CN105130299A - 一种再生骨料的原位强化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种再生骨料的原位强化方法，所述方法是将含再生骨料的混凝土搅拌混合，进行原位强化，所述混凝土的原料包括掺合料、水泥、粗骨料、细骨料和水，其特征在于：先将全部掺合料和一半质量的水搅拌10～20s，再加入全部粗骨料和细骨料搅拌10～20s，然后加入全部水泥搅拌20～40s，最后加入剩余的一半水继续搅拌30～60s，即得到原位强化的再生骨料混凝土拌合物。采用本发明工艺制备的再生骨料混凝土可实现再生骨料的原位强化，可有效提高再生骨料混凝土的抗压强度。

Description

一种再生骨料的原位强化方法

(一)技术领域：

本发明涉及一种再生骨料的原位强化技术，属建筑材料生产技术领域。

(二)背景技术

随建筑业与基础设施建设迅猛发展，各种建设废弃物空前增加，已占城市垃圾总量的30～40％。建设废弃物中含大量混凝土、烧结砖、蒸压砖、陶瓷等块体材料，作为简单填埋材料使用是对资源的极大浪费，将其处理后作为骨料再利用，则不仅节省天然骨料资源，保护骨料产地的生态环境，且可解决建筑废弃物的堆放、占地和环境污染问题。

目前国内外关于块状建筑废弃物再生利用的研究很多，通常将其破碎、分级，作为再生粗、细骨料使用。由于废弃混凝土制成的再生骨料表面通常附着有旧混凝土中的砂浆，其它块状建筑废弃物如废弃烧结砖、废弃蒸压砖、废弃混凝土空心砌块、废陶瓷等则本身强度较低，因此，与天然骨料相比，通常再生骨料体积密度、强度、弹性模量较小，而吸水率较大，在用于配制再生骨料混凝土时，与天然骨料混凝土相比，新拌再生骨料混凝土拌合物和易性较差，硬化混凝土物理力学性能和长期耐久性也普遍比天然骨料混凝土要差。

为提高再生骨料品质，近年来，国内外发展了多种高品质再生骨料生产工艺，如研磨整形、热－机械力分离、酸液预浸等，可得到性能与天然骨料接近的再生骨料，但直接研磨整形与热－机械力分离工艺复杂、设备庞大、动力消耗与设备磨损均较大，与天然骨料生产成本相比，再生骨料生产成本大幅度增加；酸浸工艺增加了酸洗和水洗两个步骤，成本也大幅增加。

为提高再生混凝土性能，还对再生骨料进行表面化学改性强化处理，如杜婷等人选用纯水泥浆、水泥外掺Kim粉混合分散液、水泥外掺硅粉分散液、水泥外掺I级粉煤灰分散液等四种高活性超细掺合料分散液对再生粗骨料进行表面预处理强化，经表面预处理后，分散液能在一定程度上填充再生粗骨料孔隙，粘合破碎过程中产生的一些微裂缝，但进一步研究表明，除水泥外掺Kim粉分散液强化再生粗骨料配制的再生粗骨料混凝土抗压强度有明显提高外，其它方法均末见明显效果；J.J.Kim等则采用10wt％硅溶胶、10wt％水玻璃溶液以及硅粉质量分数达25％的硅溶胶分散硅粉分散液对再生骨料进行表面预处理强化，结果表明未经表面处理的再生细骨料砂浆强度仅为天然骨料砂浆强度的55％，经表面预处理后，再生细骨料砂浆强度可达天然骨料砂浆强度的95％。然而，上述表面强化处理方法需对再生骨料进行专门的表面强化处理，其工艺复杂，成本高。

