研磨功對(duì)再生集料性能改善的量化評(píng)價(jià)

付魯鑫， 賈致榮， 王立志， 姜瑞瑞， 徐良軍

(1.山東理工大學(xué)交通與車(chē)輛工程學(xué)院， 淄博 255049； 2.山東理工大學(xué)建筑工程學(xué)院， 淄博 255049；3.山東魯中公路建設(shè)有限公司， 淄博 255000)

傳統(tǒng)建筑業(yè)發(fā)展模式中，絕大部分建筑廢物均直接排向自然界，隨著社會(huì)的進(jìn)步，建筑廢物資源化成為建筑廢物處理的重要途徑。通過(guò)對(duì)建筑廢物進(jìn)行多次分解與合成，將資源化再生產(chǎn)品作為新型綠色建筑材料是推進(jìn)建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展的新動(dòng)能。

再生集料是指建筑廢物通過(guò)破碎等工序生產(chǎn)得到的一種集料，按廢舊材料類(lèi)型可分為很多種，如廢舊混凝土、廢舊瀝青、廢磚瓦和廢舊基層材料等再生集料，再生集料的使用可減少有限資源的消耗，從而達(dá)到保護(hù)環(huán)境和節(jié)約成本的目的，但是再生集料使用方面仍存在缺陷，如再生集料與水泥漿體之間的界面較薄弱，這主要是由于再生集料表面附著低質(zhì)量的舊水泥漿體造成的[1-3]。再生集料應(yīng)用的局限性主要?dú)w因于其質(zhì)量較差。

為了使再生集料獲得更高的利用附加值，大量學(xué)者關(guān)于如何提高再生集料的質(zhì)量進(jìn)行了研究。根據(jù)針對(duì)再生集料表面漿體的處理方法不同，研究可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是對(duì)再生集料表面進(jìn)行改性。Katz[4]通過(guò)浸漬硅粉溶液對(duì)再生集料進(jìn)行強(qiáng)化處理；Wang等[5]基于細(xì)菌誘導(dǎo)CaCO3沉淀的生物沉積法來(lái)改善再生集料的質(zhì)量；應(yīng)敬偉等[6]通過(guò)使用高濃度的CO2氣體來(lái)強(qiáng)化再生集料；程海麗等[7]采用3%的水玻璃溶液浸泡處理再生集料，達(dá)到再生集料表面改性的目的；侯月琴[8]則采用有機(jī)樹(shù)脂對(duì)再生集料表面進(jìn)行活化處理。另一類(lèi)是通過(guò)去除再生集料表面的舊水泥漿體來(lái)達(dá)到再生集料強(qiáng)化的目的。其中主要包括化學(xué)酸洗強(qiáng)化和物理研磨強(qiáng)化。在化學(xué)酸洗強(qiáng)化研究中，Ismail等[9]使用不同低濃度酸作為表面處理劑處理再生集料；Purushothaman等[10]對(duì)再生集料則采用硫酸通過(guò)加熱洗滌的方式進(jìn)行處理，以獲得能與天然集料相媲美的高質(zhì)量再生集料。Tam等[11]則將再生集料浸泡在一定濃度的鹽酸、硫酸和磷酸溶液中來(lái)洗除再生集料表面的漿體。物理研磨強(qiáng)化研究中，Noguchi等[12]通過(guò)對(duì)再生集料采用先加熱后研磨的方法來(lái)除去再生集料表面的漿體；李秋義等[13]采用集料整形法，通過(guò)研磨改善集料粒形并除去再生集料表面所附的硬化水泥石，進(jìn)而達(dá)到對(duì)再生集料強(qiáng)化的目的。

