CN116354679B - 一种应变硬化型再生粗骨料混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水泥基建筑材料技术领域，尤其是涉及一种应变硬化型再生粗骨料混凝土及其制备方法，通过对再生粗骨料进行改性，并配合改性聚乙烯纤维，制备一种价格低廉、性能优异、对环境友好的高变形能力的应变硬化型混凝土，实现建筑垃圾的再利用。

Description

一种应变硬化型再生粗骨料混凝土及其制备方法

技术领域

本发明涉及水泥基建筑材料技术领域，尤其是涉及一种应变硬化型再生粗骨料混凝土及其制备方法。

背景技术

随着城市建设的不断发展，许多废旧的混凝土建筑结构逐渐被淘汰，因此产生了大量的废弃混凝土。此外，由于地震及其他自然灾害而产生的废弃混凝土也还有很多，废弃混凝土的大量堆存会引发一系列的环境问题。然而，将废弃混凝土破碎后形成的再生骨料掺入混凝土中可以制备新的混凝土。与普通混凝土相比，应变硬化型再生粗骨料混凝土的制备大大减少了自然资源的使用，从而避免了自然资源的过度利用。此外，采用再生骨料制备高延性混凝土有助于提高废弃混凝土的利用率，从而解决废弃混凝土堆存引发的环境问题。

然而再生粗骨料中含有较多的针片状颗粒，这些针片状颗粒的脆性高、易折断，会极大影响硬化混凝土的强度。不仅如此，针片状颗粒会严重影响混凝土的和易性。所以本发明对再生粗骨料进行辊压整形处理，可以改善再生骨料的颗粒形状，减少针片状颗粒，有助于改善新拌混凝土拌合物的和易性。同时，再生粗骨料整形可使其表面的软弱颗粒剥落，从而明显改善再生骨料的强度。此外，再生粗骨料表面附着旧的水泥砂浆，使其具有吸水率高、耐久性差等特点。

普通含再生粗骨料的混凝土的脆性高，易于发生脆性断裂。通过在含再生骨料的混凝土中掺入纤维，可提高韧性，但混凝土的变形能力并不高，即便不添加粗骨料的高韧性混凝土，其拉伸变形大部分小于1%。专利1（季龙泉，李全堂，亓良树，季元升，一种再生骨料高性能混凝土的制备方法，CN201210429073.3，20121031）公布了一种再生骨料高性能混凝土的制备方法。该方法利用废弃混凝土制备再生骨料，然后将再生骨料替代砂石掺入混凝土中，进而制得一种含再生骨料的高性能混凝土。专利2（陈锡，陈帅帅，陈雅迪，陈潘伟，一种新型高延性混凝土及其制备方法及其设备，CN114044653A，20211115）公布了一种新型高延性混凝土及其制备方法及其制备。该方法通过添加钢纤维、有机硅消泡剂、减水剂、环氧树脂和聚乙烯醇纤维有效增强了混凝土的抗拉弯强度，并且能有效防止混凝土拌合过程中因骨料下沉出现离析的现象。此外，有效地减少因泌水而形成的连通空隙，提高了混凝土的强度和抗渗性。另外通过控制粗骨料和细骨料的粒径范围，使得聚乙烯醇纤维更好的与细骨料和粗骨料结合，从而能够进一步增强混凝土的力学强度。

上述技术存在的不足在于：（1）专利1中用再生骨料制备的高性能混凝土较传统的普通碎石、河砂混凝土的孔隙率小，混凝土更加密实，因而混凝土的抗压强度得到很大的提高。但用这种方法制备的混凝土的韧性低、抗裂性能低，从而易于发生脆性断裂，进而影响混凝土的耐久性。（2）专利2中钢纤维搅拌时易结团且极易发生锈蚀。此外，钢纤维与混凝土的粘附性不足，易发生拔出破坏，从而影响混凝土的抗拉强度。钢纤维在混凝土裂缝产生后由于数量有限，对微观裂缝约束效果不大，对抗渗、冻融等性能提高并不明显。另外，施工中钢纤维密度过大，振捣浇筑时往往会沉于混凝土底部，不能均匀分布。

近年来应变硬化型由于具有良好的延性，得到广泛研究，但其一般不添加粗骨料，一般采用天然细骨料，成本高，现有技术并未存在添加再生粗骨料制备应变硬化型混凝土的相关记载。

