CN113075100B - 基于碱骨料反应的再生骨料评估及强化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了基于碱骨料反应的再生骨料评估及强化方法。该方法包括以下步骤：测定再生骨料的孔隙率；根据预配制的砂浆的强度值确定所对应的孔隙率阈值；根据所述孔隙率阈值对再生骨料进行评估；根据评估结果对需要强化的再生骨料进行基于碱骨料反应的强化。本发明根据再生骨料的强度需求，确定了再生骨料混凝土的孔隙率阈值关系，进而根据孔隙率阈值确定再生骨料是否需要强化，能够实现对于再生骨料的准确评估，合理确定强化处理的必要性，避免不必要的强化处理，从而减少成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于碱骨料反应的再生骨料评估及强化方法，属于建筑材料技术领域。
背景技术
混凝土是由粗骨料、细骨料、水泥水化颗粒、未水化水泥颗粒、孔隙和裂纹等不同组分组成的水泥基复合材料，是一种多孔的、在各尺度上多相的非均质复杂体系。
在破碎加工过程中,再生骨料的内部往往会产生大量的微裂缝，导致再生骨料的孔隙率高、吸水性大而且极易吸水饱和，而且再生骨料本身就带有一定程度的复杂的初始损伤，例如碱骨料膨胀损伤。
建筑固废回收后，需要对未知再生骨料本身的质量进行评估，以确定是否可以使用，然而现在缺少一种合适的评估方法。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种再生骨料的评估及强化方法，基于再生骨料的孔隙率评估再生骨料的强度及是否需要强化。
为达到上述目的，本发明提供了基于碱骨料反应的再生骨料评估及强化方法，其包括以下步骤：
测定再生骨料的孔隙率；
根据预配制的砂浆(即需要利用上述再生骨料进行配制的砂浆)的强度值确定所对应的孔隙率阈值；
根据所述孔隙率阈值对再生骨料进行评估；
根据评估结果对需要强化的再生骨料进行基于碱骨料反应的强化。
根据本发明的具体实施方案，本发明所针对的再生骨料是附着砂浆的再生骨料。
根据本发明的具体实施方案，建筑固废回收后，为了得到未知再生骨料的本身质量如何，是否可以不经过强化直接使用，需要怎么强化，本发明采用压汞法为基础来评估再生骨料的质量，即所述测定再生骨料的孔隙率通过压汞法进行。孔结构对混凝土的渗透性和强度等宏观性能有重要影响。压汞法(mercury intrution porosimetry)测孔能准确地测定再生骨料的孔结构参数，例如孔隙率、孔径尺寸和孔径分布。通过加压使汞进入固体中，进入固体孔中的孔体积增量所需的能量等于外力所做的功，即等于处于相同热力学条件下的汞-固界面下的表面自由能。通过试验得到一系列压力p和得到相对应的水银浸入体积V，提供了孔尺寸分布计算的基本数据，采用圆柱孔模型，根据压力与电容的变化关系计算孔体积及比表面积，依据华西堡方程计算孔径分布。压求试验得到的比较直接的结果是不同孔径范围所对应的孔隙量，进一步计算得到总孔隙率。
根据本发明的具体实施方案，孔隙率的大小与混凝土(预配制的砂浆)的强度有着直接关系，本发明根据所需要配制的砂浆的强度确定孔隙率阈值，并基于此对再生骨料进行评价。优选地，根据预配制的砂浆的强度值确定所对应的孔隙率阈值是按照以下公式进行：
其中，fc为预配制的砂浆的强度，单位为N/mm2；
C为预配制的砂浆的密实程度常数，取值范围为75-85；
K为再生骨料的劣化参数，取值范围为0.3-1.0；
P为孔隙率，即孔隙率阈值；
Pcr为预配制的砂浆的强度为零时的孔隙率，取值范围为0.25-0.35。
预配制的砂浆的密实程度常数C由预配制的砂浆本身的特性确定，可以参考本领域的常规方式进行。再生骨料劣化参数K的值代表再生骨料本身的损伤劣化程度，可以根据再生骨料具体的损伤状况在0.3-1.0的范围内进行取值，具体可以参考本领域的常规方式进行，当损伤状况在0.3以下时，劣化过于严重，不考虑利用。
根据本发明的具体实施方案，优选地，所述根据该孔隙率阈值对再生骨料进行评估包括：
将再生骨料的孔隙率与孔隙率阈值进行比较；
当再生骨料的孔隙率高于孔隙率阈值时，再生骨料内部及其附着砂浆的结构脆弱、缺陷严重、内部微裂纹较多，不利于直接利用，判断该再生骨料为需要强化的再生骨料；
当再生骨料的孔隙率不高于孔隙率阈值时，判断该再生骨料为不需要强化的再生骨料。
