强化处理对砖骨料再生混凝土性能影响试验研究_郝贵强.pdf

第 37 卷第 1 期粉 煤 灰 综 合 利 用Vol37No12023 年2 月FLY ASH COMPEHENSIVE UTILIZATIONFeb2023材料科学强化处理对砖骨料再生混凝土性能影响试验研究*Calculation of Compressive Strength of ecycled Concrete Considering Substitution ate and Aggregate Quality郝贵强1，冯寒非2，3，4，于海丰2，3，4，赵媛媛2，3，4，李志强1，贾智喜2，3，4(1.中土大地国际建筑设计有限公司，河北 石家庄 050046;2.河北科技大学 建筑工程学院，河北 石家庄 050018;3.河北省岩土与结构体系防灾减灾技术创新中心(筹)，河北 石家庄 050018;4.河北科技大学 智能低碳装配式建筑技术研究中心，河北 石家庄 050018)*基金项目:石家庄市科学技术研究与发展计划项目(216160147A);国家级大学生创新创业训练计划项目(202210082006);河北省高等学校科学技术研究项目(QN2021223)。作者简介:郝贵强(1972)，男，博士，教授级高级工程师，研究方向:结构工程。通信作者:于海丰(1980)，男，博士，教授，硕士生导师，研究方向:结构工程。收稿日期:20220309摘要:针对砖骨料原始缺陷，采用两种化学溶液(水玻璃溶液、有机硅憎水剂)分别浸泡和水泥外裹浆对其进行强化处理，分析砖骨料微观强化机理并结合砖骨料再生混凝土抗压试验进行宏观论证。试验共设计28 组不同强化方式砖骨料和取代率的砖骨料再生混凝土试件，增加参数变量胶凝材料用量，通过对砖骨料再生混凝土的抗压强度的试验，探究砖骨料品质、砖骨料取代率等因素对砖骨料再生混凝土的抗压强度影响。结果表明:两种化学溶液浸泡和外裹浆对砖骨料吸水率和压碎指标均有提升，随着砖骨料品质提高，再生混凝土的抗压强度增加。且随着胶凝材料用量增加，可降低砖骨料对混凝土强度的削弱程度。关键词:砖骨料再生混凝土;砖骨料品质;取代率中图分类号:TU528.01文献标志码:A文章编号:10058249(2023)01006308DOI:1019860/jcnkiissn10058249202301012HAO Guiqiang1，FENG Hanfei2，3，4，YU Haifeng2，3，4，ZHAO Yuanyuan2，3，4，LI Zhiqiang1，JIA Zhixi2，3，4(1.Zhongtu International Architectural Design Co.，Ltd.，Shijiazhuang 050046，China;2.School of Civil Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang 050018，China;3.Innovation Center of Disaster Prevention and Mitigation Technology for Geotechnical andStructural Systems of Hebei Province(Preparation)，Shijiazhuang 050018，China;4.Engineering Technology esearch Center for Intelligent lowcarbon Assembled Building，Shijiazhuang 050018，China)Abstract:In view of the original defects of brick aggregate，two chemical solutions(aqueous glass solution and silicone water repellent)were soaked and cement coated slurry respectively，and the micro strengthening mechanism of brick aggregate was analyzed and thecompression test of recycled concrete was demonstrated.A total of 28 