集料整形法具備強(qiáng)化效果好、造價(jià)較低、工藝流程簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，但顆粒整形法未針對(duì)不同研磨參數(shù)來(lái)提出研磨對(duì)再生集料強(qiáng)化效果的量化評(píng)價(jià)，本文通過(guò)對(duì)研磨試驗(yàn)設(shè)置不同的試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比研究，探究出不同研磨功對(duì)再生集料的強(qiáng)化效果的影響，進(jìn)而提出研磨功對(duì)再生集料性能改善的量化評(píng)價(jià)。

1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)所用的再生集料為維特根W2000銑刨機(jī)進(jìn)行S236博沂線道路改造銑刨得到的水泥穩(wěn)定碎石銑刨料，再生集料的基本物理性能指標(biāo)如表1所示。研磨試驗(yàn)設(shè)備為臥式強(qiáng)制研磨設(shè)備，如圖1所示。臥式強(qiáng)制研磨設(shè)備的內(nèi)筒直徑為0.76 m，研磨機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)為48 r/min，單個(gè)鋼球直徑為5 cm，單個(gè)鋼球質(zhì)量為0.45 kg。

表1 再生粗集料物理性能指標(biāo)Table 1 Recycled aggregate physical properties

2 研磨試驗(yàn)

再生集料表面附著水泥漿體形成的多孔和微裂紋薄弱層是影響再生集料性能的主要原因，也是再生集料與天然集料之間最顯著的差異之一[13]。本文采用顆粒整形的方法通過(guò)設(shè)置不同試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行研磨試驗(yàn)來(lái)減少再生集料表面附著的低質(zhì)量水泥漿體，達(dá)到對(duì)再生集料強(qiáng)化的效果。

考慮集料的級(jí)配對(duì)研磨的影響，本文將對(duì)三種不同級(jí)配集料進(jìn)行研磨試驗(yàn)。三種不同級(jí)配集料的級(jí)配曲線如圖2所示。Ⅰ級(jí)配為粗粒徑集料所占比例較大的集料級(jí)配；Ⅱ級(jí)配為粗細(xì)集料均衡的集料級(jí)配；Ⅲ級(jí)配為細(xì)粒徑集料所占比例較大的集料級(jí)配。

A為出料口；B為內(nèi)筒；C為外筒；D為研磨肋；E為支撐架；F為墊木；G為傳動(dòng)軸；H為轉(zhuǎn)動(dòng)軸；I為電機(jī)；J為再生集料；K為鋼球圖1 臥式強(qiáng)制研磨設(shè)備示意圖Fig.1 Schematic diagram of horizontal forced grinding equipment

圖2 再生集料級(jí)配曲線Fig.2 Synthetic gradation of recycled aggregate

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

研磨試驗(yàn)中再生集料均采用S236博沂線道路改造銑刨得到的水泥穩(wěn)定碎石銑刨料，分別對(duì)三種不同級(jí)配的集料進(jìn)行研磨，每次研磨的集料質(zhì)量均為5 kg，考慮研磨體內(nèi)鋼球數(shù)量與研磨轉(zhuǎn)次兩個(gè)試驗(yàn)參數(shù)對(duì)研磨試驗(yàn)強(qiáng)化效果的影響，對(duì)這兩個(gè)研磨參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，其中鋼球數(shù)量分別為0、4、6、8、12個(gè)，研磨轉(zhuǎn)次分別為100、200、300、400次，采用平行試驗(yàn)的方法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

再生集料表面附著的高吸水率、低強(qiáng)度水泥砂漿，是造成再生集料與天然集料之間物理與力學(xué)性能差異的主要原因[13]。因此采用集料的壓碎值與吸水率作為再生集料性能改善的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.1.1 壓碎值試驗(yàn)

壓碎值是衡量集料強(qiáng)度的重要指標(biāo)。根據(jù)JTG/E 42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》中T 0316—2005試驗(yàn)方法對(duì)再生集料進(jìn)行壓碎值試驗(yàn)。壓碎值計(jì)算公式為

(1)

