研磨功对再生集料性能改善的量化评价

付鲁鑫， 贾致荣， 王立志， 姜瑞瑞， 徐良军

(1.山东理工大学交通与车辆工程学院， 淄博 255049； 2.山东理工大学建筑工程学院， 淄博 255049；3.山东鲁中公路建设有限公司， 淄博 255000)

传统建筑业发展模式中，绝大部分建筑废物均直接排向自然界，随着社会的进步，建筑废物资源化成为建筑废物处理的重要途径。通过对建筑废物进行多次分解与合成，将资源化再生产品作为新型绿色建筑材料是推进建筑业可持续发展的新动能。

再生集料是指建筑废物通过破碎等工序生产得到的一种集料，按废旧材料类型可分为很多种，如废旧混凝土、废旧沥青、废砖瓦和废旧基层材料等再生集料，再生集料的使用可减少有限资源的消耗，从而达到保护环境和节约成本的目的，但是再生集料使用方面仍存在缺陷，如再生集料与水泥浆体之间的界面较薄弱，这主要是由于再生集料表面附着低质量的旧水泥浆体造成的[1-3]。再生集料应用的局限性主要归因于其质量较差。

为了使再生集料获得更高的利用附加值，大量学者关于如何提高再生集料的质量进行了研究。根据针对再生集料表面浆体的处理方法不同，研究可分为两类：一类是对再生集料表面进行改性。Katz[4]通过浸渍硅粉溶液对再生集料进行强化处理；Wang等[5]基于细菌诱导CaCO3沉淀的生物沉积法来改善再生集料的质量；应敬伟等[6]通过使用高浓度的CO2气体来强化再生集料；程海丽等[7]采用3%的水玻璃溶液浸泡处理再生集料，达到再生集料表面改性的目的；侯月琴[8]则采用有机树脂对再生集料表面进行活化处理。另一类是通过去除再生集料表面的旧水泥浆体来达到再生集料强化的目的。其中主要包括化学酸洗强化和物理研磨强化。在化学酸洗强化研究中，Ismail等[9]使用不同低浓度酸作为表面处理剂处理再生集料；Purushothaman等[10]对再生集料则采用硫酸通过加热洗涤的方式进行处理，以获得能与天然集料相媲美的高质量再生集料。Tam等[11]则将再生集料浸泡在一定浓度的盐酸、硫酸和磷酸溶液中来洗除再生集料表面的浆体。物理研磨强化研究中，Noguchi等[12]通过对再生集料采用先加热后研磨的方法来除去再生集料表面的浆体；李秋义等[13]采用集料整形法，通过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，进而达到对再生集料强化的目的。

集料整形法具备强化效果好、造价较低、工艺流程简单的优势，但颗粒整形法未针对不同研磨参数来提出研磨对再生集料强化效果的量化评价，本文通过对研磨试验设置不同的试验参数进行对比研究，探究出不同研磨功对再生集料的强化效果的影响，进而提出研磨功对再生集料性能改善的量化评价。

1 试验原材料

试验所用的再生集料为维特根W2000铣刨机进行S236博沂线道路改造铣刨得到的水泥稳定碎石铣刨料，再生集料的基本物理性能指标如表1所示。研磨试验设备为卧式强制研磨设备，如图1所示。卧式强制研磨设备的内筒直径为0.76 m，研磨机转数为48 r/min，单个钢球直径为5 cm，单个钢球质量为0.45 kg。

表1 再生粗集料物理性能指标Table 1 Recycled aggregate physical properties

2 研磨试验

再生集料表面附着水泥浆体形成的多孔和微裂纹薄弱层是影响再生集料性能的主要原因，也是再生集料与天然集料之间最显著的差异之一[13]。本文采用颗粒整形的方法通过设置不同试验参数进行研磨试验来减少再生集料表面附着的低质量水泥浆体，达到对再生集料强化的效果。

考虑集料的级配对研磨的影响，本文将对三种不同级配集料进行研磨试验。三种不同级配集料的级配曲线如图2所示。Ⅰ级配为粗粒径集料所占比例较大的集料级配；Ⅱ级配为粗细集料均衡的集料级配；Ⅲ级配为细粒径集料所占比例较大的集料级配。

A为出料口；B为内筒；C为外筒；D为研磨肋；E为支撑架；F为垫木；G为传动轴；H为转动轴；I为电机；J为再生集料；K为钢球图1 卧式强制研磨设备示意图Fig.1 Schematic diagram of horizontal forced grinding equipment

