化學強化對再生粗骨料性能的改性研究

魏紅俊,閆洪生,朱亞光,徐培蓁,王新波

化學強化對再生粗骨料性能的改性研究

魏紅俊1,閆洪生2,朱亞光3*,徐培蓁3,王新波4

1. 青島市建筑節(jié)能與住宅產業(yè)化發(fā)展中心, 山東 青島 266061 2. 青島理工大學工程質量檢測鑒定中心, 山東 青島 266033 3. 青島理工大學土木工程學院, 山東 青島 266033 4. 青島市建筑工程管理服務中心, 山東 青島 266071

簡單破碎篩分制備的再生粗骨料外表包裹一層舊砂漿，其是導致再生粗骨料吸水率高、壓碎指標高，限制推廣應用的根本原因。為了改善再生粗骨料的物理性能指標，針對再生粗骨料不利因素，試驗配制質量分數(shù)為1%、2%、3%的納米SiO2強化劑、質量分數(shù)為1%、3%、5%、7%的Na2SiO3強化劑、質量分數(shù)為1%、2%、3%、4%的HCl強化劑。不同種類不同濃度的強化劑分別對再生粗骨料進行浸泡強化處理，納米SiO2強化劑浸泡強化時間分別為24 h、48 h、72 h，Na2SiO3強化劑浸泡強化時間分別為1 h、5 h、10 h，HCl強化劑浸泡強化時間分別為1 h、2 h、3 h。結果顯示，強化劑強化處理后再生粗骨料吸水率和壓碎指標明顯降低，通過強化前后再生粗骨料物理性能變化幅度得出：濃度2%強化48 h為納米SiO2最佳強化機制；濃度7%強化5 h為Na2SiO3最佳強化機制；濃度3%強化2 h為HCl最佳強化機制；三種強化劑強化效果順序為納米SiO2＞HCl＞Na2SiO3。

強化劑; 再生粗骨料; 改性

隨著我國現(xiàn)代化城市建設、城鎮(zhèn)化建設進程的加快，大量的危舊建筑被拆除和重建，每年新增數(shù)以億噸的建筑垃圾。另外，社會經濟快速發(fā)展，人均生活水平大幅提高，翻新、改裝、重裝家居屋舍儼然已成為一種“時尚”和“潮流”，基本以5-7年為周期，導致裝飾裝修垃圾排放量與日俱增，似有“垃圾圍城”之勢[1]。建筑垃圾約為城市垃圾總量的30%～40%，2019年我國新增35億噸建筑垃圾，2020年堆存總量已達200億噸，是我國排放量最大的城市固體廢棄物[2]。

大量的建筑廢棄物任意填埋堆放不僅侵占大量土地面積，還造成嚴重的環(huán)境污染和資源浪費。目前天然資源極其匱乏，合理有效的對建筑垃圾重新利用，減少天然資源開采量，具有良好的經濟效益與社會效益。目前建筑垃圾廣泛的利用方式為：對建筑垃圾回收，簡單的破碎和篩分，根據顆粒大小分成粗骨料和細骨料，用于替代天然石子和砂子[3]。該種方式得到的再生粗骨料顆粒棱角多，表面包裹有舊砂漿，破碎和篩分過程會使再生粗骨料產生微裂縫，多種原因導致再生粗骨料存在吸水率高、壓碎指標高、孔隙率大等缺點[4]。這些不利因素限制了再生粗骨料的使用途徑和范圍，降低了建筑垃圾綜合利用率。

為了加大再生粗骨料應用范圍，提高建筑垃圾資源化利用率，國內外眾多學者對再生粗骨料性能改善進行了大量的試驗研究，提出了多種再生粗骨料強化方法，主要包括物理強化、化學強化和微生物強化[5,6]。常見的物理強化方法如加熱研磨法、立式偏心研磨、臥式機械強制研磨、顆粒整形等，均是依靠機械設備，對再生粗骨料進行削磨加工，骨料顆粒之間相互摩擦與撞擊，去除外表粘結的砂漿和棱角，降低再生粗骨料的吸水率和壓碎指標，并且得到粒形較好的顆粒[6,7]。但是物理方法改善再生粗骨料的同時還會產生較多的粉料，機械能耗高，骨料產生機械損傷。

