量小的特点。

文献[4]使用再生粗骨料制作低强、中强、高强混凝土试块，并进行抗压强度、弹性模量和干缩性测试，结果表明：水灰比小于0.45时，再生骨料取代率高于40%的混凝土抗压强度明显降低，但弹性模量无明显差异；干缩性测试中，100%再生粗骨料混凝土28 d龄期干缩率比天然骨料混凝土高出44%。文献[5]的研究表明，再生粗骨料掺量的增加使混凝土弹性模量有一个明显的降低。此外采用等量砂浆替代再生粗骨料，新拌混凝土工作性出现一个明显的降低。笔者认为以上现象是由于再生粗骨料高吸水率及高杂质率造成的。文献[6]采用不同龄期废弃混凝土制得的再生粗骨料拌制混凝土进行抗压强度测试，结果表明，不同龄期再生粗骨料均使新制混凝土抗压强度降低，且降低程度随龄期增大而增大，最大可达15%。文献[7]分析了再生粗骨料取代率及骨料最大粒径对混凝土强度、坍落度、抗压强度和抗折强度等性能的影响。随着混凝土中再生粗骨料掺量的增加，混凝土抗压强度逐渐减小，坍落度提高，抗折强度逐渐提高，且抗折强度随再生粗骨料粒径的增大而降低。文献[8]，[9]通过试验研究了再生粗骨料对混凝土抗压强度的影响。骨料级配调整前后，混凝土抗压强度总体随再生粗骨料取代率降低而增大。再生混凝土的长期抗压强度与普通混凝土有所不同，在28 d龄期之后，再生混凝土抗压强度仍有较大增长。再生混凝土的抗压强度与其使用的再生粗骨料表观密度基本呈线性关系。

文献[10]，[11]，[12]将再生混凝土应用在柱、框架及钢管混凝土柱中进行抗震试验，得到相近的试验结果：构件破坏形式、滞回特性、刚度、承载力、骨架曲线、能量耗散等均与普通混凝土构件相近，能够提供良好的抗震性能，但仍劣于普通混凝土构件。其中，文献＼[10＼]经试验得到钢管再生混凝土柱刚度退化速率稍快于普通钢管混凝土柱；文献＼[11＼]指出再生混凝土柱延性比普通混凝土差，在掺入粉煤灰后延性得到改善但承载力下降；文献＼[12＼]制作的再生混凝土框架表现为强柱弱梁形式，最大水平承载力比普通混凝土框架低2.3%～15.7%。

上述研究表明，未经处理的再生粗骨料基本性质劣于天然骨料，制成的混凝土与天然骨料混凝土相比也存在一定的差距。通过改性处理改善再生粗骨料基本性质，从而提高再生混凝土性能成为一个现实问题。

文献[13]对再生粗骨料进行了盐酸处理、硫酸处理、擦洗处理和加热洗涤处理。试验结果显示硫酸处理及加热洗涤处理得到的骨料吸水率降低，其他性能与天然骨料相近，所制得的再生混凝土强度及特性与天然骨料混凝土基本相同。文献[14]采用酸液处理法、水玻璃处理法、水泥浆液处理法、聚合物乳液处理法、有机硅防水剂处理法对再生粗骨料进行处理，均取得了一定的强化效果。文献[15]采用自制复合浆液用于强化再生粗骨料，并设计C30和C60强度的混凝土，骨料强化后制得的混凝土28 d抗压强度较未强化骨料混凝土提高51.8%（C30）和31.4%（C60），未强化骨料混凝土抗压强度未达到设计强度，强化骨料混凝土强度达到设计强度。文献[16]对再生粗骨料进行了硅粉填充处理及超声波清洗，所得的再生混凝土抗压强度均有不同程度的增长。

综上所述，再生粗骨料对混凝土力学性能的影响根据骨料级配、骨料取代率、骨料最大粒径以及混凝土种类的不同而不同；另一方面，不同处理方式对再生粗骨料的改性效果也不同，而且差别较大；强化浆液的选取和强化机理仍需进行大量的试验来研究，目前仍未找到比较经济合理的强化方式。

本文选用化学浸洗和物理填充2类再生粗骨料处理方法进行对比研究，以期得到再生粗骨料的良好改性方案。

1试验方案

1.1试验材料

水泥采用PO 42.5级普通硅酸盐水泥。所用砂为天然河砂，细度模数为2.75，含水率为2.88%。再生粗骨料取自江苏省徐州市中国矿业大学建筑垃圾堆放场废弃混凝土，经人工和颚式破碎机二级破碎而成。再生粗骨料的基本性能和级配分别如表1，2所示。另外，对比用相同级配的天然碎石骨料，基本性能亦见表1。

水泥砂浆，骨料表面砂浆的平均覆盖率随粒径的增大而减小，但减小趋势并不显著，粒形呈饱满颗粒状，并有少量纯砂浆颗粒；经化学浸洗的再生粗骨料[图1（b），（c）]表面砂浆明显减少，覆盖率趋于一个极低值且无明显差异，不受原始骨料粒径、粒形影响，原始骨料粒形显露，无纯砂浆颗粒残留；经物理填充的再生粗骨料[图1（d），（e）]表面被强化浆液覆盖，原废弃砂浆部分覆盖均匀、致密，而外露原始骨料表面覆盖相对薄弱，故浆液平均覆盖率随骨料粒径增大而减小。1.3混凝土试件设计与制作