sets of recycled concrete specimens with different reinforcementmethods and substitution rate were designed，And using the water glass treatment group as an extended group，Increase the amount of64粉煤灰综合利用37 卷材料科学gel material used for the parameter variable，testing the compressive strength of recycled concrete of brick aggregate，Explore theinfluence of brick aggregate quality，brick aggregate replacement rate and other factors on the compressive strength of brick aggregaterecycled concrete.The results show that the results of two kinds of chemical solutions immersion and external pulp improve the waterabsorption rate and crushing index of brick aggregate.With the improvement of brick aggregate quality，the compressive strength ofrecycled concrete increases.And with the increase of adhesive material，the weakening degree of concrete strength can be reduced.Keywords:brick aggregate recycled concrete;brick aggregate quality;replacement rate0引言我国提出了到 2030 年碳达峰、2060 年碳中和的重要战略决策，对全球环境改善意义重大，而实现“双碳”目标必须推进源头防治。住建部也在 2020 年发布 住房和城乡建设部建筑市场监管司 2020 年工作要点1 提出积极推出绿色建设，印发了两部指导手册，促进建筑废弃物源头减量化。但对于我国建筑垃圾中比重较多的黏土砖，仅有极少量被再利用，而其他大部分都是通过填埋法和堆砌法来进行处理，不仅浪费了大量的土地，而且对环境造成了不良的影响。而通过对废旧黏土砖的回收利用，可以有效促进建筑行业的可持续发展。近些年众多学者对再生骨料再利用进行研究，王春福等2 对再生骨料研究整理发现，通过对建筑垃圾分类，只通过简单的粉碎和筛分，获得的再生骨料具有棱角多、孔隙率高、吸水率高等缺陷;Zhang 等3 研究发现，再生骨料直接代替天然骨料会影响再生混凝土的硬化性能，再生混凝土各项指标不理想;Li 和 Kou 等45 对其进行抗压强度、抗拉强度和抗折强度试验，结果显示均普遍低于普通混凝土。因此，有学者对再生骨料进行强化研究，王雅思等6 和宋学锋等7 使用纳米二氧化硅改性法和二氧化碳强化法对再生骨料增强，研究发现增强效果显著。同时，使用聚合硫酸铝和水玻璃化学强化法，以及采用水泥浆、偏高岭土地聚物、掺粉煤灰偏高岭土地聚物、水泥浆偏高岭土地聚物进行强化，结果表明均对再生骨料有强化效果811。而肖建庄、张丽素和孙晓瑜等1214 对再生混凝土力学性能研究分析，再生混凝土的水灰比、再生骨料取代率是影响力学性能的主要因素。而混合骨料中砖骨料含量与吸水率、压碎指标均呈线性关系15。这些研究成为再生材料利用的重要理论支撑和技术指导，但此类强化措施是否适用于砖骨料还有待进一步研究。基于以上研究，本文将废黏土砖进行初级破碎作为混凝土粗骨料，对砖骨料本身存有的低强度、高吸水率等缺陷进行水玻璃、有机硅、水玻璃水泥浆以及有机硅水泥浆强化处理，分析再生砖骨料强化机理，探究砖骨料再生混凝土在砖骨料品质和砖骨料取代率影响下的抗压强度的变化规律，为砖骨料再生混凝土的推广应用提供参考。