而化學強化則是充分利用再生粗骨料表面附著砂漿孔隙率大、吸水率高的特點，采用化學強化液對再生粗骨料進行噴淋、浸泡等處理，使溶液中的化學成分與骨料表面砂漿層中Ca(OH)2等成分激發(fā)化學反應[8]，從而對再生粗骨料砂漿層的孔隙和微裂縫進行填充與修復，起到細化再生粗骨料孔隙結構，提高密實度，降低壓碎指標和吸水率的目的[9]。Kou SC等利用PVA對再生骨料進行浸泡，浸泡強化后再生骨料孔隙率降低，密實度增加，吸水率降低[10]。范玉輝等研究了納米SiO2、PVA、水玻璃三種溶液，以及PVA與水玻璃混合的方式對再生骨料的強化試驗，表明濃度0.5%的PVA、濃度5%的水玻璃溶液改性效果最佳[11]。Tam V等人進行了HCl、H2SO4和H3PO4溶液浸泡再生粗骨料的試驗研究，試驗表明，酸處理后再生骨料吸水率大幅度降低[12]。

眾所周知，水泥水化產生大量的Ca(OH)2，附著砂漿中殘留的Ca(OH)2就成了其潛在活性源，水玻璃（Na2SiO3）和活性極高的納米SiO2溶膠可以與再生粗骨料中殘留Ca(OH)2發(fā)生化學反應生成水化硅酸鈣（C-S-H）凝膠，填充砂漿的孔隙，提高骨料密實度，降低再生粗骨料的孔隙率、吸水率和壓碎指標[11-14]。而鹽酸（HCl）可以和Ca(OH)2發(fā)生反應，生成能溶于水的CaCl2，使骨料外表的砂漿溶解脫落，去除了再生粗骨料的薄弱結構，使再生粗骨料的物理性能有效改善，并且處理后再生粗骨料與新拌水泥的粘結更加牢固[12]。

故該文選用納米SiO2溶膠、水玻璃（Na2SiO3）和鹽酸（HCl）溶液分別對再生粗骨料進行強化處理，研究三種不同的化學試劑對再生粗骨料吸水率、壓碎指標等物理性能的改善情況，尋找最佳的骨料強化條件，提高再生粗骨料的性能品質，為再生粗骨料的高附加值應用提供基礎。

1 材料及方法

1.1 材料

1.1.1 天然及再生粗骨料試驗所用天然粗骨料為粒徑4.75～26.5 mm連續(xù)級配的天然石子。再生粗骨料采用顎式破碎機對學校實驗室和檢測中心廢棄混凝土試塊進行破碎制得，篩分出粒徑小于4.75 mm的舍棄，大于26.5 mm的進行二次破碎，最終選用4.75～26.5 mm連續(xù)級配的再生粗骨料進行強化試驗研究。天然石子和再生粗骨料如圖1所示。

圖1 試驗用粗骨料

依據國家規(guī)范《建設用卵石、碎石》（GB/T 14685-2011）[15]和《混凝土用再生粗骨料》（GB/T 25177-2010）[16]的相關要求和方法，對試驗用天然石子和再生粗骨料進行吸水率、壓碎指標、表觀密度和堆積密度的測試，骨料性能如表1所示。

表1 天然及再生粗骨料性能指標

通過表1可知，相對于天然石子，再生粗骨料的各項性能指標都較差，吸水率高達天然石子的4.5倍，壓碎指標比天然石子高出53%。

1.1.2 強化試劑納米SiO2溶膠：溶膠近似透明，型號為HTSi-11L，SiO2質量分數(shù)為30%，平均粒徑20 nm，pH值為9.7。

水玻璃（Na2SiO3）：無色透明狀液體，型號為TPY3411，模數(shù)為3.3。Na2O質量分數(shù)為9.0%，SiO2質量分數(shù)為28.8%。

鹽酸（HCl）溶液：GR500 mL的鹽酸試劑，HCl質量分數(shù)為36%。

1.1.3 水試驗中所用水均為自來水。

1.2 再生粗骨料強化方法

再生粗骨料與天然石子最本質區(qū)別是再生粗骨料外表面附著一層砂漿體，砂漿層中殘留有Ca(OH)2，納米SiO2、Na2SiO3和HCl易被高吸水率的再生粗骨料吸入附著砂漿孔隙內部，并均可與Ca(OH)2發(fā)生化學反應。納米SiO2和Na2SiO3與Ca(OH)2反應生成C-S-H凝膠，填充孔隙；HCl與Ca(OH)2發(fā)生反應生成能溶于水的CaCl2，使得表面砂漿層剝離脫落，削弱了附著砂漿的不良影響，改善再生粗骨料。