根据本发明的具体实施方案，强化的方式很多，现有大多数的方法为去除再生骨料上的附着砂浆，提高再生骨料质量，缺点是需要达到300℃-400℃的高温才能洗去，并且由此方法生产出来的再生骨料应用到混凝土中时，混凝土强度对比使用天然骨料的混凝土会有所下降。
根据本发明的具体实施方案，优选地，所述根据评估结对需要强化的再生骨料进行基于碱骨料反应的强化还包括：根据所述再生骨料的孔隙率与所述孔隙率阈值的差别程度，确定浸泡温度和碱溶液浓度，然后再确定浸泡时间。通过根据孔隙率的差别程度来确定最优的浸泡温度和碱溶液浓度，能够使浸泡时间尽可能短，以达到减少费用、降低成本的效果。一般地，再生骨料的孔隙率与孔隙率阈值的差别越大，越要选择采用相对较高的浸泡温度或者相对较高的碱溶液浓度或者较长的浸泡时间。
根据本发明的具体实施方案，本发明优选采用基于碱骨料反应的强化方法，具体包括：
利用碱溶液对再生骨料进行浸泡，使碱硅酸凝胶(ASR凝胶)填充至附着砂浆的孔隙之中。
根据本发明的具体实施方案，优选地，所述再生骨料与所述碱溶液的质量比为1:1.5到1:2。
根据本发明的具体实施方案，碱溶液浓度在一定范围内进行选择，优选地，所述碱溶液的浓度范围为0.8-3mol/L，更优选为1-3mol/L。具体的碱溶液可以选择氢氧化钠溶液。
根据本发明的具体实施方案，浸泡的温度在一定范围内进行选择，优选地，所述浸泡的温度范围为80-130℃，更优选为80-100℃。
根据本发明的具体实施方案，浸泡的时间在一定范围内进行选择，优选地，所述浸泡的时间范围为25-35天，更优选为28天。浸泡的时间可以尽量少一些，以便降低费用、控制成本。
本发明还提供了一种工业再生骨料强化用装置，其包括反应池、反应池顶盖、控制面板，其中：
所述反应池顶盖设于反应池的顶部，用于封闭所述反应池；优选地，反应池顶部的两侧设有滑轮，用于控制反应池顶盖的开闭；
反应池底部布设有加热管(用于调节反应池内的温度)、温度感应器(在控制面板处显示当前反应池内温度)、碱溶液浓度感应器(在控制面板处显示当前反应池内碱溶液浓度)；
控制面板设于反应池的外壁上，分别与加热管、温度感应器、碱溶液浓度感应器连接，用于控制各个部件，可以设置需要的温度、碱溶液浓度及反应时间；
反应池的侧壁上设有碱溶液进液孔、蒸馏水进水口、排水口，碱溶液进液孔、蒸馏水进水孔及排水口分别有两个通道进行液体的加减，并且，碱溶液进液孔、蒸馏水进水口、排水口上分别设有阀门，并且控制这些进液口的阀门控制器与控制面板相连。
当采用上述装置进行强化处理时，可以按照以下步骤进行：
将需要强化的再生骨料倾倒入反应池内，由碱溶液进液孔注入反应所需的碱溶液，由碱溶液进液孔和蒸馏水进水口控制反应池内的碱溶液浓度；
在控制面板上设置需要的参数之后，点击控制面板上的开关，将反应池顶盖关闭，进行反应；
当反应进行完全之后，可以由排水口排出反应池内的溶液，再打开反应池顶盖，取出强化之后的再生骨料。
本发明的技术方案具有以下优点：
本发明将本身具有损伤的再生骨料进行回收利用，降低了成本。适当的碱骨料反应带来的凝胶填充孔隙可以增强再生骨料强度。同时，本发明根据再生骨料的强度需求，确定了再生骨料混凝土的孔隙率阈值关系，进而根据孔隙率阈值确定再生骨料是否需要强化，能够实现对于再生骨料的准确评估，合理确定强化处理的必要性，避免不必要的强化处理，从而减少成本。
本发明所采用的强化方法在适当的碱骨料反应强化再生骨料的时间、温度和碱浓度下进行，能够更好地实现对于再生骨料的强化，避免强化过度带来的负面影响。
本发明的技术方案能够带来以下效果：
1、本发明利用碱骨料反应强化再生骨料，提高了再生骨料的利用效率以及利用效果。
2、本发明合理利用回收再生骨料，减轻环境污染，减少碳排放，变废为宝，减少土地资源占用。
3、本发明可以缓解填埋建筑垃圾的环境污染问题、土地紧缺问题和资源浪费问题，是实行循环经济的具体体现。
附图说明
图1为实验室利用碱骨料反应强化再生骨料的装置的结构示意图。
图2为工业再生骨料强化用装置的结构示意图。
图3为混凝土抗压强度与再生骨料碱骨料反应时间的关系图。
图4为碱骨料反应对再生骨料的补强作用示意图。
主要附图标号说明：
再生骨料强化实验箱101、碱骨料反应容器102、把手103、玻璃窗104、温度调节控制器105；