图2 再生集料级配曲线Fig.2 Synthetic gradation of recycled aggregate

2.1 试验设计

研磨试验中再生集料均采用S236博沂线道路改造铣刨得到的水泥稳定碎石铣刨料，分别对三种不同级配的集料进行研磨，每次研磨的集料质量均为5 kg，考虑研磨体内钢球数量与研磨转次两个试验参数对研磨试验强化效果的影响，对这两个研磨参数进行设置，其中钢球数量分别为0、4、6、8、12个，研磨转次分别为100、200、300、400次，采用平行试验的方法进行试验设计。

再生集料表面附着的高吸水率、低强度水泥砂浆，是造成再生集料与天然集料之间物理与力学性能差异的主要原因[13]。因此采用集料的压碎值与吸水率作为再生集料性能改善的主要评价指标。

2.1.1 压碎值试验

压碎值是衡量集料强度的重要指标。根据JTG/E 42—2005《公路工程集料试验规程》中T 0316—2005试验方法对再生集料进行压碎值试验。压碎值计算公式为

(1)

式(1)中：Q为粗集料压碎值，%；mq为试验前试样质量，g；mh为试验后通过2.36 mm筛孔的细料质量，g。

2.1.2 吸水率试验

根据JTG/E 42—2005《公路工程集料试验规程》中T 0304—2005试验方法(网篮法)对再生集料进行吸水率试验。吸水率计算公式为

(2)

式(2)中：ωx为集料的吸水率，%；ma为集料的烘干质量，g；mf为集料的表干质量，g。

2.2 试验数据及结果

本试验采用平行试验法，进行不同研磨参数下的研磨试验，测得研磨处理后再生集料的物理与力学性能指标，如表2所示。研磨前后得到的再生集料如图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 试验结果分析

由表1和表2可知，经研磨处理的再生集料压碎值由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学性能。由图3可知，研磨前的再生集料表面呈现出凹凸不平的形状，并吸附着大量微粉，而研磨后的再生集料表面凹凸不平感消失，微粉也大量减少，这从宏观上再次证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浆体。

根据表2可以得到，当钢球数量为0时，研磨只考虑再生集料之间摩擦与碰撞的作用，压碎值与吸水率随着转次的增大而减小，压碎值由32.7%减小至29.5%，吸水率由5.04%减小至2.19%，与钢球研磨的再生集料压碎值与吸水率相比其减小的幅度较小；当钢球数量一定时，通过改变研磨转次，再生集料压碎值与吸水率的大小随着研磨转次的增加呈现出先降低后增大的趋势；当采用不同级配再生集料进行研磨时，再生集料的压碎值与吸水率变化并不明显。由此可以得出再生集料、钢球数量与研磨转次对研磨效果有一定的影响。

根据物理学中功的概念，可以得出钢球质量及研磨转次均与功相关。为进一步对研磨强化效果进行量化评价，拟引入研磨功作为基本参数来表征不同的再生集料质量、钢球质量与研磨转次，进而得到研磨功与再生集料性能改善之间的关系。

研磨功由两部分组成，一部分为钢球研磨对再生集料的影响，另一部分为研磨过程中再生集料之间的摩擦碰撞对再生集料的影响。

根据物理学中关于转动物体功的计算公式，可以得到研磨功的计算公式为

W=mgωrRt

(3)

式(3)中：m=k1m1+k2m0，其中，m1为所研磨再生集料的质量，m0为钢球的质量，k1为所研磨再生集料对研磨的影响系数，k2为钢球对研磨的影响系数；g是重力加速度，取9.8 N/kg；R为研磨设备内筒半径；ωr为研磨设备内筒壁上的角速度；t=c/n，其中，c是研磨转次，n为研磨设备的转数。

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

由表2可知，当钢球数量为0时，研磨功主要表现为再生集料之间的相互摩擦碰撞作用。当钢球数量为0、研磨转次为400转时，再生集料的压碎值为29.6%，吸水率为2.27%；当钢球数量为4、研磨转次为100时，再生集料压碎值29.5%，吸水率为2.24%。这两种情况下的压碎值与吸水率最为接近，可以将这两种情况下的研磨功视为相等，求出钢球与再生集料对研磨功的影响系数。

根据研磨功计算公式可得：

(4)

(5)

将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；由于研磨试验主要是通过钢球的研磨使得再生集料表面浆体的脱落从而达到集料性能改善效果，因此将钢球质量对研磨影响作为基准，即设k2=1。由此可得再生集料质量对研磨的影响系数k1=0.12。