式(1)中：Q為粗集料壓碎值，%；mq為試驗(yàn)前試樣質(zhì)量，g；mh為試驗(yàn)后通過(guò)2.36 mm篩孔的細(xì)料質(zhì)量，g。

2.1.2 吸水率試驗(yàn)

根據(jù)JTG/E 42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》中T 0304—2005試驗(yàn)方法(網(wǎng)籃法)對(duì)再生集料進(jìn)行吸水率試驗(yàn)。吸水率計(jì)算公式為

(2)

式(2)中：ωx為集料的吸水率，%；ma為集料的烘干質(zhì)量，g；mf為集料的表干質(zhì)量，g。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果

本試驗(yàn)采用平行試驗(yàn)法，進(jìn)行不同研磨參數(shù)下的研磨試驗(yàn)，測(cè)得研磨處理后再生集料的物理與力學(xué)性能指標(biāo)，如表2所示。研磨前后得到的再生集料如圖3所示。

表2 研磨后再生集料物理性能Table 2 Recycled aggregate physical properties after grinding

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

由表1和表2可知，經(jīng)研磨處理的再生集料壓碎值由32.7%下降至24.2%，吸水率也由5.04%降至1.11%，由此可以看出研磨可有效改善再生集料的物理及力學(xué)性能。由圖3可知，研磨前的再生集料表面呈現(xiàn)出凹凸不平的形狀，并吸附著大量微粉，而研磨后的再生集料表面凹凸不平感消失，微粉也大量減少，這從宏觀上再次證明研磨可有效改善集料粒形并除去再生集料表面所附的水泥漿體。

根據(jù)表2可以得到，當(dāng)鋼球數(shù)量為0時(shí)，研磨只考慮再生集料之間摩擦與碰撞的作用，壓碎值與吸水率隨著轉(zhuǎn)次的增大而減小，壓碎值由32.7%減小至29.5%，吸水率由5.04%減小至2.19%，與鋼球研磨的再生集料壓碎值與吸水率相比其減小的幅度較??；當(dāng)鋼球數(shù)量一定時(shí)，通過(guò)改變研磨轉(zhuǎn)次，再生集料壓碎值與吸水率的大小隨著研磨轉(zhuǎn)次的增加呈現(xiàn)出先降低后增大的趨勢(shì)；當(dāng)采用不同級(jí)配再生集料進(jìn)行研磨時(shí)，再生集料的壓碎值與吸水率變化并不明顯。由此可以得出再生集料、鋼球數(shù)量與研磨轉(zhuǎn)次對(duì)研磨效果有一定的影響。

根據(jù)物理學(xué)中功的概念，可以得出鋼球質(zhì)量及研磨轉(zhuǎn)次均與功相關(guān)。為進(jìn)一步對(duì)研磨強(qiáng)化效果進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，擬引入研磨功作為基本參數(shù)來(lái)表征不同的再生集料質(zhì)量、鋼球質(zhì)量與研磨轉(zhuǎn)次，進(jìn)而得到研磨功與再生集料性能改善之間的關(guān)系。

研磨功由兩部分組成，一部分為鋼球研磨對(duì)再生集料的影響，另一部分為研磨過(guò)程中再生集料之間的摩擦碰撞對(duì)再生集料的影響。

根據(jù)物理學(xué)中關(guān)于轉(zhuǎn)動(dòng)物體功的計(jì)算公式，可以得到研磨功的計(jì)算公式為

W=mgωrRt

(3)

式(3)中：m=k1m1+k2m0，其中，m1為所研磨再生集料的質(zhì)量，m0為鋼球的質(zhì)量，k1為所研磨再生集料對(duì)研磨的影響系數(shù)，k2為鋼球?qū)ρ心サ挠绊懴禂?shù)；g是重力加速度，取9.8 N/kg；R為研磨設(shè)備內(nèi)筒半徑；ωr為研磨設(shè)備內(nèi)筒壁上的角速度；t=c/n，其中，c是研磨轉(zhuǎn)次，n為研磨設(shè)備的轉(zhuǎn)數(shù)。

