《水利水电技术（中英文）》官网网址https://sjwj.cbpt.cnki.net

摘 要：

【目的】针对再生骨料砂浆粘结界面薄弱/吸水率高等问题，采用有机以及有机与无机复合的内密实外裹浆的方法进行改性。【方法】通过对再生骨料的压碎指标、吸水率、表观密度等性能指标的测试，分析改性前后再生骨料的性能变化，最后探究不同改性方式对再生混凝土力学性能和渗透性能的影响规律及其机理。【结果】结果表明，有机钠盐可以与孔隙中的钙离子反应生成凝胶填充再生骨料的孔隙结构，使得骨料的吸水率降低12.79%,进而提高了混凝土的抗渗透性能，电通量降低37.69%,并且钙离子的加入进一步增强了有机钠盐的改性效果。【结论】浸泡-裹浆复合处理在骨料表面形成核壳层，进一步提高混凝土抗渗透性能，电通量降低至1 283 C,弥补了有机钠盐“单一强化”无法提升力学强度的不足，表现出最高的力学性能。

关键词：

再生骨料;力学强度;水吸附;渗透性能;

作者简介：

王炳监(1988—),男，讲师，硕士，主要从事结构工程及土木工程材料研究。

*胥民尧(1981—),男，副教授，硕士，主要从事桥梁结构设计与土木工程材料研究。

基金：

江苏省高等学校自然科学研究项目(20KJB560007);

安徽省先进建筑材料工程实验室开放课题(JZCL006KF);

引用：

王炳监, 胥民尧, 沈俊宇, 等. 改性再生粗骨料对混凝土力学性能和渗透性能的影响[ J] . 水利水电技术(中英文), 2023, 54 (1): 199- 206.

WANG Bingjian, XU Minyao, SHEN Junyu, et al. Influence of the reconstruction of recycled coarse aggregate on mechanical performance and permeability of concrete[J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2023, 54(1): 199- 206.

0 引 言

随着建筑行业的高速发展，混凝土砂石原材料的消耗与日俱增。同时建筑物的拆建改造产生了大量的建筑垃圾，给生态环境带来严重的负荷。在绿色可持续发展战略的大布局下，资源消耗和环境效益是评价建筑行业可持续发展的关键指标，因此建筑垃圾资源化利用成为了建筑行业发展的必然趋势。研究表明，表面粘附砂浆导致再生骨料存在高吸水率、高压碎指标等特征缺陷。因此，对再生骨料采用合适的预处理强化技术可以产生明显的技术效益以及经济价值。目前，再生骨料强化改性处理方式主要有两个方面,一是通过技术手段将再生骨料的缺陷剥离，即去除再生骨料表面附着砂浆，二是通过强化手段修复再生骨料的缺陷，即增强再生骨料表面附着砂浆的性能。酸预浸泡、热处理、机械研磨和微波处理是去除再生粗骨料中附着砂浆的常用方法，这些方法已被证明能够最小化(甚至完全)去除再生骨料表面的附着砂浆。酸预浸泡处理主要是采用磷酸、盐酸、硫酸等酸性溶液与再生骨料表面的水泥石发生腐蚀反应，从而达到快速去除再生骨料表面附着砂浆的效果。热处理和微波处理则主要是利用再生骨料不同矿物相之间热膨胀系数差异，使原生骨料与附着砂浆界面受到热应力，从而达到分离作用。另外对于增强附着砂浆性能一般是采用微生物矿化处理、碳化处理、聚合物浸渍和火山灰浆处理等方式，主要用于改善附着砂浆的孔隙结构或通过化学反应强化薄弱区域从而增强再生骨料性能。不同的强化处理方式其改性机理不尽相同，微生物矿化处理主要是嗜碱微生物在再生骨料孔隙结构内部进行矿化反应生成碳酸钙、方解石等沉淀晶体填充孔隙，其效率在很大程度上依赖于细菌在具有足够钙源或者负电位ζ的细胞表面形成CaCO3的能力,而碳化处理是CO2与水泥水化产物通过一系列物理化学反应被碳酸化生成固体CaCO3,可填充或堵塞孔隙，并在表面起到封闭膜的作用。而聚合物(主要是有机硅烷、聚乙烯醇等)浸渍是通过在再生骨料内部或表面形成疏水涂层来降低其吸水性的有效方法。此外火山灰浆处理主要是一些高活性矿物掺合料(如硅灰、粉煤灰和矿渣等)与附着砂浆中的氢氧化钙发生二次火山灰效应，生成的硅酸钙凝胶填充密实了砂浆的空隙及孔隙，并在再生骨料表面形成致密包裹层。