参照《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55—2000），按C30普通混凝土配合比配置再生混凝土。每种改性处理方式设置试件9个，共9组81个，试件编号如表4所示。试件成型后，在实验室静置24 h后拆模，标准养护28 d，试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，试件抗压强度按《普通混凝土力学性能试验方法》（GB/T 50081—2002）进行测试。

总体上讲，盐酸处理再生骨料具有积极作用，而处理效果则与所用盐酸质量分数密切相关。当盐酸质量分数较低（0%

2.2不同方法改性粗骨料的效果

不同改性方式处理的骨料制成的混凝土抗压强度如图3所示。未处理骨料混凝土抗压强度仅为天然骨料混凝土的86.4%，经处理的再生粗骨料混凝土抗压强度较未处理的强度均有所提高，其中2%质量分数盐酸处理效果最佳，再生骨料混凝土抗压强度提高11.84%，达到天然骨料混凝土的96.63%；2%质量分数聚乙烯醇浆液处理使再生骨料混凝土抗压强度提高11.31%，达到天然骨料混凝土的96.17%；8%质量分数草酸溶液处理使再生骨料混凝土抗压强度提高7%，达到天然骨料混凝土的92.44%；25%质量分数防水砂浆处理使再生骨料混凝土抗压强度提高4.37%，达到天然骨料混凝土的90.18%。即处理后的再生粗骨料试件抗压强度均未达到天然骨料试件抗压强度。

强化浆液的填充作用降低了表面砂浆的孔隙率，粘结作用能够加固部分松散脆弱砂浆，从而有效改善再生粗骨料的表观特性，提高混凝土试块的抗压强度。

草酸对水泥砂浆的作用机理同盐酸，故对骨料的改性效果也比较显著，但仍不及2%质量分数盐酸。这是因为草酸能与碳酸钙反应产生不溶于水的草酸钙[21]附着在骨料表面，降低界面粘结性。同时草酸钙呈弱酸性，在拌制混凝土过程中能够与碱性混凝土反应形成多个结晶水的水化铝硫酸钙，使试块内部尤其是骨料周围孔隙率提高，体积膨胀[22]，最终导致试块抗压强度不及盐酸处理骨料混凝土抗压强度。

3讨论

文献[14]在室温条件下，将再生粗骨料分别用0.1 mol·L-1的盐酸溶液和硫酸溶液浸泡24 h，之后用清水洗去残余酸液获得改性骨料用于制作混凝土试块，硫酸处理骨料混凝土抗压强度最高，达到天然骨料混凝土抗压强度的95%。本文试验采用不同质量分数盐酸溶液对再生粗骨料进行改性处理，改性效果与文献[14]的试验结果接近，在2%质量分数盐酸下混凝土抗压强度为天然骨料混凝土的96.63%，高于文献[14]试验结果。由此可知对于同种改性浆液，处理液质量分数会对改性效果产生影响，且存在一个最佳质量分数值使骨料改性效果达到最佳。

文献[16]采用自行配制的复合强化浆液强化再生粗骨料用于制作C30和C60混凝土试块。强化浆液含固量为25%，由纳米SiO2、纳米CaCO3浆体、水玻璃和聚羧酸高效减水剂按照一定比例配制而成，骨料强化后制得的混凝土28 d抗压强度较未强化骨料混凝土提高51.8%（C30）和31.4%（C60），未强化骨料混凝土抗压强度未达到设计强度，强化骨料混凝土抗压强度达到设计强度。与文献[16]相比，本文试验由于未处理再生粗骨料混凝土抗压强度已经能够达到较高值，故防水砂浆及聚乙烯醇浆液对再生粗骨料改性并未使混凝土抗压强度大幅度提升，但改性效果仍然明显，分别达到天然骨料混凝土的90.18%和96.17%。由此可知，物理填充作为再生粗骨料的改性方式之一，其可行性是值得肯定的，但其改性效果因所用再生粗骨料自身特性不同而存在较大差异。4结语

（1）盐酸溶液、草酸溶液通过化学浸洗的方式处理再生粗骨料，可以除去再生粗骨料表面废弃砂浆，从而有效改善再生粗骨料细观界面特性，提高再生混凝土抗压强度。

（2）不同质量分数盐酸溶液对再生粗骨料改性效果不同。当盐酸质量分数c在0%～2%时，质量分数与抗压强度近似呈线性关系，且质量分数在2%左右时抗压强度最大，较未处理再生骨料混凝土提高11.84%，达到天然骨料混凝土的96.63%。当盐酸质量分数c>2%时，混凝土抗压强度随质量分数的增长而降低，降低速率逐渐减小。

（3）防水砂浆和聚乙烯醇浆液通过物理填充的方式对再生粗骨料进行处理，可以降低骨料表面水泥基孔隙率，从而提高再生混凝土抗压强度；25%质量分数防水砂浆和2%质量分数聚乙烯醇浆液分别使再生骨料混凝土抗压强度提高4.37%和11.31%，达到天然骨料混凝土的90.18%和96.17%。

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