发明内容

为解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种应变硬化型再生骨料混凝土，通过对再生粗骨料进行改性，并配合改性聚乙烯纤维，制备一种价格低廉、性能优异、对环境友好的高变形能力的应变硬化型混凝土，实现建筑垃圾的再利用。

具体的，本发明应变硬化型再生粗骨料混凝土，由以下重量份原料组成：水泥410-530份，粉煤灰520-700份，改性再生粗骨料200-420份，石英砂300-500份，改性聚乙烯纤维10-25份，水220-430份，减水剂5-10份，增稠剂3-5份。

优选的，所述改性再生粗骨料由废弃混凝土经粗碎、细磨、洗涤干燥、整形、碳化制备得到。

优选的，所述改性再生粗骨料制备方法为：

废弃混凝土准备：从建筑垃圾中回收废弃混凝土；若废弃混凝土过大，可使用风镐等设备对过大的废弃混凝土块进行破碎，使其可以进入如后续粉碎机的入料口；

粗碎：将废弃混凝土置于颚式破碎机进行粗碎，使用砂石筛进行筛分，去除小于5mm的细粉，保留粗颗粒进入下一步工序；

细磨：将粗颗粒送入转筒球磨机进行细磨，对细磨产物进行筛分，继续去除小于5mm的细粉；细磨过程中转筒球磨机中不放置任何钢球，通过再生粗骨料颗粒之间的相互碰撞、摩擦等方式，实现对自身表面老旧砂浆的部分去除，并起到一定的改善粒形的效果；

洗涤干燥：将筛分后细磨产物进行洗涤、干燥；通过将再生粗骨料通过直线振动水洗筛进行洗涤和筛分，去除表面的黏附的粉末和未完全脱落的砂浆等其他杂质，提高骨料的质量，将洗涤后的粗骨料放入烘干设备中以105摄氏度进行烘干2小时，保证颗粒干燥，防止后续过程中的粘结和聚合；

整形：将干燥后骨料进行辊压整形；调整辊子的间距和速度，以0.7-1.4m/s的线速度将干燥后的再生粗骨料入料，进行辊压整形处理，进一步有效的去除针片状颗粒，改善颗粒粒型，剥落表面软弱颗粒，有助于改善新拌混凝土拌合物的和易性，改善再生骨料的强度；

碳化：采用二氧化碳进行碳化处理；通过二氧化碳与再生粗骨料表面附着的水泥砂浆的水化产物（30%~40%氢氧化钙、50%~60%水化硅酸钙等）及未水化的水泥的碳化反应，可以改善再生粗骨料的孔隙结构，从而增加再生骨料的密实度、减小吸水率，增强再生粗骨料的物理性质。

由废弃混凝土制备的再生粗骨料可能含有大量的针片状颗粒，且再生粗骨料的表面含有大量的硬化砂浆，这将导致再生粗骨料的密度较低、吸水率较大、孔隙率较高、耐久性较差。而这些缺点将直接导致含再生粗骨料的混凝土的性能较差。现有技术为提高再生粗骨料性能有诸多方法，比如裹浆法、渗透法、整形法、碳化法等等，但本发明研究发现，上述工艺处理的再生粗骨料并不一定能用于应变硬化型混凝土的生产，经过大量研究，本发明先对再生粗骨料进行辊压整形处理以减少针片状颗粒，并配合增稠剂，有效改善新拌混凝土拌合物的和易性，然后对再生粗骨料进行碳化改性处理，利用再生粗骨料与二氧化碳发生反应，可以改善再生粗骨料的孔隙结构，显著降低再生粗骨料的吸水率和孔隙率，最后根据颗粒堆积理论模型调整各原材料组分占比，最大化密实基体以增加纤维与基体的界面粘结能力。使用处理后的再生粗骨料制备得到的基体，配合增稠剂的使用，可显著增强纤维与基体的界面粘结性能。根据大量的单纤维拔出试验结果发现，纤维从上述基体中拔出时表现出明显的滑移强化现象，同时滑移强化参数β、最大粘结应力τ和峰值滑移位移δ都有显著的增加，这样可以有效地提高裂缝处纤维的桥接能力和补充余能，使复合材料的桥联应力大于初裂应力、补充余能大于断裂能，从而满足强度准则和能量准则，实现再生粗骨料混凝土的应变硬化和稳态多缝开裂，提高混凝土延性，制备出满足施工的应变硬化型混凝土。本发明将改性再生粗骨料掺入到混凝土中，可以大大减少自然资源的使用，从而避免自然资源的过度利用。此外，合理利用再生粗骨料可以减少碳排放，保护环境。