圖3 研磨前后的再生集料Fig.3 Recycled aggregate before and after grinding

由表2可知，當(dāng)鋼球數(shù)量為0時(shí)，研磨功主要表現(xiàn)為再生集料之間的相互摩擦碰撞作用。當(dāng)鋼球數(shù)量為0、研磨轉(zhuǎn)次為400轉(zhuǎn)時(shí)，再生集料的壓碎值為29.6%，吸水率為2.27%；當(dāng)鋼球數(shù)量為4、研磨轉(zhuǎn)次為100時(shí)，再生集料壓碎值29.5%，吸水率為2.24%。這兩種情況下的壓碎值與吸水率最為接近，可以將這兩種情況下的研磨功視為相等，求出鋼球與再生集料對(duì)研磨功的影響系數(shù)。

根據(jù)研磨功計(jì)算公式可得：

(4)

(5)

將m1=5、c1=400、m0=4×0.45=1.8、c1=100代入式(4)、式(5)，由W1=W2可得：k1/k2=0.12；由于研磨試驗(yàn)主要是通過(guò)鋼球的研磨使得再生集料表面漿體的脫落從而達(dá)到集料性能改善效果，因此將鋼球質(zhì)量對(duì)研磨影響作為基準(zhǔn)，即設(shè)k2=1。由此可得再生集料質(zhì)量對(duì)研磨的影響系數(shù)k1=0.12。

通過(guò)對(duì)表2中不同研磨參數(shù)進(jìn)行計(jì)算得到研磨功與再生集料壓碎值、吸水率之間的關(guān)系，如圖4、圖5所示。由圖4可以得到，再生集料壓碎值隨著研磨功的增加呈現(xiàn)出先減少后增大的趨勢(shì)，即存在一個(gè)最佳研磨功Wopt使得再生集料壓碎值達(dá)到最小。通過(guò)擬合曲線可以看出，三種級(jí)配再生集料的最佳研磨功略有不同，大粒徑占比較大(III級(jí)配)的再生集料的擬合曲線略向右偏移，即Wopt-Ⅲ偏大；小粒徑占比較大(I級(jí)配)的再生集料的擬合曲線略向左偏移，即Wopt-Ⅰ偏小，這是由于大粒徑集料研磨去除表面漿體所需要的功要大于小粒徑研磨所需的功。由擬合曲線可以得到三種級(jí)配下的再生集料最佳研磨功分別為Wopt-I=16.85 kJ、Wopt-II=19.65 kJ、Wopt-III=23.16 kJ，當(dāng)W≤Wopt時(shí)，再生集料壓碎值隨著研磨功的增加而減??；當(dāng)W>Wopt時(shí)，再生集料壓碎值隨著研磨功的增加而增大。

由圖5可知，再生集料吸水率隨著研磨功的增加同樣呈現(xiàn)出先減少后增大的趨勢(shì)。本試驗(yàn)中，根據(jù)擬合曲線的表達(dá)式得到的再生集料最佳研磨功Wopt與圖4中再生集料壓碎值所擬合曲線表達(dá)式計(jì)算得到的最佳研磨功Wopt相一致。再生集料吸水率與研磨功之間的變化趨勢(shì)和壓碎值與研磨功之間的變化趨勢(shì)相同，即當(dāng)研磨功小于或等于Wopt時(shí)，再生集料吸水率隨著研磨功的增加而減??；當(dāng)研磨功大于Wopt時(shí)，再生集料吸水率隨著研磨功的增加而增大。

由圖4與圖5可知，當(dāng)研磨功超過(guò)最佳研磨功Wopt時(shí)，再生集料的壓碎值與吸水率會(huì)隨著研磨功的增加而增加。通過(guò)采用光學(xué)顯微鏡對(duì)本試驗(yàn)中未研磨的再生集料、15.44 kJ(≤Wopt)研磨功處理的再生集料及42.12 kJ(>Wopt)研磨功處理的再生集料的表面進(jìn)行觀察，情況如圖6所示。

