抗冻融循环再生混凝土及其制备方法
阅读说明：本技术 抗冻融循环再生混凝土及其制备方法 (Freeze-thaw resistant recycled concrete and preparation method thereof ) 是由 章碧业 戴剑海 于 2021-07-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种抗冻融循环再生混凝土及其制备方法。一种抗冻融循环再生混凝土,由包括如下原料制得：硅酸盐水泥、细骨料、粗骨料、水、减水剂、引气剂、橡胶粉,所述细骨料中包括有机硅树脂改性再生细骨料,所述粗骨料包括有机硅树脂改性再生粗骨料；本申请中橡胶粉和引气剂为再生混凝土中的游离水膨胀提供膨胀空间,降低再生混凝土内部的膨胀应力,同时使用有机硅树脂包覆再生骨料表面,降低再生骨料的吸水率,改善再生混凝土的抗冻融性能,并且经过改性的再生骨料与水泥凝胶体系之间紧密相连,使得再生混凝土内部致密,增强了再生混凝土的抗压强度。(The invention discloses freeze-thaw cycle resistant recycled concrete and a preparation method thereof. The freeze-thaw cycle resistant recycled concrete is prepared from the following raw materials: the concrete comprises portland cement, fine aggregate, coarse aggregate, water, a water reducing agent, an air entraining agent and rubber powder, wherein the fine aggregate comprises organic silicon resin modified recycled fine aggregate, and the coarse aggregate comprises organic silicon resin modified recycled coarse aggregate; the rubber powder and the air entraining agent provide an expansion space for free water expansion in the recycled concrete, the expansion stress in the recycled concrete is reduced, meanwhile, the surface of the recycled aggregate is coated by the organic silicon resin, the water absorption of the recycled aggregate is reduced, the freeze-thaw resistance of the recycled concrete is improved, and the modified recycled aggregate is tightly connected with a cement gel system, so that the recycled concrete is compact in the interior, and the compressive strength of the recycled concrete is enhanced.)
技术领域
本发明涉及建筑材料
技术领域
，尤其是涉及一种抗冻融循环再生混凝土及其制备方法。背景技术
