一种高强抗裂建筑固废再生混凝土及其制备方法与流程

本发明涉及再生混凝土，具体为一种高强抗裂建筑固废再生混凝土及其制备方法。

背景技术：

1、随着建筑物拆除、改造和基础设施更新规模不断扩大，废混凝土等建筑固体废弃物的产生量持续增加。将废混凝土经过分选、破碎和筛分后制成再生骨料，并用于配制再生混凝土，能够减少建筑固废堆存量和天然砂石资源消耗，具有良好的资源化利用价值。

2、废混凝土在服役和破碎过程中会产生不同程度的损伤。由其制得的再生粗骨料表面通常附着一定量的旧水泥砂浆，内部还可能存在破碎产生的孔隙和微裂纹。与结构较为致密的天然骨料相比，再生粗骨料的吸水率较高、强度波动较大。配制混凝土时，骨料内部的孔隙会影响拌合水分布，附着旧砂浆与新水泥浆体之间也容易形成相对薄弱的界面过渡区。荷载作用下，裂纹容易由这些缺陷部位起裂并扩展，从而限制再生混凝土的抗压强度和长期承载稳定性。

3、再生混凝土还具有较为明显的开裂倾向。一方面，再生骨料吸水和释水会改变局部水胶比，使混凝土内部收缩变形不均匀；另一方面，旧砂浆、新水泥浆体和骨料之间的弹性模量及变形能力存在差异，干燥收缩或温度变化产生的应力容易集中在界面区域。普通水泥基材料自身的抗拉变形能力有限，微裂纹形成后如果缺少有效的耗能和桥联结构，裂纹便可能迅速贯通，影响构件的耐久性和使用寿命。

4、提高再生骨料自身的致密程度有利于改善混凝土的承载能力，但单纯增强骨料并不能充分抑制水泥基体中的收缩裂纹。引入具有弹性变形和纤维桥联作用的抗裂材料，可以延缓裂纹扩展，但弹性胶粒的模量明显低于水泥石和强化后的再生骨料，其周围容易形成局部低刚度区域。当胶粒用量、表面状态及投料方式控制不当时，这种介观刚度差异会导致应力重新集中，使再生骨料强化所获得的强度增益被部分抵消。因此，力学增强措施与抗裂增韧措施不能简单叠加，还需要对胶粒界面和主体胶凝结构进行协调设计。

5、本发明所要解决的技术问题是在较高比例利用建筑固废再生骨料的条件下，如何采用原料易得、成本可控且能够工业化实施的处理方法，提高再生粗骨料及其界面区域的承载能力，同时增强混凝土对收缩裂纹和受力裂纹的抑制能力；并进一步减小弹性胶粒引入的局部低刚度界面对强度强化效果的抵消，使所得再生混凝土兼具较高的力学强度、抗裂性能和性能稳定性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种高强抗裂建筑固废再生混凝土及其制备方法，以解决上述背景技术提出的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种高强抗裂建筑固废再生混凝土的制备方法，包括以下步骤：

4、（1）测定建筑固废再生粗骨料以干质量为基准的24h吸水率a24，将所述再生粗骨料的含水率调节至a24的55%～65%，在密闭装置内进行至少两次由抽真空、通入含二氧化碳气体至常压构成的换气循环，然后在常压含二氧化碳气氛下进行碳化；将碳化后的再生粗骨料通风降湿，在负压下喷施第一硅溶胶，恢复至常压后喷施第二硅溶胶并进行湿养护，得到增强再生粗骨料；其中，所述第一硅溶胶中胶体二氧化硅的平均粒径小于所述第二硅溶胶中胶体二氧化硅的平均粒径；

5、（2）将三个粒级的废轮胎胶粒混合，采用氢氧化钠水溶液处理后进行水洗和脱水；将两种不同长度的聚丙烯纤维分别与部分细骨料预混，得到两种纤维预分散料；

6、（3）将偏高岭土与石灰石粉混合制成复合胶凝粉体，取一部分所述复合胶凝粉体与脱水后的废轮胎胶粒滚动混合，使该部分复合胶凝粉体附着于废轮胎胶粒表面，得到裹粉胶粒；将其余复合胶凝粉体与水泥干混，得到胶凝材料混合物；

7、（4）将所述增强再生粗骨料、其余细骨料、胶凝材料混合物和一部分拌合液混合，然后加入所述裹粉胶粒及两种纤维预分散料，再加入其余拌合液，经搅拌、成型和养护，得到高强抗裂建筑固废再生混凝土。