1试验概况1.1试验材料试验所用砖骨料为雄安新区旧建筑拆除经破碎筛分后得到，粒径为 520 mm，砖骨料性能参数见表 1;有机硅憎水剂、水玻璃(即液体硅酸钠)，具体化学成分见表 2、表 3;采用 PO 42.5水泥;使用阻泥型高效减水剂，液态无色，减水率大于 20%，适用于砂石含泥量较高条件下混凝土的生 产;使 用 细 度 模 数 为 2.6 的 河 砂 和 自来水。表 1砖骨料性能指标Table 1Performance index of brick aggregate表观密度/(kg/m3)堆积密度/(kg/m3)吸水率/%压碎值/%2437.0128612.521.64表 2有机硅憎水剂成分Table 2silicone repellent composition/%聚甲基硅氧烷乳化剂去离子水5570373.30表 3水玻璃参数Table 3Sodium silicate parameter型号二氧化硅(SiO2)/%氧化钠(Na2O)/%模数(M)SP3827.38.543.301 期郝贵强等:强化处理对砖骨料再生混凝土性能影响试验研究65材料科学1.2砖骨料强化处理方式将砖骨料先经过 5 mm 的筛网，然后使用水玻璃溶液或有机硅溶液进行化学浸泡，浸泡过程中，每隔 0.5 h 充分搅拌浆液，24 h 以后，将已浸泡的砖骨料取出，在室温下摊晒、烘干、然后装袋。经两种化学浸泡处理后的砖骨料进行水泥浆包裹，将其置于室温下晾干，翻转避免黏连，7 d 后装袋待用，处理效果如图 1 所示。(a)水玻璃浸泡(b)有机硅浸泡(c)水玻璃浸泡后裹浆(d)有机硅浸泡后裹浆图 1砖骨料强化处理效果图Fig.1Brick aggregate strengthening treatment effect diagram1.3砖骨料再生混凝土试件设计试验共制备 28 组不同配合比的砖骨料再生混凝土试件，以不同砖骨料强化处理和取代率为设计变量，具体变量参数为:(1)根据强化方式不同，将砖骨料分为:无处理、水玻璃浸泡、水玻璃浸泡后裹浆、有机硅浸泡、有机硅浸泡后裹浆五类，分别以字母表示为:W、S、SG、Y 和 YG;(2)砖骨料取代率 g分别为 50%、75%和 100%，0 为基准对照组;(3)基于前期强化效果，选择简便且效果显著的 S 处理方式作为扩展组，增加胶凝材料用量为另一参数变量，胶凝材料用量分别为 400、450 和 500 kg/m3。参考 JG/J 552011普通混凝土配合比设计规程16，砖骨料再生混凝土其他材料掺量设计:砂率为 0.38，减水剂为凝胶用量的 0.9%，控制拌合物坍落度在 100 140 mm范围内确定用水量，砖骨料再生混凝土配合比见表 4。制作 150 mm150 mm150 mm 砖骨料再生混凝土试件并在标准养护室养护 28 d，如图 2 所示，测砖骨料再生混凝土试件 28 d 抗压强度。依据 GB/T 500812019 混凝土物理力学性能试验方法标准17 中的规定进行混凝土抗压试验。表 4砖骨料再生混凝土配合比Table 4Brick aggregate recycled concrete mix编号胶凝材料用量/(kg/m3)砖骨料取代率/%用量/(kg/m3)天然碎石/(kg/m3)天然砂/(kg/m3)减水剂/(kg/m3)W5000500001045.6588.25.0W5005050050488.0524.0568.05.0W5007550075732.0524.0560.05.0W500100500100976.0260.0548.05.0S5000500001045.6588.25.0S5005050050487.2522.8568.15.0S5007550075730.7261.4558.15.0S500100500100974.30548.15.0SG5000500001045.6588.25.0SG5005050050492.0524.0572.05.0SG5007550075730.7261.4558.15.0SG500100500100974.30548.15.0Y5000500001045.6588.25.0Y5005050050486.6522.1568.85.0Y5007550075732.0524.0560.05.0Y500100500100976.0260.0548.05.0YG5000500001045.6588.25.0YG5005050050490.1525.3571.35.066粉煤灰综合利用37 