再生粗集料化學(xué)強(qiáng)化試驗(yàn)研究

胡旭晗, 肖杰*, 楊和平, 吳超凡, 張繼森

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410114； 2.湖南云中再生科技股份有限公司)

伴隨著中國(guó)建筑業(yè)的迅速發(fā)展，每年都有大量的舊建筑、老舊路面面臨拆除和重建，由此每年都會(huì)產(chǎn)生數(shù)以億噸計(jì)的建筑垃圾。建筑垃圾隨意丟棄不僅占地巨大、污染嚴(yán)重，同時(shí)也是對(duì)這種資源的巨大浪費(fèi)。對(duì)建筑垃圾的回收利用成為近幾年研究的焦點(diǎn)，目前最為廣泛的利用方式為：對(duì)建筑垃圾進(jìn)行破碎、篩分等一系列處理之后制作成再生骨料，部分或者全部替代天然骨料用以生產(chǎn)再生混凝土或水穩(wěn)碎石材料。相較于天然骨料，再生骨料的各項(xiàng)性能有著明顯的下降。再生骨料表面包裹著大量的水泥砂漿，同時(shí)在其使用及破碎、篩分的過(guò)程中，產(chǎn)生了大量的微裂縫，這些原因?qū)е铝嗽偕橇蠌?qiáng)度低、空隙率高、堆積密度小、吸水率大，其中強(qiáng)度低和吸水率過(guò)高嚴(yán)重限制了再生骨料的應(yīng)用范圍，目前主要應(yīng)用于低強(qiáng)度水泥混凝土的制備，其耐久性能、滲透性能，抗凍性能等性能也有明顯的下降。

為提高再生集料的利用率，改善再生骨料的缺陷，應(yīng)用于更高質(zhì)量的混凝土，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都對(duì)再生骨料的性能強(qiáng)化進(jìn)行了一系列的研究。目前再生骨料強(qiáng)化方法主要有物理強(qiáng)化和化學(xué)強(qiáng)化兩種。物理強(qiáng)化的原理是利用機(jī)械設(shè)備對(duì)骨料進(jìn)行處理，使再生骨料相互撞擊、磨削以除去表面附著的水泥砂漿，同時(shí)磨去棱角，使粒形更好。物理強(qiáng)化方法有立式偏心研磨法、顆粒整形技術(shù)和加熱研磨法等。然而，因物理強(qiáng)化方法工序復(fù)雜、耗能巨大，尚未推廣使用?；瘜W(xué)強(qiáng)化方法主要是使用溶液、聚合物等對(duì)再生骨料進(jìn)行浸泡、淋洗等處理，以填充或封閉骨料的微小裂縫，降低其吸水率，提高強(qiáng)度。強(qiáng)化劑類型有酸、堿、PVA聚合液、水泥漿液和有機(jī)硅樹(shù)脂等，各類強(qiáng)化劑對(duì)粗集料的強(qiáng)化效果不同?；瘜W(xué)強(qiáng)化方法因操作簡(jiǎn)便，耗能較小，且不會(huì)造成級(jí)配變異，對(duì)設(shè)備要求較低等優(yōu)點(diǎn)，從而得到大量使用。

目前的再生骨料化學(xué)強(qiáng)化研究較為單一，通常只進(jìn)行某一濃度溶液或處理時(shí)間的試驗(yàn)，改性溶液濃度、浸泡時(shí)間等因素對(duì)強(qiáng)化效果的影響研究較少。故該文選用鹽酸、自制堿性溶液、水玻璃溶液和有機(jī)硅樹(shù)脂4種化學(xué)溶液對(duì)再生粗骨料進(jìn)行處理，測(cè)試再生粗骨料吸水率、壓碎值等指標(biāo)在強(qiáng)化前后的變化，研究不同處理方式、不同處理時(shí)間和不同濃度對(duì)再生粗骨料的強(qiáng)化效果，以期找到最有效果的強(qiáng)化方式，提高再生集料質(zhì)量，用于再生混凝土的生產(chǎn)和應(yīng)用。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 原材料