不同再生骨料的强化处理工艺会出现不同的效果，但仍存在自己的不足。这些去除附着砂浆的处理手段在剥离附着砂浆的同时不可避免地对再生骨料中原生骨料造成一定的损伤或二次污染。酸处理会腐蚀骨料的碳酸钙成分并引入了大量Cl-、SO42-等阴离子，不利于再生混凝土的耐久性能。机械处理由于剧烈碰撞和摩擦会在原生骨料内部形成微裂纹。热处理由于在不同温度发生不同的物质分解、相变，温度过低时无法彻底分离附着砂浆，而温度过高时再生骨料改性效果可能会出现负增长。此外，微生物矿化处理和碳化处理一般反应较为缓慢，需要较长的时间，并且对于反应环境和设备要求较高、成本较大。而聚合物处理则可能需要考虑到聚合物与混凝土之间的兼容性问题，新砂浆与再生骨料之间的双层膜可能会影响砂浆与骨料之间的附着力问题。因此，基于目前再生骨料的改性方式相对复杂或者多采用“单一强化”,导致再生骨料难以实现大规模商业应用，阻碍了建筑固体废弃物可持续发展。本文拟从强化再生粗骨料性质方面入手，采用新材料有机钠盐对再生粗骨料进行浸泡强化处理，有机钠盐主要与再生粗骨料粘附砂浆的孔隙或裂缝中的水泥水化产物发生反应，生成不可逆凝胶，弥补了再生粗骨料的内部缺陷，从而提高再生粗骨料性能。并在此基础上提出先深层浸渍表面包裹的复合强化方案对再生粗骨料进行处理，从而进一步提升再生粗骨料的特性。最后应用强化处理后的再生粗骨料制备混凝土，探明不同再生粗骨料改性方式对混凝土力学性能和渗透性能的影响机理。

1 材料与试验

1.1 试验原材料

水泥采用P·O 42.5级硅酸盐水泥，产自海螺公司；粉煤灰(FA)产自河南远恒环保工程有限公司；硅灰(SF)产自厦门威林特有限公司；表1和表2分别为胶凝材料的化学成分和基本物理性能参数表。减水剂采用江苏苏博特新材料股份有限公司生产的聚羧酸高效减水剂；有机钠盐(SA)是一种含有多糖结构的线性高分子化合物，并且单元糖环上含有羧基和羟基等功能基团(分子结构见图1),产自中国国药集团；钢纤维采用长直钢纤维，产自江西省赣州大业厂，其表观密度为7 800 kg/m3,长度为13 mm, 直径为0.2 mm; 细骨料采用细度模数为2.63的II区天然河沙；天然骨料为市售碎石，骨料粒径为4.75～9.5 mm; 再生粗骨料采用市售商品再生骨料，骨料粒径为9.5～16.0 mm。

图1 单元糖分子结构

图2为不同骨料的XRD图谱，其中NA为天然骨料，RA-A为再生骨料的原生骨料部分，RA-M为再生骨料砂浆部分。由图2可见，天然骨料主要以石英和碳酸钙为主的石灰岩碎石，并且含有少量的白云石矿物相，因为在2θ=30.94°处存在微弱的MgCa(CO3)2衍射峰。另外由于水泥石的粘附导致再生骨料的原生骨料部分XRD图谱中出现了钙矾石的衍射峰。再生骨料砂浆部分的XRD图谱出现了碳酸钙的衍射峰主要是由于骨料破碎后的水泥水化产物氢氧化钙与空气中二氧化碳充分反应所致。

