高强度再生骨料混凝土性能优化研究

王圣怡

(1.上海建工集团股份有限公司,上海 200080；2.上海高大结构高性能混凝土工程技术研究中心,上海 201114)

1 高强再生混凝土的研究背景

伴随着我国城市建设的发展,我国城市建筑垃圾的规模也不断增大。城市垃圾的不断产生影响城市生态,污染了城市环境,成为了每座城市面临的重大挑战。消极的填埋模式并不可取,因此,将这些垃圾处理后再利用才能真正缓解城市垃圾围城的巨大压力。建筑垃圾的主要成分是建筑拆、改建的混凝土,目前,将这些混凝土分拣、破碎、筛分、清洗后制得再生骨料重新用于混凝土生产是实现废弃混凝土高效综合利用的有效途径。但在现阶段,受生产工艺、破碎工艺、分拣、清洗技术等因素限制,骨料生产厂家生产的再生骨料普遍强度较差,吸水量高,这导致采用再生骨料配制的再生混凝土通常强度较差,流动性差,坍落度损失大。这些不利因素严重限制了再生混凝土的生产和发展。通常来说,利用再生骨料配制的再生混凝土在工程上只用于回填标高、道路垫层等低强度、非结构承重场合。

现阶段,工程上应用C50以上强度等级混凝土的场合越来越多,为适应工程发展需要,利用再生骨料配制C50以上强度等级混凝土已势在必行。[1]再生骨料不同于天然骨料,其表面通常附着有大量惰性微粉,老旧砂浆,同时,由于再生骨料通常采用机械力破碎方法生产,其颗粒不规整,针片状颗粒较多,而且其中的天然骨料基体也会不可避免地出现裂纹等机械损伤。这些原因都造成了再生骨料吸水量大、杂质干扰多、压碎指标大,因此,沿用原商品高强混凝土的配制方法,很难配制出工作性能和力学性能俱佳的高强再生混凝土。

目前,研究人员在推进再生混凝土高强化方面展开了许多研究,主要有以下两个方向。一是对再生粗骨料进行改性强化。其主要方法是对再生骨料表面进行改性处理,分为化学方法和物理方法：物理方法效果较好的是加热研磨法[2],化学方法有以下几种：CO2保护处理[3],有机或无机溶液覆层[4],纳米浆液处理[5],另一个方向主要是优化提高新拌水泥砂浆的性能,使其具备更佳的流动性能,这主要通过添加适当的化学外加剂和无机矿物掺合料来实现。[6]水泥水化后的主要产物是水化硅酸钙凝胶,研究表明其尺寸在纳米级范围,本研究中对再生骨料进行强化即应用自研的水化硅酸钙凝胶溶液对再生骨料进行改性强化。利用水化硅酸钙凝胶材料对再生粗骨料进行处理后,其作用主要在于,一是其能填充再生骨料上的细微缺陷和微裂纹,二是水化硅酸钙凝胶溶液是纳米材料,其能够有效改善再生混凝土界面过渡区的结构,提高其强度。[7]另外,本论文还研究了新型混凝土降粘剂对再生混凝土性能的影响。

2 实验

2.1. 原材料

实验采用的再生骨料为再生骨料厂采用鄂破方式生产的5-16mm连续粒级再生骨料,其性能指标符合国标《混凝土用再生粗骨料》(GB/T25177-2010)要求,外观形状如下图1所展示,性能指标如下表1所示；采用的天然骨料为符合国标《建筑用卵石、碎石》(GB/T14685-2011)规定的5-25mm连续粒级天然骨料。实验采用的水泥为上海海螺明珠水泥有限公司生产的PⅡ52.5硅酸盐水泥；矿粉为张家港恒昌新型建材有限公司生产的S95级矿粉；粉煤灰为上海杜云企业发展有限公司生产的Ⅱ级粉煤灰。实验所采用高效减水剂为上海申立化工厂生产的803型聚羧酸减水剂,混凝土减水率≥25%；降粘剂为巴斯夫公司生产的Rehoplus 416降粘剂；强化骨料所用纳米凝胶溶液为自研水化硅酸钙凝胶溶液,为白色凝胶状物质,如下图2所展示。

表1 5-16mm连续粒级再生骨料性能指标

微粉含量针片状含量吸水率表观密度(kg/m3)压碎指标堆积密度(kg/m3)紧密密度(kg/m3)2.30%8%4.10%263010%14601620

2.2 实验方案

实验所采用高强再生骨料混凝土配合比如表2所示：

表2 高强再生骨料混凝土配合比表

*：上表中NA表示天然骨料；RA表示未经处理的再生骨料；NRA表示纳米凝胶溶液浸渍后晾干的再生骨料；WRA表示清水清洗后晾干的再生骨料。

经纳米凝胶溶液浸渍后的再生骨料需在干燥通风处晾干至表面完全无水分后方可使用,否则水化硅酸钙溶液的吸水性能会导致再生混凝土缺乏流动性。经晾干后的再生骨料表面有白色粉末附着,其外貌特征如下图3所展示：

图3 水化硅酸钙凝胶溶液浸渍晾干后再生骨料

2.3 实验流程

(1)根据实验配合比,准确称量实验材料。将再生骨料、天然骨料、黄砂、水泥、矿粉、粉灰投入搅拌机预搅拌1-2min。

(2)重启搅拌机,搅拌过程中缓慢加入拌合水、外加剂,继续搅拌至混凝土搅拌均匀。

(3)立方体抗压试件采用振动台振动成型,试件尺寸为150mm×150mm×150mm。

(4)试件成型后,拆模静置水养护3d,14d,28d。

(5)新拌混凝土工作性能按照GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行测试,硬化混凝土力学性能按照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测试。