通过对表2中不同研磨参数进行计算得到研磨功与再生集料压碎值、吸水率之间的关系，如图4、图5所示。由图4可以得到，再生集料压碎值随着研磨功的增加呈现出先减少后增大的趋势，即存在一个最佳研磨功Wopt使得再生集料压碎值达到最小。通过拟合曲线可以看出，三种级配再生集料的最佳研磨功略有不同，大粒径占比较大(III级配)的再生集料的拟合曲线略向右偏移，即Wopt-Ⅲ偏大；小粒径占比较大(I级配)的再生集料的拟合曲线略向左偏移，即Wopt-Ⅰ偏小，这是由于大粒径集料研磨去除表面浆体所需要的功要大于小粒径研磨所需的功。由拟合曲线可以得到三种级配下的再生集料最佳研磨功分别为Wopt-I=16.85 kJ、Wopt-II=19.65 kJ、Wopt-III=23.16 kJ，当W≤Wopt时，再生集料压碎值随着研磨功的增加而减小；当W>Wopt时，再生集料压碎值随着研磨功的增加而增大。

由图5可知，再生集料吸水率随着研磨功的增加同样呈现出先减少后增大的趋势。本试验中，根据拟合曲线的表达式得到的再生集料最佳研磨功Wopt与图4中再生集料压碎值所拟合曲线表达式计算得到的最佳研磨功Wopt相一致。再生集料吸水率与研磨功之间的变化趋势和压碎值与研磨功之间的变化趋势相同，即当研磨功小于或等于Wopt时，再生集料吸水率随着研磨功的增加而减小；当研磨功大于Wopt时，再生集料吸水率随着研磨功的增加而增大。

由图4与图5可知，当研磨功超过最佳研磨功Wopt时，再生集料的压碎值与吸水率会随着研磨功的增加而增加。通过采用光学显微镜对本试验中未研磨的再生集料、15.44 kJ(≤Wopt)研磨功处理的再生集料及42.12 kJ(>Wopt)研磨功处理的再生集料的表面进行观察，情况如图6所示。

图4 研磨功与再生集料压碎值的关系Fig.4 Relationship between grinding power and recycled aggregate crushing value

图5 研磨功与再生集料吸水率的关系Fig.5 Relationship between grinding power and recycled aggregate water absorption

图6 光学显微镜下再生集料表面特征Fig.6 Recycled aggregate surface characteristics under optical microscope

由图6(a)、图6(b)可知，未研磨的再生集料表面附着大量的水泥浆体以及浆体与石子的界面处存在微细裂缝，这是造成再生集料压碎值与吸水率较高的主要原因。而从图6(c)、图6(d)可以看出，采用研磨处理的方式可有效去除再生集料表面的水泥浆体。由图6(c)可以看出，当研磨功小于或等于Wopt时，再生集料表面的水泥浆体基本去除，仅有少量水泥浆体粘附在骨料表面。从图6(d)可以看出，当研磨功大于Wopt时，再生集料表面基本观测不到旧水泥浆体，但石子出现微细裂缝，这是造成再生集料在研磨功超过最佳研磨功时压碎值与吸水率增大的原因。因此，在研磨处理再生集料过程中，要避免过度研磨(即研磨功大于Wopt)。

根据再生集料压碎值、吸水率与研磨功之间的关系可知，当再生集料压碎值减小时，其吸水率也在减小，而再生集料压碎值增大时，其吸水率也相应地增大。由此可以看出压碎值与吸水率随研磨功的增加的变化趋势相一致。根据表2中所测得的再生集料压碎值与吸水率，可以得到再生集料压碎值与吸水率之间的关系如图7所示。

图7 再生集料压碎值与吸水率之间关系Fig.7 Relationship between recycled aggregate crushing value and water absorption

由图7可以得到再生集料的压碎值与吸水率呈现线性相关，再生集料的压碎值越小，其吸水率也就越小。这与图4、图5中再生集料压碎值、吸水率随研磨功增加呈现相同变化趋势的结果集一致。

3 结论

(1)采用集料整形法，通过研磨可有效地去除再生集料表面附着的低质量、高孔隙率的水泥浆体，从而达到改善再生集料物理与力学性能的目的。

(2)再生集料研磨时，存在最佳研磨功Wopt，当研磨功小于或等于Wopt时，再生集料的物理与力学性能的改善效果随着研磨功的增加而提升，当研磨功越接近Wopt时，再生集料的物理与力学性能的改善效果越接近最佳状态，而研磨功大于Wopt时，再生集料的物理与力学性能改善效果随着研磨功的增加而下降。因此，在进行再生集料研磨处理时，需要找到最佳研磨功Wopt，根据不同类型的再生集料、不同研磨设备设置相应的研磨参数，将研磨功控制在最佳研磨功范围内，使得研磨后的再生集料物理力学性能改善效果最佳。

(3)再生集料研磨处理后，再生集料的压碎值与吸水率呈现线性相关，再生集料吸水率随着压碎值的减少而减少。