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再生混凝土骨料强化探究

再生混凝土骨料强化探究

摘要:再生混凝土骨料(RCA)的性能直接影响着再生混凝土(RAC)的性能。针对再生混凝土力学性能和耐久性能低等问题,从再生混凝土骨料净化和预处理方面出发,分析研究了近年来再生混凝土骨料(RCA)物理强化方法。最后提出再生混凝土骨料强化方法在今后研究和应用中的若干意见。

关键词:再生混凝土骨料,强化方法,再生混凝土,耐久性能,力学性能

0引言

再生骨料混凝土(RecycleAggregateConcrete,以下简称再生混凝土)指的是复杂条件下将废弃混凝土通过破碎、清洗、筛分、分级后用以部分代替或者全部代替天然混凝土骨料(主要是粗骨料)制备而成的混凝土,由于其不仅可以解决废弃建(构)筑拆除产生的环境问题,还可以取代部分天然石材,解决天然骨料日益匮乏的压力;是建筑垃圾资源化利用的重大举措,获得了学术界和工程界的高度重视。然而,再生混凝土骨料(RecycleConcreteAggregate,以下简称再生骨料)存在孔隙率大、吸水率大、质量离散性大等特点,相比于天然骨料,再生骨料上附着有老砂浆,自带“旧粗骨料—老砂浆”的界面过渡区。20世纪90年代,OL-LIVIER等[1]就证实了相同条件下水泥基材料的薄弱环节就是界面过渡区,导致再生混凝土性能劣化的本质就是在界面过渡区。因此要想解决再生混凝土力学性能和耐久性能的问题,再生骨料品质的提高是十分必要的[2]。近年来国内外一些专家学者在强化再生骨料方面进行了一系列基础性研究,主要分为物理净化方法和化学强化方法。物理强化方法主要包括机械强化[3]、加热研磨[4]、湿处理强化法[5]、二次搅拌强化法[6]等;这些方法主要采用去除附着砂浆,将骨料净化进而提高再生混凝土性能。化学强化方法主要包括水玻璃强化法[7,8]、纳米材料强化法[9,10]、二氧化碳强化法[11-13]、聚乙烯醇强化法[14]等;这些方法通过强化再生骨料界面过渡区来改善再生混凝土骨料各方面性能。本文主要是对再生骨料物理强化方法进行综述分析,并在最后对强化再生骨料技术开发需要进一步的研究提出了相应建议。

1机械强化法

机械研磨强化法主要是利用机械研磨和再生混凝土骨料间相互撞击达到去除粘附在骨料上的水泥浆体,以此达到改善颗粒形貌的目的。日本早些年主要采用立式偏心研磨装置、卧式回转研磨法、磨内研磨法等。何德湛[15]在这三种方法基础上实验对比发现,经立式偏心研磨装置处理的再生混凝土骨料回收率更高,达到了日本在再生混凝土骨料性能方面的标准。但这些方法普遍存在设备庞大、动力消耗大、设备磨损程度大等明显缺点,寻找更加合适的强化方法越来越迫切。一些专家学者在机械强化法上不断改良,李秋义等[16]开发出颗粒整形法。通过再生混凝土骨料相互撞击和摩擦来去除附着在骨料表面的旧水泥砂浆,且只存在物料间的相互作用,无杂质的掺入,降低了机械设备磨损,能得到品质较高的再生混凝土骨料,随着颗粒整形次数的增多再生混凝土的抗碳化性能在不断加强[17]。孙犁等[18]将第一次磨碎后的再生粗骨料再进行二次研磨和破碎后,发现强化后再生骨料基本还原了原有天然碎石粗骨料的特性,但会产生较多微粉造成二次污染。DIMITRIOU等[19]利用混凝土搅拌机来去除较小的颗粒以及附着砂浆并筛分。经强化处理后的骨料颗粒形貌圆润,且方法相对于其他机械强化方法更加简便,对再生混凝土骨料的吸水率、弹性模量都有积极影响。综上所述,机械强化方法是最为简单也是应用最广的一种方法,但也存在着能耗大、机械磨损、二次污染等明显缺点。近年来,一些专家学者逐渐将目光投向机械结合其他强化方法方面[20,21],索伦等[21]通过5%的盐酸浸泡再生骨料后再采用机械强化法去除松动的水泥块,最后用1%的EVA浸泡,可以达到比较好的强化效果。实验表明:机械能耗小,所制备的再生混凝土和易性也有改善。单纯依靠机械研磨来强化再生骨料效果和收益并不理想,未来将机械强化法与其他强化方法相结合是一条不错的路径。