在再生骨料混凝土中，由于再生骨料的高吸水性，在再生骨料与新水泥石的界面以及再生骨料表面与外界连通的孔隙中，存在水泥水化产物CH晶体的富集与取向排列现象，因而成为再生骨料混凝土的薄弱环节，直接影响再生混凝土物理力学性能及耐久性。日本学者Tamura等采用一种减压搅拌工艺(decompressionandrapidreleaseprocedure(DC-RR))制备高性能再生骨料混凝土，首先搅拌得到混凝土拌合物，然后抽真空，达到一定负压(130mmHg)时，突然解除真空处理，使压力迅速恢复至大气压(760mmHg)，与常规搅拌工艺相比，抗压强度可提高20％，徐变和碳化深度分别下降20％和30％。然而，采用减压搅拌工艺需增加抽真空设备，导致设备投资和生产成本大幅增加。RYU、Tam等、Nobuaki等采用水泥裹砂石搅拌工艺制备再生骨料混凝土，在再生骨料表面形成一层低水灰比水泥净浆，可有效改善再生骨料-水泥石界面，提高再生骨料混凝土强度，但包裹于表面的水泥净浆水灰比小，水泥净浆很难吸入到再生骨料表面与外界相通的毛细孔隙内，对再生骨料无原位强化效果。孔德玉等采用掺合料裹骨料工艺进一步改善再生骨料-水泥石界面，该工艺通过先加入部分水，使再生骨料吸水后，再加入掺合料进行搅拌，使再生骨料表面包覆掺合料颗粒，吸收在界面富集的水化产物氢氧化钙，从而进一步改善再生骨料-水泥石界面，但该工艺中再生骨料表面与外界相通的毛细孔隙内同样无法吸入掺合料颗粒，因而对再生骨料无原位强化效果。

(三)发明内容：

基于以上技术背景，本发明旨在提供一种在再生骨料混凝土强度发展过程中实现再生骨料原位强化的方法。

为达到发明目的，本发明采用的技术方案是：

一种再生骨料的原位强化方法，所述方法是将含再生骨料的混凝土原料搅拌混合，进行原位强化，所述混凝土原料包括掺合料、水泥、粗骨料、细骨料和水，其特征在于：先将全部掺合料和一半质量的水搅拌10～20s，再加入全部粗骨料和细骨料搅拌10～20s，然后加入全部水泥搅拌20～40s，最后加入剩余的一半水继续搅拌30～60s，即得到原位强化的再生骨料混凝土拌合物；所述粗骨料为再生粗骨料或天然粗骨料中的一种或两种任意比例的混合，所述细骨料为再生细骨料或天然细骨料中的一种或两种任意比例的混合，所述粗骨料和细骨料不同时全部为天然粗骨料和天然细骨料。

所述的再生粗骨料和再生细骨料由下列一种或两种以上的建筑废弃物破碎、筛分得到：水泥混凝土、烧结砖、蒸压砖。所述再生粗骨料的公称粒径为5～40mm，再生细骨料的公称粒径小于5mm。

所述掺合料为下列之一或两种以上的混合物：硅粉(SF)、矿渣微粉(SL)、粉煤灰(FA)、沸石粉(GZ)、磷渣微粉(PS)、纳米二氧化硅(NS)、偏高岭土(MK)。

所述掺合料与水泥的重量比为1:1～9。

所述混凝土的原料包括掺合料、水泥、粗骨料、细骨料和水，其中水泥(或水泥+掺合料)、水、粗骨料、细骨料的质量比一般称为混凝土配合比，本领域技术人员根据所需混凝土的强度要求、现场施工需要等可自行设计混凝土配合比。在本发明中对混凝土配合比不做限制，本发明的技术特点是混凝土搅拌混合的方法，混凝土配合比不是本发明的保护范围，也不影响本发明技术方案的实施。实际可用的任意混凝土配合比均可采用本发明的原位强化方法进行搅拌强化。

所述方法中，水中一般先加入减水剂，减水剂的加入量为掺合料和水泥总重量的0.5％～2.0％。

所述减水剂优选聚羧酸高性能减水剂或萘系减水剂。

进一步，所述方法优选为：先将全部掺合料和一半质量的水搅拌15～20s，再加入全部粗骨料和细骨料搅拌10～15s，然后加入全部水泥搅拌30s，最后加入剩余的一半水继续搅拌60s，即得到原位强化的再生骨料混凝土拌合物。

