粗集料吸水率试验报告数据（再生粗集料改性技术研究现状综述）

吴旭彪 周广利广东省南粤交通河惠莞高速公路管理中心 中国路桥工程有限责任公司

摘 要：废旧混凝土破碎后的再生粗集料上大部分会裹附砂浆颗粒，砂浆颗粒是多孔结构，容易吸水造成混凝土拌制过程中的和易性下降，由于砂浆与原生集料之间结合面较为薄弱，后期还会影响混凝土的强度。研究通过查阅文献，总结了目前再生粗集料改性方法，主要包括砂浆剥离改性，堵孔改性以及改变孔隙憎水性这三种方法，阐述了每种方法的改性机理，目前研究现状以及方法的优缺点，得出目前再生集料改性技术不能大规模工程应用的原因。

关键词：再生集料;改性;堵孔;憎水;裹附;

对于废旧混凝土，破碎后的集料含有纯砂浆颗粒，纯碎石颗粒，半砂浆半碎石颗粒，由于砂浆类颗粒的存在，破碎集料空隙率大，容易吸水，若不做处理直接加入水泥混凝土中，容易引起工作性不良，且由于高空隙率，破碎集料的压碎值较大，因此，需要通过集料改性来降低再生集料的吸水性能，提高压碎值，使得粗骨料满足压碎值和孔隙率要求。目前对于再生集料的改性，主要从三大方面进行，一是通过剥离砂浆和原生集料的方式改性，主要包括磨耗法、加热法以及酸性溶液浸泡法;另一种是通过对砂浆堵孔的方法，例如用水泥浆或纳米材料裹附，二氧化碳养护;第三种是通过憎水性的溶液浸泡方法，例如用有机硅溶液浸泡。研究通过详细分析这几种方法的机理以及查阅现有研究文献，来阐述现有再生集料改性技术的研究现状及优缺点。

1 砂浆分离改性技术

这种技术的原理是将砂浆从原生集料表面剥离，以降低集料压碎值和孔隙率的目的，就目前研究现状总结，主要包括磨耗法，加热剥离法以及酸溶液浸泡法。

1.1 磨耗法

(1)机理分析

机械磨耗法是利用磨耗机使集料之间，钢球与集料撞击，使附着在再生集料表面的砂浆脱落。

(2)研究现状

再生骨料表面附着的旧有砂浆，通过机械研磨的方法，能去除掉一部分，从而使再生骨料的相关性能得到改进。Montgomery研究了再生骨料砂浆附着情况对混凝土性能的影响，采用球磨法，试验结果表明改法可以去除再生骨料上附着的旧有砂浆。

日本在去除再生集料附着砂浆工艺上比较先进，采用卧式回转和立式偏心装置分别研磨，再生骨料性能都得到了极大程度的提高，其中经立式偏心法处理后的再生骨料回收率可以达到67%，所得再生骨料也达到了日本相关标准。

(3)优缺点

这种方法的优点是简单容易操作，缺点是耗能较大，砂浆剥离的不够彻底，再生集料在粒型上容易变得圆润，而多棱角的集料更有利于混凝土强度的保持。

1.2 加热法

加热分为高温与低温两种。加热工具目前有微波炉、马弗炉等。

(1)机理分析

高温下，水泥砂浆中的氢氧化钙会分解形成氧化钙，同时，砂浆中的C-S-H凝胶会由于脱水变质，使其强度显著降低。另外，由于粗骨料和水泥砂浆热膨胀性能不同。水泥砂浆的热膨胀系数比集料的大，当加热温度相同时，水泥砂浆的体积膨胀比集料的高，于是在砂浆与集料分界面有压应力形成，当温度降低后，砂浆和集料体积收缩，在二者的分界面形成拉应力;于是，在压、拉应力交替作用下，砂浆和集料的分界面破坏。

在高温作用下，砂浆强度降低，砂浆和集料分界面被破坏，二者同时发生，因此加速了砂浆从集料上脱落。但是加热后砂浆和集料分离的并不完全，为了使二者分离完全，可以采用磨耗设备，使集料相互作用，进而使砂浆从集料上剥离。

(2)研究现状

Akbarnezhad等用微波对再生粗集料进行强化，功率为10kW，试验表明过高的功率除了会使再生骨料砂浆变质，也会导致原生集料损伤。

肖建庄等人采用了低功率微波加热后淬冷法，在微波炉中加入2kg再生集料，调整功率800W加热5min，然后瞬间倒入冷水冷却，取出擦至面干后再放入微波炉为一个循环，往复循环20次，再对试件烘干，测试集料的质量损失。与裹浆法和研磨法比，微波加热淬冷法效果更好。

苏燕等人用马弗炉对再生集料进行加热，设计了300、500、700三个温度，试验结果表明500℃加热时，再生集料性能被改善，700℃时候，原生集料也会被破坏。

日本有工厂采用加热研磨法，先加热骨料60min，再研磨120min，再生集料的表面砂浆附着率能够降低到0%～20%，孔隙率和吸水率下降明显，性能得到显著提升。Bru等利用加热研磨法，先对再生集料微波加热，再机械研磨，所得集料性能很好。Tateyashiki的试验也表明了加热研磨能获得性能良好的再生骨料。