建筑行业的发展往往伴随着大量建筑垃圾的产生。建筑垃圾主要是指废弃建筑物在拆除过程中产生的大量废弃水泥砌块，由于水泥砌块内部含有大量的氧化钙等成分，长时间与土壤接触会改变土壤的酸碱性，从而改变土壤性质，因此废弃水泥砌块无法就地掩埋，难以进行处理。
目前，建筑行业逐渐尝试回收利用废弃水泥砌块：将废弃水泥砌块破碎成不同粒径大小的再生骨料，再生骨料可与水泥、水掺混，通过水化反应重新制成混凝土。但再生骨料相较于人工砂骨料而言，其表面附着有残余浆体，具有高吸水率和低表观密度的特点，具有更高的含水量，因此再生骨料制备而成的再生混凝土在低温环境下内部的游离水易结晶膨胀，导致再生混凝土试件内部的膨胀压力较大，从而产生裂缝，试件受到反复的冻融循环后，再生混凝土表面呈现开裂、剥离、脱落等现象，再生混凝土的抗冻融性能不佳，严重制约了其在建筑行业中的发展与运用。
发明内容
为了提高再生混凝土的抗冻融性能，本申请提供一种抗冻融循环再生混凝土及其制备方法。
第一方面，本申请提供一种抗冻融循环再生混凝土，采用如下技术方案实现：
一种抗冻融循环再生混凝土，由包括如下重量份的原料制得：
所述细骨料包括有机硅树脂改性再生细骨料和天然细骨料，所述有机硅树脂改性再生细骨料占细骨料总重量的20～100wt％；所述粗骨料包括有机硅树脂改性再生粗骨料和天然粗骨料，所述有机硅树脂改性再生粗骨料占粗骨料总重量的20～100wt％。
通过采用上述技术方案，橡胶粉为表面具有微孔结构的弹性粉末，橡胶粉包括但不限于废弃轮胎橡胶粉、聚氨酯弹性橡胶粉，橡胶粉具有疏水性，在与混凝土拌合过程中，其与水泥凝胶的界面处存在大量气泡，而引气剂使得这些气泡变得微小、封闭且稳定，气泡随着水泥硬化阻断了再生混凝土内部的渗透通道。橡胶粉和引气剂共同作用，当再生混凝土进行冻融循环时，橡胶粉挤压后产生的空间以及气泡均为游离水膨胀提供空间，减轻膨胀压力，改善再生混凝土的抗冻融性能；
但由于气泡的存在，使得再生混凝土中橡胶粉和水泥凝胶体系的界面处为再生混凝土的力学薄弱点，因此，本申请中使用有机硅树脂对再生粗骨料和再生细骨料(再生粗骨料和再生细骨料统称再生骨料)进行改性，有机硅树脂包覆在再生骨料表面，在再生骨料形成一层相对均匀的疏水有机硅树脂薄膜，一方面降低再生骨料的吸水率，改善再生混凝土的抗冻融性能，另一方面经过有机硅树脂改性的再生骨料与橡胶粉之间的相容性得到改善，橡胶粉附着在再生骨料表面，再生骨料表面包覆的有机硅树脂与水泥凝胶体系通过H-Si紧密相连，使得再生混凝土内部致密，增强了再生混凝土的抗压强度。
除此之外，有机硅树脂改性再生细骨料和有机硅树脂改性再生粗骨料均由废弃水泥砌块回收得到，橡胶粉也为回收得到的废料，本申请实现了废物循环利用，节约建造成本。
优选的，所述有机硅树脂改性再生粗骨料和有机硅树脂改性再生细骨料由如下制备步骤制得：将从废弃建筑物中回收得到的废弃水泥砌块经过破碎、颗粒整形、清洗、干燥后得到再生骨料，将再生骨料浸泡入浓度为1～4wt％的有机硅树脂乳液中，搅拌混匀，烘干，进行筛分后得到有机硅树脂改性再生粗骨料和有机硅树脂改性再生细骨料。
通过采用上述技术方案，有机硅树脂乳液中有机硅树脂包括但不限于硅烷偶联剂，再生骨料改性过程中部分有机硅树脂进入再生骨料内部的孔隙中，对再生骨料的孔隙进行填充，使再生骨料的表面更加完整，改善再生混凝土的抗压强度。
优选的，所述有机硅树脂乳液的浓度为2wt％。
优选的，所述有机硅树脂改性再生细骨料占细骨料总重量的35wt％，所述有机硅树脂改性再生粗骨料占粗骨料总重量的75wt％。
通过上述技术方案，在此掺量下有机硅树脂改性再生细骨料和有机硅树脂改性再生粗骨料不影响再生混凝土的抗压强度，同时使得再生混凝土具有较好的抗冻融性能。
优选的，所述橡胶粉的粒径范围在20～60目。
通过采用上述技术方案，橡胶粉的粒径控制在此范围内，既能够降低橡胶粉团聚的可能性，又能够减少橡胶粉和水泥凝胶体系界面处的气泡含量，减少界面处的气泡产生，提高再生混凝土的抗压强度。
优选的，所述引气剂为脂肪醇聚氧乙烯醚。