本发明制得的原位强化的再生骨料混凝土拌合物可直接浇注成型，得到再生骨料混凝土。再生骨料混凝土后续养护均按照施工设计标准进行即可。

本发明的有益效果主要在于：通过优化混凝土搅拌工艺，使掺合料与水先形成掺合料分散液，然后在加入粗细骨料进行搅拌时，由于再生骨料表面具有较强的吸水作用，搅拌过程中掺合料分散液被吸附进入再生骨料表面的孔隙中，在再生骨料表面也附着掺合料颗粒，这种被吸附进入和附着在表面的掺合料颗粒可吸收由于壁效应和泌水效应在再生骨料表面和孔隙内部富集的水化产物氢氧化钙，形成水化硅酸钙凝胶，因而可一方面实现再生骨料的原位强化，另一方面有效改善再生骨料与水泥石之间的界面，既可弥补因再生骨料性能较差而导致的混凝土强度和耐久性下降，又可避免对再生骨料预先强化导致的生产成本大幅增加。

采用本发明工艺制备的再生骨料混凝土可实现再生骨料的原位强化，并对改善再生骨料-水泥石界面粘结强度有利，可有效提高再生骨料混凝土的抗压强度。

(四)附图说明

图1常规传统搅拌工艺流程图(CT)。

图2水泥裹砂石搅拌工艺流程图(CC)。

图3掺合料裹骨料搅拌工艺流程图(MAC)。

图4实施例2中采用的本发明搅拌工艺的流程图。

图5新老混凝土界面粘结强度测试示意图。

(五)具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明保护范围不仅限于此：

实施例1～8：再生骨料原位强化与界面强化模拟

(1)制备坍落度为30-50mm，设计强度等级为C30的老混凝土，自然养护60天后用取芯机从老混凝土中钻取直径100mm、高150mm的圆柱体芯样，将其作为模拟再生骨料。

(2)将掺合料分散于水中制备得到掺合料分散液，制备时水中预先加入减水剂，掺合料、水与减水剂的质量比为1:1:0.01。掺合料的种类详见表1。减水剂为聚羧酸高性能减水剂。

(3)将模拟再生骨料烘干后，在掺合料分散液中浸泡1min浸透，然后置于150mm×150mm×150mm试模中间，在四周浇注新混凝土，所用混凝土配合比与老混凝土相同。

(4)浇注成型的新老混凝土复合试件标准养护24小时后，脱模、编号，然后在20℃左右的水中养护。

(5)养护至28d龄期时，对新老混凝土复合试件采用如图5所示的测试方法测定新老混凝土之间的抗剪强度，以此模拟再生骨料与水泥石之间的界面粘结强度。

(6)界面粘结强度测定后，将新老混凝土复合试件中的模拟再生骨料的混凝土芯样切割成高100mm，直径为100mm的圆柱体试块，测试其抗压强度，通过经界面处理和新老混凝土复合后芯样混凝土的强度变化，表征再生骨料的原位强化效果。

表1所示为再生骨料表面经不同掺合料浆液处理后，再生骨料与水泥石界面的界面粘结强度和模拟再生骨料本身的抗压强度。由表1可见，未经处理的试件，其界面28d龄期的抗剪强度较小，抗剪强度仅为2.29MPa。经硅粉、矿渣、粉煤灰、纳米二氧化硅、偏高岭土、磷渣微粉、沸石粉分散液进行处理后，与未经处理试件相比，新老混凝土界面粘结强度均得以明显提高，由此可见，将模拟再生骨料浸入掺合料浆液，再生骨料内部孔隙吸附和表面包覆掺合料浆液对改善再生骨料-水泥石界面粘结强度有利。

同时，由表1亦可见，模拟再生骨料表面经不同掺合料浆液处理后，在再生混凝土水化硬化过程中，再生骨料可得以原位强化。未经包覆处理的混凝土芯样与新混凝土制成的复合试件养护28d龄期后，其中的芯样(模拟再生骨料)抗压强度最小，仅为31.1MPa。而经掺合料分散液进行处理后，与未经处理相比，模拟再生骨料的强度均得以明显提高。由此可见，将模拟再生骨料浸入掺合料浆液，再生骨料内部孔隙吸附和表面包覆掺合料浆液可在混凝土水化硬化过程中实现再生骨料的原位强化，从而可进一步有效提高再生混凝土强度。

