强吸水再生预处理对混凝土抗冻性影响研究

田园　郭乙霏　郭利霞　汪伦焰　曹永潇　刘家甍　骆言

摘要：为提高再生混凝土性能，降低直接生产成本，研究了骨料预处理方法对再生混凝土性能的影响。通过试验考察强吸水骨料的吸水特性，建立了再生骨料吸水量预测模型，以计算不同时间预吸水骨料的孔隙饱和度，并基于饱和度推求预湿时间，设计了饱和预湿法、浓浆裹预湿砂石法、水泥裹预湿砂石法等高吸水骨料预处理方法制备再生混凝土，并与传统方法比较，研究了骨料预处理方法对再生混凝土力学性能及抗冻性的影响。结果表明：28 d养护后的混凝土试块抗压强度表现为饱和预湿法>浓浆裹预湿砂石法>传统方法>水泥裹预湿砂石法，抗冻性表现为浓浆裹预湿砂石法>水泥裹预湿砂石法>传统方法>饱和预湿法，建议采用浓浆裹预湿砂石法制备再生混凝土。

关键词：再生骨料;吸水量预测;预处理;抗冻性;抗压强度

中图分类号：TV431+.9

文献标志码：A

doi：10.3969/j .issn.1000- 1379.2019.04.029

再生混凝土是用再生骨料全部或部分取代天然砂石骨料配制成的混凝土[1].不但可以解决建筑废弃物处理困难和由其引发的环境问题，而且可以减少天然建筑材料的开采，对节约资源、保护生态环境具有重要意义。再生骨料是再生混凝土的主要组成材料，一般由废弃混凝土破碎、加工处理而成，含有砖块、砂浆块、石块及杂物，相比天然骨料，具有孔隙率高、吸水性强[1]、弹性模量低等特性，常用于配置中低强混凝土。

再生混凝土由于再生骨料表面由水泥砂浆包裹及含有砖块，因此具有高吸水性，当原生混凝土强度大于20 MPa时，其吸水率为3% - 6%，远高于普通混凝土[2-3]。针对强吸水再生骨料（吸水率大于6%），采用经济可靠的手段提高其自身性质及再生混凝土性能是当前研究的热点。SHIMA H等[4]从骨料强化处理的角度提高骨料强度，如机械处理，但此方法工作效率低，对设备磨损大，适用性有待研究;罗素蓉等[5-6]采用化学浆液浸泡法对骨料进行预处理，但化学浆液浸泡法目前还处于研究阶段，不利于再生混凝土的工厂化生产：BARRADE O M等[7]采用湿处理方式改善骨料特性。上述骨料强化措施操作简单，但未全面考察混凝土性能。笔者在前人研究[8]的基础上，从批量化生产、操作简单的角度出发，在拌制再生混凝土过程中采用再生粗骨料预湿、改变投料顺序的方法，分析其对混凝土工作性能、强度及耐久性的影响，从微观角度揭示影响机制，以期为高吸水再生骨料的应用提供依据。

1 试验概况

1.1 原材料

试验采用水泥为河南天瑞有限公司生产的425#普通硅酸盐水泥，选取I级粉煤灰作为试验材料。细骨料采用來自姚河的河砂，粒径0.35 - 0.50 mm，为中砂。粗骨料选用5-20 mm连续级配的再生含砖骨料。混凝土拌和用水为自来水。减水剂为聚羧酸高效减水剂，用于提高混凝土和易性。再生骨料主要成分是红砖和混凝土，吸水性较高，再生骨料表观密度为2 300 -2 500 kg/m，堆积密度为800 - 900 kg/m，属于轻集料。

1.2 再生混凝土试验配合比

再生骨料含量对再生混凝土性能影响较大，粗骨料采用再生粗骨料，骨料级配粒径5 - 10 mm与粒径10-20 mm之比为2：3.细骨料以20%再生骨料取代天然骨料，水泥含量为22.6%。水灰比参照《普通混凝土配合比设计规程》（ JGJ55-2011）在0.20 - 0.62进行调配，最终确定水灰比为0.56。减水剂为QS-8020聚羧酸减水剂，减水率为30%，掺量为水泥用量的0.1%。配合比中水灰比指总水灰比，即有效水灰比与骨料水灰比之和。考虑到再生骨料掺量对混凝土耐久性及力学性能的影响9-10]，确定再生骨料掺量为骨料质量的330-/0。单位体积再生粗骨料、天然细骨料、再生细骨料、水泥、水、减水剂用量分别为237.0、973.6、243.4、425.0、237.0、0.53 kg/m.

