建筑垃圾再生骨料改性技術研究

袁樸，陳國慶，楊延玉

（1.常熟市梅李鎮(zhèn)建設局，江蘇 蘇州 215000；2.江蘇建研建設工程質量安全鑒定有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

城市化建設如火如荼， 混凝土的消耗日益增大，而配制混凝土所適用的骨料越來越難開采。 在此背景下，將廢棄的混凝土再次利用，通過破碎、篩選、分級、清洗等工藝制備再生骨料，能處理大量的建筑垃圾，降低廢棄物的污染與空間浪費，減緩建材需求逐年上漲的壓力。

再生骨料在生產過程中由于工藝不夠成熟，難以將骨料還原到最初始的狀態(tài)， 與天然骨料相比有較多的缺陷，如孔隙率高、強度低等。 相對于常規(guī)的天然骨料，再生骨料各項指標均較低。 再生骨料如不經過處理直接使用， 所配制的混凝土會存在較多的內部缺陷， 而對于再生骨料進行改性研究，可有效改善再生骨料的缺陷，使其大范圍推廣利用存在較高的可行性。

1 再生混凝土改性研究現狀

1.1 物理改性法

物理改性法， 主要通過再破碎等方式去除再生骨料表面附著的水泥漿， 增加其表面粗糙度，使骨料在混凝土中有足夠的咬合力，從而彌補再生骨料的內部缺陷。

1.2 纖維改性法

纖維改性法，主要為在再生混凝土摻入比例合適的混凝土專用纖維，通過纖維的各向異性與卓越的抗拉性能使混凝土中骨料能夠被束縛成一個整體， 通過纖維的拉結來減緩微裂縫的擴散與蔓延，宏觀上體現為抗裂性提高。

1.3 摻加活性物質

摻入粉煤灰、硅灰等高活性摻合料，可與混凝土中Ca(OH)2進一步反應，生成致密的C-S-H 凝膠，加強再生混凝土的咬合作用，改善混凝土中最為薄弱的過渡區(qū)； 同時礦粉等摻合料粒徑細微，可填充骨料表面的空隙，解決再生骨料孔隙率高的問題。

2 改性再生混凝土配比優(yōu)選

2.1 原材料與儀器

所用材料主要有P·O 42.5 水泥、Ⅱ區(qū)中砂、天然碎石、 再生粗骨細料， 以及Ⅱ級F 類粉煤灰、12 mm的短纖維、聚羧酸減水劑、?；郀t礦渣。

所用儀器主要有含氣量測定儀、 混凝土攪拌機、萬能試驗機、混凝土抗?jié)B儀、混凝土抗凍儀、千分表。

2.2 混凝土配制

混凝土配制如表1 所示。

表1 混凝土配制

共配制7 組再生混凝土進行配合比優(yōu)選試驗，其中RC 為再生骨料取代率100%的C30 混凝土，以此為基準混凝土分別進行6 組改性混凝土配制。

2.3 改性再生混凝土配比優(yōu)選

通過混凝土28 d 抗壓強度試驗與28 d 劈裂抗拉強度試驗對比7 組混凝土的性能， 結果如圖1、2 所示。

圖1 混凝土28 d 抗壓強度

圖2 混凝土28 d 劈裂抗拉強度

相較基準混凝土，RC+F、RC+S、RC+F+P、RC+S+P、RC+F+S+P 的抗壓強度分別提高1.29%、2.59%、0.65%、2.91%、4.53%，而RC+P 的抗壓強度降低了7.12%。相較基準混凝土，RC+F、RC+S、RC+P、RC+F+P、RC+S+P、RC+F+S+P 的劈裂抗拉強度分別提高4.65%、3.10%、18.60%、20.16%、21.71%、25.58%。

粉煤灰可與混凝土中未完全水化的Ca（OH）2發(fā)生反應，使其進一步水化，生成規(guī)則的C-S-H 凝膠，將再生骨料進行膠連，同時填補再生骨料表面的孔隙，降低其吸水性。玻璃微珠的填充效應，可修復再生骨料表面缺陷，通過填充效應優(yōu)化混凝土中膠凝材料的級配，使其更為致密，抵御更惡劣的環(huán)境。