通过采用上述技术方案，脂肪醇聚氧乙烯醚的疏水端易于再生骨料表面的有机硅树脂交联缠绕，其亲水端易吸附无机水泥颗粒，使得水泥颗粒充分分散在再生骨料四周，使得水泥凝胶体系与经过有机硅树脂改性后的再生骨料之间的气泡微小，进一步改善了再生混凝土的抗压强度和抗冻融性能。
优选的，所述原料中还包括液体硅酸钠，所述液体硅酸钠的重量份为40-60。
通过采用上述技术方案，液体硅酸钠促进硅酸盐水泥的水化作用，使得再生混凝土中的游离水尽可能的转化成结合水，提升再生混凝土的抗冻融性能。
优选的，所述硅酸盐水泥和水的重量比为0.45。
优选的，所述减水剂为聚羧酸盐类减水剂。
通过采用上述技术方案，在此水灰比下和减水剂共同作用下，减少水分的掺加，使得再生混凝土的抗冻融性能得到改善。
第二方面，本申请提供一种抗冻融循环再生混凝土的制备方法，采用如下的技术方案：一种抗冻融循环再生混凝土的制备方法，包括如下步骤：称取配方量的硅酸盐水泥、细骨料、粗骨料、水、减水剂、引气剂、橡胶粉搅拌共混，得到抗冻融循环再生混凝土。
通过采用上述技术方案，制得的再生混凝土具备高抗压强度以及较好的抗冻融性能。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
1、本申请中橡胶粉和引气剂为再生混凝土中的游离水膨胀提供膨胀空间，降低再生混凝土内部的膨胀应力，同时使用有机硅树脂包覆再生骨料表面，降低再生骨料的吸水率，改善再生混凝土的抗冻融性能，同时使得骨料与水泥凝胶体系之间紧密相连，使得再生混凝土内部致密，增强了再生混凝土的抗压强度。
2、本申请中使用的再生骨料和橡胶粉均为废弃材料，本申请实现了废物循环利用，节约建造成本。
3、本申请中使用脂肪醇聚氧乙烯醚，脂肪醇聚氧乙烯醚的疏水端易于再生骨料表面的有机硅树脂交联缠绕，其亲水端易吸附无机水泥颗粒，使得水泥颗粒充分分散在再生骨料四周，使得水泥凝胶体系与经过有机硅树脂改性后的再生骨料之间的气泡微小，进一步改善了再生混凝土的抗压强度和抗冻融性能。
4、本申请中还加入了液体硅酸钠，液体硅酸钠促进硅酸盐水泥的水化作用，使得再生混凝土中的游离水尽可能的转化成结合水，提升再生混凝土的抗冻融性能。
具体实施方式
若无特殊说明，以下制备例、实施例和对比例的原料来源均如下表1所示。
表1.原料来源
注：本申请的废弃水泥砌块回收自浙江永嘉县的某栋废弃建筑物。
有机硅树脂改性再生粗骨料和有机硅树脂改性再生细骨料的制备例
制备例1
一种有机硅树脂改性再生粗骨料和有机硅树脂改性再生细骨料，按照如下步骤制得：
将废弃水泥砌块投入破碎机破碎至最大粒径不大于31.5mm的骨料，将骨料投入至5X系列碎石整形机生产机制砂设备中，5X系列碎石整形机生产机制砂设备的线速度为100m/s，整形后的再生骨料颗粒进行一次滚动筛分，筛分两下，筛出粒径在3～25mm范围内的再生骨料，将再生骨料投入至水中，浸泡48h，捞出再生骨料晒干；
称取1kg硅烷偶联剂KH-550和99kg水，搅拌共混，配置成浓度为1wt％的有机硅树脂乳液，向200kg再生骨料中加入100kg有机硅树脂乳液，以600rpm的转速进行搅拌共混，搅拌10min后，放入160℃烘箱内烘烤6h；烘烤结束后，进行筛分，筛出粒径范围在3～5mm的有机硅树脂改性再生细骨料，以及粒径范围在5～25mm的有机硅树脂改性再生粗骨料。
制备例2-3
一种有机硅树脂改性再生粗骨料和有机硅树脂改性再生细骨料，与制备例1的区别点在于，有机硅树脂乳液的浓度不同，具体浓度如下表2所示。
表2.有机硅树脂乳液的浓度
制备例
硅烷偶联剂KH-550/kg
水/kg
有机硅树脂乳液浓度/wt％
制备例1
1
99
1
制备例2
4
96
4
制备例3
2
98
2
实施例
实施例1-7均提供了一种抗冻融循环再生混凝土，以下以实施例1为例进行说明。
实施例1提供的一种抗冻融循环再生混凝土，其制备步骤为：