1.1.1 天然及再生粗集料

試驗(yàn)用粗骨料為湖南某公司生產(chǎn)。天然集料為石灰石，再生骨料為磚與混凝土再生集料，由磚混結(jié)構(gòu)建筑拆除、破碎得到。粗集料篩分后根據(jù)粒徑分為3檔：4.75～9.5、9.5～19、19～26.5 mm。試驗(yàn)中采用粒徑為9.5～19 mm的再生粗集料進(jìn)行性能強(qiáng)化，經(jīng)人工分揀稱量計(jì)算，得到該檔粗集料磚含量為9.1%。

9.5～19 mm再生粗集料及作為對(duì)比的天然粗集料的物理性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 粗骨料性質(zhì)(9.5～19 mm)

由表1可知：與天然粗集料相比，再生粗集料吸水率較高，壓碎值稍大，集料表觀相對(duì)密度小，含泥量與含水率都較高。

1.1.2 強(qiáng)化試劑

水玻璃：硅酸鈉溶液，模數(shù)為3.0，濃度為30%。

堿溶液：由固態(tài)氯化鈉(NaCl)、碳酸鉀(K2CO3)、亞硝酸鈉(NaNO2)、氫氧化鈉(NaOH)分別按30%、30%、10%、30%的質(zhì)量比溶解于水制成。

鹽酸溶液：濃度為33%的濃鹽酸。

有機(jī)硅樹(shù)脂：型號(hào)為SIRESRMS100，德國(guó)生產(chǎn)，主要成分為液體甲基聚硅氧烷，催化劑為鈦酸正丁酯。

1.1.3 水

骨料清洗及配置溶液所用水為自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 再生粗骨料化學(xué)強(qiáng)化試驗(yàn)方法

參考相關(guān)學(xué)者研究結(jié)果，選用粒徑為9.5～19 mm的再生粗集料進(jìn)行化學(xué)強(qiáng)化試驗(yàn)。為凸顯化學(xué)溶液的強(qiáng)化效果，避免集料表面松散顆粒及浮塵對(duì)化學(xué)強(qiáng)化試驗(yàn)的影響，進(jìn)行試驗(yàn)前，對(duì)再生骨料進(jìn)行清洗。

水玻璃加水稀釋至質(zhì)量濃度分別為10%、20%、30%，將用自來(lái)水清洗晾干后的粗骨料在溶液中分別浸泡6、12和24 h，取出晾干備用。

鹽酸和堿溶液與水玻璃強(qiáng)化方案接近，鹽酸加水稀釋至濃度為1%、3%、5%，堿溶液濃度分別為2%、4%、6%。浸泡時(shí)間分別為6、12、24 h和4、12、24 h。浸泡相應(yīng)時(shí)間后取出晾干備用。

有機(jī)硅樹(shù)脂采用噴霧法對(duì)再生粗骨料進(jìn)行強(qiáng)化。取適量有機(jī)硅樹(shù)脂加入2%催化劑，攪拌均勻后，加水稀釋至所需濃度。已有研究表明：有機(jī)硅樹(shù)脂質(zhì)量取強(qiáng)化骨料質(zhì)量的4%，即可充分覆蓋骨料表面。使用噴霧器將溶液均勻噴灑至再生骨料上。有機(jī)硅樹(shù)脂具有優(yōu)良的耐高溫性能，故對(duì)比組采用高溫180 ℃對(duì)噴灑溶液后的骨料進(jìn)行加熱烘干，以便加速有機(jī)硅樹(shù)脂的覆蓋和浸入縫隙。

采用水玻璃、鹽酸及堿溶液對(duì)骨料進(jìn)行浸泡時(shí)，需進(jìn)行多次攪動(dòng)，使粗骨料與溶液充分接觸，使反應(yīng)徹底；采用有機(jī)硅樹(shù)脂強(qiáng)化粗集料時(shí)，噴灑的同時(shí)要不停翻動(dòng)骨料，目的是使骨料各表面充分暴露在空氣中，均勻覆蓋一層薄膜。

