有机改性干硬性再生混凝土的力学及吸水性能

周文俊

(中建商品混凝土有限公司,武汉 430205)

混凝土是基础设施建设必不可少的建筑材料[1]。混凝土的组成中骨料占比最大,因此天然骨料的消耗量惊人,我国基建的快速发展已导致原材料短缺现象日益凸显[2]。与此同时,在城市改造过程中,通常会对原有建筑进行拆除、重建,这将产生大量的建筑垃圾。填埋、堆放是处理建筑垃圾的常用方式,但这些方式不仅占用土地,还对环境造成严重的污染[3]。因此,如何合理和高效地利用建筑垃圾已成为行业及相关研究人员关注的焦点。将建筑垃圾加工成再生骨料,用于制备再生混凝土是不错的选择,既实现了建筑垃圾的有效利用,又缓解了天然骨料供应不足的问题。再生骨料含有较多的孔隙、裂纹,因而其存在强度低、吸水率高等一系列的问题。因此在研究再生混凝土性能时也侧重于考虑再生骨料这些性质缺陷对混凝土所产生的影响。魏晋珍等[4]分析了不同初始强度再生骨料对混凝土力学及吸水性能的影响,研究发现,初始强度高的再生骨料可以一定程度上提高再生混凝土的力学性能和降低其吸水率。司政等[5]采用硅酸钠和硅烷溶液对再生骨料进行复合改性,结果表明,复合改性使再生混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度提高了20%以上,再生骨料吸水率过高的问题也得到了抑制。王永贵等[6]发现玄武岩纤维与纳米氧化硅同样也可提高再生混凝土的力学性能。以上研究表明,经过适当处理的再生骨料可以制备出性能符合要求的再生混凝土。但工程中不仅要求混凝土的性能符合要求,同时要兼顾施工进度,因此,快硬早强型干硬性混凝土在工程中备受青睐,采用再生骨料制备干硬性混凝土也是促进再生骨料应用的一个方面。

干硬性混凝土是指塌落度低于10 mm、维勃稠度为10～30 s的混凝土,相较于普通混凝土有着快硬早强的特点,能够极大地提高施工效率,降低施工运行成本,在公路、水利等领域已有广泛应用。但是采用再生骨料制备干硬性混凝土的应用和研究还较少。张剑波[7]针对含再生骨料的半干硬性混凝土开展了一些探索性研究,发现少量的再生骨料可以提高混凝土的强度,但整体上呈现出再生骨料掺量越高,混凝土力学性能越差的趋势。许飞等[8]分析了再生骨料取代率、水胶比、砂率、成型压力等因素对干硬性再生混凝土工作及力学性能的影响,结果表明水胶比是影响混凝土强度的主要因素。可见,针对干硬性再生混凝土力学性能、吸水性能等开展的研究尚不丰富。

综上,为促进再生骨料在干硬性混凝土中的应用,探究了有机硅树脂改善干硬性再生混凝土力学及吸水性能的效果。首先采用有机硅树脂溶液改性再生骨料,然后采用有机改性再生骨料制备干硬性再生混凝土,最后测试改性干硬性再生混凝土的力学及吸水性能。

1 试 验

1.1 原材料

水泥采用PO 42.5普通硅酸盐水泥,相关性能指标如表1所示;粗骨料选用连续级配的天然碎石骨料和建筑垃圾再生骨料;细骨料选用机制砂;拌合用水为普通自来水;此外,还使用到有机硅树脂溶液。

表1 水泥性能指标

1.2 方案

首先采用有机硅树脂溶液对再生骨料进行改性。因再生骨料表面形态及结构比较复杂、变异性大,为使有机硅树脂溶液能充分润湿再生骨料颗粒表面不同区域,采用多次喷洒有机硅树脂溶液,结合使用振动台的改性工艺处理再生骨料。振动台采用湖北捷固筑工科技有限公司研发的JGZG-600型波推振动平台。将再生骨料摊铺于振动台上,再生骨料颗粒在振动作用下不断跳跃,此时垂直振动台喷洒有机硅树脂溶液。待改性后的再生骨料固化一段时间后重复这一操作,直至再生骨料颗粒表面被有机硅树脂溶液充分包裹。

然后采用有机改性再生骨料制备干硬性混凝土。干硬性混凝土由于流动性很小,采用传统方式很难成型,必须进行振动才能满足密实成型的要求。因此同样采用JGZG-600型波推振动平台对干硬性混凝土进行振动处理。处理后,不仅能保证干硬性混凝土的密实性在95%以上,同时还可使粗骨料不下沉、分布均匀,试件表面也不会产生浮浆层。

最后开展改性干硬性再生混凝土的力学及吸水性能测试。测试干硬性再生混凝土试件的抗压强度和劈裂抗拉强度,进而评价改性干硬性再生混凝土的力学性能;基于毛细吸水试验结果评价改性干硬性再生混凝土的吸水性能,主要评价指标为干硬性再生混凝土试件单位面积在一定时间内的吸水量。