图2 不同骨料XRD图谱

1.2 再生粗骨料强化处理

表3为不同再生粗骨料的处理方式。将pH=9的NaOH溶液加热至(40±0.5) ℃,然后加入有机钠盐配制SA溶液(浓度为3 g/L),搅拌至完全溶解后冷却2 h。将再生粗骨料置于SA溶液中浸泡1 d, 处理后的再生粗骨料记为RA-1。将进行饱和Ca(OH)2浸泡1 d预处理的骨料置于(40±0.5) ℃烘箱中干燥12 h后重复与RA-1相同的步骤，记为RA-2。对照组RA-0进行相同温度的清水浸泡1 d处理。最后将砂浆统一均匀平摊于尼龙网片置于温度30 ℃、RH=40%的环境下干燥1 d。另外将处理完的RA-2进行裹浆处理记为RA-3,裹浆料配合比如表4所列。

1.3 混凝土配合比设计及制备

表5为强化再生粗骨料混凝土配合比，其中水灰比为0.3。再生骨料的界面粘结强度较差,为提高再生混凝土的抗拉强度，试验等体积掺入1%的钢纤维。根据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55—2011),每组分别成型尺寸为100 mm×100 mm×100 mm和⌀100 mm×50 mm的再生混凝土试块若干进行力学测试、水吸附测试以及氯离子渗透测试。制作过程为：将干料(水泥、粉煤灰、河砂)混合搅拌1 min, 将高效减水剂和水分成两份，分别倒入，每次搅拌1 min, 然后加入强化处理后的再生粗骨料进行搅拌2 min, 最后将钢纤维分散倒入搅拌1 min。搅拌完成后立即进行流动性能测试，并记录各组再生混凝土的坍落度。将浇筑完成的再生混凝土试块置于标准养护室养护1 d后拆模，并继续养护至相应龄期。

1.4 测试方法

1.4.1 骨料的吸水性能

将再生粗骨料用自来水将表面杂质冲洗干净后置于烘箱(温度为105 ℃±1 ℃)中烘至恒重备用。不同处理方式的再生骨料各取6 kg, 分成三份记录初始质量，然后置于尼龙袋中进行吸水试验，并在相应浸泡时间后进行称量，每次称量前需对再生骨料样品进行饱和面干处理。

1.4.2 力学强度测试

参照《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019),采用深圳三思纵横有限公司生产的YAW-2000电液式试验机进行混凝土的抗压试验和劈裂抗拉试验，加载速度分别为0.8 MPa·s-1和0.08 MPa·s-1。

1.4.3 混凝土界面的显微硬度

显微硬度测试设备为产自上海特视精密仪器有限公司THSV-1-800M-AXY型自动显微硬度仪，采用纵向单线的方式进行试验。样品处理为：通过精密切割机将养护至28 d的再生混凝土切成40 mm×40 mm×15 mm的薄片后进行抛光液抛光处理。

2 骨料性能分析

2.1 骨料的基本性能

表6为强化改性处理后再生骨料的基本物理性能，改性处理后的再生骨料物理性能出现了较为明显的改善。再生骨料由于附着砂浆的存在导致骨料的密度相对较小，与RA-0相比，RA-1的堆积密度、紧密堆积密度和表观密度均表现出不同程度地增长。而对于改性处理后的再生骨料组，与RA-1相比，RA-2仅有表观密度出现了较明显的涨幅，达到了1.14%。相比之下，RA-3各项密度均得到了明显的增加，增长超过了2.58%。再生骨料的含水率可以反映骨料的蓄水保水能力，改性处理后的再生骨料含水率显著提高，与RA-0相比涨幅超过了18.57%,其中RA-3增长达到了46.07%。另外对于压碎指标而言，RA-1和RA-2较RA-0变化不明显，但RA-3的压碎指标降低了14.77%,可能是由于裹浆材料改善了再生骨料的薄弱缺陷。

