再生粗集料的基本性能及预处理方式研究

2021-03-31范凌泰

居业 2021年3期

关键词：水泥砂浆吸水率研磨

范凌泰

(1.东南大学，南京 210000：2.江苏扬子江高速通道管理有限公司，南京 212415)

1 再生粗集料的研究发展情况

1.1 简介

再生粗集料顾名思义，是将废弃的水泥混凝土经过破碎、加工后，形成的粒径大于4.75mm的颗粒，可以在水泥混凝土中取代部分粗集料，制作再生混凝土，使用再生粗集料，不但可以缓解目前天然石材缺乏的现状，也与国家所提倡的“绿色环保”理念相契合。

1.2 国外研究发展情况

水泥混凝土的再生利用始于20世纪后半叶。研究最早的是欧洲，主要是二战后，由于战争产生了大量的废弃混凝土，而战后重建工作需要大量的粗集料，这一情况促使欧洲国家开始对再生集料进行研究。日本则是因为土地狭小，资源相对匮乏，因此早在上个世纪70年代就对再生集料进行了研究。美国由于土地辽阔，对再生集料的研究相比日本和欧洲起步较晚，但发展很快，且已经在高速公路施工中得到了广泛的应用。

1.3 国内研究发展情况

由于我国基础设施建设发展较为缓慢，而且地大物博，资源丰富，因此对再生集料需求没有那么迫切，研究较晚，但由于近年来的大规模建设以及天然石材缺乏的情况，对再生集料研究也是刻不容缓。对于再生集料的性能，美国、日本、欧洲很早就制定了相应的规范，并且已经大规模投入使用，而我国虽然起步较晚，但也于2011年发布了《JGJT 240-2011 再生骨料应用技术规程》，虽然实际应用还比不上发达国家，但规范的出台也为实际使用打下了理论基础。

2 基本性能

2.1 堆积密度和表观密度

再生粗集料，本质上就是破碎的废弃混凝土，因此表面会附着废弃混凝土中存在的水泥砂浆，与天然粗集料相比，这些水泥砂浆的孔隙率较大，因此导致再生粗集料的堆积密度和表观密度较天然粗集料低。再生粗集料的表观密度受到包括粒径、原废弃混凝土的强度、配合比、使用时间、环境、破碎方式等多种因素的影响。从目前的研究来看,其数值的并没有一定的规律，再生粗集料的表观密度为天然粗集料的90%以上，堆积密度为天然粗集料的85%以上[1]，通常来说，再生粗集料的表观密度在2310kg/m3～2620kg/m3之间，再生粗集料的堆积密度在1290kg/m3～1470kg/m3之间[2]。实际工程使用中，再生粗集料的表观密度需要现场进行测定，以便进行再生混凝土配合比设计。由于我国的《JGJT 240-2011 再生骨料应用技术规程》中缺少对再生粗集料表观密度和堆积密度的规定，因此参考上海市的标准《再生混凝土应用技术规程》，该规范是依据同济大学的试验和国内外数据，同时参考国外标准制定的，规范要求Ⅰ，Ⅱ级再生粗集料的表观密度必须要大于2400kg/m3。就该规范来看，再生粗集料的表观密度能够满足规范要求。

2.2 吸水率

相比天然粗集料，再生粗集料的吸水性能更好，主要原因是因为水泥砂浆的存在导致孔隙率增大，而且在废弃混凝土破筛的过程中，再生粗集料表面砂浆内部会产生很多的微裂缝，这些都导致再生粗集料吸水性能的上升。由于表观密度也与附着水泥砂浆的量有关，因此，再生粗集料吸水性能随着表观密度的增加而减少。同时，再生粗集料的吸水率还与粒径有关，粒径越小，再生粗集料中的水泥砂浆含量越高，吸水率就越大。根据国内的各项研究，再生粗集料的吸水率为2.5%～12%；国外报道的再生粗集料的吸水率在5%左右[1]。《JGJT 240-2011再生骨料应用技术规程》规定再生粗集料的吸水率必须少于10%，因为吸水率过高会使得用水需求增加，水量不够的话会导致耐久性以及和易性下降，而水量充足则会因此高水灰比导致未来的强度降低。从以上数据来看，再生粗集料的吸水率也能够满足规范要求。