礦渣微粉可與游離的Ca（OH）2繼續(xù)反應，將再生混凝土中不利的Ca （0H）2轉化為有利的C-S-H凝膠，填充再生骨料中的缺陷，改善混凝土中薄弱的過渡區(qū)， 體現為再生混凝土微觀上晶體尺寸更小、數量更多，使混凝土更為致密，力學性能與耐久性能提升明顯。 同時，礦渣細微顆粒的填充效應使混凝土的膠凝材料以更致密的方式排列，提高混凝土的保水性，使混凝土在相同用水量的情況下具備更好的流動性。

粉煤灰、礦渣同為工業(yè)廢料，以往都需要耗費人力物力去處理，而應用于混凝土配制可以使用資源再利用，降低混凝土成本的同時，又能提高混凝土的各項性能，兼具社會效益與經濟效益。

混凝土的抗壓性能優(yōu)良，但其抗彎方面有所欠缺，在混凝土水化早期易受到干縮引起的應力作用導致開裂，而摻入高延性的聚丙烯短纖維，使混凝土承重彎矩能力提高。均勻無規(guī)律散布于混凝土中的聚丙烯纖維， 可抑制混凝土早期干縮引起的開裂，降低微裂縫出現的概率，提高混凝土的受拉彈性模量和混凝土的抗彎抗拉能力。 綜合考慮，選擇RC+F+S+P 為最優(yōu)配方。

3 再生混凝土性能對比

為驗證試驗所優(yōu)選的配方是否有效，配制強度等級C30 普通混凝土（簡稱OC）、再生混凝土（簡稱RC）、高性能再生混凝土（簡稱HPRC）進行對比試驗。

3.1 拌合物性能對比

3.1.1 混凝土泌水率對比

混凝土在運輸、泵送過程中容易出現粗骨料下沉、水分上浮的現象?；炷恋拿谒：^大，其中包括增加混凝土中的內部缺陷，影響混凝土的致密性、 骨料的界面強度以及混凝土與鋼筋間的握裹力，從而影響混凝土的力學性能與耐久性能。 經試驗，3 組混凝土泌水率對比結果如圖3 所示。

圖3 混凝土泌水率對比

相比普通混凝土與再生混凝土，高性能再生混凝土泌水率降低明顯。 這是因為摻加粉煤灰與礦渣，其火山灰效應與填充效應可以大大提高混凝土的保水性能，提高混凝土的流動性，較少混凝土在運輸過程中的塌落度損失，降低混凝土現場澆筑的施工難度，提高混凝土澆筑質量，降低蜂窩麻面出現的可能性。

3.1.2 混凝土含氣量對比

混凝土含氣量是指單位體積中空氣的體積百分比。 混凝土在拌和時會引入一些氣體，從而形成空隙，同時外加劑的反應也會生成氣體。 均勻分布的細微氣泡可以提高混凝土的抗凍性、 抗鹽堿性，且對強度的影響極其微小。 經試驗，混凝土含氣量對比結果如圖4 所示。

圖4 混凝土含氣量對比

相比普通混凝土與再生混凝土，高性能再生混凝土含氣量明顯提高。 這是因為摻入粉煤灰與礦渣，使混凝土內部產生大量均勻的細微氣泡，含氣量略微提高。 同時大量的氣泡阻隔了水的滲透，對于混凝土的抗?jié)B與抗凍都具有有利作用。氣泡的加入還能提高混凝土的拌合物性能，使其適于泵送。

3.2 力學性能對比

3.2.1 混凝土軸心抗壓強度對比

混凝土軸心抗壓試驗所用試件為棱柱體，因此更能反應混凝土在實際應用中的狀態(tài)。軸心抗壓強度越高，代表混凝土軸心受壓構件抵御破壞的能力越強。 經試驗，混凝土軸心抗壓強度對比結果如圖5 所示。