反应池201、反应池顶盖202、控制面板203、加热管204、温度感应器205、碱溶液浓度感应器206、碱溶液进液孔207、蒸馏水进水口208、排水口209。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
实施例1
本实施例提供了一种实验室利用碱骨料反应强化再生骨料的装置，其结构如图1所示。
该装置为再生骨料强化实验箱101，该再生骨料强化实验箱101内部设有碱骨料反应容器102，箱体一侧设有温度调节控制器105，箱门上设有把手103、玻璃窗104。
在进行强化实验时，可以按照以下步骤进行：
将需要强化的再生骨料放入再生骨料强化实验箱101中的碱骨料反应容器102中，倒入NaOH溶液，关闭实验箱。
调节控制表盘上的温度调节控制器105，控制温度所需要的反应温度进行反应。
实验完成之后，取出浸泡的再生骨料，接着烘干再生骨料之后就可应用到设计混凝土实验之中。
实施例2
本实施例提供了一种工业再生骨料强化用装置，其结构如图2所示。
该工业再生骨料强化用装置包括反应池201、反应池顶盖202、控制面板203，其中：
所述反应池顶盖202设于反应池201的顶部，用于封闭所述反应池201；
反应池201顶部的两侧设有滑轮，用于控制反应池顶盖202的开闭；
反应池201底部布设有加热管204(用于调节反应池内的温度)、温度感应器205(在控制面板处显示当前反应池内温度)、碱溶液浓度感应器206(在控制面板处显示当前反应池内碱溶液浓度)；
控制面板203设于反应池201的外壁上，分别与加热管204、温度感应器205、碱溶液浓度感应器206连接，用于控制各个部件，可以设置需要的温度、碱溶液浓度及反应时间；
反应池201的侧壁上设有碱溶液进液孔207、蒸馏水进水口208、排水口209，碱溶液进液孔207、蒸馏水进水口208及排水口209分别有两个通道进行液体的加减，并且，碱溶液进液孔207、蒸馏水进水口208、排水口209上分别设有阀门，并且控制这些进液口的阀门控制器与控制面板203相连。
在进行强化处理时，可以按照以下步骤进行：
将需要强化的再生骨料倾倒入反应池201内，由碱溶液进液孔207注入反应所需的碱溶液，由碱溶液进液孔207和蒸馏水进水口208控制反应池内的碱溶液浓度；
在控制面板203上设置需要的参数之后，点击控制面板203上的开关，将反应池顶盖202关闭，进行反应；
当反应进行完全之后，可以由排水口209排出反应池201内的溶液，再打开反应池顶盖202，取出强化之后的再生骨料。
实施例3
本实施例提供一种基于碱骨料反应的再生骨料评估及强化方法，具体包括以下步骤：
利用压汞法，测定再生骨料的孔隙率为12.28％；
需要配制的砂浆的强度fc为20MPa，根据以下关系式反算得到孔隙率阈值为10.28％：
其中，C的取值为75，K的取值为0.3，Pcr的取值为0.25；
由于再生骨料的孔隙率高于孔隙率阈值，因此，判断该再生骨料需要进行强化。
该强化按照以下步骤进行：
由于孔隙率差别较大，因此，选择较高的碱溶液浓度，同时辅以相对较高的浸泡温度；
将再生骨料放入不同高温(80℃、100℃)、不同高碱浓度(1mol/L、3mol/L)的氢氧化钠溶液中进行浸泡不同的时间，以使ASR凝胶填充到骨料与附着砂浆之中；
其中，在第0天、7天、28天、60天、210天将浸泡的再生骨料取出，将其烘干之后作为原料制成混凝土，混凝土的具体组成为水泥、天然骨料和再生骨料混用(天然骨料30％、再生骨料70％)、砂、水、减水剂(聚羧酸高效减水剂)，按照表1所示的配合比进行搅拌混合，养护过程为：带模具标准养护一天之后，拆模养护至28天。28天之后拿出用标准混凝土抗压试验机检测混凝土强度，具体如表2和图3所示，其中，表2中的数据对应的浸泡温度为80℃，碱溶液浓度为1mol/L。
表1
| 体积 | 配合比 | 水泥(kg) | 砂(kg) | 石子(kg) | 水(kg) | 减水剂(kg) |
| 1方 | 质量 | 585.63 | 807.84 | 810.00 | 188.38 | 3.98 |
表2
| 再生骨料的浸泡时间，天 | 0 | 7 | 28 | 60 | 210 |
| 混凝土强度，MPa | 39.9 | 42 | 45 | 40 | 34 |
通过实验发现浸泡28天左右时(如图3中的实线所示)，ASR凝胶充分填充了骨料及其附着砂浆，使其应用到混凝土中时，得到的立方体抗压强度相比不浸泡高温碱溶液的再生骨料的混凝土强度提升了12.8％，由此可以看出，用经过强化的再生骨料的混凝土的强度得到了提高。
