再生骨料混凝土性能改善方法研究现状

梁海尧

（中国水产科学研究院珠江水产研究所，广东 广州 511400）

0 引言

目前，混凝土结构被广泛运用于建筑、桥梁、大坝等建筑或构筑物中，但是混凝土的大量使用也给环境带来了巨大的冲击。混凝土的使用给环境带来的问题主要包括：资源枯竭、高能耗、产生大量温室气体和建筑废物。混凝土主要依赖天然砂、石、水泥和水等原料。随着城镇化建设的推进，拆迁产生的建筑垃圾占固体废物的很大一部分，并快速增长。数据表明，自2006年至2019年我国建筑垃圾总产量变化如图1所示［1］。回收和再利用建筑垃圾是促进可持续发展的一个重要途径，由于天然骨料日益缺乏，建筑垃圾中的再生骨料逐渐成为研究热点。

图1 我国2006—2019年产生的建筑垃圾总量

近年来，已有许多学者开展了再生骨料及其对混凝土性能影响的研究［2-4］。再生骨料上吸附了大量的旧砂浆，这些砂浆具有较大的孔隙率，导致再生骨料与天然骨料相比具有更大的吸水率。而再生骨料的密度和吸水率也主要取决于旧砂浆的水灰比和附着量。混凝土主要由水化的水泥浆体、骨料和界面过渡区组成。而界面过渡区通常是混凝土中最薄弱的部位，因其孔隙率和裂缝比较大。与天然骨料混凝土相比，再生骨料混凝土中具有更多的界面过渡区，包括旧砂浆和骨料之间的旧界面过渡区、旧砂浆和新砂浆之间的界面过渡区。因此，再生骨料混凝土与普通混凝土相比具有更低的强度。相关专业技术人员逐渐开发和研究了各种提高再生骨料混凝土性能的方法，主要有降低砂浆附着力和提高再生骨料性能两种方法。本研究主要对增强再生骨料的方法进行探讨。

1 再生骨料的处理

再生骨料的高吸水率是危害混凝土耐久性的主要因素，根本原因是再生骨料附着大量高孔隙率的旧砂浆，微裂纹多。增强表面砂浆的方法能有效地填充旧砂浆以及界面过渡区内的孔隙，降低孔隙率，从而降低再生骨料的吸水率；或在旧砂浆表面再覆上一层浸渍层，使再生骨料的表面变得致密，达到减少吸水率的目的，具体方法如下。

1.1 去除旧砂浆

机械研磨、酸性溶液预渍是去除再生骨料表面黏结砂浆的常用改良方法。传统的机械研磨是通过磨煤机高速运转偏心齿轮的滚动振动效应来实现的。再生骨料上的旧砂浆在振动作用下破碎脱落。通过改进偏心齿轮获得更高的转速从而达到提高砂浆的剥离效率和再生骨料的质量。机械研磨的原理如图2所示，原料通过颗粒整形设备的高速研磨和鼓风后，附着砂浆脱落。机械研磨由于工艺简单而被广泛运用，但是研磨过程中容易因碰撞和磨削引起微裂纹而对再生骨料的性能造成影响［5］。热研磨是在研磨前对骨料进行加热，去掉表面砂浆的水分，使砂浆更脆，更易于磨掉。采用破碎、研磨等方法可以将砂浆和骨料充分分离，改善骨料的形状。预浸酸是通过酸类溶液与表面砂浆反应，使其从骨料表面脱落的方法。但总体而言，上述去除表面旧砂浆的方法较为落后，体现在操作复杂，耗能高，处理量少，且容易造成骨料的次生缺陷，如微裂纹和酸碱腐蚀等，所以本研究不再赘述。