依據以上原理，三種強化試劑均采用自然浸泡的方式對再生粗骨料進行強化，具體強化機制如下表述。

（1）將洗去泥土和粉塵的再生粗骨料進行烘干，待冷卻降溫至室溫，再將骨料分別倒入不同濃度納米SiO2強化液、Na2SiO3強化液和HCl強化液中，強化液浸沒骨料2 cm以上，充分攪拌后自然浸泡至設定時間。

（2）對三種原強化試劑進行稀釋，配制SiO2質量分數(shù)分別為1%、2%、3%的納米SiO2強化液；Na2SiO3質量分數(shù)分別為1%、3%、5%、7%的Na2SiO3強化液；HCl質量分數(shù)分別為1%、2%、3%、4%的HCl強化液。

（3）納米SiO2強化液強化時間分別為24 h、48 h、72 h；Na2SiO3強化液強化時間分別為1 h、5 h、10h；HCl強化液強化時間分別為1 h、2 h、3 h。

（4）再生粗骨料強化到設定時間后，從強化液中撈出，自然晾曬干，測試強化后的物理性能。

圖2 再生粗骨料強化

2 結果與分析

2.1 選擇最佳強化機制

吸水率和壓碎指標為再生骨料的主要性能指標，也是影響再生混凝土性能的關鍵因素。試驗以吸水率和壓碎指標的改善程度為依據，選定不同強化時間和不同濃度下再生骨料的最優(yōu)強化機制。再生粗骨料經不同強化液不同強化機制作用下吸水率和壓碎指標如表2～7所示。

表2 SiO2不同強化機制下再生粗骨料吸水率

表3 SiO2不同強化機制下再生粗骨料壓碎指標

表4 Na2SiO3不同強化機制下再生粗骨料吸水率

表5 Na2SiO3不同強化機制下再生粗骨料壓碎指標

表6 HCl不同強化機制下再生粗骨料吸水率

表7 HCl不同強化機制下再生粗骨料壓碎指標

依據表2～7中數(shù)據，做圖3～8分析強化劑濃度和強化時間對再生粗骨料吸水率、壓碎指標的影響規(guī)律。

圖3 SiO2不同強化機制下再生粗骨料吸水率

圖4 SiO2不同強化機制下再生粗骨料壓碎指標

由圖3可知，再生粗骨料的吸水率隨納米SiO2濃度和強化時間的增加而逐漸降低。由曲線斜率可以看出，納米SiO2濃度由1%增加到2%再生粗骨料吸水率下降程度遠大于由2%增加到3%骨料吸水率的降低程度，以強化48 h條件為例，2%濃度比1%濃度骨料吸水率降低19.0%，3%濃度比2%濃度骨料吸水率降低4.3%；由曲線相對位置可以看出，強化時間從24 h增加到48 h，骨料吸水率降低幅度較大，從48 h增加到72 h骨料吸水率降低幅度較小，以納米SiO2濃度2%為例，強化48 h相比于24 h，骨料吸水率降低16.1%，強化72 h相比于48 h，骨料吸水率降低2.1%。

由圖4可知，經納米SiO2強化后再生粗骨料的壓碎指標呈現(xiàn)出和吸水率同樣的變化規(guī)律，納米SiO2濃度由1%增加到2%再生粗骨料壓碎指標大幅度降低，由2%增加到3%骨料壓碎指標降低幅度較小，以強化48 h條件為例，2%濃度比1%濃度骨料壓碎指標降低20.0%，3%濃度比2%濃度骨料壓碎指標降低2.6%；強化時間從24 h增加到48 h，骨料壓碎指標降低幅度較大，從48 h增加到72 h骨料壓碎指標降低幅度較小，以納米SiO2濃度2%為例，強化48 h相比于24 h，骨料壓碎指標降低10.1%，強化72 h相比于48 h，骨料吸水率降低1.7%。

圖5 Na2SiO3不同強化機制下再生粗骨料吸水率

圖6 Na2SiO3不同強化機制下再生粗骨料壓碎指標

納米粒徑級的SiO2極易進入吸水率高的再生粗骨料孔隙內部，較好的填充砂漿層的孔隙，同時高活性的納米SiO2與Ca(OH)2反應生成C-S-H凝膠，改善孔隙結構，提高密實度。增加SiO2濃度和強化時間使反應更充分，但達到反應臨界值時，再增加SiO2濃度和強化時間對再生粗骨料改善程度不再明顯，以最少納米SiO2用量和最短強化周期為成本控制指標，綜合再生粗骨料吸水率和壓碎指標的改善狀態(tài)，選定納米SiO2濃度2%，強化48 h為納米SiO2最佳強化機制。

