建筑垃圾再生骨料改性技术研究

袁朴，陈国庆，杨延玉

（1.常熟市梅李镇建设局，江苏 苏州 215000；2.江苏建研建设工程质量安全鉴定有限公司，江苏 南京 210000）

0 引言

城市化建设如火如荼， 混凝土的消耗日益增大，而配制混凝土所适用的骨料越来越难开采。 在此背景下，将废弃的混凝土再次利用，通过破碎、筛选、分级、清洗等工艺制备再生骨料，能处理大量的建筑垃圾，降低废弃物的污染与空间浪费，减缓建材需求逐年上涨的压力。

再生骨料在生产过程中由于工艺不够成熟，难以将骨料还原到最初始的状态， 与天然骨料相比有较多的缺陷，如孔隙率高、强度低等。 相对于常规的天然骨料，再生骨料各项指标均较低。 再生骨料如不经过处理直接使用， 所配制的混凝土会存在较多的内部缺陷， 而对于再生骨料进行改性研究，可有效改善再生骨料的缺陷，使其大范围推广利用存在较高的可行性。

1 再生混凝土改性研究现状

1.1 物理改性法

物理改性法， 主要通过再破碎等方式去除再生骨料表面附着的水泥浆， 增加其表面粗糙度，使骨料在混凝土中有足够的咬合力，从而弥补再生骨料的内部缺陷。

1.2 纤维改性法

纤维改性法，主要为在再生混凝土掺入比例合适的混凝土专用纤维，通过纤维的各向异性与卓越的抗拉性能使混凝土中骨料能够被束缚成一个整体， 通过纤维的拉结来减缓微裂缝的扩散与蔓延，宏观上体现为抗裂性提高。

1.3 掺加活性物质

掺入粉煤灰、硅灰等高活性掺合料，可与混凝土中Ca(OH)2进一步反应，生成致密的C-S-H 凝胶，加强再生混凝土的咬合作用，改善混凝土中最为薄弱的过渡区； 同时矿粉等掺合料粒径细微，可填充骨料表面的空隙，解决再生骨料孔隙率高的问题。

2 改性再生混凝土配比优选

2.1 原材料与仪器

所用材料主要有P·O 42.5 水泥、Ⅱ区中砂、天然碎石、 再生粗骨细料， 以及Ⅱ级F 类粉煤灰、12 mm的短纤维、聚羧酸减水剂、粒化高炉矿渣。

所用仪器主要有含气量测定仪、 混凝土搅拌机、万能试验机、混凝土抗渗仪、混凝土抗冻仪、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 组再生混凝土进行配合比优选试验，其中RC 为再生骨料取代率100%的C30 混凝土，以此为基准混凝土分别进行6 组改性混凝土配制。

2.3 改性再生混凝土配比优选

通过混凝土28 d 抗压强度试验与28 d 劈裂抗拉强度试验对比7 组混凝土的性能， 结果如图1、2 所示。

图1 混凝土28 d 抗压强度

图2 混凝土28 d 劈裂抗拉强度

相较基准混凝土，RC+F、RC+S、RC+F+P、RC+S+P、RC+F+S+P 的抗压强度分别提高1.29%、2.59%、0.65%、2.91%、4.53%，而RC+P 的抗压强度降低了7.12%。相较基准混凝土，RC+F、RC+S、RC+P、RC+F+P、RC+S+P、RC+F+S+P 的劈裂抗拉强度分别提高4.65%、3.10%、18.60%、20.16%、21.71%、25.58%。

粉煤灰可与混凝土中未完全水化的Ca（OH）2发生反应，使其进一步水化，生成规则的C-S-H 凝胶，将再生骨料进行胶连，同时填补再生骨料表面的孔隙，降低其吸水性。玻璃微珠的填充效应，可修复再生骨料表面缺陷，通过填充效应优化混凝土中胶凝材料的级配，使其更为致密，抵御更恶劣的环境。

矿渣微粉可与游离的Ca（OH）2继续反应，将再生混凝土中不利的Ca （0H）2转化为有利的C-S-H凝胶，填充再生骨料中的缺陷，改善混凝土中薄弱的过渡区， 体现为再生混凝土微观上晶体尺寸更小、数量更多，使混凝土更为致密，力学性能与耐久性能提升明显。 同时，矿渣细微颗粒的填充效应使混凝土的胶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况下具备更好的流动性。

粉煤灰、矿渣同为工业废料，以往都需要耗费人力物力去处理，而应用于混凝土配制可以使用资源再利用，降低混凝土成本的同时，又能提高混凝土的各项性能，兼具社会效益与经济效益。

混凝土的抗压性能优良，但其抗弯方面有所欠缺，在混凝土水化早期易受到干缩引起的应力作用导致开裂，而掺入高延性的聚丙烯短纤维，使混凝土承重弯矩能力提高。均匀无规律散布于混凝土中的聚丙烯纤维， 可抑制混凝土早期干缩引起的开裂，降低微裂缝出现的概率，提高混凝土的受拉弹性模量和混凝土的抗弯抗拉能力。 综合考虑，选择RC+F+S+P 为最优配方。

3 再生混凝土性能对比

为验证试验所优选的配方是否有效，配制强度等级C30 普通混凝土（简称OC）、再生混凝土（简称RC）、高性能再生混凝土（简称HPRC）进行对比试验。

3.1 拌合物性能对比

3.1.1 混凝土泌水率对比

混凝土在运输、泵送过程中容易出现粗骨料下沉、水分上浮的现象。混凝土的泌水危害较大，其中包括增加混凝土中的内部缺陷，影响混凝土的致密性、 骨料的界面强度以及混凝土与钢筋间的握裹力，从而影响混凝土的力学性能与耐久性能。 经试验，3 组混凝土泌水率对比结果如图3 所示。