圖4 研磨功與再生集料壓碎值的關(guān)系Fig.4 Relationship between grinding power and recycled aggregate crushing value

圖5 研磨功與再生集料吸水率的關(guān)系Fig.5 Relationship between grinding power and recycled aggregate water absorption

圖6 光學(xué)顯微鏡下再生集料表面特征Fig.6 Recycled aggregate surface characteristics under optical microscope

由圖6(a)、圖6(b)可知，未研磨的再生集料表面附著大量的水泥漿體以及漿體與石子的界面處存在微細(xì)裂縫，這是造成再生集料壓碎值與吸水率較高的主要原因。而從圖6(c)、圖6(d)可以看出，采用研磨處理的方式可有效去除再生集料表面的水泥漿體。由圖6(c)可以看出，當(dāng)研磨功小于或等于Wopt時(shí)，再生集料表面的水泥漿體基本去除，僅有少量水泥漿體粘附在骨料表面。從圖6(d)可以看出，當(dāng)研磨功大于Wopt時(shí)，再生集料表面基本觀測(cè)不到舊水泥漿體，但石子出現(xiàn)微細(xì)裂縫，這是造成再生集料在研磨功超過(guò)最佳研磨功時(shí)壓碎值與吸水率增大的原因。因此，在研磨處理再生集料過(guò)程中，要避免過(guò)度研磨(即研磨功大于Wopt)。

根據(jù)再生集料壓碎值、吸水率與研磨功之間的關(guān)系可知，當(dāng)再生集料壓碎值減小時(shí)，其吸水率也在減小，而再生集料壓碎值增大時(shí)，其吸水率也相應(yīng)地增大。由此可以看出壓碎值與吸水率隨研磨功的增加的變化趨勢(shì)相一致。根據(jù)表2中所測(cè)得的再生集料壓碎值與吸水率，可以得到再生集料壓碎值與吸水率之間的關(guān)系如圖7所示。

圖7 再生集料壓碎值與吸水率之間關(guān)系Fig.7 Relationship between recycled aggregate crushing value and water absorption

由圖7可以得到再生集料的壓碎值與吸水率呈現(xiàn)線性相關(guān)，再生集料的壓碎值越小，其吸水率也就越小。這與圖4、圖5中再生集料壓碎值、吸水率隨研磨功增加呈現(xiàn)相同變化趨勢(shì)的結(jié)果集一致。

3 結(jié)論

(1)采用集料整形法，通過(guò)研磨可有效地去除再生集料表面附著的低質(zhì)量、高孔隙率的水泥漿體，從而達(dá)到改善再生集料物理與力學(xué)性能的目的。

(2)再生集料研磨時(shí)，存在最佳研磨功Wopt，當(dāng)研磨功小于或等于Wopt時(shí)，再生集料的物理與力學(xué)性能的改善效果隨著研磨功的增加而提升，當(dāng)研磨功越接近Wopt時(shí)，再生集料的物理與力學(xué)性能的改善效果越接近最佳狀態(tài)，而研磨功大于Wopt時(shí)，再生集料的物理與力學(xué)性能改善效果隨著研磨功的增加而下降。因此，在進(jìn)行再生集料研磨處理時(shí)，需要找到最佳研磨功Wopt，根據(jù)不同類(lèi)型的再生集料、不同研磨設(shè)備設(shè)置相應(yīng)的研磨參數(shù)，將研磨功控制在最佳研磨功范圍內(nèi)，使得研磨后的再生集料物理力學(xué)性能改善效果最佳。

(3)再生集料研磨處理后，再生集料的壓碎值與吸水率呈現(xiàn)線性相關(guān)，再生集料吸水率隨著壓碎值的減少而減少。