2 结果与分析

2.1 抗压强度

干硬性再生混凝土的抗压强度结果如图1所示。由图1可以看出,当再生骨料掺量一定时,不管是改性干硬性再生混凝土还是未改性的干硬性再生混凝土,其抗压强度均随龄期的延长而逐渐增加,这得益于水泥水化对干硬性再生混凝土强度的巨大贡献。同时,从图1中还可看出,两类干硬性再生混凝土的抗压强度均随再生骨料掺量的增加而呈现出下降的趋势,尤其高龄期下的试件,抗压强度表现出持续下降的趋势。这说明再生骨料的引入对干硬性混凝土的抗压强度造成不利影响,但两类干硬性再生混凝土抗压强度的变化幅度存在较大区别。以28 d龄期试件的测试结果为例,对于未改性的干硬性再生混凝土,当再生骨料掺量以10%的增幅逐步提高至50%时,混凝土的抗压强度分别下降了6.4%、9.7%、10.4%、24.1%和27.7%。可见,当再生骨料掺量超过30%时,混凝土的抗压强度下降明显,降幅超过了20%,因此建议未改性再生骨料的掺量不超过30%。对于改性干硬性再生混凝土,同样条件下,混凝土的抗压强度分别下降了1.4%、5.2%、6.3%、12.3%和16.3%。显然,相比于未改性的干硬性再生混凝土,改性干硬性再生混凝土的抗压强度下降幅度明显减小。因此,对再生骨料进行改性可以一定程度上平衡再生骨料对混凝土抗压强度产生的不利影响,但改性再生骨料掺量过高时,混凝土抗压强度的衰减幅度依然显著,改性再生骨料掺量为40%或50%时,混凝土的抗压强度下降了10%以上。综合以上结果,无论再生骨料是否经过改性处理,建议其在干硬性混凝土中的掺量不超过30%,对于有着较高抗压强度要求的干硬性混凝土或需要增加再生骨料用量时应对再生骨料进行改性处理。

2.2 劈裂抗拉强度

28 d龄期的干硬性再生混凝土劈裂抗拉强度结果如图2所示。可见,与抗压强度的变化趋势类似,两类干硬性再生混凝土的劈裂抗拉强度均随着再生骨料的持续掺入而逐渐下降。对于未改性的干硬性再生混凝土,当再生骨料掺量以10%的增幅逐步提高至50%时,混凝土的劈裂抗拉强度分别下降了5.0%、9.7%、16.1%、30.3%和39.4%。显然,当再生骨料掺量过高时,干硬性再生混凝土的劈裂抗拉强度同样变得较低。因此,不能盲目追求再生骨料的利用率。从劈裂抗拉强度方面考虑,同样建议再生骨料在干硬性混凝土中的掺量不超过30%。对于改性干硬性再生混凝土,当改性再生骨料掺量以10%的增幅逐步提高至50%时,混凝土的劈裂抗拉强度分别下降了0.3%、2.8%、6.3%、9.4%和16.1%。表明有机改性再生骨料在干硬性混凝土中的掺量可以适当提高而不至于明显减小混凝土的劈裂抗拉强度,同时也说明有机改性过程延缓了混凝土劈裂抗拉强度的衰减速度。改性干硬性再生混凝土的强度之所以能得到改善,可能主要归功于有机硅树脂溶液对再生骨料表面以及内部裂纹、孔隙的填充,提高了再生骨料的密实度,进而对再生骨料以及干硬性再生混凝土的力学性能起到改善作用。

2.3 吸水性能

28 d龄期的干硬性再生混凝土毛细吸水试验结果如图3所示。可以看出两类干硬性再生混凝土表现出一些相似的吸水特征,早期吸水速率快,吸水量快速上升,且随着再生骨料掺量的增加,这一趋势愈加显著;后期吸水速率则快速下降直至趋于一个比较恒定的状态,吸水量的变化也趋于平缓。同时,两类干硬性混凝土在吸水试验中表现出的不同也比较明显。具体来看,对于未改性的干硬性再生混凝土,随着再生骨料掺量的增加,早期吸水速率持续上升,混凝土试件单位面积的吸水量快速增长,如图3(a)所示,再生骨料掺量为50%时,试件单位面积的吸水量在测试终了时刻(32 h)超过了4 000 g/m2。这可能有两方面的原因:因再生骨料表面及内部存在裂缝、孔隙等缺陷,提高再生骨料的掺量也增加了混凝土骨料体系裂缝、孔隙等构造的数量;增加再生骨料的掺量可能改变了混凝土的骨架结构,提高了连通空隙的体积。这两方面的原因均会导致混凝土试件单位面积吸水量的增加,因此,不能过度追求再生骨料的利用率而忽视再生混凝土吸水性能的变化。同样,即使再生骨料经过有机改性处理,随其掺量的提升,混凝土试件早期吸水速率也逐步加快,相应地,试件单位面积的吸水量在较短时间内就上升至较高值,如图3(b)所示,再生骨料掺量为50%时,试件单位面积的吸水量在测试终了时刻(32 h)也超过了3 000 g/m2。但相较于未改性的干硬性再生混凝土,在设置的测试时间下,试件单位面积终了时刻的吸水量有了明显降低。说明有机改性方式能够明显抑制干硬性混凝土对水分的吸收。这主要是因为有机硅树脂有着较好的憎水性,再生骨料被有机硅树脂包裹后,水分难以再进入再生骨料内部,在一定程度上降低了混凝土的吸水能力。综合以上结果,在采用再生骨料制备干硬性混凝土时应控制其掺量,对于抗渗等级等要求较高或者需要提高再生骨料用量时,建议对再生骨料进行有机改性处理。

3 结 论

a.采用再生骨料部分替代天然碎石骨料制备的干硬性混凝土依然具备快硬早强的特点,但再生骨料不同程度地减小了混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度,同时还增大了混凝土的吸水能力。

b.采用有机硅树脂溶液改性再生骨料,可有效提高干硬性再生混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度,同时也可有效降低干硬性混凝土的吸水能力。

c.综合强度和吸水试验结果,建议再生骨料在干硬性混凝土中的掺量不超过30%,对于性能要求较高的干硬性混凝土或需要增加再生骨料用量时建议对再生骨料进行有机改性处理。