PVA改性再生骨料对再生混凝土基本力学性能的影响

吴素瑶，宗翔

(安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

近年来，社会基础设施大量重建，各地对混凝土的需求日趋增长，为实现资源的循坏利用，国内外再生混凝土的研究日趋丰富。目前国内大部分再生混凝土研究的再生骨料都是再生混凝土骨料，而老城区改造拆除的大多是砖混结构，还会产生大量再生砖混骨料。因此，将2种再生骨料同时加入研究，更加贴合我国现阶段国情。为了扩大这些骨料的应用范围，首先应从提高骨料自身质量入手[1～3]。再生混凝土骨料中一般包含天然骨料、硬化砂浆、天然骨料和硬化砂浆的黏合体，而再生砖混骨料中还包含大量黏土砖，天然骨料相对较少。同时砖混结构存在的时间相对较长，本身经历了长时间的风化和碳化作用[4]，加上制成再生骨料时破碎造成骨料内部结构损伤，相比再生混凝土骨料，再生砖混骨料质量更为不佳。

再生骨料改性是提高再生混凝土性能的有效方法[5，6]。文献[7]对再生骨料的改性方法做了总结，物理方法、化学浸泡和高温蒸压与微波加热等方法对再生骨料均有不同程度的强化。文献[8,9]的研究表明,浸泡一定浓度的聚乙烯醇(PVA)溶液可以很好的改善骨料的自身缺陷，浓度为10%时效果最佳。因此,笔者从提高再生骨料自身质量出发，通过浸泡10%PVA溶液的方法来改善骨料自身缺陷，提高再生混凝土的性能。

1 试验材料

试验所用水泥为八公山水泥厂生产的强度等级为42.5的复合硅酸盐水泥；混凝土拌和及养护用水为淮南市自来水；细骨料为细度模数2.13的河砂；所用粗骨料有3种，分别为购于上窑镇石料厂天然骨料NA、淮南市城区拆迁再生砖混骨料RA-Ⅰ以及安徽理工大学土木建筑学院建筑垃圾再生混凝土骨料RA-Ⅱ，粒径均为4.75～20mm连续级配；聚乙烯醇为安徽维皖集团有限责任公司生产的聚合度1700、醇解度为99%的PVA-1799。

2 再生骨料强化试验

将固体PVA配置成10%的水溶液，加热至完全溶解。待其冷却至室温后，分别浸泡2种再生骨料RA-Ⅰ、RA-Ⅱ，24h后取出，PVA溶液初凝后冲洗骨料表面，在自然条件下晾干，制成改性再生砖混骨料(SRA-Ⅰ)和改性再生混凝土骨料(SRA-Ⅱ)。

测得5种粗骨料的基本性能如表1所示。由表1可知，2种再生骨料经过改性后，部分性能均有不同程度的提高。改性使得再生骨料的含水率略微增大，前15min吸水率大幅减小，SRA-Ⅰ比RA-Ⅰ下降42.9%，SRA-Ⅱ比RA-Ⅱ下降14.5%。PVA溶液浸泡晾干后形成一层憎水膜，填充在再生骨料表面孔隙和裂缝中，阻止水分进入，降低再生骨料吸水率。对于孔隙相对更多、吸水率更大的RA-Ⅰ来说，改性后吸水率降低也更加明显。但是由于PVA常温下微溶于水，憎水膜遇水变软，改性后的再生骨料后期吸水速率相对提高，但总体吸水率降低。部分PVA晾干后凝结成坚硬固体，粘附在骨料表面，PVA固体的表观密度相比骨料小，造成测出的表观密度偏低。改性后压碎值指标SRA-Ⅰ比RA-Ⅰ下降26.4%，SRA-Ⅱ比RA-Ⅱ下降12.1%，骨料的强度得到了提高。

表1 粗骨料的基本性能

3 再生混凝土基本力学性能试验

将5种粗骨料分别制成5种混凝土，编号一一对应。根据5种粗骨料的表观密度，采用绝对体积法计算出各组混凝土配合比[10]，取有效水灰比[11]为0.5，用水量为190kg/m3，砂率36%，再根据15min吸水率计算额外用水量，最终配合用量如表2所示。

表2 混凝土的配合用量

各组拌合物坍落度在60～80mm，无泌水现象，振捣密实抹平24h后脱模，置于20±2℃，湿度95%以上的标准养护环境中进行养护。试块均为100mm×100mm×100mm的立方体试件，根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)[12]取龄期3、7、28、90d试块进行抗压强度试验以及劈裂抗拉强度试验。

3.1 抗压强度试验

再生混凝土抗压强度破坏形态与普通混凝土类似，随着荷载增加，由试块出现裂缝到表面水泥砂浆外鼓脱落，最终形成2个相对的四角锥形。抗压强度增长早期破坏面主要位于新旧砂浆交界处，28d后RAC-Ⅰ和SRAC-Ⅰ还伴随部分骨料被压碎。