1.2.2 粗骨料物理性能試驗(yàn)方法

對(duì)天然粗集料和再生粗集料的含水率、吸水率、表觀密度等指標(biāo)依據(jù)JTG E42-2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行測(cè)試，強(qiáng)化后再生集料的吸水率亦按此規(guī)程進(jìn)行試驗(yàn)。

該文強(qiáng)化所用骨料粒徑為9.5～19 mm，與GB/T 14685-2011《建設(shè)用碎石、卵石》中的壓碎值試驗(yàn)規(guī)程一致，另考慮到性能強(qiáng)化試驗(yàn)主要研究強(qiáng)化前后骨料壓碎值的變化，為便于操作和比較，統(tǒng)一采用此規(guī)程中的壓碎值試驗(yàn)規(guī)程，對(duì)粒徑為9.5～19 mm的天然粗集料及強(qiáng)化前后的再生粗集料進(jìn)行壓碎值試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 再生粗集料強(qiáng)化效果

經(jīng)各溶液強(qiáng)化處理的再生粗骨料表面形態(tài)如圖1所示。對(duì)處理前后骨料進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)再生粗骨料經(jīng)堿溶液浸泡后，表面無(wú)明顯變化，而經(jīng)鹽酸強(qiáng)化后，表面砂漿脫落，粗糙度增加。水玻璃及有機(jī)硅樹(shù)脂處理后，骨料表面均覆蓋一層薄膜，裂縫及部分孔洞被封堵，但有機(jī)硅樹(shù)脂處理的骨料表面薄膜覆蓋更為均勻徹底。

2.2 強(qiáng)化結(jié)果及分析

2.2.1 化學(xué)強(qiáng)化對(duì)再生粗集料壓碎值的影響

再生粗骨料在不同濃度溶液浸泡不同時(shí)間或不同處理溫度強(qiáng)化后的壓碎值如圖2所示。

圖1 強(qiáng)化處理后的再生粗集料

圖2 不同強(qiáng)化條件下的集料壓碎值

由圖2可以看出：鹽酸、堿溶液、水玻璃及有機(jī)硅樹(shù)脂都對(duì)再生粗集料的強(qiáng)度提高有一定效果，但是提升效果因強(qiáng)化方式(溶液濃度、浸泡時(shí)間，處理方式、強(qiáng)化溫度等因素)不同而有所差異。

鹽酸與包裹在再生粗骨料表面的水泥砂漿中的水化產(chǎn)物Ca(OH)2等發(fā)生酸堿中和反應(yīng)，表面薄弱的水泥砂漿脫落。鹽酸強(qiáng)化后，再生粗骨料壓碎值出現(xiàn)下降，在1%、3%和5%不同濃度下，粗集料壓碎值的下降幅度隨處理時(shí)間先減小再增大，浸泡12 h時(shí)的壓碎值下降幅度最大，強(qiáng)化效果最好。分析原因是：浸泡時(shí)間過(guò)短時(shí)，反應(yīng)沒(méi)有進(jìn)行徹底，無(wú)法充分溶解掉再生集料表面的水泥砂漿，使強(qiáng)化效果不佳；而時(shí)間過(guò)久時(shí)，可能是鹽酸與砂漿反應(yīng)后，還與內(nèi)部骨料發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致骨料的強(qiáng)度降低，壓碎值反而升高。隨著鹽酸濃度的增高，壓碎值的降低幅度在減小，即濃度越高，壓碎值越大，其中濃度為3%和5%時(shí)，部分集料壓碎值已出現(xiàn)大于未處理粗骨料壓碎值的現(xiàn)象。這可能是鹽酸濃度過(guò)高，易侵入縫隙與內(nèi)部再生骨料發(fā)生反應(yīng)，反而降低了再生集料的壓碎值。