由圖5可知，再生粗骨料吸水率隨Na2SiO3強化液濃度和強化時間的增加而逐漸降低。由曲線斜率可知，Na2SiO3濃度由1%增加到3%和由5%增加到7%曲線變化平緩，吸水率降低幅度小，Na2SiO3濃度由3%增加到5%曲線走向較陡，吸水率下降幅度大，以強化5 h曲線為例，Na2SiO3濃度由1%增加到3%、由3%增加到5%、由5%增加到7%吸水率分別降低1.6%、8.1%和1.8%。由曲線相對位置可知，強化時間從1 h增加到5 h，骨料吸水率降低幅度大于從5h增加到10h的降低程度，以Na2SiO3濃度5%為例，強化5 h相比于1 h，骨料吸水率降低9.5%，強化10 h相比于5 h，骨料吸水率降低1.8%。

由圖6可知，再生粗骨料壓碎指標隨Na2SiO3強化液濃度和強化時間的增加而逐漸降低。由曲線斜率可知，隨Na2SiO3濃度增加，骨料壓碎指標基本勻速降低，以強化5 h曲線為例，Na2SiO3濃度由1%增加到3%、由3%增加到5%、由5%增加到7%壓碎指標分別降低4.6%、4.0%和3.5%。由曲線相對位置可知，強化時間從1 h增加到5 h，骨料壓碎指標降低幅度明顯大于從5 h增加到10 h的降低幅度，以Na2SiO3濃度5%為例，強化5 h相比于1 h，骨料壓碎指標降低5.3%，強化10 h相比于5 h，骨料壓碎指標無降低。

Na2SiO3在CO2條件下硬化析出硅酸凝膠，可黏合骨料細微裂縫，同時與砂漿層中Ca(OH)2反應，生成水硬性C-S-H凝膠，填充細化孔隙結構，從而提高骨料的密實度，降低吸水率和壓碎指標。通過逐漸增加Na2SiO3濃度和強化時間的方式，尋找Na2SiO3與Ca(OH)2完全反應的臨界值，綜合分析圖5、圖6不同濃度Na2SiO3和不同強化時間對再生粗骨料吸水率和壓碎指標的改善程度，選定Na2SiO3濃度7%，強化5h為Na2SiO3最佳強化機制。

圖7 HCl不同強化機制下再生粗骨料吸水率

圖8 HCl不同強化機制下再生粗骨料壓碎指標

由圖7可知，再生粗骨料吸水率隨HCl強化液濃度和強化時間的增加而逐漸降低。由曲線斜率可知，增大HCl濃度，吸水率曲線斜率有增大趨勢，以強化2 h曲線為例，HCl濃度由1%增加到2%、由2%增加到3%、由3%增加到4%吸水率分別降低5.1%、5.4%和9.4%，降低幅度逐漸增大。由曲線相對位置可知，強化時間由1 h增加到2 h骨料吸水率降低幅度明顯大于2 h增加到3 h的降低幅度，以HCl濃度2%為例，強化時間2 h比1h吸水率降低5.1%，強化3 h比2 h吸水率降低1.8%。

由圖8可知，經HCl強化后再生粗骨料壓碎指標呈現(xiàn)出和吸水率類似的變化規(guī)律。由曲線斜率可知，增大HCl濃度，壓碎指標曲線斜率有增大趨勢，以強化2 h曲線為例，HCl濃度由1%增加到2%、由2%增加到3%、由3%增加到4%壓碎指標分別降低2.1%、4.9%和8.9%，降低幅度逐漸增大。由曲線相對位置可知，強化時間由1 h增加到2 h骨料壓碎指標明顯降低，強化2 h和3 h的骨料壓碎指標基本一致，無明顯降低。

HCl與再生粗骨料砂漿層中的Ca(OH)2發(fā)生反應，生成CaCl2溶于水，使得再生粗骨料表面砂漿層脫落，圖7和8中，強化時間1 h增加到2 h骨料性能改善程度明顯，而由2 h增加到3 h，骨料性能改善幅度較小。分析原因，較短的強化時間1 h，未能使HCl與Ca(OH)2徹底反應，只融解脫落少量的砂漿；強化時間增加到2 h，反應基本徹底，大部分砂漿層脫落融解，再增加時間到3 h，對再生粗骨料性能改善程度不大。

經4%濃度HCl強化后，再生粗骨料吸水率和壓碎指標下降最多，然而該濃度的強化液與骨料反應程度大，與砂漿層反應剩余的HCl還繼續(xù)與內部石子反應，產生大量的泥砂，大幅度減少再生粗骨料質量，造成資源浪費，故不選擇4%濃度為最優(yōu)強化條件，而選擇HCl濃度3%，強化2 h為HCl最佳強化機制。