然而，当将浸泡28天之后的骨料应用到混凝土中时，再生骨料混凝土的强度大幅下降。
根据上述内容可以看出：该实施例3确定了再生骨料碱骨料反应补强作用的阈值，最佳碱骨料反应的浸泡时间，碱骨料反应生成的ASR凝胶完全填充了再生骨料及其附着砂浆的孔隙，ASR凝胶对再生骨料界面过渡区提供了预应压力，提高了再生骨料混凝土的抗压强度，使再生骨料可以达到工程实际的使用标准。
由图3可以看出：当NaOH浓度不变时，升高温度到100℃时进行浸泡，碱骨料反应增强再生骨料混凝土的效果会增强：再生骨料混凝土达到峰值强度所需的碱骨料反应浸泡天数会减少，而且峰值强度会增加。当浸泡温度不变时，升高NaOH浓度到3mol/l时进行实验，碱骨料反应增强再生骨料混凝土的效果会增强：再生骨料混凝土达到峰值强度所需的碱骨料反应浸泡天数会减少，而且峰值强度会增加。
对比图3中的三条曲线可以发现：升高温度获得的增益效果(峰值强度增加，达到峰值强度所需碱骨料反应浸泡天数减少)比增加NaOH浓度所获得的增益效果小。证明可以提高NaOH浓度来达到最大的收益。
对本实施例的结果进行研究发现，一定程度的碱骨料反应可以对再生骨料起到一个补强的作用，使其应用到混凝土中时可以提高强度，但是碱骨料反应过度之后则会产生劣化，整个过程可以分为强化阶段和劣化阶段，具体如下：
强化阶段1-2：如上图4中的1、2所示，脆弱的再生骨料经过碱骨料反应，在再生骨料内部裂缝和表面产生ASR凝胶，随着ASR凝胶的不断产生，再生骨料的微裂缝和其附着砂浆被ASR凝胶完全填充，对孔隙壁施加压力，导致再生骨料产生拉应力，从而再生骨料得到强化。
劣化阶段3：如图4中的3所示，当ASR凝胶产生的压力高于骨料及附着砂浆的最大应力时，就会导致产生更多的内部裂缝，从而致使再生骨料进一步劣化，甚至破碎。
Claims (8)
1.基于碱骨料反应的再生骨料评估及强化方法，其包括以下步骤：
测定再生骨料的孔隙率；
根据预配制的砂浆的强度值确定所对应的孔隙率阈值；所述预配制的砂浆是利用所述再生骨料进行配制的砂浆；
根据所述孔隙率阈值对再生骨料进行评估；
根据评估结果对需要强化的再生骨料进行基于碱骨料反应的强化；
其中，根据预配制的砂浆的强度值确定所对应的孔隙率阈值是按照以下公式进行：
其中，fc为预配制的砂浆的强度，单位为N/mm2；
C为预配制的砂浆的密实程度常数，取值范围为75-85；
K为再生骨料的劣化参数，取值范围为0.3-1.0；
P为孔隙率；
Pcr为预配制的砂浆的强度为零时的孔隙率，取值范围为0.25-0.35；
其中，根据所述孔隙率阈值对再生骨料进行评估包括：
将再生骨料的孔隙率与孔隙率阈值进行比较；
当再生骨料的孔隙率高于孔隙率阈值时，判断该再生骨料为需要强化的再生骨料；
当再生骨料的孔隙率不高于孔隙率阈值时，判断该再生骨料为不需要强化的再生骨料；
其中，所述根据评估结果对需要强化的再生骨料进行基于碱骨料反应的强化还包括：
根据所述再生骨料的孔隙率与所述孔隙率阈值的差别程度，确定浸泡温度和碱溶液的浓度，然后再确定浸泡时间。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述测定再生骨料的孔隙率通过压汞法进行。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，再生骨料的孔隙率与孔隙率阈值的差别越大，越要选择采用相对较高的浸泡温度，相对较高的碱溶液浓度或者较长的浸泡时间。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述基于碱骨料反应的强化包括：
利用碱溶液对再生骨料进行浸泡，使碱硅酸凝胶填充至附着砂浆的孔隙之中。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述再生骨料与所述碱溶液的质量比为1:1.5到1:2。
6.根据权利要求1或4所述的方法，其中，所述碱溶液的浓度为0.8-3mol/L。
7.根据权利要求1或4所述的方法，其中，所述浸泡的温度为80-130℃。
8.根据权利要求1或4所述的方法，其中，所述浸泡的时间为25-35天。
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