3 结果分析

3.1 强化骨料与降粘剂对高强再生混凝土工作性能的影响

试验各组高强再生混凝土基本工作性能如下表3所示：

表3 高强再生混凝土工作性能表

高强再生混凝土工作性能变化规律如下图4所示：

图4 高强再生混凝土工作性能

与普通高强混凝土相比,高强再生骨料混凝土的流动性除受制于高强混凝土配比因素,如水灰比,用水量等条件外,还受再生骨料特征的影响,再生骨料公认的空隙率大、吸水量大、含粉量高等特征都会对高强再生骨料混凝土的工作性能产生影响。

由上图可以看出,5组试件均具有较高坍落度,这表示其流动性能均较好。单从坍落度数值上看,并没有较大差别。但从现场操作的难易程度来看,加入了BASF 416降粘剂的第3组与第5组最易于铲动,说明其粘度最低。应用了纳米凝胶处理再生骨料NRA的第2组粘性则介于第1组空白样与第3组、第5组之间。应用了清水清洗再生骨料WRA的第4组粘性与第2组类似。以上比较都基于制作试块时操作的难易程度,而非科学指标,如需得到较为准确的流变学参数指标,需应用同轴流变仪等专业设备进行测量。另外,经清洗后晾干的再生骨料制备的再生混凝土浆液包裹骨料的能力较差,容易离析,推测这与其含粉量下降较多有关。5组试件初始坍落度照片如下：

3.2 强化骨料与降粘剂对高强再生混凝土力学性能的影响

试验各组高强再生混凝土基本力学性能如下表4所示：

表4 高强再生混凝土力学性能表

高强再生混凝土力学性能变化规律如下图5所示：

图5 高强再生混凝土力学性能

由以上数据可以看出,采用未经处理的再生骨料制备的第1组再生混凝土28d强度最高。应用了BASF416降粘剂的第3组和第5组28d强度最低,这说明降粘剂影响了再生混凝土的最终强度。应用了凝胶处理再生骨料和清洗后再生骨料的第2组和第4组在28d强度都出现了倒缩,但它们在14d都表现出了较好的力学性能。分析原因,主要原因在于对再生骨料表面的清洗和浸泡去除了大量的惰性微粉,对再生骨料的界面过渡区强度起到了改善效果。而凝胶浸泡的一组更高于清水清洗的一组说明在其中,纳米级的硅酸钙凝胶颗粒起到了晶种的作用,促进了水泥水化的进程,对混凝土早期强度的提高也作出了贡献。

4 结论

通过上述研究可以得出以下结论：

(1)对于高强再生骨料混凝土来说,由于其水胶比较低,同时再生骨料中也含有较多的微粉,因此用再生骨料制备的高强混凝土坍落度不大,同时粘性也较高。在其中加入适量的化学降粘剂和对再生骨料进行表面处理后,可有效降低高强再生骨料混凝土的粘性,从而提高其施工性能。简单的用水清洗再生骨料表面可去除再生骨料附着微粉,但用其拌制的高强再生混凝土容易离析。

(2)在再生骨料取代率为30%的条件下,高强再生混凝土的强度都能满足标准要求。用凝胶处理的再生骨料和用清水清洗的再生骨料早期强度较高,但后期强度倒缩,说明再生骨料的表面特征是影响高强再生混凝土早期强度的关键因素。化学降粘剂的加入虽然可以有效降低高强再生混凝土的粘度,但对高强再生混凝土的强度发展有不利影响,因此在实际工程中要慎用。

(3)综上所述,在实际工程应用中,如需生产循环周期较短的建筑构件,如预应力混凝土管桩、高架桥面板等,可选用纳米改性的高强再生骨料混凝土,其早期强度高,坍落度好,后期强度变化不大,完全能满足工程要求。而在对混凝土工作性能要求较高的场合,如自密实混凝土等,则可在高强再生混凝土中掺入一定量的化学降粘剂,以提高其施工性能。

[1]郭鹏,韦万峰,杨帆,杨晓宇.《再生集料及再生混凝土界面过渡区研究进展》[J].硅酸盐通报,2017,7∶2280-2286．

[2]李秋义,李云霞,朱崇绩,田砾.《再生混凝土骨料强化技术研究》[J].混凝土,2006,1∶74-77．

[3]史才军,张家科,李亚可.《利用二氧化碳强化再生骨料性能的研究》[C].中国硅酸盐学会水泥分会第五届学术年会论文集,2014,12∶43-44．

[4].杜婷,李惠强,吴贤国.《混凝土再生骨料强化试验研究》[J].新型建筑材料,2002,3∶6-8．

[5].杨青,钱晓倩,钱匡亮,王章夫,周堂贵.《再生混凝土纳米复合强化试验》[J].材料科学与工程学报,2011,1∶66-69．

[6].刘金梅,卢忠远,严云.《超细粉煤灰与高效减水剂复合减水效应研究》[J].武汉理工大学学报,2009,4∶120-124．

[7].李文贵,龙初,罗智予,黄政宇,龙炳煌,任杰强.《再生骨料混凝土破坏机理与改性研究综述》[J].建筑科学与工程学报,2016,6∶60-72．