化學(xué)溶液浸漬法修復(fù)廢棄混凝土骨料研究

隋玉武，田清波，岳雪濤，喬鵬飛

（1.山東省綠色建筑協(xié)同創(chuàng)新中心，山東濟(jì)南250001；2.山東建筑大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 山東濟(jì)南250101）

化學(xué)溶液浸漬法修復(fù)廢棄混凝土骨料研究

隋玉武1，2，田清波2，岳雪濤2，喬鵬飛2

（1.山東省綠色建筑協(xié)同創(chuàng)新中心，山東濟(jì)南250001；2.山東建筑大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 山東濟(jì)南250101）

廢棄混凝土骨料因附有水泥石導(dǎo)致質(zhì)量變差，化學(xué)溶液浸漬法修復(fù)混凝土骨料是利用外界溶液與廢棄混凝土骨料上的水泥石進(jìn)行反應(yīng)，生成物質(zhì)填充水泥石孔隙、裂縫和表面，從而使其質(zhì)量得到改善。文章利用不同濃度的Na2SO4、Na2CO3等溶液對(duì)廢棄混凝土骨料進(jìn)行不同時(shí)間的浸漬修復(fù)，通過對(duì)比浸漬前后廢棄混凝土骨料的吸水率、表觀密度和壓碎指數(shù)判斷修復(fù)效果，并利用SEM和XRD檢測(cè)樣品微觀結(jié)構(gòu)和礦物成分變化。結(jié)果表明:Na2SO4、Na2CO3、NaCl和NaOH溶液能與水泥石發(fā)生反應(yīng)，生成的填充物主要是CaCO3和CaSO4·2H2O；修復(fù)后的廢棄混凝土骨料表觀密度超過2.25 g／cm3，達(dá)到了混凝土再生骨料標(biāo)準(zhǔn)要求；不同修復(fù)溶液種類、濃度和修復(fù)時(shí)間會(huì)影響修復(fù)效果，Na2CO3、Na2SO4溶液對(duì)廢棄混凝土質(zhì)量的修復(fù)效果好于其他試驗(yàn)溶液，濃度為6%的Na2CO3溶液在相同時(shí)間內(nèi)修復(fù)效果好于其他濃度修復(fù)的效果。

廢棄混凝土骨料；浸漬法；化學(xué)溶液；表觀密度

0 引言

混凝土是當(dāng)今世界使用最多的建筑材料，從2014年開始我國每年生產(chǎn)40多億t商品混凝土，幾乎占世界總產(chǎn)量的50%?；炷翆?duì)固體廢棄物再生利用作用很大，但在達(dá)到使用壽命被拆除后，自身也成為垃圾，2014年開始我國每年產(chǎn)生的建筑垃圾達(dá)到15億t以上［1-4］。

由于廢棄混凝土數(shù)量巨大和制備混凝土天然材料減少，廢棄混凝土再生利用問題日益得到社會(huì)的關(guān)注。目前廢棄混凝土再生利用主要是破碎后，用于道路、建筑等基礎(chǔ)的基礎(chǔ)層［5］。再生骨料主要由天然骨料和水泥石組成。水泥石結(jié)構(gòu)疏松、內(nèi)部孔隙多、抗壓和抗腐蝕性低，孔隙率、吸水率等指標(biāo)高，因此再生骨料綜合性能差，難以作為再生骨料用來新制混凝土［6］。

廢棄混凝土骨料因附有水泥石導(dǎo)致質(zhì)量變差，提高廢棄混凝土骨料質(zhì)量，主要是處理附在骨料上的水泥石。根據(jù)處理水泥石的途徑，可以把提高廢棄混凝土骨料的方法分為剔除法和修補(bǔ)法兩大類。剔除法就是利用物理、化學(xué)等方法把黏附在原生骨料上的水泥石除去；而修補(bǔ)法，就是采用理化方法修補(bǔ)黏附在原生骨料上的水泥石，提高其質(zhì)量?；瘜W(xué)熔液浸漬法修復(fù)混凝土骨料是利用外界溶液與廢棄混凝土骨料上的水泥石進(jìn)行反應(yīng)，生成物質(zhì)填充水泥石孔隙、裂縫和表面，從而使其質(zhì)量得到改善。