称取24kg硅酸盐水泥、73kg由制备例3制得的有机硅树脂改性再生细骨料、90kg由制备例3制得的有机硅树脂改性再生粗骨料、13.2kg水、3kg聚羧酸盐减水剂LA-8Q、0.12kg脂肪醇聚氧乙烯醚AEO-7以及0.5kg橡胶粉RA-789A(目数20～60目)；
将硅酸盐水泥、有机硅树脂改性再生细骨料、有机硅树脂改性再生粗骨料、聚羧酸盐减水剂和橡胶粉先投入搅拌机中，以600rpm的转速搅拌共混5min，搅拌完毕后再加入水、脂肪醇聚氧乙烯醚，以1500rpm的转速搅拌共混1min，得到抗冻融循环再生混凝土。
实施例2-7，与实施例1不同之处仅在于：各原料的质量不同，具体各原料的质量如表3所示。
表3.实施例1-7抗冻融循环再生混凝土中各原料的质量
实施例8-10
一种抗冻融循环再生混凝土，与实施例9的区别点在于，原料中还加入浓度为3.4wt％的液体硅酸钠，液体硅酸钠随水、脂肪醇聚氧乙烯醚一同加入至搅拌机中；其中，实施例8中液体硅酸钠的掺加量为4kg；实施例9中液体硅酸钠的掺加量为5kg；实施例10中液体硅酸钠的掺加量为6kg。
实施例11-12
一种抗冻融循环再生混凝土，与实施例1的区别点均在于，所使用的有机硅树脂改性再生细骨料以及有机硅树脂改性再生粗骨料的来源不同；
其中，实施例11的有机硅树脂改性再生细骨料以及有机硅树脂改性再生粗骨料来源于制备例1；
实施例12的有机硅树脂改性再生细骨料以及有机硅树脂改性再生粗骨料来源于制备例2。
实施例13
一种抗冻融循环再生混凝土，与实施例1的区别点在于，使用粒径为1～3mm的橡胶粉等质量替换目数为20～60目的橡胶粉。
实施例14
一种抗冻融循环再生混凝土，与实施例1的区别点在于，使用烷基酚聚氧乙烯醚等质量替换脂肪醇聚氧乙烯醚。
对比例
对比例1
一种抗冻融循环再生混凝土，与实施例1的区别点在于，使用5kg聚羧酸盐减水剂等质量替代橡胶粉。
对比例2
一种抗冻融循环再生混凝土，与实施例1的区别点在于，使用0.12kg聚羧酸盐减水剂等质量替代脂肪醇聚氧乙烯醚。
对比例3
一种抗冻融循环再生混凝土，按照如下制备方法制得：
将废弃水泥砌块投入破碎机破碎至最大粒径不大于31.5mm的骨料，将骨料投入至5X系列碎石整形机生产机制砂设备中，5X系列碎石整形机生产机制砂设备的线速度为100m/s，整形后的再生骨料颗粒进行一次滚动筛分，筛分两下，筛出粒径在3～25mm范围内的再生骨料，将再生骨料投入至水中，浸泡48h，捞出再生骨料晒干；
称取100kg浓度为3.4wt％的液体硅酸钠，将液体硅酸钠投入至200kg再生骨料中，以600rpm的转速进行搅拌共混搅拌10min后，放入120℃烘箱内烘烤8h；烘烤结束后，进行筛分，筛出粒径范围在3～5mm的液体硅酸钠改性再生细骨料，以及粒径范围在5～25mm的液体硅酸钠改性再生粗骨料；
称取24kg硅酸盐水泥、73kg液体硅酸钠改性再生细骨料、90kg液体硅酸钠改性再生粗骨料、13.2kg水、3kg聚羧酸盐减水剂LA-8Q、0.12kg脂肪醇聚氧乙烯醚AEO-7以及0.5kg橡胶粉RA-789A(目数20～60目)；
将硅酸盐水泥、液体硅酸钠改性再生细骨料、液体硅酸钠改性再生粗骨料、聚羧酸盐减水剂和橡胶粉先投入搅拌机中，以600rpm的转速搅拌共混5min，搅拌完毕后再加入水、脂肪醇聚氧乙烯醚，以1500rpm的转速搅拌共混1min，得到抗冻融循环再生混凝土。
性能检测试验
试件的制备：实施例1-14以及对比例1-3分别浇筑入尺寸为100mm×100mm×100mm的混凝土试模中，试模中的混凝土成型后在标准养护条件下养护28d得到试件。
抗压强度：按照GB/T50081-2010《普通混凝土力学性能试验方法标准》对上述经过养护的试件进行抗压强度进行检测；
冻融循环检测：