优选的，所述改性聚乙烯纤维由硅烷偶联剂KH902对聚乙烯纤维表面处理得到。

更优选的，改性聚乙烯纤维制备步骤如下：1）将聚乙烯纤维置于装有蒸馏水的超声容器中，超声振动8-10 min；2）将聚乙烯纤维取出，浸入1%的硅烷偶联剂KH902溶液中，在室内常温下搅拌8 min；3）取出浸泡后的聚乙烯纤维，置于室内常温条件下干燥5 h；4）置于烘箱中固化48 h (固化温度为50℃)，以保证纤维和偶联剂良好的结合。本发明研究发现，KH902改性效果优于其他品类硅烷偶联剂。

优选的，所述水泥为普通硅酸盐水泥或者复合硅酸盐水泥，28天抗压强度≥42.5MPa。

优选的，所述粉煤灰为F级粉煤灰，粒径范围为50-400μm，比表面积≥400m²/kg。

优选的，碳化处理过程中二氧化碳浓度为20-40%，处理时间为2-6h。

优选的，所述聚乙烯纤维的长度为12-36 mm，直径为20-40 μm，长径比＞600，断裂延伸率为2-3%，抗拉强度＞3000MPa。

本发明采用改性聚乙烯纤维制备应变硬化型再生粗骨料混凝土，聚乙烯纤维具有较高的抗拉强度和拉伸弹性模量，对于实现应变硬化型高延性混凝土的高延性、高耐久性和良好的裂缝控制行为有益。然而，本发明研究发现，聚乙烯纤维具有较强的憎水性，加之再生粗骨料的影响，使得其与混凝土基体的粘结力相对较弱。因此，本发明采用硅烷偶联剂溶液（KH902）对纤维进行表面改性处理，可以使纤维与基体之间构建起良好的粘结，进而使混凝土获得良好的应变硬化和多缝开裂效果。此外，聚乙烯纤维体积分数为混凝土总体积的1.5-2.5%左右，此掺量的纤维可实现混凝土的高延性要求。纤维参数的选择对制备具有应变硬化和多缝开裂特性的再生粗骨料混凝土的力学性能极为关键。本发明是在大量的单纤维拔出试验基础上，通过探索纤维埋深、直径和角度对改性聚乙烯纤维/改性再生粗骨料基体界面粘结性能的影响，推导出weibull参数与纤维埋深、直径、角度和断裂率的函数关系，从而建立基于随机概率分布的单纤维拔出力学模型和裂缝截面桥接力模型，实现了对纤维长度、直径和其他参数的优化选择，定量地指导PE纤维的改性处理。因此，将改性聚乙烯纤维掺入混凝土中，可以制备得到应变硬化型再生粗骨料高延性混凝土，这类混凝土在实现高延性的同时，也可以保持良好的裂缝开裂行为。该方法简单有效，可对高延性混凝土的配合比及纤维的掺量和强度进行深度设计，从而制备一种具有优异力学性能和断裂韧性的应变硬化型再生粗骨料混凝土。

