CN113955994A - 一种抗氯离子侵蚀再生粗骨料混凝土的制备方法 - Google Patents

Abstract

本专利具体提供了一种抗氯离子侵蚀再生粗骨料混凝土的制备方法。本专利使用粗骨料均为寒冷地区经受冻融失效的混凝土制得的再生粗骨料，能对寒区建筑垃圾进行回收再利用，具有很好的经济和环保效益；同时促进再生粗骨料混凝土在寒冷地区除冰盐环境或滨海环境中的混凝土构筑物中的应用，有利于寒冷地区建筑垃圾再生骨料的内部消纳与循环使用。通过对再生粗骨料进行碳化改性处理，并与碳化再生粗骨料、天然河砂、水泥、粉煤灰、硅灰等进行复配，达到协同增效的成果，使制备的再生粗骨料混凝土孔隙率、吸水率、压碎值得到降级，提高骨料表观密度，使制备的混凝土具有致密的微观结构，提升再生粗骨料混凝土的抗氯离子侵蚀能力。

Description

一种抗氯离子侵蚀再生粗骨料混凝土的制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种抗氯离子侵蚀再生粗骨料混凝土的制备方法。

背景技术

在我国东北，西北，华北等寒冷地区冻融破坏是混凝土建筑结构劣化的主要问题之一。在冻融环境下，混凝土内部毛细孔中的孔溶液结冰使其体积增大，未冻水受到挤压向其它方向流动而形成液压，当液压超过混凝土抗拉强度时即导致混凝土内部结构破坏，大大降低了混凝土的使用寿命。实现寒冷地区冻害混凝土回收再利用，将经受冻融失效的混凝土制得再生骨料经改性处理，重新投入到建筑结构中去，不仅可以缓解自然资源供不应求的局面，同时能解决建筑垃圾处理造成的环境恶化，有效的保护生态环境。如何解决三北地区建筑垃圾重复利用的问题，已经成为学者们关注的焦点。

在寒区海洋混凝土结构和使用除冰盐的路桥工程中，氯离子侵蚀是导致结构失效的重要原因之一。氯离子侵蚀诱发的钢筋锈蚀导致钢筋混凝土结构耐久性降低。研究表明，当结构长期处于氯盐环境中，外部环境的氯离子在浓度梯度作用下从混凝土表面渗透至钢筋表面，与钢筋发生反应产生点蚀。导致钢筋有效截面面积减小，与混凝土之间的粘结作用减弱，并在钢筋混凝土界面形成体积膨胀为原来的2～4倍的反应产物，造成保护层开裂剥落，导致结构失效破坏。对于寒区海洋混凝土结构和使用除冰盐的路桥结构用混凝土，提升其抗氯离子侵蚀能力尤为重要。

相较服役于普通环境混凝土产生的再生粗骨料，由寒冷地区冻害混凝土制备的再生骨料吸附砂浆孔隙率更高，微裂缝更多，界面过渡区更大，这些差异性导致其制备的再生粗骨料混凝土抗氯离子侵蚀能力更弱，大大限制了其在寒冷地区除冰盐环境或滨海环境中的应用。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述及现有技术中存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明的目的在于提供一种抗氯离子侵蚀再生粗骨料混凝土的制备方法。

为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：一种抗氯离子侵蚀再生粗骨料混凝土的制备方法，包括，

再生粗骨料的制备：将冻融失效的废弃混凝土经挤压破碎，加热，碾磨，筛分制得再生粗骨料，自然风干后备用；

再生粗骨料碳化改性处理：将所得再生粗骨料放入碳化箱中进行碳化改性处理，直至完全碳化，得到碳化再生粗骨料；

再生粗骨料混凝土制备：将制得的碳化再生粗骨料，同未碳化再生粗骨料、天然河砂、水泥、粉煤灰、硅灰、减水剂和水混合，制得所述再生粗骨料混凝土。

作为本发明所述抗氯离子侵蚀再生粗骨料混凝土的制备方法的一种优选方案，其中：所述再生粗骨料粒径范围为5～20mm。

作为本发明所述抗氯离子侵蚀再生粗骨料混凝土的制备方法的一种优选方案，其中：所述碳化改性处理，碳化环境为CO₂浓度17～23％、温度18～22℃、相对湿度50～60％、压强0.3～0.7Bar。