2.2 骨料的吸水性能

再生骨料的高吸水率主要是由于表面附着大量的多孔砂浆，因此骨料的吸水变化规律可以作为衡量再生骨料附着砂浆的孔隙结构的重要指标，从而表征改性处理再生骨料的性能差异。图3为不同再生骨料的吸水变化过程。总体上，再生骨料的吸水率随着浸泡时间的增加均逐渐增大，当达到毛细孔张力达到平衡时开始趋于平缓。在30 min前骨料的吸水变化最大，3 h后RA-0开始趋于平缓，而改性再生骨料组在6 h后才开始出现转折，之后也达到了饱和。24 h后再生骨料RA-1、RA-2和RA-3的吸水率较RA-0分别降低了12.79%、17.43%和28.23%。数据分析表明，SA凝胶可以填充砂浆的孔隙结构，降低再生骨料的吸水率，并且氢氧化钙的预处理可以有效提高SA凝胶的结合力。而裹浆处理在骨料的表面增加了一层致密的核壳结构，有效抑制了水分子的传输，显著降低了骨料的吸水率。

图3 不同再生骨料的吸水过程

3 改性处理后再生粗骨料的应用试验

3.1 坍落度

图4为再生骨料混凝土的坍落度试验结果。由图可知，未进行改性处理的RA-0的坍落度仅为65 mm。经过有机钠盐改性处理后再生混凝土的坍落度显著提高，涨幅超过了38.46%。对于改性再生混凝土而言，与RA-1相比，RA-2和RA-3的坍落度分别提高了22.22%和38.89%。试验结果表明再生骨料SA浸泡处理可以有效抑制再生骨料对新拌水泥浆体自由水的吸收，从而提高了混凝土的流动性，而裹浆处理在进一步阻断再生骨料水分吸收的同时相对较为光滑的核壳结构减小了混凝土物料间的摩擦力，坍落度提高了92.31%,表现出最佳的改善效果。

图4 不同再生骨料混凝土的坍落度

3.2 力学强度

根据相应规范将再生混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度测试值进行尺寸效应系数换算，不同龄期再生混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度试验结果分别如图5和图6所示。

图5 不同龄期再生混凝土的抗压强度

图6 不同龄期再生混凝土的劈裂抗拉强度

由图5可知，总体上改性处理的再生混凝土的7 d和28 d抗压强度较未处理的RA-0组均有不同程度的提高。从误差角度来看，仅用SA处理的RA-1抗压强度基本不变。但增加氢氧化钙预处理的RA-2却出现了小幅度的增长，28 d抗压强度较RA-0提高了7.85%。另外，RA-3在不同龄期下均表现出最优的抗压强度。由图6可见，再生混凝土的7 d劈裂抗拉强度的变化规律不明显。随着龄期的增长，不同再生混凝土的劈裂抗拉强度均得到明显的增长，与RA-0相比，RA-1和RA-2的28 d劈裂抗拉强度分别提高了1.52%和2.89%。相比之下RA-3的劈裂抗拉强度出现了较明显的增加，较RA-0提高了8.52%。

3.3 显微硬度

图7为不同再生混凝土的显微硬度试验结果。由于改性处理后再生混凝土存在天然骨料和旧砂浆分别与新浆体构成的两种界面结构，因此需要分别表征。图7(a)是天然骨料和新浆体的界面，再生混凝土RA-0的ITZ1硬度约为61.80 HV。采用SA处理后，RA-1和RA-2显微硬度有所提高，分别达到了63.52 HV和65.93 HV。之后增加了裹浆处理的RA-3界面过渡区显微硬度值得到了明显的改善，相对于RA-0提高了30.26%,另外可以发现RA-3的界面过渡区宽度有所降低。与ITZ1相比，旧砂浆和新浆体的界面过渡区ITZ2[见图7(b)]界面过渡区宽度有所增加，约达到了100 μm。与RA-0相比， RA-1、RA-2和RA-3的界面过渡区ITZ2显微硬度分别提高了5.86%、12.49%和28.96%。相对于ITZ1而言，RA-1和RA-2的界面过渡区ITZ2显微硬度涨幅更为显著，表明SA改性处理再生骨料可以有效改善旧砂浆与新浆体界面过渡区的粘结强度。而对于裹浆组RA-3而言，由于粉煤灰和硅灰与骨料界面过渡区富集的氢氧化钙发生火山灰反应提高了界面的粘结强度，导致界面显微硬度的提升。