2加热研磨强化法

加热研磨强化法是将废弃混凝土在初步破碎后,经300℃~400℃加热处理,在机械力的作用下去除旧水泥砂浆,达到物理强化再生骨料的目的。由于废弃混凝土颗粒是一种多相非均质材料且硬化水泥砂浆和旧粗骨料的热膨胀系数不同[22],可以通过加热使得再生粗骨料表面附着的旧水泥砂浆脆化,然后采用机械对其进行研磨,从而使得再生骨料的性能与天然骨料十分接近,并可以制备出性能良好的再生混凝土。加热温度、研磨时间对废弃混凝土的破碎和再生粗骨料质量影响较大。隋玉武等[23]发现当加热温度从20℃提高到600℃后,生成的再生粗骨料中水泥石的含量从原先的70%降低到10%,表观密度增加了5.4%。且当研磨时间从5min提高到25min,粗再生骨料中水泥石含量从30%下降到10%。表观密度提高了12.6%。水中和等[22]通过研究热与机械力作用下再生混凝土骨料结构和性能方面的变化,发现再生混凝土骨料的吸水率得到降低与天然骨料的吸水率十分接近。值得注意的是,采用高温对再生粗骨料会造成一定损伤。AKBARNEZHAD等[24]对再生骨料进行高功率微波加热后发现,过高的温度会导致骨料本身的高温损伤。SA-LAU等[25]研究了再生混凝土高温损伤性能发现,当再生骨料暴露于100℃~200℃的时候,其抗压强度略微降低,当温度处于200℃~400℃的时候,再生骨料的强度增强,但当温度大于600℃时,强度降低明显。肖建庄等[26]采用低功率微波加热法,利用微波对骨料进行瞬间加热,使得骨料表面温度达到300℃而内部温度很低,形成内外温差。外部旧砂浆由于高温作用强度下降,和内部天然骨料又形成很高的温度应力,从而导致外部砂浆的脱落。实验结果证明:微波加热后的再生骨料混凝土强度接近于天然混凝土,具有较好的物理力学性能,具有一定的实践意义。综合考虑能耗、骨料质量等因素,建议采用低温处理(约450℃),通过提高研磨强度和时间来提高再生骨料质量。综上所述,加热研磨强化法对再生混凝土骨料具有一定的效果,能够提高再生混凝土骨料表观密度,降低压碎指标和吸水率,但该方法在强化过程中,需要消耗大量的能量,从经济角度来说并不实用。近年来一些学者也在研究骨料高温损伤以及能耗的相关问题,苏燕等[27]发现低温加热后再用振动的方式去除砂浆,在考虑强化效果的同时降低能耗。未来需要对适宜的加热温度和研磨力度进行一定探究,当再生骨料离散性大时,该强化方法的适宜条件可能不同。

3湿处理强化法

湿处理强化法是欧美国家近年来采用的强化方法,该方法利用水对再生混凝土骨料进行预处理,分离、去除再生混凝土骨料中的泥屑、有机物碎砖杂质等,以此获得品质较好的骨料。这种方法处理比较简单,且不容易造成机械研磨过程中产生的大量微粉,同时对增强界面粘结力有一定的成效。湿处理对再生骨料吸水率具有一定效果,JUNGMANN等[28]在筛分之前对简单破碎的再生混凝土骨料进行冲洗,得到去除杂质后的骨料,骨料吸水率有较好的提升。王玲玲等[29]在拌制再生混凝土之前对再生混凝土骨料进行简单的预湿处理,发现该方法对再生混凝土耐水性、吸水率、28d抗压强度等有积极作用,对再生混凝土表观密度则影响不大。湿处理强化方法对再生混凝土骨料的强化具有一定的局限性。KATZ等[30]利用超声波水洗技术清洗再生骨料研究发现,对于基体较弱的再生混凝土骨料可以去除再生混凝土骨料表面松散的颗粒,增强再生混凝土骨料与新水泥浆体的粘结力。但仅仅采用水冲洗其强化效果是十分有限的,对低等级的水泥基体会产生较多的细微颗粒且多次的水洗反而会增加工艺难度,浪费大量水资源。郭耀东等[31]研究了再生混凝土预湿处理用水量对再生混凝土抗压强度的影响,发现湿处理量对再生混凝土的抗压强度随着再生骨料取代率不同而不同,当再生骨料取代率为30%,50%时,在同一取代率下其抗压强度随着再生混凝土的预湿量增加而增加,当再生混凝土取代率为70%,100%时,在同一取代率下其抗压强度随着再生混凝土的预湿量的增加而提高。综上所述,采用湿处理方法对再生混凝土骨料具有改善效果且工艺简单、能耗小,郑欣[32]通过对比预湿法、净浆裹石工艺、掺硅灰的净浆裹石工艺对再生混凝土基本力学性能的影响,表明湿处理强化法仅次于掺硅灰的净浆裹石工艺,可以看出湿处理强化对再生混凝土基本性能是有一定积极影响的,因此将湿处理方法作为强化方法的一道工序不失为一种方法。