2.3 压碎指标

压碎指标，即压碎值，表示集料的抗压碎能力，是一项基本性能指标。由于表面附着的大量水泥砂浆，这些水泥砂浆的抗压碎能力较强，因此再生粗集料的压碎指标较天然粗集料高。与密度和吸水率类似，母体混凝土也是影响再生集料压碎指标的一个重要因素。再生粗集料的压碎指标不但随母体混凝土的强度的提高而提高，同时破碎方法也在一定程度上影响着在再生粗集料的压碎指标，相比鄂式破碎，反击式破碎的压碎值更小，这主要是因为反击式破碎产生的针片状颗粒更少，同时减少了再生粗集料表面附着水泥砂浆的量，从而影响压碎指标。孙跃东等人[1]给出的再生粗集料压碎指标均处于10%～20%之间，根据《GB/T14658-2011建设用碎石、卵石》，为Ⅱ类骨料，可以满足部分公路工程的基本要求。

3 再生粗集料的预处理

相比天然粗集料，再生粗集料的具有表观密度和堆积密度较小、吸水率较大、压碎指标较高的特点，相比天然粗集料，性能方面有所欠缺，虽然在应用于道路基层和建筑的次要结构时可以满足要求，但如果应用于高等级道路的面层或者建筑的主要结构时，可能会出现性能无法满足要求的情况，此时就要对再生粗集料进行预处理，以提高再生粗集料的基本性能。常用的预处理方式有三种，分别为化学处理，物理处理以及湿处理。

3.1 化学处理

化学处理就是使用化学浆液对再生粗集料处理，流程通常是浸渍、淋洗、干燥等。化学处理的主要目的是填充由于再生粗集料表面附着的水泥砂浆产生的孔隙及内部的裂缝。化学浆液有三种生效情况，一种是化学浆液本身直接填充，第二种是与再生粗集料中的某些成分发生化学反应，反应生成物来填充，第三种则是把化学浆液作为粘合剂。通常使用的化学浆液有以下几种：聚合物(PVA溶液)、高能效抗渗防水剂、纯水泥浆、水泥外掺粉煤灰。但是，多方的研究结果表明，化学处理对再生粗集料的性能影响不明显。范小平等[3]的研究表明，用化学浆液对再生粗集料进行预处理可以显著降低再生粗集料的压碎指标，但对制备而成的再生混凝土的力学性能影响不明显；程海丽等[3-6]的研究表明，采用不同浓度的水玻璃溶液对再生粗集料进行预处理后，使用处理过的再生粗集料制备的再生混凝土的早期强度有所上升，但是会使得最终强度下降。

3.2 物理处理

物理处理就是利用外加荷载，使得再生粗集料自身或者与外界进行摩擦，以磨去再生粗集料表面存在的水泥砂浆，从而提高再生粗集料的性能，从工程实际应用角度来看，这是消除再生粗集料表面水泥砂浆、提升其性能的一种可行办法。目前，物理处理方法主要有以下三种。

(1)机械研磨法

机械研磨法，就是采用机械对再生粗集料进行研磨，主要是指在再生混凝土制备的过程中，在转筒搅拌机首先加入再生粗集料，并干拌1～2min，随后再加入其它的原材料。美国的工程实践证明，这一方法是行之有效的，同时，这种方法成本较低，耗能也相对较少，因此这是值得进行大力推广的再生粗集料预处理方法。

(2)选择性加热和研磨法

该方法使用微波辐射，有选择性的对再生粗集料和表面水泥砂浆的交界面进行辐射加热，使受到辐射的交界面变得脆弱，更容易剥落水泥砂浆；在加热完毕之后，使用立式研磨机对再生粗集料进行研磨，除去表面存在的水泥砂浆，从而得到性能较好的再生粗集料。该方法虽然处理效果好，但是由于需要加热，因此能耗较高，成本也较高，工程实际应用较为困难。

(3)空气加热研磨法

空气加热研磨法要求把混凝土破碎成直径50mm的块状，然后置于垂直的炉中，从炉子底部吹出高温空气，对再生粗集料进行加热，使得附着处变得脆弱；然后使用管式研磨机对再生粗集料进行研磨，从而使表面存在的水泥砂浆更容易清楚。大部分情况下空气温度约为300℃。该方法加热更为彻底，因此加工后的再生粗集料性能更好，甚至可以达到天然粗集料的水平，但是同样由于需要加热，能耗较高，很难大规模使用。

3.3 湿处理

湿处理法，即是对再生粗集料用清水进行浸泡、冲洗，然后分离其中的杂质，从而提高其性能。

研究表明[6]，在制备再生混凝土之前，先用水对再生粗集料进行浸泡冲洗，不但能够提高所制备再生混凝土的工作性，而且还能提高再生混凝土的力学性能。相对其他预处理方法，湿处理法操作方便，能耗需求也不高，唯一存在的问题就是进行湿处理后留下的废水的处理问题，从实用性角度来看，湿处理法在实际工程使用中更具有可行性。