抗压强度试验结果如图1所示,再生混凝土RAC-Ⅰ、RAC-Ⅱ 3d抗压强度比普通混凝土NAC高，7～90d期间低于NAC。抗压强度增长百分比如图2所示，由图2可知，再生混凝土RAC-Ⅰ、RAC-Ⅱ 3d抗压强度增长均超过了50% 。由于再生骨料孔隙率高、比表面积大，在混凝土水化反应早期扩大了水与胶凝材料的接触面积，增加了早期水化反应的速率，以致于再生混凝土早期抗压强度比天然混凝土高。随着龄期的增长，3～28d时水化反应逐渐完全，骨料在混凝土中逐渐起到“骨架”作用，再生混凝土由于骨料缺陷抗压强度增长受限，普通混凝土的抗压强度快速增长。由于再生骨料吸水率高，前期骨料吸入大量额外用水，28d后仍在缓慢释放进行进一步的水化反应，使得28～90d期间再生混凝土RAC-Ⅰ、RAC-Ⅱ抗压强度增长高于普通混凝土NAC。

图1 抗压强度试验结果 图2 抗压强度增长百分比

改性后的再生混凝土SRAC-Ⅰ、SRAC-Ⅱ早期抗压强度均表现出比未改性的再生混凝土RAC-Ⅰ、RAC-Ⅱ低。SRAC-Ⅰ抗压强度至28d后才高于RAC-Ⅰ，90d抗压强度SRAC-Ⅰ比RAC-Ⅰ高3.11MPa。SRAC-Ⅱ抗压强度在28d略高于RAC-Ⅱ，90d抗压强度SRAC-Ⅱ比RAC-Ⅱ高4.79MPa。混凝土拌制时，骨料表面PVA硬化形成的憎水膜遇水变软，该憎水膜位于再生混凝土新老界面过渡区[13]，阻碍了新旧砂浆的结合，造成改性后的再生混凝土SRAC-Ⅰ、SRAC-Ⅱ早期抗压强度较低。由图2可直观了解到，改性后的再生混凝土SRAC-Ⅰ、SRAC-Ⅱ抗压强度增长百分比十分接近，说明PVA对再生骨料的改性降低了再生混凝土的早期抗压强度的增长速率。由于PVA憎水膜包裹再生骨料，减小了再生骨料的比表面积，减小了早期水化反应的速率。该膜又减缓了再生骨料中吸收水的释放速度，再生混凝土的抗压强度在7～28d期间缓慢增长。28d后随着水化反应的完全，水逐渐完全参与反应，PVA重新硬化填充在骨料孔隙中强化再生骨料，使得28d后再生混凝土强度还能有20%以上的增长。

图3 劈裂抗拉破坏形态

3.2 劈裂抗拉强度试验

劈裂抗拉破坏形态如图3所示。由图3可知，再生混凝土的劈裂抗拉强度试验破坏形态随着龄期的增长有所不同。由图3(a)可知，在龄期3d，破坏主要沿着再生混凝土新旧砂浆交界处被劈裂，开裂面由于部分骨料没有直接被劈开凹凸不平。由图3(b)可知， 28d后再生骨料直接被劈开，开裂面相对平整。

劈裂抗拉强度试验结果如图4所示。由图4可知，在混凝土劈裂抗拉强度增长的整个阶段，普通混凝土NAC的劈裂抗拉强度均高于再生混凝土，骨料质量相对较差的RAC-Ⅰ也整体低于RAC-Ⅱ。由此可见骨料质量也直接影响到混凝土的劈裂抗拉强度。

劈裂抗拉强度增长百分比如图5所示。与抗压强度类似，改性后再生混凝土SRAC-Ⅰ、SRAC-Ⅱ早期劈裂抗拉强度低于未改性的再生混凝土RAC-Ⅰ、RAC-Ⅱ。28d时改性前后的再生混凝土劈裂抗拉强度相当，90d劈裂抗拉强度SRAC-Ⅰ比RAC-Ⅰ高0.35MPa，SRAC-Ⅱ 比RAC-Ⅱ高0.05MPa。PVA改性降低了水化反应的速率，降低了28d前劈裂抗拉强度增长速率，但填充在再生骨料孔隙中的PVA并不能大幅提高再生混凝土的劈裂抗拉强度。因此，PVA对再生骨料的改性，对提高再生混凝土劈裂抗拉强度效果并不显著，主要降低了再生混凝土劈裂抗拉强度增长速度。

图4 劈裂抗拉强度试验结果 图5 劈裂抗拉强度增长百分比

4 结论

1)再生骨料自身的质量直接影响了再生混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度的增长，提高再生骨料质量、改善自身缺陷是提高再生混凝土基本力学性能的关键。

2)再生骨料浸泡10%PVA溶液的方法可以很好的提高骨料质量、改善骨料的自身缺陷，尤其可以显著降低再生骨料前期吸水率，骨料质量越差改性效果越佳。

3)PVA改性方法使得再生骨料比表面积降低，减小了水化反应的面积，减缓了早期水化反应速率，降低了再生混凝土早期强度增长速率，因此造成早期抗压强度和劈裂抗拉强度较低。

4)再生混凝土抗压强度增长后期，PVA硬化填充在骨料的孔隙中加强骨料，可提高中后期再生混凝土的抗压强度，但对劈裂抗拉强度提高并不显著。