卷材料科学续表编号胶凝材料用量/(kg/m3)砖骨料取代率/%用量/(kg/m3)天然碎石/(kg/m3)天然砂/(kg/m3)减水剂/(kg/m3)YG5007550075732.0524.0560.05.0YG500100500100976.0260.0548.05.0S4000400001092.1614.34.0S4005040050508.8546.0593.34.0S4007540075763.2273.0583.64.0S4001004001001017.60572.44.0S4500450001073.1603.64.5S4505045050500.0536.6583.04.5S4507545075749.9268.3572.84.5S450100450100999.90564.54.5注:W5000 表示胶凝材料用量为 500 kg/m3，无处理砖骨料取代率为 0 的砖骨料再生混凝土，其他以此类推。(a)测试坍落度(b)试件养护图 2试件制作、脱模编号及养护Fig.2Specimen production，demoulding number and maintenance2砖骨料再生混凝土性能研究2.1砖骨料主要元素和成分对砖骨料进行材料成分测定，结果显示砖的主要元素有 Ca、Mg、Si、Al、Na、Ti、和 Fe 等，其中 Si 是其主要组成元素，其次是 Al。对砖的氧化物成分进行定量分析发现，主要有 SiO2、Al2O3、CaO、MgO 和 Fe2O3，其中 SiO2(石英)含量超过50%，见表 5。结合氧化物成分，对无处理砖骨料 SD 进行成分分析，砖骨料主要成分为 SiO2、CaMg(CO3)2、(Na，Ca)Al(Si，Al)3O8、CaMg0.77Fe0.23(CO3)2、Na(Si3Al)O8和 Mg2Al4Si5O18等，如图 3 所示。各物相主要是集中出现，而主要物相之间的连接物物相形式复杂、不均质，可能是导致砖骨料本身强度不足的重要原因。表 5砖氧化物成分和含量Table 5Oxide composition and content of bricks/%SiO2Al2O3CaOMgOFe2O354.5716.1713.495.574.38图 3砖 SD 谱图Fig.3Brick SD spectra2.2强化方式对砖骨料基本指标影响不同强化方式对砖骨料的吸水率和压碎指标影响见表 6。由表可知，不同处理方式对砖骨料均有强化效果，与对照组相比，Y 的吸水率降低了54.17%，S 的吸水率降低了 26.4%;Y 的压碎值下降 5.28%，S 的压碎值下降 26.02%。分析原因为，水玻璃可填补砖内微小裂缝，并覆盖骨料缺陷，使得骨料压碎值下降。水玻璃浸泡砖骨料界面形成的致密层可明显减少内部砖骨料吸水，而水玻璃硬化时析出的硅酸凝胶以及砖骨料中 Ca2+与水玻璃中 SiO23结合生成的硅酸凝胶，会吸水膨胀，在一定程度上增大吸水率。因此，减小吸水率效果不如有机硅浸泡处理的砖骨料。此外，又经裹浆处理的砖骨料 YG 和 SG，吸1 期郝贵强等:强化处理对砖骨料再生混凝土性能影响试验研究67材料科学水率分别降低35.2%和17.6%，相比于未裹浆的 Y和 S 组，其 吸 水 率 增 大，而 压 碎 值 分 别 降 低4.88%和 32.11%。分析原因是外包裹水泥浆对砖骨料微裂缝和孔洞处有填充，改善砖骨料表面使其更加平整，但同时外包裹水泥对水有一定的吸附作用。表 6强化处理对砖骨料基本指标影响Table 6Effect of strengthening treatment on basic index ofrecycled brick aggregate/%指标WSSGYYG吸水率12.59.210.36.08.1压碎值24.618.216.723.323.4四种强化处理方式对吸水率的改善程度为:YYGSSG，四种处理方式对压碎指标的改善程度为:SGSYYG。由此可知，有机硅主要影响砖骨料吸水率，水玻璃以及外裹浆主要影响砖骨料强度。2.3强化处理对砖骨料表观形貌影响将未进行强化处理的砖骨料作为对照组，分别利用水玻璃溶液以及有机硅溶液对砖骨料以化学浸泡的方式进行强化(试验编号为 S、Y)。用水灰比为 0.4 的水泥浆对两种化学处理干燥后的砖骨料进行水泥浆包裹(试验编号为 SG、YG)，研究强化处理后的再生骨料界面的显微结构。图 4为经过水玻璃浸泡处理砖骨料界面形貌。