表1经界面处理的再生骨料与水泥石界面的抗剪强度与模拟再生骨料本身的抗压强度

实施例	处理方式	界面粘结强度/MPa	芯样抗压强度/MPa
				实施例1	未处理	2.29	31.1
实施例2	硅粉(SF)分散液	2.82	36.9
				实施例3	矿渣微粉(SL)分散液	2.61	35.8
实施例4	粉煤灰(FA)分散液	2.43	36.2
				实施例5	纳米二氧化硅(NS)分散液	2.96	38.5
实施例6	偏高岭土(MK)分散液	2.75	35.3
				实施例7	磷渣微粉(PS)分散液	2.47	34.2
实施例8	沸石粉(GZ)分散液	2.56	35.8

其中实施例1的未处理试样是指在步骤(3)中，模拟再生骨料烘干后，不经掺合料分散液浸泡，直接置于150mm×150mm×150mm试模中间，在四周浇注新混凝土，所用混凝土配合比与老混凝土相同。

其他步骤操作均相同。

实施例9～16：再生骨料原位强化模拟测试及原位强化对再生骨料混凝土强度的影响

(1)制备坍落度为30-50mm，设计强度等级为C30的老混凝土，自然养护60天后用取芯机从老混凝土中钻取直径50mm、高100mm的圆柱体芯样，将其作为模拟再生骨料。同时，将其余老混凝土破碎、筛分、烘干得到公称粒径5～20mm的再生粗骨料和小于5mm的再生细骨料。

(2)设计的新混凝土配合比为(质量比例)：(水泥+掺合料):水:细骨料:粗骨料＝1:0.50:1.71:2.58，所用细骨料为天然中砂和步骤(1)中的再生细骨料的一种或两种的混合，粗骨料为公称粒径5～20mm的天然碎石和步骤(1)中的再生粗骨料的一种或两种的混合，具体比例详见表2-1。水中预先加入减水剂，所用减水剂为聚羧酸高性能减水剂。掺合料品种以及掺合料、水泥的质量比(MA/C)、减水剂掺量、天然粗细骨料用量见表2-1。

(3)将模拟再生骨料烘干后，与按配合比称量得到的粗骨料混合在一起。

(4)将减水剂溶解于水中。

(5)搅拌工艺分别用以下四种之一：

(A)常规传统搅拌工艺(简称CT，流程图见图1)：将全部粗细骨料(包括模拟再生骨料)、掺合料水泥混合搅拌30s，然后加水搅拌90s，得到再生混凝土拌合物；

(B)水泥裹砂石搅拌工艺(简称CC，流程图见图2)：将全部粗细骨料(包括模拟再生骨料)混合搅拌15s，然后加一半质量的水搅拌15s，再加水泥和掺合料搅拌30s，最后加入剩余的一半水搅拌60s，得到再生混凝土拌合物；

(C)掺合料裹骨料搅拌工艺(简称MAC，流程图见图3)：全部粗细骨料(包括模拟再生骨料)先吸水饱和，搅拌15s后加入掺合料，再搅拌15s后加入水泥搅拌30s，最后加入剩余水搅拌60s，得到再生混凝土拌合物；

(D)本发明搅拌工艺(流程图见图4)：将掺合料和一半水先混合，搅拌15s，加入全部粗细骨料(包括模拟再生骨料)搅拌15s，加入全部水泥搅拌30s，最后加入剩余的一半水搅拌60s，即得到可实现再生骨料原位强化的新拌再生混凝土拌合物。

(6)将模拟再生骨料从新拌再生混凝土拌合物中挑出，然后置于100mm×100mm×100mm试模中间，在四周浇注新拌再生骨料混凝土，得到新老混凝土复合试件。剩余的新拌再生混凝土拌合物另外浇注于100mm×100mm×100mm试模中成型，得到再生骨料混凝土试件。