堿溶液中堿性物質(zhì)與再生骨料中未完全水化的礦物發(fā)生反應(yīng)，生成物浸入再生粗骨料縫隙，起到填充作用，黏合骨料的微細(xì)裂紋，提高了再生骨料的強(qiáng)度。堿性溶液相同濃度時(shí)，粗集料壓碎值基本呈現(xiàn)隨著浸泡時(shí)間先升高再降低的規(guī)律；而在浸泡時(shí)間一定，濃度為2%或6%時(shí)，壓碎值比較接近，都出現(xiàn)壓碎值升高甚至高于無(wú)強(qiáng)化材料壓碎值的現(xiàn)象。推測(cè)是在浸泡時(shí)間過(guò)久或濃度過(guò)高時(shí)，溶液中的堿性物質(zhì)與骨料中的二氧化硅等物質(zhì)發(fā)生了反應(yīng)，在骨料表面生成了堿-硅酸凝膠，凝膠在吸水后發(fā)生膨脹，導(dǎo)致混凝土再生骨料發(fā)生脹裂，強(qiáng)度降低，導(dǎo)致其壓碎值反而升高。

有機(jī)硅樹(shù)脂具有很強(qiáng)的憎水性和滲透性，固化成膜后能封堵再生集料的孔洞和微裂縫，降低壓碎值。由圖2(d)可以看出：有機(jī)硅樹(shù)脂濃度一定時(shí)，高溫環(huán)境有利于試劑的充分作用，對(duì)再生料強(qiáng)度的提升效果更好。原因是有機(jī)硅樹(shù)脂為耐高溫材料，在高溫下可以更好地滲透和包裹骨料，封堵骨料裂縫。而在相同溫度下，隨著試劑濃度增長(zhǎng)，處理后骨料壓碎值降低幅度先增大后基本不變，表明66%濃度的有機(jī)硅樹(shù)脂溶液可對(duì)骨料進(jìn)行充分強(qiáng)化。

橫向?qū)Ρ雀魅芤簩?duì)再生粗集料的強(qiáng)化效果，由表2可以看出：水玻璃及有機(jī)硅樹(shù)脂對(duì)再生粗骨料強(qiáng)度的提升效果較好，平均壓碎值降低幅度最大，分別達(dá)到了10.9%和8.8%。鹽酸對(duì)再生粗集料的壓碎值強(qiáng)化效果一般，平均下降幅度僅為0.8%。堿溶液對(duì)再生粗集料壓碎值的改善并無(wú)明顯效果，某些條件下反而導(dǎo)致壓碎值升高，降低了骨料的強(qiáng)度。

表2 不同強(qiáng)化方式下的平均壓碎值及強(qiáng)化幅度 %

2.2.2 化學(xué)強(qiáng)化對(duì)再生粗集料吸水率的影響

不同強(qiáng)化方式下的吸水率變化如圖3所示。

圖3 不同強(qiáng)化條件下再生集料的24 h吸水率

水玻璃硬化產(chǎn)生的硅酸凝膠及反應(yīng)生成的水硬硅酸膠體填充了裂縫，降低了骨料的吸水率。由圖3(a)可知：水玻璃濃度為20%時(shí)，對(duì)再生集料吸水率的降低效果最好，其次為10%。相同濃度下，吸水率降幅隨強(qiáng)化時(shí)間先降低后升高，浸泡12 h時(shí)對(duì)吸水率強(qiáng)化效果最好。

堿性物質(zhì)與再生骨料中礦物發(fā)生反應(yīng)，其生成物填補(bǔ)了骨料的縫隙，降低了吸水率。由圖3(b)可知：相同浸泡時(shí)間下，隨著堿溶液濃度的升高再生集料的吸水率降低，2%濃度下，吸水率下降幅度最大；相同濃度下，隨著浸泡時(shí)間增長(zhǎng)，吸水率降幅先減小后增大，浸泡24 h時(shí)強(qiáng)化效果最好。