试件在1#试剂中进行检测：试件在冻融实验前4d从养护地取出，首先进行外观检查，然后在温度为20℃的水中浸泡，浸泡时液面应高出试件20mm，试件浸泡4d后用于试验；控制每次冻融循环在2～4h内完成，其中用于融化的时间不得少于整个冻融时间的1/4；在冻结和融化终了时，试件中心温度应分别控制在-17±2℃和8±2℃；每块试件从6℃降至-15℃所用的时间不得少于冻结时间的1/2。
试件在2#试剂中进行检测：试件在冻融实验前4d从养护地取出，首先进行外观检查，然后在温度为20℃，浓度为3.5wt％的氯化钠盐溶液中浸泡，浸泡时液面应高出试件20mm，试件浸泡4d后用于试验；控制每次冻融循环在2～4h内完成，其中用于融化的时间不得少于整个冻融时间的1/4；在冻结和融化终了时，试件中心温度应分别控制在-17±2℃和8±2℃；每块试件从6℃降至-15℃所用的时间不得少于冻结时间的1/2。
分别记录试件在上述两种检测过程中首次出现裂缝或剥离等现象的冻融循环次数。
表4.实施例1-14和对比例1-3的28d抗压强度检测结果
试件
28d抗压强度/MPa
试件
28d抗压强度/MPa
实施例1
49.1
实施例10
60.3
实施例2
50.8
实施例11
47.2
实施例3
52.5
实施例12
48.7
实施例4
51.7
实施例13
46.8
实施例5
52.9
实施例14
47.5
实施例6
57.4
对比例1
49.3
实施例7
56.3
对比例2
49.7
实施例8
61.2
对比例3
51.4
实施例9
62.7
表5.实施例1-14和对比例1-3出现裂缝或剥落等现象的冻融循环次数
注：冻融循环次数越大，其抗冻融性能越佳。
结合实施例1和对比1-2，并结合表4-5的数据可以看出，对比例1中不加入橡胶粉，虽然其28d抗压强度与实施例1相比略有提高，但其在水中的冻融循环次数与实施例1相比由267次降低至230次，在盐水中的冻融循环次数与实施例1相比由256次降低至145次，降幅明显；而对比例2中不加入引气剂，其在水中的冻融循环次数与实施例1相比由267次降低至227次，在盐水中的冻融循环次数与实施例1相比由256次降低至139次，降幅显著。证明使用同时使用橡胶粉和引气剂能够显著改善再生混凝土的冻融循环次数，尤其是在盐水中的冻融循环次数，其可能原因在于：橡胶粉的孔隙吸收水分子，阻碍水分子的渗透，而引气剂形成的气泡为封闭的气泡孔，也能够对水分子的渗透起到阻碍作用，使得游离水在结晶过程中不易渗透迁移，抗盐水的冻融循环作用佳。
结合实施例1和对比3，并结合表6的数据可以看出，对比例3中使用液体硅酸钠对再生骨料进行改性，其28d抗压强度与实施例1相比由49.1MPa提升至51.4MPa，但其在水中的冻融循环次数与实施例1相比由267次降低至164次，在盐水中的冻融循环次数与实施例1相比由256次降低至67次，降幅显著，证明使用液体硅酸钠虽然能够弥补再生骨料中的缝隙，提高再生混凝土的强度，但其对于再生混凝土的抗冻融性能的改善几乎无影响。
结合实施例1-5并结合表4-5的数据可以看出，再生混凝土中的抗压强度主要取决与再生混凝土中水灰比的大小，其余原料的掺加量对再生混凝土抗压强度的影响有限，同时再生混凝土的水灰比在0.45时，再生混凝土的抗压强度和抗冻融性能较好。
结合实施例5-7并结合表4-5的数据可以看出，再生混凝土中使用天然骨料和再生骨料进行掺混时，能够对其抗压强度有所改善，天然骨料掺量越多，抗压强度越大，但再生骨料对再生混凝土的抗冻融性能的改善效果明显，当有机硅树脂改性再生细骨料占细骨料总重量的35wt％，且有机硅树脂改性再生粗骨料占粗骨料总重量的75wt％时，再生混凝土抗压强度虽然略有降低，但其抗冻融性能较好。
结合实施例7-10并结合表6的数据可以看出，使用液体硅酸钠能够对再生混凝土的抗冻融性能进行一定的改善，同时对再生混凝土的抗压强度也起到增强作用。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。
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