利用加熱研磨法對(duì)廢棄混凝土再生骨料進(jìn)行處理，可以得到接近天然骨料基本性能的再生骨料［3，7-8］；Linss利用超聲波處理廢棄混凝土，使廢棄混凝土中的天然骨料與水泥砂漿分開，制備出高質(zhì)量再生骨料［9］；李秋義等單純利用機(jī)械整形，對(duì)廢棄混凝土骨料進(jìn)行處理，從而提高再生骨料質(zhì)量［10］。這些方法都是旨在除去再生骨料中黏附在原生骨料上的砂漿，利用高壓水槍施外力，用酸性溶液浸泡再生骨料等方法也可以實(shí)現(xiàn)剔除水泥石［11］。

利用修補(bǔ)法對(duì)混凝土或廢棄混凝土骨料進(jìn)行了修補(bǔ)試驗(yàn)。楊寧等利用水泥漿等外界物質(zhì)對(duì)廢棄混凝土骨料的孔隙進(jìn)行密封，從而提高混凝土再生骨料的質(zhì)量［10-12］。而利用二氧化碳對(duì)混凝土碳化原理，通過調(diào)整濕度、溫度和壓力等外界條件，為廢棄混凝土骨料提供適宜的碳化條件，提高再生骨料的質(zhì)量［13-14］。這種方法對(duì)混凝土再生骨料質(zhì)量的提高效果不是特別明顯，但是可以把二氧化碳（CO2）貯存到廢棄混凝土中，具有環(huán)保意義。

劉索瑞利用化學(xué)溶液浸漬法系統(tǒng)地對(duì)混凝土裂隙進(jìn)行修復(fù)研究，取得較好的效果［15］；朱從香等利用化學(xué)溶液浸漬法研究了提高混凝土再生骨料的抗碳化性能［16］?；瘜W(xué)浸泡法修復(fù)再生骨料在工藝上比剔除法簡單，并且不會(huì)產(chǎn)生新的廢棄物，值得進(jìn)一步研究。

文章利用碳酸鈉（Na2CO3）、硫酸鈉（Na2SO4）等溶液浸漬廢棄骨料進(jìn)行修復(fù)，通過對(duì)比浸漬前后廢棄混凝土骨料的吸水率、表觀密度和壓碎指標(biāo)判斷修復(fù)效果，并利用掃描電鏡（SEM）和X射線衍射（XRD）檢測(cè)樣品微觀結(jié)構(gòu)和礦物成分變化。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料和方法

化學(xué)溶液浸漬法修復(fù)廢棄混凝土骨料，是利用修復(fù)溶液直接與水泥石中的化學(xué)成分進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，或者作為激發(fā)物使水泥石中的成分進(jìn)一步發(fā)生水化，從而在水泥石中生成新的化學(xué)成分，封堵水泥石中的空隙、裂隙和表面，增加密實(shí)性，提高質(zhì)量。

試驗(yàn) 中 使 用Na2SO4、Na2CO3、氫 氧 化鈉（NaOH）、氯化鈉（NaCl）、CO2和水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料等6種材料對(duì)混凝土再生骨料進(jìn)行浸漬處理，其中Na2SO4、Na2CO3、CO2和水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料等4種是與水泥石發(fā)生反應(yīng)生成新的物質(zhì)。理論上NaCO3、CO2與水泥石中的Ca（OH）2生成CaCO3；NaSO4和水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料生成鈣礬石（AFt）。

NaCl與水泥石的反應(yīng)比較特殊，其主要作用為可以激發(fā)水泥進(jìn)一步水化，生成更多的水化物，同時(shí)Cl-存在使水泥石進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)，生成單硫型鋁酸鈣水化物（3CaO·Al2O3·CaCl2·10H2O），反應(yīng)式由（5）～（7）表示為

圖1 化學(xué)溶液浸漬法修復(fù)混凝土再生骨料流程圖

NaOH溶液對(duì)水泥石主要起到激發(fā)作用，激發(fā)未水化的水泥進(jìn)一步水化，生成水化物，填充孔隙或裂隙。

試驗(yàn)中使用的廢棄混凝土再生骨料來自青島綠帆再生建筑材料利用公司，粒徑5～20 mm，廢棄混凝土 骨 料 為 天 然 卵石。試驗(yàn) 所 用 的Na2SO4、Na2CO3、NaOH、NaCl試劑為分析純粉體，CO2氣體為實(shí)驗(yàn)室瓶裝氣；水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料。