8、作为优选，所述建筑固废再生粗骨料由废混凝土经分选、破碎、筛分、清洗及不高于40℃的干燥处理得到；所述建筑固废再生粗骨料的粒径为5～20 mm，24h吸水率不高于6%，压碎指标不高于20%，含泥量不高于1%；其含水率调节至a24的55%～65%后，密封平衡4～8h。

9、作为优选，所述换气循环及碳化处理的温度为15～25℃、相对湿度为55%～65%；每次换气循环包括：抽真空至表压为-0.08～-0.06mpa并保持3min，通入二氧化碳体积分数为18%～22%的混合气体至常压并保持5min；所述换气循环进行2～3次，然后在所述混合气体形成的常压气氛中碳化4～6h，并且换气循环和常压碳化的总处理时间不超过8h。

10、作为优选，将碳化后的再生粗骨料在25～35℃下通风降湿，直至其含水率为a24的25%～35%；所述第一硅溶胶和第二硅溶胶均为ph=9.0～10.5的碱性硅溶胶；所述第一硅溶胶中胶体二氧化硅的平均粒径为20～30nm、二氧化硅质量分数为10%，第一硅溶胶的用量为再生粗骨料干质量的2.5%，在表压-0.06mpa下分两次喷施，喷施完成后保持5min，并在10min内恢复至常压；所述第二硅溶胶中胶体二氧化硅的平均粒径为80～120nm、二氧化硅质量分数为20%，第二硅溶胶的用量为再生粗骨料干质量的1.5%，在常压滚动状态下喷施并继续滚动10min；然后在20～25℃、相对湿度不低于95%的条件下养护24～48h。

11、作为优选，所述三个粒级的废轮胎胶粒分别为粒径0.5～1.0mm、1.0～2.0mm及2.0～3.0mm的废轮胎胶粒，三者的质量比为30∶45∶25；所述氢氧化钠水溶液的质量分数为4%～6%，干胶粒与氢氧化钠水溶液的质量比为1∶3～1∶5，处理温度为20～30℃，搅拌速度为150～250r/min，处理时间为30～60min；处理后的废轮胎胶粒用水漂洗至末次洗液的ph为7.5～8.5且末次洗液与进水的ph差值不大于0.5，再进行机械脱水，使以干胶粒质量计的表面含水率为2%～3%。

12、作为优选，所述废轮胎胶粒的体积占废轮胎胶粒与细骨料合计绝对体积的3%～5%；所述两种聚丙烯纤维的长度分别为6mm和12mm，长度为6mm的聚丙烯纤维占混凝土体积的0.05%～0.07%，长度为12mm的聚丙烯纤维占混凝土体积的0.03%～0.05%，两种聚丙烯纤维的总体积率为0.08%～0.12%；每种聚丙烯纤维分别与其质量15～20倍的干细骨料预混60s。

13、作为优选，所述偏高岭土的中位粒径d50为3～8μm；所述石灰石粉中碳酸钙的质量分数不低于90%，中位粒径d50为8～15μm；偏高岭土与石灰石粉的质量比为1.5∶1～2.5∶1；所述复合胶凝粉体占胶凝材料总质量的8%～10%，所述胶凝材料总质量包括附着于废轮胎胶粒表面的复合胶凝粉体；取相当于干胶粒质量6%～8%的复合胶凝粉体与脱水后的废轮胎胶粒滚动混合60～90s并静置5min，其余复合胶凝粉体与水泥干混60～120s。

14、作为优选，每立方米所述建筑固废再生混凝土包括胶凝材料440～470kg、以饱和面干质量计的增强再生粗骨料1000～1100kg以及细骨料640～700kg，水胶比为0.30～0.34；所述胶凝材料由质量分数为90%～92%的p·o 52.5普通硅酸盐水泥和质量分数为8%～10%的复合胶凝粉体组成；粗骨料全部采用所述增强再生粗骨料；废轮胎胶粒的体积占废轮胎胶粒与细骨料合计绝对体积的3%～5%；两种聚丙烯纤维的总体积率为0.08%～0.12%；所述减水剂为固含量20%的聚羧酸减水剂溶液，其用量为胶凝材料总质量的1.0%～1.3%。