圖5 混凝土軸心抗壓強度對比

相比普通混凝土與再生混凝土，高性能再生混凝土軸心抗壓強度明顯提高。這是因為粉煤灰與礦渣的摻入，火山灰效應促進水泥進一步水化生成更多的C-S-H 凝膠，使集料界面區(qū)的Ca（0H）2晶粒變小，改善了混凝土微觀結構，降低了水泥漿體的孔隙率，降低了混凝土缺陷出現的概率，使建筑結構安全得到更大的提高。

3.2.2 混凝土靜力受壓彈性模量對比

彈性模量為物體在承受外力的情況下該方向應力與應變的比值。彈性模量反映物體抵抗外力變形的性能。 混凝土彈性模量高，意味著抗變形能力強， 但過高的彈性模量會使其與鋼筋變形不一致。經試驗，混凝土靜力受壓彈性模量對比結果如圖6所示。

圖6 混凝土靜力受壓彈性模量對比

相比普通混凝土與再生混凝土，高性能再生混凝土靜力受壓彈性模量明顯提高。這是因為混凝土靜力受壓彈性模量與軸心抗壓強度存在正相關關系，靜力受壓彈性模量的提高在大多數情況下有益處，可以提高混凝土的抗變形能力，提高混凝土建筑的穩(wěn)定性。

3.3 耐久性能對比

3.3.1 混凝土抗?jié)B性能對比

抗?jié)B性能為混凝土抵抗水等流體由于在壓力作用下滲透的能力。 壓力越大，流體的滲透能力越強。 混凝土的抗?jié)B性能亦對其抗碳化、抗氯離子滲透等性能有較大影響， 混凝土抗?jié)B等級是混凝土28 d 試件能抵御水滲透的的最大壓力，等級越高，能承受的水壓越大。

相比普通混凝土與再生混凝土，高性能再生混凝土抗?jié)B性能明顯提高。 再生骨料界面區(qū)薄弱，氣泡無法封閉，導致其在較高水壓下，易被水滲透。但經過改性之后， 由于礦物摻合料中微粒的填充作用，可修復骨料表面缺陷，使界面區(qū)得到強化，難以被水滲透。同時聚丙烯纖維將混凝土束縛成一個整體，提高了混凝土在高水壓下的穩(wěn)定性，因此抗?jié)B等級大大加強。

3.3.2 混凝土抗凍性能對比

混凝土的抗凍性是指材料在含水狀態(tài)下能經受多次凍融循環(huán)作用而不破壞，強度也不顯著降低的性質?；炷猎趦鋈谘h(huán)下內部水分反復結冰膨脹，混凝土內部產生大量微裂縫，導致其強度與彈性模量衰減。

相比普通混凝土與再生混凝土，高性能再生混凝土經受凍融的能力更為卓越。 在50 次凍融循環(huán)后，普通混凝土和再生混凝土的質量和抗壓強度衰減明顯。 與普通混凝土相比，高性能再生混凝土質量損失率與抗壓強度損失率分別降低35.6%、31.4%。 與再生混凝土相比，高性能再生混凝土質量損失率與抗壓強度損失率分別降低42.4%、35.6%。

普通再生混凝土由于再生骨料內部缺陷較多等問題，在多次凍融循環(huán)后，質量與抗壓強度衰減嚴重，不適應于北方低溫地區(qū)。 而經過改性的高性能再生混凝土由于摻加粉煤灰與礦渣，引入了大量互不相通的氣泡， 使水分難以進入混凝土內部，同時氣孔的存在可以緩沖水結冰產生的壓力，減少由于結冰膨脹引起內部微觀上的崩壞。

4 發(fā)展與展望

城市建設產生的建筑垃圾逐年增多，同時優(yōu)質骨料的開采越來越困難，利用建筑垃圾、破碎成再生骨料是一舉兩得的好方案。利用超高性能破碎機處理建筑垃圾，生產再生骨料，再利用各種改性技術， 生產能應用于各種場景下的高性能混凝土，既能解決建筑垃圾的處理問題，又能為建設工程提供源源不斷的材料，從而降低建設成本。