試驗(yàn)主要檢測(cè)指標(biāo)為吸水率、表觀密度和壓碎指數(shù)等。其中，壓碎指數(shù)用來檢測(cè)骨料強(qiáng)度，按照GB 14685—2011要求，把裝有樣品的圓模放置到壓力機(jī)上，以1 kN／s速度均勻加荷到200 kN并穩(wěn)荷5 s，然后卸載。倒出試樣后用孔徑2.36 mm篩子篩除被壓碎的細(xì)粒，稱出留在篩子上的試樣質(zhì)量，精確到1 g。壓碎指數(shù)的計(jì)算由式（8）表示為

式中:Qe為壓碎指數(shù)，%；G1為試樣質(zhì)量，g；G2為壓碎試驗(yàn)后篩余的質(zhì)量，g。

試驗(yàn)整個(gè)流程如圖1所示。

1.2 未經(jīng)化學(xué)溶液浸漬處理的廢棄混凝土骨料基本性質(zhì)

試驗(yàn)樣品中包含紅磚、木屑、陶瓷和玻璃等雜質(zhì)，具體數(shù)量見表1。

表1 試樣中雜質(zhì)含量／%

另外，廢棄混凝土骨料的基本性質(zhì)見表2。

表2 廢棄混凝土骨料的基本性質(zhì)

按照國標(biāo)中混凝土用再生粗骨料的規(guī)定，此廢棄混凝土骨料中雜質(zhì)含量較高，并且表觀密度達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)的最低要求，見表3［17］。

表3 混凝土用再生粗骨料指標(biāo)規(guī)定

2 結(jié)果與分析

2.1 修復(fù)溶液對(duì)廢棄混凝土再生骨料修復(fù)效果的微觀檢測(cè)結(jié)果

用XRD檢測(cè)廢棄混凝土再生骨料修復(fù)前后礦物成分變化，結(jié)果顯示:檢測(cè)的樣品中，SiO2是檢測(cè)出的主要礦物成分，經(jīng)過Na2CO3溶液處理后的廢棄混凝土再生骨料中的CaCO3含量增加，經(jīng)過Na2SO4溶液處理后的廢棄混凝土再生骨料中的CaSO4·2H2O含量增加，經(jīng)過NaCl和NaOH溶液處理后的再生骨料中沒有檢測(cè)到明顯的新增礦物成分（如圖2所示）。

圖2 廢棄混凝土再生骨料經(jīng)溶液修復(fù)前后XRD檢測(cè)圖

Na2SO4、Na2CO3、NaOH、NaCl溶液對(duì)廢棄混凝土再生骨料的修復(fù)可以用掃描電鏡進(jìn)行微觀觀察。從掃描電鏡對(duì)樣品檢測(cè)后發(fā)現(xiàn):未經(jīng)修復(fù)的廢棄混凝土骨料上的水泥石結(jié)構(gòu)疏松，孔隙多（如圖3所示），而用濃度6%的Na2CO3溶液修復(fù)15 d后，其孔隙大量降低，水泥石結(jié)構(gòu)更加密實(shí)（如圖4所示）。

2.2 浸漬溶液種類、浸漬時(shí)間、溶液濃度對(duì)廢棄混凝土骨料修復(fù)的影響

從試驗(yàn)結(jié)果來看，經(jīng)過不同實(shí)驗(yàn)濃度的Na2SO4、Na2CO3、NaOH和NaCl溶液浸漬30 d后，廢棄混凝土再生骨料都出現(xiàn)表觀密度超過2250 kg／m3的情況，比原樣品提高13.6%。但是CO2和防水涂料處理后的廢棄混凝土骨料表觀密度低于2250 kg／m3，即仍然達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖3 未經(jīng)處理的再生骨料掃描電鏡的微觀結(jié)構(gòu)圖