15、作为优选，根据设计有效用水量扣除聚羧酸减水剂溶液中的水、裹粉胶粒携带的表面水以及细骨料携带的表面水，确定外加水量，并将外加水与聚羧酸减水剂溶液配成所述拌合液，饱和面干状态的增强再生粗骨料内部吸附水不计入有效用水量；将增强再生粗骨料、未用于制备纤维预分散料的细骨料和胶凝材料混合物干混60s，加入拌合液总量的70%并搅拌60～90s，然后依次加入裹粉胶粒、含长度为6mm的聚丙烯纤维的预分散料和含长度为12mm的聚丙烯纤维的预分散料，再加入其余30%的拌合液并继续搅拌120s；浇筑、振实并覆盖，24h后脱模，在20±2℃、相对湿度不低于95%的条件下养护28d。

16、一种高强抗裂建筑固废再生混凝土，由上述的方法制备得到。

17、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

18、1、根据再生粗骨料的24h吸水率控制碳化前的含水状态，使骨料孔隙中既保留碳化所需的水分，又留有供二氧化碳扩散的气相通道。真空-常压换气能够排出连通孔隙和微裂纹中的部分空气，使含二氧化碳气体更均匀地进入附着旧砂浆内部，减少仅有骨料表层得到处理的情况。碳化完成后再次降低骨料含水率，为硅溶胶进入孔隙预留空间；平均粒径较小的硅溶胶在负压和恢复常压的压差作用下优先进入细小孔隙及微裂纹，平均粒径较大的硅溶胶则主要沉积在较宽裂纹、孔口和骨料表层。由此形成由内部填充到表层增强的梯度结构，降低再生粗骨料内部的缺陷集中程度，并改善骨料与新水泥浆体之间的界面连续性，从而提高混凝土的抗压强度和承载稳定性。

19、2、氢氧化钠水溶液处理主要用于清除废轮胎胶粒表面的油污、锌皂及其他疏水性附着物，同时适度增加胶粒表面粗糙度和润湿性，使胶粒在水泥浆体中能够获得较为稳定的物理咬合作用。三个粒级的胶粒分布在不同尺度的浆体空间内，在混凝土受拉或收缩变形时通过弹性变形吸收部分裂纹扩展能量，减缓局部应力峰值。长度为6mm的聚丙烯纤维主要约束早期形成的细小裂纹，长度为12mm的聚丙烯纤维则在裂纹继续扩展时跨越较大的开裂区域并保持桥联作用。两种纤维分别与细骨料预分散，可以减少纤维缠结和局部团聚，使胶粒耗能与纤维桥联作用在混凝土内部形成相互配合的抗裂体系，从而延缓裂纹起裂、扩展及贯通过程。

20、3、再生粗骨料经过碳化和梯度硅溶胶处理后，其刚度及承载能力得到提高，而废轮胎胶粒仍具有较低的弹性模量，二者同时存在于混凝土中时，胶粒周围容易形成局部低刚度界面区。该界面区会造成介观尺度上的刚度突变和应力集中，使再生粗骨料强化所获得的强度增益被部分抵消。为此，本发明将偏高岭土和石灰石粉组成同一复合胶凝粉体，并采用胶粒表面定域裹覆与主体胶凝材料分散掺入相结合的方式。粒径较小、比表面积较大的偏高岭土能够进入胶粒表面的细微凹槽和颗粒间隙，石灰石粉则在较大尺度上发挥刚性填充和水化成核作用，并对偏高岭土颗粒形成空间分隔，减少超细偏高岭土在胶粒表面的局部团聚，两者首先通过粒径互补形成均匀、连续的矿物粉体包覆层。在水泥水化体系中，偏高岭土提供活性硅铝组分，有利于增加具有胶结作用的含铝硅酸盐凝胶；石灰石粉所提供的碳酸盐环境有利于碳铝酸盐类水化产物的形成和稳定，同时为水化产物提供沉积基点。两种粉体并非在裹覆过程中直接发生反应，而是在水泥水化环境中分别发挥作用并形成协同，使胶粒周围的孔隙得到进一步填充，增加界面固相体积。剩余复合胶凝粉体同时分散在主体胶凝材料中，可以减小胶粒包覆层与外围水泥基体之间的组成差异，使胶粒、水泥浆体和增强再生粗骨料之间形成较为平缓的刚度过渡。该协同作用不能改变胶粒自身低模量的性质，但能够减少胶粒周围的界面缺陷和应力集中，降低胶粒对混凝土抗压强度的不利影响，在保留胶粒耗能抗裂作用的同时，对再生骨料强化所获得的承载增益形成有效补偿。