硅溶胶原位强化对再生骨料性能的影响

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(济南大学 材料科学与工程学院，山东 济南 250022)

目前我国正处于大力发展国民基础设施建设阶段，在这过程中会产生大量的建筑垃圾。由于我国的建筑垃圾主要采取露天堆放或者是直接填埋的处理方式，这样会占用很大的土地面积，浪费宝贵的土地资源。然而天然的建筑材料资源日趋短缺，在开采过程中破坏当地的生态环境，造成水土流失，容易形成人与环境相争的恶性循环 。如何利用建筑垃圾循环使用，成为当今急需解决的问题。

将废弃的混凝土经过破碎、筛分等工序处理后得到再生骨料。由于在破碎中骨料表面附着大量粉尘、内部存有大量裂纹，导致再生骨料的压碎指标、孔隙率及吸水率大于天然骨料，再生骨料无法在实际应用中得到有效利用。硅溶胶为纳米SiO2在水中或溶剂中的分散液。纳米SiO2对再生骨料表面有较强的渗透力，能通过毛细管渗透到基层内部，并能与再生骨料中存有的氢氧化钙反应生成硅酸钙，增强再生骨料基层的密度，增强再生骨料的物理性能。

1 实验

1.1 试剂、材料

采用浙江宇达公司生产的碱性硅溶胶(纳米二氧化硅含量30%，pH值在8～10)。

针对本项目研究特点，选取青岛绿帆建筑材料公司生产再生骨料，其由废弃混凝土路面经破碎筛选成5～10mm的骨料。按照国标CJ∕T 400-2012《再生骨料地面砖和透水砖》及国标GB/T14685-2011《建设用卵石、碎石》，其再生骨料的物理性能指标见表21。

表1 再生骨料物理性能

1.2 方法

硅溶胶分为弱酸、中性及碱性三类，考虑到混凝土工作环境为碱性，再生骨料中存在Ca(OH)2, 因此选用弱碱pH值为8～10的硅溶胶。硅溶胶中主要起作用的成分为纳米SiO2, 为此按照硅溶胶中纳米SiO2的含量分为0、0.5%、1%和2% 4个组进行强化设定为S0、S1、S2和S3组。将一定量的水加入到硅溶胶中，再生骨料置于超声后的硅溶胶溶液之中，然后置于混凝土搅拌机中搅拌10min使溶液与骨料混合均匀，将经过硅溶胶处理的骨料放置在室温中养护7天即可。

2 结果与分析

2.1 硅溶胶强化材料对再生骨料表观密度及堆积密度的影响

表观密度是指材料的质量与表观体积之比。在国标中要求粗骨料的表观密度要大于2500kg/m3。图1为硅溶胶对再生骨料表观密度的影响。

由图1可知，未处理的再生骨料表观密度在2256kg/m3,而经过硅溶胶处理后的再生骨料其表观密度均有不同程度的增加，其中S2组增加最明显，比空白组N组增加4.8%，尽管各组的表观密度均有增加，但仍没有达到国标要求的2500kg/m3。表观密度和堆积密度是作为骨料级配的反应，在一定程度上，表观密度增加，骨料的吸水率降低。

图1 硅溶胶对再生骨料表观密度的影响

图2 硅溶胶对再生骨料堆积密度的影响

骨料处理后，堆积密度变大。由图2可以得知，所有组的再生骨料其堆积密度值均大于国标要求的1350 kg/m3。但是任然可以看出处理过的再生骨料其堆积密度变大，S3组的效果最明显。

2.2 硅溶胶强化材料对再生骨料吸水率及含水率的影响

由图3再生骨料吸收率图可知，再生骨料孔隙多，密实度比天然骨料低很多，吸水率高于一般天然骨料要求的2%。

图3 硅溶胶对再生骨料吸水率的影响

硅溶胶与再生骨料中存有的氢氧化钙反应生成硅酸钙，使骨料表面变得致密，内部充满硅酸钙填补骨料内部孔隙，增强了再生骨料的物理性能，降低了再生骨料的吸水率，其中S2组和S3组效果较为明显，吸水率下降1.25%。

图4 硅溶胶对再生骨料含水率的影响

骨料含水率是骨料经过自然晒干7天后称量，然后在105℃烘干2h再次称量，经过失水重量测得骨料的含水率。由图4硅溶胶对再生骨料含水率的影响，可知经过处理后的含水率比未处理的相差不大，但是硅溶胶处理的稍微偏大，可能是由于纳米二氧化硅进入骨料的孔隙中，形成致密结构水分不易蒸发。

2.3 硅溶胶强化材料对再生骨料压碎指标的影响

国家规定再生骨料的压碎指标最高不得超过30%(III级)，图5为强化再生骨料的压碎指标图。由图5可知经过强化后的再生骨料的压碎指标明显下降，但仍然处于III级骨料，加入硅溶胶强化后，其中S3组压碎指标下降3.7%，说明经过硅溶胶处理后的再生骨料强度高，力学性能优越。

图5 硅溶胶对再生骨料含水率的影响

3 结论

再生骨料的改性处理主要为物理、化学、CO2碳化这三种方法，本实验主要采用化学强化的方法，即硅溶胶溶液浸泡的方法进行化学原位处理。考虑到经济性，S2组和S3组对再生骨料的提升性能相差不大，S1组即硅溶胶中纳米SiO2掺量1%为最优组。硅溶胶提升骨料的物理性能主要是靠硅溶胶里面的纳米SiO2，可以渗透进再生骨料的小孔中，与再生骨料中的氢氧化钙反应生成硅酸钙降低孔隙率，增强机体结构，提高物理性能。