(3)加热法的优缺点

加热方法节省时间，且对砂浆的剥离效果最优，不用裹附价格昂贵的水玻璃，不会造成二次环境污染。

加热过程中，对加热温度的控制最为关键，如果加热温度过高，被砂浆包裹的原生骨料也会破坏，导致集料整体力学性能下降。

由于再生骨料的利用也是为了节能减排，如果需要消耗大量热能去处理，并不经济，因此，在工程中如果需要大量消耗再生骨料，需要对经济性进行分析后决定。

1.3 酸溶液浸泡法

(1)机理分析

由于再生集料上附着的砂浆为碱性物质，用酸溶液浸泡可以通过化学改性的方法使砂浆变质，特别是砂浆与集料分界的薄弱面，可能由于酸性溶液的作用而变得脆弱容易剥离。

(2)研究现状

Abbas等试验研究表明，先用浓硫酸钠溶液浸泡集料，再将砂浆冻结与解冻，再用机械搅拌，可以有效去除再生集料表面附着的砂浆，改善其性能。

张述雄等人用浓硫酸和浓盐酸溶液浸泡，然后捞出研磨，发现集料上的砂浆并没有很好的玻璃下来。

(3)优缺点

优点是溶液容易配制，且能循环利用酸性溶液。缺点是试验效果并不稳定，有些研究能实现剥离，有些不能;酸溶液浸泡容易对原生集料也造成影响;大量酸溶液浸泡容易造成二次污染，机械搅拌和解冻剥离需要耗费大量电能，需要做经济性评价。

2 堵孔改性法

这种集料改性方法的原理是将附着在原生集料上的砂浆孔隙采用一定方法堵塞或尽可能缩小，使得集料吸水性大幅下降，压碎值降低。

2.1 无机纳米材料浆体裹附

最典型的无机纳米材料是纳米SiO2和纳米CaCO3等，具体施作方法是将再生粗骨料与过量纳米浆液混合搅拌后捞出，筛除多余浆液，平铺晾干后，再拌制混凝土。

(1)机理分析

无机纳米材料可以填充混凝土的孔隙，还可以堵塞微裂纹，从而改善混凝土的内部结构，优化了凝胶与集料分界面结构，从而提高了混凝土强度。

(2)研究现状

国内再生集料改性方法上，有研究采用有机硅烷处理，获得了比较良好的改性效果。

朱光亚等为了用有机硅烷乳液处理再生集料，特别设计了一套梯度，试验结果表明硅烷处理后的集料，吸水率尤其是瞬间吸水率得到显著降低，硅烷浓度8%时最佳。

肖开涛也采用有机硅烷处理过再生集料，浸泡处理后，集料1h吸水率下降了70%,24h吸水率下降了74%。

张鸿儒等人采用纳米SiO2浆液对再生粗集料处理后，用来制备梁，然后监测梁的应变，用纳米SiO2浆液改性后的再生集料混凝土梁，其强度和变形性能可与普通预拌混凝土相当。

李康等人对肯尼亚的大吸水率骨料用有机硅烷乳液进行改性，试验结果表明，当硅烷乳液浸渍浓度为4%时，就可以有效降低天然集料吸水率，当硅烷乳液浓度达到12%时，所得集料配制出来的混凝土，其性能与天然集料配制的混凝土基本一致。

钱晓倩等将高活性纳米矿物掺和料掺加到混凝土中，并采用不同搅拌工艺，有效提高了再生混凝土强度，对其耐久性也起到了改善作用。

张津践用纳米碳酸钙对再生骨料进行强化，所得混凝土的拌和性能被改善，同时提高了抗压强度。

朱勇年等采用纳米二氧化硅对再生集料进行改性，所得再生混凝土力学性能得到显著改善，强度和变形性能基本与普通混凝土相当。

(3)优缺点

纳米材料在改性再生骨料混凝土的破坏性能上有先天优势，由于尺寸较小，可以分散到再生集料几乎所有微裂纹，阻止了混凝土裂缝，同时通过化学效应改善了再生集料的微观结构，使混凝土宏观上被强化。

但纳米材料价格较高，再生集料本身是作为废物再利用，但如果需要昂贵的材料再行改性，不经济，不利于其推广应用。

2.2 二氧化碳养护法

(1)机理分析

碳化再生骨料指的是利用二氧化碳来强化再生骨料，碳化反应对混凝土强度有着一定的影响，对于素混凝土来说，碳化有助于提升强度，且随着碳化深度的增加，被碳化样品强度和硬度也随之增加。

对于普通硅酸盐水泥来说，水化之后会产生水化硅酸钙与水化硫铝酸钙等产物，其中有70%为C-H-S凝胶产物，有20%为氢氧化钙，经过碳化之后，空气中的二氧化碳会通过毛细孔进入到孔隙溶液中，并与上述水化产物反应，生成硅胶和碳酸钙，碳酸钙属于一种难溶性钙盐，能够填充在孔隙中，从而有效提升水泥的密实度和强度。关于二氧化碳养护水泥的研究由来已久，而对于再生骨料来说，其表面附着水泥，因此也可以采用碳化方式来改善其性能。