4二次搅拌强化法

合理的搅拌工艺不仅能够强化界面过渡区性能,还能对再生混凝土骨料自身性能进行改善。二次搅拌强化法是考虑了混凝土组分中各个物料相互混合的基础上,利用物料投放量、搅拌的次序来改良混凝土内部结构。二次搅拌的工艺主要是能消除水泥颗粒黏聚抱团的现象,使得水泥水化充分,改善界面过渡区水灰比的情况,提高混凝土强度。搅拌次序对混凝土性能影响较大,王卫中等[33]对先拌水泥砂浆法、先拌水泥净浆法、水泥裹砂法、粗细骨料全造壳法等不同搅拌次序方法对混凝土搅拌质量的影响进行分析,研究表明,二次搅拌工艺较传统搅拌工艺能够提高混凝土的搅拌质量,可以改善界面过渡区的粘结强度。一些专家学者,将此强化方法应用到再生混凝土骨料中。赵悟等[34]通过不同的搅拌方法发现,验证了搅拌工艺对再生骨料混凝土的微观结构和力学性能改善作用,且当其他条件不变,路面再生粗集料掺量为75%、再生细集料掺量为30%、减水剂掺量为0.8%时,再生混凝土的综合性能最佳。RYU等[35]通过二次搅拌强化工艺制备再生混凝土表明,与传统搅拌工艺相比,相同条件下二次搅拌制备的再生混凝土抗压强度和抗拉强度得到了提高,界面过渡区的厚度降低了38%。二次搅拌对再生混凝土耐久性也有一定的积极效益,王玲玲等通过分析单独采用水泥裹石法二次搅拌强化工艺,当再生骨料掺量为20%可以提高再生混凝土的抗冻性和抗硫酸盐侵蚀性。一些学者还研究了三次搅拌工艺,三次搅拌强化法在二次搅拌法的基础之上增加了颗粒细度更小的矿物仓掺合料搅拌,能够进一步填充骨料的孔隙和界面过渡区,在再生混凝土耐久方面也具有一定的强化效果。综上所述,二次搅拌工艺与一次搅拌工艺相比,可以改善界面过渡区粘结和增加混凝土拌合物的流动性,进而提高再生混凝土性能。这种方法与其他方法相比更加的简便,具有一定的实用性。未来可以研究二次搅拌工艺对再生混凝土耐久性能方面的影响,进而完善该强化方法的强化效果和推广。

5结语

再生骨料孔隙率大、表面附着砂浆、吸水率大等缺点一直以来影响着废弃混凝土的回收利用,本文通过分析现有再生混凝土物理强化改性方法发现:1)再生混凝土相较于普通混凝土而言,由于骨料的不同导致其界面过渡区更为复杂,因此为了改善再生骨料混凝土的性能,就必须了解它的破坏机理,并以此找到不同的改性措施来强化再生混凝土骨料。2)现有资料表明:再生混凝土骨料的薄弱区在于界面过渡区,主要受混凝土组成材料和水灰比的影响,虽然体积小,但是对混凝土强度影响极大。因此强化界面过渡区是再生混凝土骨料强化技术的必由之路。3)对再生混凝土在工程中的应用,建立起有效的检测机制,从而掌握再生混凝土在各种环境作用、受力条件下的各项性能指标。以研究再生混凝土耐久性能方面与普通混凝土的差异,以此综合分析后,对再生混凝土骨料强化方法耐久性能方面做出近一步改善。4)再生混凝土应用时,不可缺少对其耐久性进行相关的研究,应同时考虑再生骨料强化方法对再生混凝土力学性能以及耐久性能的强化效果影响。

作者:刘晨 王涛 孟丽岩 李勐 侯明珠 郑欢 单位:黑龙江科技大学建筑工程学院