圖4 經(jīng)6%Na2CO3溶液修復(fù)15 d后的再生骨料中水泥石微觀結(jié)構(gòu)掃描電鏡圖

溶液濃度對(duì)廢棄混凝土骨料的修復(fù)結(jié)果有影響，不同濃度的Na2SO4、Na2CO3、NaOH、NaCl溶液對(duì)廢棄混凝土骨料的修復(fù)能力表現(xiàn)不同，Na2SO4溶液濃度為10%時(shí)修復(fù)效果相對(duì)較好；濃度為2%的NaOH溶液修復(fù)效果相對(duì)較好；NaCl溶液濃度為2%、6%和10%時(shí)，對(duì)廢棄混凝土骨料的修復(fù)效果相差不大，經(jīng)過6%Na2CO3溶液修復(fù)后的廢棄混凝土骨料，吸水率、表觀密度和壓碎指數(shù)比用濃度2%和10%的Na2CO3溶液修復(fù)效果好（如圖5～8所示）。

從圖5～8中還可以看出:浸漬溶液對(duì)廢棄混凝土骨料的修復(fù)有“時(shí)間性”，即經(jīng)過一定的浸漬時(shí)間后，廢棄混凝土骨料的吸水率和表觀密度達(dá)到最大值，之后隨著時(shí)間增加這些值穩(wěn)定變化或者下降，而且出現(xiàn)最大值的時(shí)間會(huì)受到修復(fù)溶液的濃度影響。一般來說，修復(fù)溶液濃度越低，出現(xiàn)最大值的時(shí)間越晚。Na2SO4溶液處理廢棄混凝土骨料中，處理10 d后，2%、6%和10%三種溶液修復(fù)后的再生骨料表觀密度都達(dá)到最大，但是濃度10%溶液達(dá)到2.31 g／cm3之后其值保持在2.25 g／cm3；濃度6%和2%溶液修復(fù)后再生骨料表觀密度分別達(dá)到2.23和2.21 g／cm3，之后隨著浸漬時(shí)間增加，表觀密度值卻下降。用Na2CO3溶液修復(fù)廢棄混凝土骨料，經(jīng)濃度10%的溶液浸漬15 d后，骨料表觀密度達(dá)到最大值2.28 g／cm3，而經(jīng)過濃度6%和2%溶液處理的骨料表觀密度20 d后可以分別達(dá)到最大值2.31和2.25 g／cm3；氫氧化鈉溶液修復(fù)廢棄混凝土骨料，5 d后經(jīng)濃度6%溶液修復(fù)的再生骨料表觀密度可以達(dá)到最大值2.24 g／cm3，經(jīng)過濃度2%溶液修復(fù)的骨料在浸漬10 d后表觀密度亦可達(dá)到最大值2.37 g／cm3；用氯化鈉溶液修復(fù)再生骨料，2%、6% 和10%等3種濃度溶液處理5 d后，再生骨料表觀密度均達(dá)到最大值。

圖5 Na2SO4濃度和浸漬時(shí)間對(duì)廢棄混凝土骨料吸水率和表觀密度的影響圖

圖6 Na2CO3濃度和浸漬時(shí)間對(duì)廢棄混凝土骨料吸水率和表觀密度的影響圖

圖7 NaOH濃度和浸漬時(shí)間對(duì)廢棄混凝土骨料吸水率和表觀密度的影響圖

圖8 NaCl濃度和浸漬時(shí)間對(duì)廢棄混凝土骨料吸水率和表觀密度的影響圖

通過檢測(cè)壓碎指數(shù)，發(fā)現(xiàn)廢棄混凝土再生骨料壓碎指數(shù)在降低到最低值后開始增大，這說明再生骨料經(jīng)過修復(fù)后，堅(jiān)固性增加，但是如果繼續(xù)進(jìn)行修復(fù)，堅(jiān)固性則開始降低。圖9為廢棄混凝土骨料在不同時(shí)間，經(jīng)不同濃度溶液修復(fù)后的壓碎指數(shù)變化圖，可以看出:經(jīng)Na2CO3和Na2SO4溶液浸漬10 d后再生骨料的壓碎指數(shù)都達(dá)到最小，說明經(jīng)過10 d修復(fù)后骨料的堅(jiān)固性最好，此時(shí)再生骨料的表觀密度也達(dá)到最大，但是之后壓碎指數(shù)變大，說明堅(jiān)固性降低。