作为本发明所述抗氯离子侵蚀再生粗骨料混凝土的制备方法的一种优选方案，其中：所述碳化再生粗骨料，其用研钵研磨后，喷酚酞指示剂，无变色反应。

作为本发明所述抗氯离子侵蚀再生粗骨料混凝土的制备方法的一种优选方案，其中：所述再生粗骨料混凝土制备，还包括：

碳化再生粗骨料650～1000份；天然河砂570～870份；水泥252～388份；粉煤灰50～77份；硅灰33～52份；减水剂1.7～2.6份；水105～161份。

作为本发明所述抗氯离子侵蚀再生粗骨料混凝土的制备方法的一种优选方案，其中：所述再生粗骨料混凝土制备，还包括：

碳化再生粗骨料206～825份；天然河砂720份；水泥319份；粉煤灰64份；硅灰43份；减水剂2.1份；水133份。

作为本发明所述抗氯离子侵蚀再生粗骨料混凝土的制备方法的一种优选方案，其中：所述天然河砂为粒径小于等于4.5mm的河砂；所述水泥为P O 42.5普通硅酸盐水泥；所述粉煤灰等级不低于二级；所述硅灰为特级硅灰；减水剂为聚羧酸减水剂，减水效率不低于25％。

作为本发明所述抗氯离子侵蚀再生粗骨料混凝土的制备方法的一种优选方案，其中：所述再生粗骨料混凝土制备，还包括：

向搅拌机中加入碳化再生粗骨料、天然河砂、附加水，均匀搅拌1min，使其表面成饱和面干状态；

加入水泥，粉煤灰，硅灰，水和减水剂，均匀搅拌2min；

将拌合料装入100×100×100m³，Ф50×100m³模具中，在振动台上振动2min成型；

将试块置于常温下养护24h后脱模，移入标准养护室，在室内温度为20±2℃、相对湿度≥95％下养护28d，得到再生粗骨料混凝土。

本发明的有益效果：

本发明使用粗骨料均为寒冷地区经受冻融失效的混凝土制得的再生粗骨料，对寒区建筑垃圾进行回收再利用，具有很好的经济和环保效益；同时促进再生粗骨料混凝土在寒冷地区除冰盐环境或滨海环境中的混凝土构筑物中的应用，有利于寒冷地区建筑垃圾再生骨料的内部消纳与循环使用。通过对再生粗骨料进行碳化改性处理，并与碳化再生粗骨料、天然河砂、水泥、粉煤灰、硅灰等进行复配，达到协同增效的成果，使制备的再生粗骨料混凝土孔隙率、吸水率、压碎值得到降级，提高骨料表观密度，使制备的混凝土具有致密的微观结构，提升再生粗骨料混凝土的抗氯离子侵蚀能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为实施例1～4及对比例1、2的混凝土试件氯离子渗透深度示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明所提供的一种经受冻融失效的混凝土制备抗氯离子侵蚀再生粗骨料混凝土的方法，其原理如下：经受冻融失效的混凝土制得的再生粗骨料相较于服役于普通环境混凝土产生的再生粗骨料，孔隙和微裂纹更大，为CO₂进入骨料内部创造了有利条件。当再生粗骨料暴露于CO₂环境中时，所含Ca(OH)₂与CO₂结合生成CaCO₃；水合硅酸钙(C-S-H)，未水化的硅酸三钙(C₃S)和硅酸二钙(C₂S)与碳酸盐反应，形成无定形的硅酸钙-碳酸氢盐结合相，高显微硬度的碳化产物填充再生粗骨料内部微裂纹和粘附砂浆微孔，增强界面过渡区(ITZ)性能；同时掺入粉煤灰，硅灰等矿物掺合料，改善水泥硬化浆体的孔隙分布，减少大孔隙和连接孔隙的数量，使制备的混凝土具有致密的微观结构，提升再生粗骨料混凝土的抗氯离子侵蚀能力。

本发明所使用冻融失效的混凝土为实验室模拟寒区混凝土实际工作状态制得，其制备过程包括：(1)按配料取粗骨料825份(由江苏绿和环境科技有限公司提供的建筑废弃混凝土商业用再生粗骨料)；天然河砂720份；水泥319份；粉煤灰64份；硅灰43份；减水剂2.1份；水133份，加入搅拌机中，均匀搅拌3min。(2)将拌合料装入100×100×400m³模具中，在振动台上振动2min成型后，将试块置于常温下养护24h后脱模，移入标准养护室养护28d(标准养护室内温度为20±2℃，相对湿度≥95％)，制备C40高性能混凝土试件。(3)试件标准养护28d后，通过加载(拉应力控制，应力水平取0.8)下室内快速冻融模拟冻融环境至试件失效(相对动弹性模量下降到60％或质量损失达5％)。制备得到的混凝土与自然条件下冻融失效混凝土性质相同。