图7 28 d龄期下不同再生混凝土的显微硬度

3.4 水吸附性能

参照ASTM 1585—2013进行试验，不同再生混凝土的水吸附过程如图8所示。由图可见在早期混凝土的水吸附量快速增加，后期由于毛细孔张力减小传输速率逐渐降低，最后水吸附量趋于平缓。与RA-0相比，改性再生混凝土的水吸附速率显著减小。在早期，RA-0的水吸附速率为10.70×104 mm·s-1/2,相比之下，改性再生混凝土水吸附速率最大降幅达到了24.30%。而对于二次吸附过程而言，混凝土的水吸附速率均出现了显著降低，较初始吸附降低了63.55%～79.93%,再生混凝土的水吸附主要是由于新硬化水泥混凝土和旧砂浆的孔隙形成的毛细孔张力，产生毛细虹吸作用所致，而SA浸泡或裹浆处理起到填充和密实旧砂浆的孔隙结构，从而有效降低了再生混凝土的水吸附。

图8 不同再生混凝土水吸附过程

3.5 电通量性能

图9为不同改性再生混凝土的6 h电通量。由图可知，改性处理再生混凝土的电通量明显减小，宏观上体现了良好的渗透性能。未改性处理的RA-0组表现出最差的抗氯离子渗透性能，电通量值达到了4 869 C。相比之下，RA-1的电通量值降低了37.69%。与RA-1相比，RA-2的电通量进一步降低18.69%。而经过浸泡-裹浆复合处理的RA-3电通量值最小，仅为1283 C,抗氯离子渗透性能最优，较RA-0组抗氯离子渗透性能提高了73.65%。主要是由于再生骨料浸泡SA后，附着砂浆孔隙中的钙离子与SA聚合物链上的两个羧基结合反应形成离子桥(或者同时与羟基和羧基进行螯合反应)形成不可逆凝胶，阻断了传输扩散通道，抑制了混凝土内部氯离子的传输。当再生骨料附着砂浆孔隙中的钙离子含量增加时，则会加速离子桥的形成和螯合反应，从而促进凝胶的生成。另外裹浆处理在骨料表面形成较致密的核壳层可以进一步抑制离子的传输。但是对于未改性处理组而言，再生粗骨料表面粘附的多孔砂浆导致再生混凝土孔隙率较大，促进氯离子的迁移，因此表现出最差的抗氯离子渗透性能。

图9 不同再生混凝土的电通量

4 结 论

(1)再生骨料经过SA溶液浸泡处理后，24 h的吸水率降低了12.79%,而钙离子的加入可以进一步降低吸水率。SA浸泡-裹浆处理对再生骨料的吸水率改善效果更为显著，吸水率降幅高达28.23%,并且可以有效减小骨料的压碎指标。

(2)SA浸泡改性处理再生骨料的力学强度增长幅度较小，而裹浆处理在骨料表面形成致密的核壳层，有效改善了再生骨料的薄弱缺陷，界面过渡区显微硬度较未改性组约提高了30%,宏观上表现出最优的力学强度。

(3)改性再生混凝土的渗透性能均优于未改性组，电通量降低了37.69%～73.65%。在改性再生混凝土中，氢氧化钙预处理可以促进SA反应生成凝胶进一步降低再生混凝土的渗透性能。而浸泡-裹浆处理的RA-3组电通量最小，仅为1283 C,主要是由于与SA反应生成的凝胶内外协同改善了再生骨料的孔隙、裂纹等缺陷。

水利水电技术（中英文）

水利部《水利水电技术（中英文）》杂志是中国水利水电行业的综合性技术期刊（月刊），为全国中文核心期刊，面向国内外公开发行。本刊以介绍我国水资源的开发、利用、治理、配置、节约和保护，以及水利水电工程的勘测、设计、施工、运行管理和科学研究等方面的技术经验为主，同时也报道国外的先进技术。期刊主要栏目有:水文水资源、水工建筑、工程施工、工程基础、水力学、机电技术、泥沙研究、水环境与水生态、运行管理、试验研究、工程地质、金属结构、水利经济、水利规划、防汛抗旱、建设管理、新能源、城市水利、农村水利、水土保持、水库移民、水利现代化、国际水利等。