圖9 溶液濃度和浸漬時(shí)間對(duì)廢棄混凝土骨料壓碎指標(biāo)的影響圖

出現(xiàn)這種現(xiàn)象有一種可能就是修復(fù)溶液在廢棄混凝土骨料水泥石中的反應(yīng)過量，導(dǎo)致再生骨料中的水泥石二次破碎。劉索瑞利用硫酸鈣修復(fù)混凝土裂隙時(shí)，經(jīng)過60 d浸泡修復(fù)后，造成已經(jīng)修復(fù)的混凝土裂隙發(fā)生二次開裂［15］。

3 結(jié)論

通過上述研究可知:

（1）Na2SO4、Na2CO3、NaCl和NaOH溶液能與廢棄混凝土再生骨料上的水泥石發(fā)生反應(yīng)，生成物填充和封閉了水泥石，從而使其結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。XRD檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，修復(fù)溶液生成的填充物主要是CaCO3和CaSO4·2H2O。

（2）利用Na2SO4、Na2CO3、NaCl、NaOH溶液修復(fù)后的混凝土再生骨料，表觀密度能夠超過2.25 g／cm3，達(dá)到了混凝土再生骨料國標(biāo)要求，經(jīng)過修復(fù)后的廢棄混凝土骨料具體可達(dá)到混凝土用再生粗骨料Ⅲ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

（3）修復(fù)溶液種類、濃度和修復(fù)時(shí)間對(duì)廢棄混凝土骨料修復(fù)效果有影響，Na2CO3、Na2SO4溶液對(duì)廢棄混凝土質(zhì)量的修復(fù)效果好于其他試驗(yàn)溶液，濃度為6%的Na2CO3溶液修復(fù)效果好于該物質(zhì)其他濃度修復(fù)的效果；經(jīng)濃度10%的Na2SO4溶液修復(fù)的廢棄混凝土再生骨料，質(zhì)量好于利用其他濃度的Na2SO4溶液修復(fù)的再生骨料。達(dá)到相同的修復(fù)效果，低濃度溶液需要的浸漬時(shí)間相對(duì)于高濃度溶液較長。試驗(yàn)修復(fù)的5～20 mm粗廢棄混凝土骨料，10～15 d修復(fù)后其質(zhì)量基本穩(wěn)定。

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（學(xué)科責(zé)編：吳芹）

Study on repairment of properties of used concrete aggregate w ith themethod of immersion in chem ical solution

Sui Yuwu1，2，Tian Qingbo2，Yue Xuetao2，et al.
（1.Shandong Provincial Co-innovation Center of Green Building，Jinan 250101，China；2.School ofMaterial Science and Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China）

The used concrete aggregate has bad qualities because of the attached cement paste，and themethod of immersion in chemical solution can improve its properties，using preparation chemical materials in the pore，crack and surface of cement paste，relying on the chemical reaction between chemical solution and cement paste.Based on the above-mentioned theory，by repairment in different time for used concrete aggregate in different concentration Na2SO4、Na2CO3etc.solutions and with contrast to the water absorption，apparent density and antidepressant index of samples before and after immersion in solution，as well as the change of microstructure and mineral composition of used concrete aggregate with the detection of SEM and XRD.The results show that solutions of Na2SO4，Na2CO3，NaCl and NaOH can react with cement paste.Main products are CaCO3and CaSO4·2H2O.The apparent density of the used concrete aggregate can exceed 2.25 g／cm3after the repairment，which meets the standard requirement of recycled aggregate of concrete；The repairment result is influenced by the kind，concentration of repairment solution，and repairment time，Na2SO4、Na2CO3can better repair the used concrete aggregate than others，Na2CO3with 6%concentration can better repair the used concrete aggregate than others in the same time.

used concrete aggregate；immersion method；chemical solution；apparent density

TU528.041

A

1673-7644（2017）03-0218-07

2017-04-26

山東省綠色建筑學(xué)會(huì)創(chuàng)新中心團(tuán)隊(duì)建設(shè)基金項(xiàng)目；山東建筑大學(xué)博士基金項(xiàng)目（XNBS1257）；山東省住建廳項(xiàng)目（KY018）

隋玉武（1971-），男，副教授，博士，主要從事建筑材料等方面的研究.E-mail:herrsui＠sdjzu.edu.cn