鹽酸去除了再生骨料表面吸水率較大的砂漿，導(dǎo)致了吸水率的降低。由圖3(c)可知：鹽酸溶液濃度一定時(shí)，隨著骨料浸泡時(shí)間的增長(zhǎng)，骨料吸水率降低幅度逐漸減小，浸泡24 h時(shí)，鹽酸對(duì)再生集料吸水率的強(qiáng)化效果已十分微弱，分析原因可能是短時(shí)間反應(yīng)去除了表面的老舊砂漿，降低了吸水率，而反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，集料包裹砂漿反應(yīng)結(jié)束后，又與內(nèi)部骨料發(fā)生反應(yīng)，使裂縫或坑洞增多，反而增加了吸水率，與鹽酸強(qiáng)化后骨料壓碎值的變化規(guī)律一致；吸水率隨濃度大小變化規(guī)律不夠明顯，但濃度高時(shí)，短期反應(yīng)更為徹底，強(qiáng)化效果更好。

由圖3(d)可知：有機(jī)硅樹(shù)脂對(duì)吸水率的降低作用顯著，下降幅度較大。高溫作用下，有機(jī)硅樹(shù)脂更充分地封閉了內(nèi)部的縫隙，吸水率降幅增大；相同溫度條件下，強(qiáng)化效果隨有機(jī)硅樹(shù)脂濃度的增大而增強(qiáng)。其原因是固化成膜的有機(jī)硅樹(shù)脂封堵了骨料縫隙，大大減小了骨料的吸水率。

表3為不同強(qiáng)化方式下，24 h吸水率及強(qiáng)化幅度的平均值。

表3 不同強(qiáng)化方式下的平均24 h吸水率及強(qiáng)化幅度

由圖3及表3可以得出：4種溶液對(duì)再生粗集料吸水率的改善均有較為明顯的效果，平均吸水率的降低幅度堿溶液最低，為14.6%。鹽酸與水玻璃對(duì)吸水率的降低效果好于堿溶液，平均吸水率改善幅度比堿溶液分別增加6.1%和11%。有機(jī)硅樹(shù)脂溶液對(duì)粗骨料吸水率的改善效果最為顯著，平均降低幅度達(dá)到52.4%。

3 結(jié)論

(1) 與天然粗集料相比，再生粗集料密度小、吸水率大、壓碎值高。吸水率相差最大：再生集料24 h吸水率約為天然集料的18倍，吸水率差異大是影響再生集料應(yīng)用的重要原因。

(2) 4種化學(xué)強(qiáng)化方法對(duì)再生粗集料吸水率的降低效果明顯，對(duì)集料壓碎值的降低效果相對(duì)較弱。

(3) 各強(qiáng)化措施均可降低再生粗骨料的吸水率，降低幅度由大到小分別為有機(jī)硅樹(shù)脂、水玻璃、鹽酸和堿溶液。

(4) 各強(qiáng)化方式對(duì)再生粗集料壓碎值的變化有不同影響。水玻璃溶液降低壓碎值效果最好，其次為有機(jī)硅樹(shù)脂，鹽酸對(duì)集料強(qiáng)度提升作用較弱，堿性溶液作用最不顯著。某些條件下，化學(xué)試劑會(huì)導(dǎo)致集料壓碎值的升高。

(5) 綜合考慮吸水率及壓碎值，4種化學(xué)試劑強(qiáng)化效果從強(qiáng)到弱依次為：有機(jī)硅樹(shù)脂、水玻璃、鹽酸和堿溶液。另綜合考慮強(qiáng)化成本、時(shí)間等因素，采用66%濃度的有機(jī)硅樹(shù)脂對(duì)再生粗集料進(jìn)行噴灑，然后進(jìn)行高溫加熱、20%水玻璃浸泡6 h以及3%濃度鹽酸浸泡12 h共3種方式對(duì)再生粗集料強(qiáng)化效果最好。堿溶液的強(qiáng)化效果相較其他方式都較弱，不建議采用。