1.3 骨料特性试验

与普通砂、石骨料相比，再生混凝土骨料吸水能力极强，天然石料15 min的吸水率约为0.4%，而再生骨料可达10.0%，且吸水率随着再生骨料粒径的减小而增大。由于粗骨料吸水饱和与否直接影响其表层界面的水分流向，改变再生混凝土细观结构，进而影响再生混凝土特性，因此采用郑州恒基建材有限公司的高吸水砖混凝土再生骨料，考察预吸水时间对骨料饱和度的影响，吸水率随时间的变化情况见表1。

由表1可知：再生骨料孔隙率大，红砖含量高，吸水率高：不同粒径骨料的吸水量均随着时间的延长而增大，前5 min的吸水速率最大，之后趋于平缓，孔隙水基本达到饱和。骨料粒径比表面积不同，粒径越大，比表面积相对较小，吸水率越小;粒径越小，吸水率越大。不同粒径再生骨料吸水率随时间变化情况见图1。

1.4 再生骨料预处理

将筛分好的再生骨料用水冲洗，去除再生骨料表面的碎屑、粉尘及杂质，晾晒2d以上达到气干状态，气干粗骨料饱和度约为25%。要使孔隙水饱和度达到94%，需将粗骨料在水中浸泡10 min;要使粗骨料饱和度达到1 00%.需在水中浸泡2d以上。

根据上述结论和肖建庄等[11-12]的研究成果，采用上述饱和度设计饱和预湿法、浓浆裹预湿砂石法、水泥裹预湿砂石法制备再生混凝土，并与传统工艺制备的再生混凝土进行对比。饱和预湿法：首先将气干再生粗骨料浸泡在水中2d，使其饱和吸水，然后加入水泥、砂、剩余水和减水剂，搅拌180 s;浓浆裹预湿砂石法：气干再生粗骨料浸泡在水中10 min后备用，将全部水泥加浸泡剩余水及减水剂搅拌60 s形成水泥浆，再加入所有骨料继续搅拌120 s：水泥裹预湿砂石法：将气干再生粗骨料浸泡在水中10 min.和砂放人搅拌机，加入水泥搅拌60 s，再加入剩余水及减水剂搅拌90 s。

2 试验结果与分析

2.1 工作性能

参照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（ GB/T 50080-2002）[13]，将初始塌落度作为衡量再生混凝土和易性的指标。试验结果表明，再生粗骨料浸泡时间越长，越接近附加水量，剩余的搅拌用水量越少，实际搅拌过程中的自由水灰比越小，混凝土和易性越差，因此传统方法配置的再生混凝土塌落度最大，为10.5 mm.其次为水泥裹预湿砂石法和浓浆裹预湿砂石法制成的再生混凝土，分别为10.1、10.0 mm.塌落度最小的是饱和预湿法制成的再生混凝土，为9.5 mm。塌落度整体相差不大，原因是再生骨料的掺量较小，仅占所有骨料（天然砂和再生骨料）质量的33%。

2.2 力学性能

参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2002）[14].对预处理再生骨料配置的再生混凝土进行3、7、28 d抗压强度试验，试验结果见图2。抗压强度历时的发展间接反映了混凝土的水化、硬化过程，前期抗压强度表现为饱和预湿法>浓浆裹预湿砂石法>水泥裹预湿砂石法>传统方法，但发展到后期，抗压强度表现为饱和预湿法>浓浆裹预湿砂石法>传统方法>水泥裹预湿砂石法。

粉煤灰及聚羧酸高效减水剂的掺入会对再生混凝土的后期性能产生影响。聚羧酸减水剂作用在早期，减水剂不但能使水泥与水体处于相对稳定的悬浮状态，而且能使水泥在加水初期所形成的絮凝状结构分散解体，从而将絮凝结构内的水释放出来。传统方法中减水剂溶于水，释放水量大，孔结构增多，早期强度最低。水泥石与骨料界面情况是影响再生混凝土强度的重要因素，粉煤灰作为微集料可以有效改善界面，原因是粉煤灰与水泥水化产生的C-S-H凝胶反应，填充混凝土孔隙，提高密实性，相较于传统方法，3种改良工艺使得用于水化反应的水量增加，结构更加致密，抗压性增强。

预湿后的再生骨料，饱和度与砂浆持平，水分几乎不发生转移，再生骨料界面和新生混凝土相较未预湿骨料连结更密实，工作性能、强度均很好。传统工艺制备的试块骨料饱和度较低，骨料表层界面水分向骨料转移，新生水泥浆体孔隙较多，强度不高。早期再生骨料表面的水泥砂浆与新产生的水泥砂浆弹性模量相近，水泥颗粒进入再生骨料孔隙，使得界面处致密性提高，所以采用二次搅拌工艺的混凝土早期强度普遍高于传统方法的。

对于后期来说，再生骨料具有极强的吸水特性，提前预湿的骨料可看做再生混凝土的内养护材料[1]，一方面使得界面处后期水化反应更加充分，另一方面减少自收缩，使得骨料与水泥石连结界面处裂隙减少。因此，浓浆裹预湿砂石法与饱和预湿法处理得到的再生混凝土力学性能最佳。