图2 机械研磨的原理图

微波加热处理方法作为一种辅助生产且优化再生骨料的手段，主要在骨料与砂浆之间产生热应力，导致旧砂浆与骨料的界面结合强度降低，再经简单的机械处理后使黏结砂浆分离，与高温、长时间的常规加热处理方法相比更环保、更高效。相比之下，常规加热方法的耗能高，并且长时间的高温处理可能会导致骨料性能下降。而微波加热处理能够与机械破碎工艺良好结合，经过这两种方法生产得到的再生骨料表面黏附砂浆量更少，并且对于粒径大于5 mm的骨料作用更为显著。再生骨料在微波加热作用下，骨料与砂浆界面过渡区内的原有的微裂缝开始扩大，随着加热时间和微波功率的增加，裂缝沿砂浆与骨料界面的方向扩展。另外，微波加热过程中旧砂浆内的Ca（OH）2也发生少量的转化，XRD分析表明，微波加热后碳酸钙的质量分数从7%增加到13%，是由于高温下旧砂浆内的Ca（OH）2与空气中的CO2反应造成的，也因此优化了旧砂浆内的孔隙结构，提高了再生骨料的性能。这种对再生骨料的改良也与微波处理的功率有关，低功率（2～3 kW）下骨料性能变化不大，无论是吸水率还是压碎强度均与处理前接近，并且掺入低功率微波处理的再生骨料制备的混凝土强度和弹性模量能够达到与天然骨料混凝土相当的水平，而与高功率微波改性的骨料制备的混凝土性能却有差距。因此，低功率微波辅助再生骨料的生产既可以有效提高骨料的性能，也可以达到节能减排的目的。

1.2 增强旧砂浆

用火山灰溶液对再生骨料处理后，石灰石粉、沉积的碳酸钙填充了旧砂浆内部的孔隙，可以增强附着在再生骨料表面的旧砂浆。一些处理材料也可在再生骨料表面形成防水涂层，主要目的是填充薄弱的区域，使再生骨料形成较强的界面过渡区。聚合物乳液具有黏结性能，能在短时间内固化，也常用于增强再生骨料表面的旧砂浆。聚乙烯醇乳液和硅烷基聚合物是一种防水材料，可用于降低多孔材料的吸水率。如果再生骨料浸入聚合物乳液中，聚合物分子可以填充所黏附的砂浆孔隙，并密封再生骨料表面，从而达到增强再生骨料界面过渡区的作用。鲍玖文等［6］用质量分数为8%的硅烷乳液浸渍不同取代率的再生骨料，结果表明，硅烷浸渍处理再生粗骨料的吸水率显著降低，由其制备的混凝土强度稍有下降；再生混凝土毛细累积吸水量明显减少，且抗氯盐侵蚀性能显著提高，其中骨料质量取代率为50%的再生混凝土浸渍处理后氯离子扩散系数降低了37.5%。聚乙烯醇浸渍还可以提高水泥浆体与骨料之间的结合度，并降低界面过渡区的水灰比。硅基拒水聚合物已被证明是一种有效的强化处理方法，其中包括硅烷、硅氧烷或两者结合。硅氧烷聚合物的粒径大于硅烷的粒径。因此，硅烷基聚合物比硅氧烷基聚合物更容易渗透到旧砂浆中。杜均泽［7］使用试验和数值仿真相结合的方法对硅烷改性再生骨料混凝土的透水性、力学和细观结构进行了系统的研究。结果表明，硅烷基聚合物可形成具有良好拒水能力的交联膜，显著降低再生骨料混凝土的吸水率，但是混凝土强度有所降低。一般情况下，聚合物处理可以提高再生混凝土的质量，提高再生骨料混凝土的工作性能和耐久性。但是，它们不能提高甚至会降低混凝土的抗压强度，其原因可能是由于正聚合物基团渗透到水泥浆体中，使其疏水，阻碍了水泥浆体中未水化水泥浆体的水化。同时，拒水膜的形成削弱了集料与水泥基体之间的结合强度。

再生骨料对混合料耐久性的负面影响也引起了人们的注意，可以通过掺入一定量的矿物掺合料（如粉煤灰和火山灰）来减轻这种影响。再生骨料加入火山灰的浆体，可填充黏质砂浆内的孔隙和空隙，然后与Ca（OH）₂反应生成C-S-H凝胶。研究发现，纳米SiO2可显著发挥填充再生骨料孔隙的作用。

生物碳酸钙沉积技术也可增强再生骨料的强度，如通过培养巴氏杆菌在其细胞壁表面沉积碳酸钙。这种菌株即便在极端条件下，如混凝土碱性环境中，也具有较大的碳酸钙沉淀潜力，并且没有致病性。这种菌株的沉积产物可提高环境pH值，从而加快碳酸钙沉淀速率。如图3所示，生物沉积可降低再生骨料的吸水率，且更适合性能差和骨料粒径分布小的再生骨料。