实施例1：

再生粗骨料的制备：将冻融失效的混凝土经挤压破碎，加热，碾磨，筛分制得粒径为5～20mm的再生粗骨料，自然风干后备用；

再生粗骨料碳化改性处理：将所得再生粗骨料放入碳化箱中进行碳化改性处理，控制CO₂浓度17～23％、温度18～22℃、相对湿度50～60％、压强0.3～0.7Bar，直至完全碳化；

再生粗骨料混凝土制备：将所得的碳化再生粗骨料，同未碳化再生粗骨料、天然河砂、水泥、粉煤灰、硅灰、减水剂和水混合，制得所述再生粗骨料混凝土。

本申请实例中再生粗骨料混凝土的配方如下：

未碳化再生粗骨料619份；碳化再生粗骨料206份；天然河砂720份；水泥319份；粉煤灰64份；硅灰43份；减水剂2.1份；水133份。其中天然河砂粒径小于等于4.5mm；水泥为P O42.5普通硅酸盐水泥；粉煤灰等级不低于二级；硅灰为特级硅灰；减水剂为聚羧酸减水剂，减水效率不低于25％；水为普通自来水。

所述再生粗骨料混凝土的制备方法如下：

(1)按配料取碳化再生粗骨料、未碳化再生粗骨料、天然河砂、水，加入搅拌机中，均匀搅拌1min，使其表面成饱和面干状态；

(2)加入水泥，粉煤灰，硅灰等胶凝材料，自由水和减水剂，均匀搅拌2min；

(3)将拌合料装入100×100×100m³，Ф50×100m³模具中，在振动台上振动2min成型；

(4)将试块置于常温下养护24h后脱模，移入标准养护室养护28d(标准养护室内温度为20±2℃，相对湿度≥95％)。

实施例2：

本实施例与实施例1不同的是，本实施例中再生粗骨料混凝土的配方如下：

未碳化再生粗骨料412.5份；碳化再生粗骨料412.5份；天然河砂720份；水泥319份；粉煤灰64份；硅灰43份；减水剂2.1份；水133份。其中天然河砂粒径小于等于4.5mm；水泥为P O 42.5普通硅酸盐水泥；粉煤灰等级不低于二级；硅灰为特级硅灰；减水剂为聚羧酸减水剂，减水效率不低于25％；水为普通自来水。

其他操作步骤与实施例1相同。

实施例3：

本实施例与实施例1不同的是，本实施例中再生粗骨料混凝土的配方如下：

未碳化再生粗骨料206份；碳化再生粗骨料619份；天然河砂720份；水泥319份；粉煤灰64份；硅灰43份；减水剂2.1份；水133份。其中天然河砂粒径小于等于4.5mm；水泥为P O42.5普通硅酸盐水泥；粉煤灰等级不低于二级；硅灰为特级硅灰；减水剂为聚羧酸减水剂，减水效率不低于25％；水为普通自来水。

其他操作步骤与实施例1相同。

实施例4：

本实施例与实施例1不同的是，本实施例中再生粗骨料混凝土的配方如下：

碳化再生粗骨料825份；天然河砂720份；水泥319份；粉煤灰64份；硅灰43份；减水剂2.1份；水133份。其中天然河砂粒径小于等于4.5mm；水泥为P O 42.5普通硅酸盐水泥；粉煤灰等级不低于二级；硅灰为特级硅灰；减水剂为聚羧酸减水剂，减水效率不低于25％；水为普通自来水。

其他操作步骤与实施例1相同。

对比例1

本对比例与实施例1不同的是，本对比例中再生粗骨料混凝土的配方如下：

未碳化再生粗骨料825份；天然河砂720份；水泥319份；粉煤灰64份；硅灰43份；减水剂2.1份；水133份。其中天然河砂粒径小于等于4.5mm；水泥为P O 42.5普通硅酸盐水泥；粉煤灰等级不低于二级；硅灰为特级硅灰；减水剂为聚羧酸减水剂，减水效率不低于25％；水为普通自来水。