2.2 強化前后再生粗骨料與天然石子性能對比

利用上一小節(jié)分析得出的三種不同強化液的最佳強化機制分別對再生粗骨料進行強化處理。用同樣的試驗方法對三種強化液處理后的再生粗骨料進行物理性能測試，不同強化液強化后骨料性能如表8所示。

表8 強化后再生粗骨料性能指標

為直觀表現(xiàn)不同強化液對再生粗骨料性能的改善狀況，結合表1和表8作圖如下所示：

圖9 不同粗骨料性能對比

由圖9可知，經三種強化液強化處理后，再生粗骨料的性能均得到有效改善，尤其吸水率和壓碎指標降低幅度明顯，納米SiO2、Na2SiO3和HCl強化后再生粗骨料吸水率分別降低29.9%、16.4%和20.9%，壓碎指標分別降低29.7%、16.4%和18.2%，表觀密度和堆積密度也有不同程度的提高。納米SiO2對再生粗骨料的改善效果優(yōu)于其他兩種強化液。

3 結論

通過三種強化劑，設置不同強化時間、不同強化劑濃度，對再生粗骨料進行強化試驗，由強化處理后再生粗骨料性能指標的變化幅度確定最佳強化機制，經過試驗數(shù)據分析得出以下主要結論：

（1）相對于天然石子，再生粗骨料的性能較差，吸水率高達天然石子的4.5倍，壓碎指標比天然石子高出53%；

（2）納米SiO2、Na2SiO3和HCl對再生粗骨料均有較好的強化效果，使再生粗骨料的吸水率和壓碎指標大幅度降低，三種強化液強化效果順序為納米SiO2＞HCl＞Na2SiO3。納米SiO2濃度2%，強化48h為納米SiO2最佳強化機制；Na2SiO3濃度7%，強化5h為Na2SiO3最佳強化機制；HCl濃度3%，強化2h為HCl最佳強化機制；

（3）通過納米SiO2、Na2SiO3、HCl最佳強化條件處理后再生粗骨料吸水率分別降低29.9%、16.4%和20.9%，壓碎指標分別降低29.7%、16.4%和18.2%，表觀密度和堆積密度得到提高，接近于天然骨料水平。

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Research on the Modification of Chemical Reinforcers to Reclaimed Coarse Aggregates

WEI Hong-jun1, YAN Hong-sheng2, ZHU Ya-guang3, XU Pei-zhen3, WANG Xin-bo4

1.266061,2.2660333.266033,4.266071,

The surface of recycled coarse aggregate prepared by simple crushing and screening is covered with a layer of old mortar, which is the fundamental reason for the high water absorption rate and crushing index of recycled coarse aggregate and the limitation of its popularization and application. In order to improve the physical properties of reclaimed coarse aggregate, nano-SiO2reinforcer with mass fraction of 1%, 2% and 3%, Na2SiO3reinforcer with mass fraction of 1%, 3%, 5% and 7%, HCl reinforcer with mass fraction of 1%, 2%, 3% and 4% were formulated in view of adverse factors of reclaimed coarse aggregate. The regenerated coarse aggregate was soaked and strengthened by different kinds of intensifiers with different concentrations. The strengthening time of nano-SiO2intensifier was 24 h, 48 h, 72 h, Na2SiO3intensifier was 1 h, 5 h, 10 h, HCl intensifier was 1 h, 2 h, 3 h, respectively. The results showed that water absorption rate and crushing index of reclaimed coarse aggregate decreased significantly after strengthening with fortifier. According to the variation range of physical properties of reclaimed coarse aggregate before and after strengthening, the optimal strengthening mechanism of nano-SiO2was 2% for 48 h. The best strengthening mechanism of Na2SiO3was 7% for 5 h. The best strengthening mechanism of HCl was 3% for 2 h. The order of strengthening effect of the three enhancers is nano-SiO2> HCl > Na2SiO3.

Reinforcer; reclaimed ccoarse aggregate; modification

TU521

A

1000-2324(2021)06-1009-08

2021-07-02

2021-09-23

國家自然科學基金面上項目(51578342);中國博士后科學基金資助項目(2015M582418)

魏紅俊(1964-),女,高級經濟師,研究方向為建筑節(jié)能與可再生能源利用. E-mail:dicaichu@126.com

通訊作者:Author for correspondence. E-mail:zygqd@sina.com