图3 混凝土泌水率对比

相比普通混凝土与再生混凝土，高性能再生混凝土泌水率降低明显。 这是因为掺加粉煤灰与矿渣，其火山灰效应与填充效应可以大大提高混凝土的保水性能，提高混凝土的流动性，较少混凝土在运输过程中的塌落度损失，降低混凝土现场浇筑的施工难度，提高混凝土浇筑质量，降低蜂窝麻面出现的可能性。

3.1.2 混凝土含气量对比

混凝土含气量是指单位体积中空气的体积百分比。 混凝土在拌和时会引入一些气体，从而形成空隙，同时外加剂的反应也会生成气体。 均匀分布的细微气泡可以提高混凝土的抗冻性、 抗盐碱性，且对强度的影响极其微小。 经试验，混凝土含气量对比结果如图4 所示。

图4 混凝土含气量对比

相比普通混凝土与再生混凝土，高性能再生混凝土含气量明显提高。 这是因为掺入粉煤灰与矿渣，使混凝土内部产生大量均匀的细微气泡，含气量略微提高。 同时大量的气泡阻隔了水的渗透，对于混凝土的抗渗与抗冻都具有有利作用。气泡的加入还能提高混凝土的拌合物性能，使其适于泵送。

3.2 力学性能对比

3.2.1 混凝土轴心抗压强度对比

混凝土轴心抗压试验所用试件为棱柱体，因此更能反应混凝土在实际应用中的状态。轴心抗压强度越高，代表混凝土轴心受压构件抵御破坏的能力越强。 经试验，混凝土轴心抗压强度对比结果如图5 所示。

图5 混凝土轴心抗压强度对比

相比普通混凝土与再生混凝土，高性能再生混凝土轴心抗压强度明显提高。这是因为粉煤灰与矿渣的掺入，火山灰效应促进水泥进一步水化生成更多的C-S-H 凝胶，使集料界面区的Ca（0H）2晶粒变小，改善了混凝土微观结构，降低了水泥浆体的孔隙率，降低了混凝土缺陷出现的概率，使建筑结构安全得到更大的提高。

3.2.2 混凝土静力受压弹性模量对比

弹性模量为物体在承受外力的情况下该方向应力与应变的比值。弹性模量反映物体抵抗外力变形的性能。 混凝土弹性模量高，意味着抗变形能力强， 但过高的弹性模量会使其与钢筋变形不一致。经试验，混凝土静力受压弹性模量对比结果如图6所示。

图6 混凝土静力受压弹性模量对比

相比普通混凝土与再生混凝土，高性能再生混凝土静力受压弹性模量明显提高。这是因为混凝土静力受压弹性模量与轴心抗压强度存在正相关关系，静力受压弹性模量的提高在大多数情况下有益处，可以提高混凝土的抗变形能力，提高混凝土建筑的稳定性。

3.3 耐久性能对比

3.3.1 混凝土抗渗性能对比

抗渗性能为混凝土抵抗水等流体由于在压力作用下渗透的能力。 压力越大，流体的渗透能力越强。 混凝土的抗渗性能亦对其抗碳化、抗氯离子渗透等性能有较大影响， 混凝土抗渗等级是混凝土28 d 试件能抵御水渗透的的最大压力，等级越高，能承受的水压越大。

相比普通混凝土与再生混凝土，高性能再生混凝土抗渗性能明显提高。 再生骨料界面区薄弱，气泡无法封闭，导致其在较高水压下，易被水渗透。但经过改性之后， 由于矿物掺合料中微粒的填充作用，可修复骨料表面缺陷，使界面区得到强化，难以被水渗透。同时聚丙烯纤维将混凝土束缚成一个整体，提高了混凝土在高水压下的稳定性，因此抗渗等级大大加强。

3.3.2 混凝土抗冻性能对比

混凝土的抗冻性是指材料在含水状态下能经受多次冻融循环作用而不破坏，强度也不显著降低的性质。混凝土在冻融循环下内部水分反复结冰膨胀，混凝土内部产生大量微裂缝，导致其强度与弹性模量衰减。

相比普通混凝土与再生混凝土，高性能再生混凝土经受冻融的能力更为卓越。 在50 次冻融循环后，普通混凝土和再生混凝土的质量和抗压强度衰减明显。 与普通混凝土相比，高性能再生混凝土质量损失率与抗压强度损失率分别降低35.6%、31.4%。 与再生混凝土相比，高性能再生混凝土质量损失率与抗压强度损失率分别降低42.4%、35.6%。

普通再生混凝土由于再生骨料内部缺陷较多等问题，在多次冻融循环后，质量与抗压强度衰减严重，不适应于北方低温地区。 而经过改性的高性能再生混凝土由于掺加粉煤灰与矿渣，引入了大量互不相通的气泡， 使水分难以进入混凝土内部，同时气孔的存在可以缓冲水结冰产生的压力，减少由于结冰膨胀引起内部微观上的崩坏。

4 发展与展望

城市建设产生的建筑垃圾逐年增多，同时优质骨料的开采越来越困难，利用建筑垃圾、破碎成再生骨料是一举两得的好方案。利用超高性能破碎机处理建筑垃圾，生产再生骨料，再利用各种改性技术， 生产能应用于各种场景下的高性能混凝土，既能解决建筑垃圾的处理问题，又能为建设工程提供源源不断的材料，从而降低建设成本。