其他操作步骤与实施例1相同。

对比例2

本对比例与实施例1不同的是，本对比例中再生粗骨料混凝土的配方如下：

未碳化再生粗骨料825份；天然河砂720份；水泥426份；减水剂2.1份；水133份。其中天然河砂粒径小于等于4.5mm；水泥为P O 42.5普通硅酸盐水泥；减水剂为聚羧酸减水剂，减水效率不低于25％；水为普通自来水。

其他操作步骤与实施例1相同。

实施例5：

物理测试：

表1为实施例1～4及对比例1、2中碳化前后经受冻融失效混凝土制得再生粗骨料的基本性能指标

表1再生粗骨料处理前后性能对比

测试方法：

参照规范ASTM C642-13测定经受冻融失效混凝土制备的再生粗骨料混凝土的孔隙率，GB/T 50081-2019测定混凝土吸水率和抗压强度，同时参考规范GB/T 50082-2009中RCM法测量再生粗骨料混凝土在标准养护28d龄期的氯离子快速迁移系数。

试验结果

实施例1～4及对比例1、2的性能测试结果如表2所示；

表2实施例1～4及对比例1、2混凝土的性能

从表2可以看出，实施例4中使用100％碳化再生粗骨料制备得再生粗骨料混凝土孔隙率，吸水率最低，抗压强度最高，其中抗压强度达到52.2MPa，远高于目标强度等级C40；且氯离子快速迁移系数最小，可见该配方制得再生粗骨料混凝土力学、耐久性能最优。随着未碳化处理再生粗骨料取代率的提高，制得的再生粗骨料混凝土的孔隙率，吸水率提高，抗压强度逐渐降低。但在实施例1中，使用75％未碳化再生粗骨料，25％碳化再生粗骨料制备得再生粗骨料混凝土抗压强度42.9MPa，高于目标强度；氯离子快速迁移系数也升高至1.07×10^-12m²/s，但仍小于4×10^-12m²/s，满足规范中环境作用等级E，设计使用年限100年的使用要求。

图1表示实施例1～4及对比实施例1、2所制备混凝土试件氯离子渗透深度示意图。其显示了粉煤灰、硅灰的掺入明显降低了再生混凝土氯离子的渗透深度；且随着碳化再生粗骨料掺量的提高，再生混凝土的氯离子渗透深度也逐渐减小。表明矿物掺合料及再生粗骨料的碳化处理对再生混凝土抗氯离子渗透耐久性能提升显著。

实施例6：

本实施例与实施例1不同的是，本实施例中再生粗骨料混凝土的配方如表3所示：

表3不同配方所制备再生粗骨料混凝土的性能

组别1～6还包括碳化再生粗骨料825份、减水剂2.1份、水133份；组别7还包括未碳化再生粗骨料825份、减水剂2.1份、水133份；组别8还包括825份天然河砂、减水剂2.1份、水133份。其中天然河砂粒径小于等于4.5mm；水泥为P O 42.5普通硅酸盐水泥；粉煤灰等级不低于二级；硅灰为特级硅灰；减水剂为聚羧酸减水剂，减水效率不低于25％；水为普通自来水。

其他操作步骤与实施例1相同。

由实施例6及表3可知，在再生混凝土配方比为多种的情况下，仅有组别3，天然河砂：水泥：煤粉灰：硅灰的添加份数比为720：319：64：43的情况下，其性能才能达到最好。而由组别3和组别7、8可知，此配比只有在与825份碳化再生粗骨料共同复合作用下才能发挥此功效，说明此配比下的配方与碳化再生粗骨料产生了更好的协同增效的效果。

可见，本发明所提供的一种经受冻融失效的混凝土制备的再生粗骨料混凝土抗氯离子侵蚀性能优异，并且与其他配方复配增效，可支持在寒冷地区除冰盐环境或滨海环境中应用。

本发明所提供的一种经受冻融失效的混凝土制备抗氯离子侵蚀再生粗骨料混凝土的方法，其原理如下：经受冻融失效的混凝土制得的再生粗骨料相较于服役于普通环境混凝土产生的再生粗骨料，孔隙和微裂纹更大，为CO₂进入骨料内部创造了有利条件。当再生粗骨料暴露于CO₂环境中时，所含Ca(OH)₂与CO₂结合生成CaCO₃；水合硅酸钙(C-S-H)，未水化的硅酸三钙(C₃S)和硅酸二钙(C₂S)与碳酸盐反应，形成无定形的硅酸钙-碳酸氢盐结合相，高显微硬度的碳化产物填充再生粗骨料内部微裂纹和粘附砂浆微孔，增强界面过渡区(ITZ)性能，使制备的混凝土具有致密的微观结构，提升再生粗骨料混凝土的抗氯离子侵蚀能力。