针对不同的工艺方法，水泥裹预湿砂石法与水泥搅拌后前期会在骨料表层迅速形成较薄的浆体壳，再生骨料表面浆体壳的水灰比低于浓浆裹预湿砂石法的，界面强度提高，对早期强度有利，水泥裹预湿砂石法早期水化较充分，但界面处吸水性强，致使后期水泥水化不够充分，力学性能不佳;饱和预湿法中骨料经饱和处理后，剩余搅拌水量减少，自由水灰比增大，混凝土水泥浆内水量较少，水泥浆体密实，因此强度最高，但该工艺再生粗骨料饱和，界面受内部水补给，水灰比要小于其他方法的，界面强度低：浓浆裹预湿砂石法再生骨料尚未饱和，表面处于面干状态，被一层水泥浆壳包裹，填补附着浆体的孔隙及裂缝，再生骨料内部水补给范围有限，几乎达不到界面，界面强度较高，后期强度发展要优于饱和预湿法的。上述结论与文献[15]一致。

2.3 抗冻性能

一般将相对动弹性模量和质量损失率作为抗冻性指标，何燕等[9-10]研究发现，再生混凝土骨料吸水量较大，质量损失率不宜作为抗冻性指标，因此这里仅考虑相对动弹性模量。试验按《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（ GB/T 50082-2009）的规定，采用100 mmxl00 mmx400 mm棱柱体试件进行25次冻融循环后，传统方法、饱和预湿法、水泥裹预湿砂石法、浓浆裹预湿砂石法相对动弹性模量分别为0. 85、0.82、0.86、0.90。试件经过25次冻融循环后，抗冻性表现为浓浆裹预湿砂石法>水泥裹预湿砂石法>传统方法>饱和预湿法。

随着水量的增加，水泥产物之间的接触点相对减少，产物结构疏松不致密[1O]。对于饱和预湿法，水泥与骨料的接触面水量充足，但再生骨料表层经充分饱和后，形成的表面水膜较厚，导致较厚的高水灰比界面过渡区。该区域内填充的水化产物越来越少，黏结强度较低，结构疏松，但剩余水量最少，自由水灰比减小，新生水泥石内孔隙较少，致密性高，粉煤灰量相对较多，多数粉煤灰颗粒不发生水化反应，不会减少水泥与骨料的结合，使得过渡层多孔，受冻融温度变化影响，骨料和水泥石变形不一致，裂縫发展，抗冻性最差。

水泥裹预湿砂石法再生混凝土的抗冻性较强，原因是界面交界处，相对于水量，胶凝材料充足，在骨料表面形成致密的浆体，增强了再生骨料与新浆体之间的界面强度;相较于交界面，外围部分水灰比较高，结构较为疏松，因此整体抗冻性有一定改善。

浓浆裹预湿砂石法交界面和外部水泥均可达到充分水化，水泥分散均匀，交界面与外部密实性差异较小，整体均衡，因此表现出的抗冻性最好。

传统工艺自由水灰比较大，新生水泥石内孔隙较多，密实性不强，抗冻性较差，但再生骨料表面水灰比最小，界面强度高，整体抗冻性一般。

3 结语

再生混凝土作为一种可持续发展建筑材料，生产成本略高于普通混凝土，为提高混凝土性能，降低直接生产成本，研究了提高再生混凝土性能的手段。考察了骨料吸水率随时间的变化情况，建立吸水量预测模型，根据预测模型，推测不同饱和度下的骨料预湿时间，设计不同饱和度的饱和预湿法、浓浆裹预湿砂石法和水泥裹预湿砂石法进行再生混凝土性能试验。

（1）骨料吸水量与骨料质量成正相关关系，并得到了骨料吸水量预测模型。

（2）再生混凝土抗压强度表现为饱和预湿法>浓浆裹预湿砂石法>传统方法>水泥裹预湿砂石法，抗冻性表现为浓浆裹预湿砂石法>水泥裹预湿砂石法>传统方法>饱和预湿法。对于批量化工厂生产，推荐采用浓浆裹预湿砂石的再生混凝土制备方法，控制好骨料预湿时间。

（3）传统工艺制备的试块骨料饱和度较低，再生骨料吸水性极强，骨料表层界面水分向骨料转移，新生水泥浆体孔隙较多，强度不高：浓浆裹预湿砂石法制备的试块水化充分，再生骨料饱和度与砂浆持平，水分几乎不发生转移，界面和新生水泥浆相对较密实，抗压性能和抗冻性均很好：饱和预湿法制备的试块骨料饱和，在湿度梯度差下可向界面补给水分，界面水灰比小，抗冻性较差。

（4）富含红砖再生骨料具有极强的吸水性，可作为内养护材料用于水灰比较小的混凝土制备中，能够减少自收缩，使得界面水化反应更加充分，对提高混凝土性能可发挥积极作用。综合考虑对力学性能及抗冻性的影响，建议采用浓浆裹预湿砂石法制备再生混凝土。

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【责任编辑吕艳梅】