(2)试验设计

称取5kg公称粒径为10mm和20mm的再生骨料，放入碳化箱，二氧化碳浓度设定为100%，将二氧化碳养护时间作为控制变量，养护6h、12、24、48、72h，通过对二氧化碳养护时间的改变来获取碳化程度不一样的再生骨料，并测试不同碳化程度的再生骨料表观密度和吸水率。

(3)试验结果分析

试验结果如表1所示。

从表1可知，从表观密度上来看，随着碳化时间的延长，两种粒径的再生集料表观密度都在增加，吸水率随之减少，由此可见，碳化能够改善再生骨料的性能。

但需要注意的是，无论采用多大数值的二氧化碳气体压力，碳化程度都存在一个最大值，当达到最大碳化程度的时候，二氧化碳气体扩散将会变得很难，这就大大降低了碳化速率，由上图可以看出，相较于碳化时间为24h的情况来说，碳化养护时间在48h和72h的碳化效果虽然好一些，但提升效果并没有很显著，但碳化24h比碳化12h的效果好很多，由此可以认为，24h是接近最佳碳化养护时间的，当达到最佳碳化养护时间后，再增加碳化时间效果并不显著。

表1 试验结果 下载原图

(4)优缺点

一般而言，对再生骨料的应用主要集中在对再生粗骨料的应用上，但其实再生细骨料也适用于碳化方法增强，这是因为再生细骨料中含有较多的硬化水泥浆体。此外，利用二氧化碳强化不仅能够提升再生骨料的物理性能，同时对于固化存储二氧化碳温室气体也有着重要作用，能够实现环境保护与建筑材料循环利用的有机结合，从而提升建筑资源的循环利用效率，促进建筑资源的可持续发展。

碳化增强的缺点是需要具备一定容积的碳化箱，这在试验室条件下可行，但在工程建设中，需要大量消耗再生集料时，这种方法的适用性便大打折扣。

2.3 掺加矿物掺合料的硫铝酸盐水泥裹附

(1)机理分析

通过浆体裹附再生集料，将砂浆孔隙封堵，从而降低再生集料吸水性能。

(2)研究现状

杜婷等用超细高活性矿物掺和料对再生集料进行改性，表明在水泥外掺Kim粉混合浆液来浸泡再生集料，可以很好的改善其性能。Katz在再生集料表面裹覆硅粉，所得混凝土7d抗压强度提高了30%,28d提高了15%，而且还发现所得混凝土的早期强度比后期强度增长得多，说明硅粉填充比火山灰在早期有优势。范小平等用1∶1水灰比的水泥外掺防水剂对再生集料的强化作用显著。

(3)优缺点

这种方法的优点是效果比较显著，且相对碳化等更容易操作，缺点是在实际生产中，需要固定的浆料池以及周转池，占地大，且拌合楼上料需要单独匹配上料带，在实际生产中不方便实现。

3 有机溶液浸泡法

最常用的有机溶液是聚乙烯醇。

(1)机理分析

通过改善再生骨料表面的孔结构，通过加强其密度来达到强化效果。

(2)研究现状

Kou采用聚乙烯醇改性再生骨料，所得集料表观密度得到了显著提高，吸水率也显著下降。陈建良等利用聚乙烯醇浸泡结合机械研磨的方法对再生集料进行改性，所得混凝土的抗压强度与和易性显著提高。杨宁等在骨料表面喷洒聚乙烯醇溶液，然后外裹水泥，所得混凝土抗压强度提高了22%。

(3)优缺点分析

化学溶液浸泡法较其他改性方法来看，经济性较高，但溶液种类和浸泡方法不同，效果也不一样，有些浸泡过的集料制备的混凝土其抗压强度反而降低了，这可能是溶液与集料发生反应，使得集料强度降低导致。因此化学浸泡法需要考虑在改善集料孔结构的基础上，不降低集料本身的性能。

4 综合法

综合法就是运用上述几种方法的组合形式，一般先用砂浆剥离法尽可能多的去除砂浆，然后在此基础上进行堵孔，综合法是目前认为的最为有效的再生骨料改性技术，但工艺也比较复杂，如果应用于大批量使用再生集料的工程，还需要探索工程可行的改性办法，一要保证集料数量供应充分，二要满足经济性要求。

5 结语

现有的再生集料改性方法基本无法大规模应用，主要原因有两点，一是处理后效果不好，吸水率大，吸水速度快的问题仍不能有效解决，有些甚至降低再生集料混凝土强度;二是处理方法性价比低，再生集料本身作为一种废弃材料，如果再利用热能，机械能，利用昂贵的纳米材料处理，无疑提高了材料造价，而且造成了二次污染。开发一种简单好用的方法来提高再生集料的性能，使其能大规模工程化应用是迫切需要解决的问题。

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