硅灰粒径0.1μm以下的颗粒占80％以上，对水泥颗粒的孔隙起到填充作用，减少孔隙体积，增加了密实性。且粉煤灰和硅灰的二次水化反应会吸收混凝土中的Ca(OH)₂生成较多的C-S-H和水化铝酸钙，水化铝酸钙与Cl^-离子及Ca(OH)₂反应生成Friedel盐(单氯水化铝酸钙，C₃A·CaCl₂·10H₂O和三氯水化铝酸钙C₃A·3CaCl₂·32H₂O)。其次，C-S-H凝胶具有非常大的比表面积，具有较高的表面能，极易将氯离子吸附在其表面，对氯离子起到固化作用。适量粉煤灰与硅灰复合掺入，能形成有益的叠加效应，改善水泥硬化浆体的孔隙分布，减少大孔隙和连接孔隙的数量，提高混凝土的密实性，改善再生粗骨料混凝土的抗氯离子渗透性能。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种抗氯离子侵蚀再生粗骨料混凝土的制备方法，其特征在于：包括，

再生粗骨料的制备：将冻融失效的废弃混凝土经挤压破碎，加热，碾磨，筛分制得再生粗骨料，自然风干后备用；

再生粗骨料碳化改性处理：将所得再生粗骨料放入碳化箱中进行碳化改性处理，直至完全碳化，得到碳化再生粗骨料；

再生粗骨料混凝土制备：将制得的碳化再生粗骨料，同未碳化再生粗骨料、天然河砂、水泥、粉煤灰、硅灰、减水剂和水混合，制得所述再生粗骨料混凝土。

2.如权利要求1所述抗氯离子侵蚀再生粗骨料混凝土的制备方法，其特征在于：所述再生粗骨料粒径范围为5～20mm。

3.如权利要求1所述抗氯离子侵蚀再生粗骨料混凝土的制备方法，其特征在于：所述碳化改性处理，碳化环境为CO₂浓度17～23％、温度18～22℃、相对湿度50～60％、压强0.3～0.7Bar。

4.如权利要求1所述抗氯离子侵蚀再生粗骨料混凝土的制备方法，其特征在于：所述碳化再生粗骨料，其用研钵研磨后，喷酚酞指示剂，无变色反应。

5.如权利要求1所述抗氯离子侵蚀再生粗骨料混凝土的制备方法，其特征在于：所述再生粗骨料混凝土制备，还包括：

碳化再生粗骨料650～1000份；天然河砂570～870份；水泥252～388份；粉煤灰50～77份；硅灰33～52份；减水剂1.7～2.6份；水105～161份。

6.如权利要求1或5所述抗氯离子侵蚀再生粗骨料混凝土的制备方法，其特征在于：所述再生粗骨料混凝土制备，还包括：

碳化再生粗骨料206～825份；天然河砂720份；水泥319份；粉煤灰64份；硅灰43份；减水剂2.1份；水133份。

7.如权利要求1所述抗氯离子侵蚀再生粗骨料混凝土的制备方法，其特征在于：所述天然河砂为粒径小于等于4.5mm的河砂；所述水泥为PO 42.5普通硅酸盐水泥；所述粉煤灰等级不低于二级；所述硅灰为特级硅灰；减水剂为聚羧酸减水剂，减水效率不低于25％。

8.如权利要求1所述抗氯离子侵蚀再生粗骨料混凝土的制备方法，其特征在于：所述再生粗骨料混凝土制备，还包括：

向搅拌机中加入碳化再生粗骨料、天然河砂、附加水，均匀搅拌1min，使其表面成饱和面干状态；

加入水泥，粉煤灰，硅灰，水和减水剂，均匀搅拌2min；

将拌合料装入100×100×100m³，Ф50×100m³模具中，在振动台上振动2min成型；

将试块置于常温下养护24h后脱模，移入标准养护室，在室内温度为20±2℃、相对湿度≥95％下养护28d，得到再生粗骨料混凝土。

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