优选的，所述减水剂为聚羧酸减水剂，更优选的，所述减水剂为聚羧酸减水剂粉剂。

优选的，所述增稠剂为纤维素醚。

本发明还涉及上述应变硬化型再生粗骨料混凝土的制备方法，包括如下步骤：

1）首先将按重量份称好的水泥、粉煤灰、石英砂、减水剂加入搅拌机慢速干拌，使干料混合均匀；

2）向搅拌机中加入水，待干料液化后，加入增稠剂慢速搅拌；

3）将改性聚乙烯纤维加入搅拌机中快速搅拌，以使纤维分散均匀；

4）将改性再生粗骨料加入搅拌机中，继续慢速混合搅拌均匀；

5）将搅拌好的浆体浇筑在模具中，振捣成型后用塑料膜密封，脱模后在室内常温条件下继续养护至28天，即得。

优选的，步骤1）慢速干拌时间为1-3min。

优选的，步骤2）慢速搅拌时间为1-5min。

优选的，步骤3）快速搅拌时间为2-4min。

优选的，步骤4）慢速搅拌时间为3-4min。

优选的，步骤5）振捣时间为3-4min。

优选的，慢速搅拌的转速为105-125r/min。

优选的，快速搅拌的转速为185-205r/min。

本发明的特点及优良效果如下：

1）本发明通过对纤维、基体以及纤维-基体界面的微观结构调控，解决了应变硬化型混凝土难以使用再生粗骨料的问题；

2）本发明对再生粗骨料、纤维进行改性处理，有效改善了再生粗骨料的微观结构，降低了应变硬化型混凝土的孔隙率和吸水率，解决了聚乙烯纤维与再生混凝土粘结力差的问题；

3）本发明可高效利用由废弃混凝土制备的再生粗骨料，减少水泥和天然砂的用量，减少碳排放，绿色环保，碳化处理工艺可采用高二氧化碳含量的工业废气，例如水泥窑尾气等，实现废弃物环保再利用，提高附加值。

具体实施方式

为表征本发明的技术效果，对本发明28d养护后的混凝土进行机械性能测试。

实施例和对比例若无特殊说明，水泥采用42.5普通硅酸盐水泥，粉煤灰采用F级二级粉煤灰，聚乙烯纤维长度为12-24mm，长径比＞750，减水剂采用聚羧酸减水剂粉体，增稠剂选用羟丙基甲基纤维素醚，改性聚乙烯纤维由硅烷偶联剂KH902对聚乙烯纤维表面处理得到，改性再生粗骨料由废弃混凝土经粗碎、细磨、洗涤干燥、整形、碳化制备得到，改性再生粗骨料粒径为5-20mm，碳化过程采用25%浓度二氧化碳的气体处理3h。

实施例1

应变硬化型再生骨料混凝土，由以下重量份原料组成：水泥410份，粉煤灰530份，改性再生粗骨料220份，石英砂310份，改性聚乙烯纤维12.6份，水235份，减水剂5.4份，增稠剂3份。

经检测，改性再生粗骨料在混凝土基体中分散均匀，且由于改性聚乙烯纤维的存在，材料具有良好的断裂韧性，混凝土具有显著的应变硬化特征，拉伸应变能力为7.60%，裂缝宽度为104.6μm，具有优异的稳态开裂行为和变形能力。

实施例2

应变硬化型再生粗骨料混凝土，由以下重量份原料组成：水泥475份，粉煤灰585份，改性再生粗骨料310份，石英砂389份，改性聚乙烯纤维16.5份，水310.5份，减水剂6.5份，增稠剂4份。

经检测，改性再生粗骨料在混凝土基体中分散均匀，且由于改性聚乙烯纤维的存在，材料具有良好的断裂韧性，混凝土具有显著的应变硬化特征，拉伸应变能力为8.10%，裂缝宽度为98.7μm，具有优异的稳态开裂行为和变形能力。

实施例3

应变硬化型再生粗骨料混凝土，由以下重量份原料组成：水泥510份，粉煤灰555份，改性再生粗骨料405份，石英砂445份，改性聚乙烯纤维23份，水394.2份，减水剂7.2份，增稠剂5份。

经检测，改性再生粗骨料在混凝土基体中分散均匀，且由于改性聚乙烯纤维的存在，材料具有良好的断裂韧性，混凝土具有显著的应变硬化特征，拉伸应变能力为6.54%，裂缝宽度为89.6μm，具有优异的稳态开裂行为和变形能力。

对比例1

混凝土，由以下重量份原料组成：水泥510份，粉煤灰555份，5-20mm再生粗骨料405份，石英砂445份，聚乙烯纤维23份，水394.2份，减水剂7.2份，增稠剂5份。

经检测，再生粗骨料在混凝土基体中分散不均匀，容易沉底，无应变硬化行为，裂缝宽度为167.4μm。

对比例2

混凝土，由以下重量份原料组成：水泥510份，粉煤灰555份，改性再生粗骨料405份，石英砂445份，聚乙烯纤维23份，水394.2份，减水剂7.2份，增稠剂5份。

经检测，聚乙烯纤维与混凝土基体的粘结力较差，混凝土没有出现多裂缝行为。

对比例3

混凝土，由以下重量份原料组成：水泥510份，粉煤灰555份，再生粗骨料405份，石英砂445份，改性聚乙烯纤维23份，水394.2份，减水剂7.2份，增稠剂5份。