图3 生物沉积前后再生混凝土骨料的吸水率

碳化改性方法主要作用于再生骨料表面黏附的旧砂浆，增强其性能而非去除，相较于上述改性方法更为简便、节能。Ca（OH）₂和水化硅酸钙是再生骨料表面旧砂浆的主要水化产物。CO2可以进入旧砂浆的孔隙，并与这些反应产物发生反应（1）和反应（2）。

Ca（OH）₂和C-S-H的碳化作用使固体体积分别提高11.5%和23.1%。因此，碳化可以减少旧砂浆的孔隙率。Ca（OH）₂在混凝土中以固相和液相的形式存在。固体Ca（OH）₂主要存在于孔隙壁上，水化水泥浆体中的Ca（OH）₂不能完全反应，而且含量可观，因此碳化产生的碳酸钙可以在部分反应的Ca（OH）₂晶体周围形成致密的涂层，减少旧砂浆的孔隙率。C-S-H的碳化从脱钙开始，如夹层中的钙离子与孔隙中的碳酸盐离子反应，脱钙会导致Si-OH基团的形成，然后形成硅胶。此外，钙矾石和单硫酸盐水合物也可与CO2反应。程亚卓等［8］尝试采用碳化的方法提高再生骨料的性能。结果表明，碳化后再生骨料的吸水率和压碎指标均有所降低，碳化增强后再生骨料混凝土的90 d抗压强度显著提高。有碳酸钙生产的界面过渡区与无碳化增强相比也更加致密。高越青等［9］也开展了浓度为20%的CO2和自然环境压力下强化再生骨料的试验，结果表明，碳化作用显著降低了再生骨料的吸水率，而提高了抗氯离子渗透能力和抗压强度。碳化作用后再生骨料的物理性质如表1所示，碳化作用可增大再生骨料的表观密度，降低吸水率和压碎指标。

表1 碳化前后再生骨料的物理性质

另外，碳化改性方法也相对容易检验，由于反应使表面旧砂浆中的Ca（OH）2转化为CaCO3，所以表面酸碱度有所变化，通过酚酞溶解即可简单地判断旧砂浆是否被碳化。但是酚酞也仅是初步检验，仅能通过表面现象来判断表面砂浆是否被碳化，还需要通过热重试验以定量分析表面砂浆中的Ca（OH）2含量和CaCO3含量，或者通过XRD分析碳化后表面砂浆中的物相组成。而透过SEM分析能够直观地观察到碳化改性对黏附砂浆以及过渡区的改良，通过背散射电镜能更清晰地观察到碳化后骨料和砂浆界面中的孔隙和裂缝，突出碳化的填充效果。碳化环境是决定再生骨料碳化程度的关键因素，如CO2浓度、湿度、气压、温度以及碳化时间，碳化时的湿度和温度范围一般分别为60%～70%、（20±2）℃。再生骨料吸收CO2主要发生在碳化的前3 h，约吸收总量的75%，随着碳化的进行，再生细骨料的孔隙率逐渐降低，并且在电镜观察下的微观结构越发致密，所制备的混凝土的抗压强度也逐渐提高。但延长碳化时间却不能进一步降低收缩率。碳化气压的增大能略微提高再生骨料的密度、压碎强度和CO2吸收量。

1.3 处理方法对比

基于上述不同再生骨料增强方法的分析发现，去除旧砂浆和增强旧砂浆的处理方法均可在一定程度上改善再生骨料的力学性能。但是各种方法实施起来，其增强效果、经济性、耐久性、环境影响程度、实施难易度均存在一定差异，具体分析结果见表2。其中，机械研磨能耗较大，难以控制再生骨料质量，经济效益差。纳米SiO2浸泡法和生物碳酸钙沉积法增强效果显著，但是其经济效益差，加上技术上的限制难以大规模实施。CO2碳化处理法符合绿色减排的国家发展战略，增强效果、经济性、耐久均良好，但是难以实现大规模批量处理。其中，酸溶液预渍和微波加热处理法综合效果最佳，易于实现大规模处理，推荐在工程中运用。

2 结语

本研究对如何提升再生骨料及其混凝土性能的方法进行了详细的分析和总结。其中，提高再生骨料性能的两个主要途径是去除再生骨料表面的旧砂浆和增强再生骨料表面的旧砂浆。分析结果表明，处理后的再生骨料力学性能都有不同程度的提升。然后从增强效果、经济效益、耐久性、环境影响、实施难易程度对各种处理方法进行了综合评估，其中酸溶液预渍和微波加热处理法综合效果较好。