(7)浇注成型的新老混凝土复合试件和再生骨料混凝土试件经标准养护24小时后，脱模、编号，然后在20℃左右的水中养护。

(8)养护至28d龄期时，对新老混凝土复合试件采用如图5所示的测试方法测定新老混凝土之间的抗剪强度，以此模拟再生骨料与水泥石之间的界面粘结强度。

(9)界面粘结强度测定后，将新老混凝土复合试件中的模拟再生骨料切割成高50mm，直径为50mm的圆柱体试块，测试其抗压强度，通过经界面处理和新老混凝土复合后芯样混凝土的强度变化，表征再生骨料的原位强化效果。

同样将再生骨料混凝土试件切割成高50mm，直径为50mm的圆柱体试块，测试其抗压强度。

对比的混凝土拌合物分别采用传统搅拌工艺(CT)、水泥裹砂石搅拌工艺(CC)、掺合料裹骨料搅拌工艺(MAC)进行搅拌，搅拌总时间均控制为120s。

表2-1所示为再生骨料混凝土的配合比相关参数，表2-2为测试得到的模拟再生骨料与硬化水泥石之间的界面粘结强度、模拟再生骨料本身的抗压强度以及制备得到的再生骨料混凝土抗压强度。由表2-2可见，与采用传统工艺及其它两种工艺制备的混凝土试件相比，采用本发明工艺制备得到的复合试件新老混凝土界面粘结强度均得以提高。与采用传统工艺相比，采用水泥裹砂石工艺和掺合料裹骨料工艺制备得到的模拟复合试件中，模拟再生骨料本身的抗压强度仅略有提高，而采用本发明工艺制备的复合试件中，模拟再生骨料本身在水化硬化过程中得以明显强化，同时，再生骨料混凝土的28d抗压强度也得以明显提高，由此可见，采用本发明工艺制备的混凝土可实现再生骨料的原位强化，并对改善再生骨料-水泥石界面粘结强度有利，因而可有效提高再生骨料混凝土的抗压强度。

表2-1再生骨料混凝土配合比相关参数

表2-1中：天然粗骨料用量/％是指粗骨料中，天然粗骨料的质量用量与粗骨料的总质量(即天然粗骨料和再生粗骨料的总质量)的质量百分比。天然粗骨料是指公称粒径5～20mm的天然碎石。

天然细骨料用量/％是指细骨料中，天然细骨料的质量用量与细骨料的总质量(即天然细骨料和再生细骨料的总质量)的质量百分比。天然细骨料是指天然中砂。表2-1中，MA：C为掺合料与水泥的质量比。

掺合料中，各掺合料的百分用量是指各掺合料用量与所有掺合料和水泥的总质量的百分比。

减水剂/％是指减水剂与掺合料与水泥总质量的质量百分比。

表2-2模拟再生骨料的原位强化效果及其对再生混凝土强度的影响

实施例17～18：不同再生骨料的原位强化

(1)在烧结普通砖和蒸压灰砂砖中分别钻取直径50mm、高53mm的圆柱体芯样，将其作为模拟再生骨料。将烧结普通砖和蒸压灰砂砖破碎、筛分、烘干，制备公称粒径5～20mm的再生粗骨料和<5mm的再生细骨料。

(2)设计的新混凝土配合比(水泥+掺合料):水:细骨料:粗骨料＝1:0.50:1.71:2.58，所用掺合料为20％粉煤灰(20％指粉煤灰与所有掺合料和水泥的总质量之比)和20％矿渣微粉(20％指矿渣微粉与所有掺合料和水泥的总质量之比)复合掺加，所有掺合料的质量(即粉煤灰和矿渣微粉的总质量)与水泥的质量比为1:1.5。所用细骨料为天然中砂和再生细骨料的一种或两种的混合，粗骨料为5～20mm天然碎石和再生粗骨料的一种或两种的混合，具体用量比例详见表3-1。所用减水剂为萘系减水剂，减水剂的用量见表3-1。