经检测，混凝土中纤维出现团聚现象，基体黏聚性较差，塌落度较大，混凝土有严重坍塌现象。

对比例4

混凝土，由以下重量份原料组成：水泥510份，粉煤灰555份，改性再生粗骨料A405份，石英砂445份，改性聚乙烯纤维23份，水394.2份，减水剂7.2份，增稠剂5份。

与实施例3相比，改性再生粗骨料A与改性再生粗骨料相比，将碳化步骤改为水玻璃浸泡3h。经检测，混凝土拉伸应变能力为1.53%，裂缝宽度为166.9μm。

对比例5

混凝土，由以下重量份原料组成：水泥510份，粉煤灰555份，改性再生粗骨料405份，石英砂445份，改性聚乙烯纤维A23份，水394.2份，减水剂7.2份，增稠剂5份。

与实施例3相比，改性聚乙烯纤维A与改性聚乙烯纤维相比，将硅烷偶联剂更换为KH550。经检测，混凝土拉伸应变能力为0.99%，裂缝宽度为205.2μm。

最后应说明的是：以上各实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施方式技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种应变硬化型再生粗骨料混凝土，其特征在于，由以下重量份原料组成：水泥410-530份，粉煤灰520-700份，改性再生粗骨料200-420份，石英砂300-500份，改性聚乙烯纤维10-25份，水220-430份，减水剂5-10份，增稠剂3-5份；

所述改性再生粗骨料制备方法为：

废弃混凝土准备：从建筑垃圾中回收废弃混凝土；

粗碎：将废弃混凝土置于颚式破碎机进行粗碎，使用砂石筛进行筛分，去除小于5mm的细粉，保留粗颗粒进入下一步工序；

细磨：将粗颗粒送入转筒球磨机进行细磨，对细磨产物进行筛分，继续去除小于5mm的细粉；

洗涤干燥：将筛分后细磨产物进行洗涤、干燥；

整形：将干燥后骨料进行辊压整形；

碳化：采用二氧化碳进行碳化处理；

所述改性聚乙烯纤维由硅烷偶联剂KH902对聚乙烯纤维表面处理得到。

2.根据权利要求1所述应变硬化型再生粗骨料混凝土，其特征在于，所述水泥为普通硅酸盐水泥或者复合硅酸盐水泥，28天抗压强度≥42.5MPa。

3.根据权利要求1所述应变硬化型再生粗骨料混凝土，其特征在于，所述粉煤灰为F级粉煤灰，粒径范围为50-400μm，比表面积≥400m²/kg。

4.根据权利要求1所述应变硬化型再生粗骨料混凝土，其特征在于，碳化处理过程中二氧化碳浓度为20-40%，处理时间为2-6h。

5.根据权利要求1所述应变硬化型再生粗骨料混凝土，其特征在于，所述聚乙烯纤维的长度为12-36 mm，直径为20-40 μm，长径比＞600，断裂延伸率为2-3%，抗拉强度＞3000MPa。

6.根据权利要求1所述应变硬化型再生粗骨料混凝土，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸减水剂。

7.根据权利要求1所述应变硬化型再生粗骨料混凝土，其特征在于，所述增稠剂为纤维素醚。

8.根据权利要求1-7任一所述应变硬化型再生粗骨料混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）首先将按重量份称好的水泥、粉煤灰、石英砂、减水剂加入搅拌机慢速干拌，使干料混合均匀；

2）向搅拌机中加入水，待干料液化后，加入增稠剂慢速搅拌；

3）将改性聚乙烯纤维加入搅拌机中快速搅拌，以使纤维分散均匀；

4）将改性再生粗骨料加入搅拌机中，继续慢速混合搅拌均匀；

5）将搅拌好的浆体浇筑在模具中，振捣成型后用塑料膜密封，脱模后在室内常温条件下继续养护至28天，即得。

9.根据权利要求8所述应变硬化型再生粗骨料混凝土的制备方法，其特征在于， 步骤1）慢速干拌时间为1-3min，步骤2）慢速搅拌时间为1-5min，步骤3）快速搅拌时间为2-4min，步骤4）慢速搅拌时间为3-4min，步骤5）振捣时间为3-4min。

10.根据权利要求8所述应变硬化型再生粗骨料混凝土的制备方法，其特征在于， 慢速搅拌的转速为105-125r/min，快速搅拌的转速为185-205r/min。