经水玻璃强化后，砖骨料的界面密实度提高，并产生新的水化物填补砖内细小裂缝，全面覆盖骨料缺陷，密实度显著增加。同时，砖体内细小孔隙基本被新的水化物所填充，并且由于其表面鳞状物及其他水化物存在，使骨料表面的粗糙度增大，有利于水泥浆的黏附，提高再生混凝土的强度。外包裹水泥浆时，水玻璃中 SiO23与 Ca2+结合后，形成CSH 凝胶，Ca2+浓度的下降将使水泥水化后形成新的 CSH 凝胶18。从图中也可以看出砖骨料和水泥浆界面处属于连续过渡，水玻璃析出的硅酸凝胶与水泥水化产生的 CSH 凝胶互相填充，没有明显的界面，证明水玻璃可以在砖骨料和水泥浆之间起到很好的黏结作用，增加强化效果。砖骨料经过有机硅强化后，骨料界面的密实度也是增加的，表面附着的不规则的水化物，有利于水泥浆的黏附。有机硅强化在砖骨料表面形成覆盖防水层，新生成的水化物可填补微裂缝。但有机硅浸泡和有机硅浸泡后裹浆强化效果不理想。分析是由于砖骨料界面有机硅附着物较少，对砖骨料界面结构影响以及强度改善较小;同时，砖骨料界面防水层会对外包裹水泥浆的渗入起到不利影响，对砖骨料空隙填充起到反作用。(a)水化物包裹层(b)水化物微观形貌图 4砖骨料经水玻璃强化后的界面形貌特征Fig.4Interface morphology of brick aggregate strengthenedby sodium silicate and slurry综上分析可知，强化处理的砖骨料表观形貌与强化处理后的砖骨料吸水率和压碎指标变化规律表现一致。2.4不同参数对砖骨料再生混凝土力学性能影响2.4.1砖骨料再生混凝土破坏特征胶凝材料用量分别为 400 和 500 kg/m3、取代率为 75%的砖骨料再生混凝土受压破坏特征如图 5所示。观察图 5(a)发现，破坏主要是砖骨料、天然石子破碎和骨料与砂浆界面破碎，以及部分砂浆破坏，试件内各界面达到破坏强度值趋于一68粉煤灰综合利用37 卷材料科学致，充分发挥混凝土内各材料的抗压能力;胶凝材料用量为400 kg/m3时，砖骨料再生混凝土主要是由薄弱砂浆处以及砂浆与骨料界面处先破坏，继而引起混凝土整体承压能力下降，混凝土内骨料强度无法充分发挥。胶凝材料用量与砖骨料再生混凝土抗压强度之间表现出相关性，随着胶凝材料用量增加，砖骨料再生混凝土内部各材料发挥抗压能力更充分，再生混凝土抗压强度随之提高。如 6 图所示，胶凝材料用量为 500 kg/m3、取代率为 100%的砖骨料再生混凝土受压破坏主要由砖骨料和砂浆破坏共同作用;取代率为 0，即粗骨料全部为天然石子时，混凝土受压破坏主要发生在骨料与砂浆结合处，表明粗骨料品质是影响混凝土内部界面破坏形式的重要因素。(a)胶凝材料用量 500 kg/m3(b)胶凝材料用量 400 kg/m3图 5取代率 75%再生混凝土受压破坏形式Fig.5Compression failure forms of recycled concrete(a)砖骨料取代率 100%(b)砖骨料取代率 0图 6胶凝用量 500 kg/m3再生混凝土受压破坏形式Fig.6Gel material dosage of 500 kg/m3recycled concrete compression failure form2.4.2强化方式和取代率对再生混凝土力学性能影响不同强化方式砖骨料制备的再生混凝土测得的抗压强度 frg与 g的关系如图 7 所示。不同强化方式对砖骨料增强程度不同，砖骨料品质差异明显，再生骨料品质对再生混凝土的性能有很大影响。从图 7 中可知，水玻璃浸泡后裹浆处理的砖骨料再生混凝土，其抗压强度随着取代率的增大而降低，但其减小程度远小于其他处理组，说明水玻璃浸泡后裹浆方式处理砖骨料，对砖骨料品质提升最为显著，与本文 2.2 节中以压碎指标为判断依据的结论一致。在不同取代率 g下，砖骨料制备的再生混凝土，其抗压强度 fg与胶水比之间的关系如图 8。由图 8 可知，不同取代率的再生混凝土，其抗压强度随着胶水比的增加而变大。由此可见，再生混凝土抗压强度与胶水比有密切关系，与普通混凝土规律一致。当取代率 g=0 时，其斜率明显小于取代率 g 0，与普通混凝土相比，胶水比对再生混凝土抗压强度影响显著。