(3)将模拟再生骨料烘干后，与按配合比称量得到的粗骨料混合在一起。

(4)将减水剂溶解于水中，

(5)搅拌工艺分别采用常规传统搅拌工艺(简称CT)和本发明搅拌工艺

CT工艺如下：将全部粗细骨料(包括模拟再生骨料)、掺合料水泥混合搅拌30s，然后加水搅拌90s，得到再生混凝土拌合物；

本发明搅拌工艺为：加入掺合料和一半的水搅拌20s，加入全部粗细骨料(包括模拟再生骨料)搅拌10s，加入全部水泥搅拌30s，最后加入剩余水，继续搅拌60s，即得到可实现再生骨料原位强化的新拌再生混凝土拌合物。

(6)将模拟再生骨料从再生混凝土拌合物中挑出，为模拟再生骨料试件，剩余的新拌再生混凝土拌合物浇注于100mm×100mm×100mm试模中成型，得到再生骨料混凝土试件。

(7)模拟再生骨料试件和再生骨料混凝土试件经标准养护24小时后，脱模、编号，然后在20℃左右的水中养护。

(8)养护至28d龄期时，对模拟再生骨料试件进行强度测试，并与未经处理的原始模拟再生骨料进行对比；同时测定再生骨料混凝土的强度。

表3-1所示为再生骨料混凝土的原材料及配合比相关参数，表3-2为原始模拟再生骨料、原位强化后的模拟再生骨料以及制备得到的再生骨料混凝土抗压强度测试结果。由表3-2可见，与采用传统工艺相比，采用本发明工艺制备的模拟再生骨料试件在水泥水化硬化过程中得以明显强化，同时，再生骨料混凝土的28d抗压强度也明显提高，可见，采用本发明工艺制备的混凝土可实现再生骨料的原位强化，因而可有效提高再生骨料混凝土的抗压强度。

表3-1再生骨料混凝土配合比相关参数

表3-1中，天然粗骨料用量/％是指粗骨料中，天然粗骨料的质量用量与粗骨料的总质量(即天然粗骨料和再生粗骨料的总质量)的质量百分比。天然粗骨料是指公称粒径5～20mm的天然碎石。

天然细骨料用量/％是指细骨料中，天然细骨料的质量用量与细骨料的总质量(即天然细骨料和再生细骨料的总质量)的质量百分比。天然细骨料是指天然中砂。减水剂/％是指减水剂与掺合料与水泥总质量的质量百分比。

表3-2模拟再生骨料的原位强化效果及其对再生混凝土强度的影响

需要说明的是，上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例作出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必经过创造性地劳动。因此，本发明不仅仅限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明作出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种再生骨料的原位强化方法，所述方法是将含再生骨料的混凝土原料搅拌混合，进行原位强化，所述混凝土原料包括掺合料、水泥、粗骨料、细骨料和水，其特征在于：先将全部掺合料和一半质量的水搅拌10～20s，再加入全部粗骨料和细骨料搅拌10～20s，然后加入全部水泥搅拌20～40s，最后加入剩余的一半水继续搅拌30～60s，即得到原位强化的再生骨料混凝土拌合物；

所述粗骨料为再生粗骨料或天然粗骨料中的一种或两种任意比例的混合，所述细骨料为再生细骨料或天然细骨料中的一种或两种任意比例的混合，所述粗骨料和细骨料不同时全部为天然粗骨料和天然细骨料。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的再生粗骨料和再生细骨料由下列一种或两种以上的建筑废弃物破碎、筛分得到：水泥混凝土、烧结砖、蒸压砖。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述掺合料为下列之一或两种以上的混合物：硅粉、矿渣微粉、粉煤灰、沸石粉、磷渣微粉、纳米二氧化硅、偏高岭土。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述掺合料与水泥的重量比为1:1～9。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述水中预先加入减水剂，减水剂的加入量为掺合料和水泥总重量的0.5％～2.0％。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于所述减水剂为聚羧酸高性能减水剂或萘系减水剂。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的方法为：先将全部掺合料和一半质量的水搅拌15～20s，再加入全部粗骨料和细骨料搅拌10～15s，然后加入全部水泥搅拌30s，最后加入剩余的一半水继续搅拌60s，即得到原位强化的再生骨料混凝土拌合物。