1 期郝贵强等:强化处理对砖骨料再生混凝土性能影响试验研究69材料科学图 7不同处理方式砖骨料再生混凝土抗压强度与取代率的关系Fig.7elationship between compressive strength and replacementrate of recycled concrete made of brick aggregate with differenttreatment methods图 8砖骨料再生混凝土抗压强度与胶水比的关系Fig.8elationship between compressive strength and cementcontent of brick aggregate recycled concrete对扩展组分析发现，在不同胶凝材料用量下，图 9砖骨料再生混凝土抗压强度与取代率的关系Fig.9elationship between compressive strength and substitutionrate of brick aggregate recycled concrete再生混凝土实测抗压强度 fg与 g的关系如图 9。3种不同凝胶用量的砖骨料再生混凝土，抗压强度与取代率呈线性关系，其抗压强度随取代率的增大而减小，整体变化规律基本相同。再生混凝土抗压强度受砖骨料取代率影响较大，是影响其抗压强度的重要因素。且随着凝胶用量的增加，图 9斜率值逐渐减小，说明凝胶用量的增加可以降低砖骨料对混凝土强度削弱程度。综上所述，砖骨料压碎指标与砖骨料品质表现出较高的相关性。当砖骨料品质提高以及胶凝材料用量的增加时，随着砖骨料取代率的提高，再生混凝土抗压强度减弱幅度越来越小。3结 论(1)砖骨料成分中以 SiO2含量最多，超过50%，且主要以石英的形式存在于砖骨料中;砖骨料中各物相主要是集中出现，而主要物相之间的连接物物相形式复杂、不均质，是其强度不足的重要因素。(2)不同强化处理对砖骨料吸水率影响程度为:Y YG S SG，其 中 Y 组 吸 水 率 可 降 低54.17%;对砖骨料压碎指标影响程度为:SGSYYG，其中 SG 组压碎指标降低 32.11%。(3)制备高品质砖骨料的有效途径之一是对砖骨料进行强化处理。随着砖骨料品质提高，再生混凝土的抗压强度增加，而随着取代率增加而降低;且当砖骨料品质提高时，会降低取代率对砖骨料再生混凝土抗压强度削弱程度。(4)砖骨料再生混凝土的抗压强度与取代率呈线性关系，随着取代率的增加呈递减趋势，且随着胶凝材料用量增加，可降低砖骨料对混凝土强度削弱程度。参考文献 1 城乡建设部.住房和城乡建设部建筑市场监管司 2020 年工作要点 Z.2020.2 王春福，王瑜玲，张飞燕.建筑垃圾再生骨料强化改性研究进展 J.硅酸盐通报，2020，39(8):24862491.3 ZHANG W，INGHAM J M.Using recycled concrete aggregatesin new zealand readymix concrete production J.Journal ofMaterials in Civil Engineering，2010，22:443450.4 LIT，XIAOJ，ZHUC，etal.Experimentalstudyonmechanical behaviors of concrete with largesize recycled coarseaggregate J.Construction and Building Materials，2016(120):321328.(下转第 89 页)1 期段国伟等:混凝土抗硫酸盐腐蚀剂制备与性能研究89材料科学在清水中浸泡和硫酸盐侵蚀后比普通混凝土的抗压强度分别提高 30%和 26%。(2)掺加抗硫酸盐腐蚀剂的抗蚀混凝土抗蚀系数高于普通混凝土抗蚀系数，主要是因为抗腐蚀剂的膨胀剂、膨润土和自修复活性作用的结果，其通过提高混凝土密实度，改善混凝土的抗硫酸盐侵蚀性。参考文献 1 袁晓露，李北星，崔巩，等.干湿循环硫酸盐侵蚀下混凝土损伤机理的分析 J.公路，2009，(2):163166.2 鄂丰铭.油石界面强度自愈合及对沥青混合料性能的影响分析 D.邯郸:河北工程大学，2020.3 姜萌萌.基于自愈性的沥青混合料疲劳累积损伤机理的研究 D.济南:山东建筑大学，2018.4 彭成，朱武俊，夏清，等.混凝土裂缝化学激励愈合试验研究 J.硅酸盐通报，2019，38(12):38013806.5 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