强化剂对再生集料性能的影响

2021-02-26边伟

山西交通科技 2021年6期

边伟

（山西省交通科技研发有限公司，山西太原 030032）

0 引言

利用废旧混凝土生产再生集料并应用于工程，不仅可以满足交通运输基础设施建设的迫切需求，还可以节省天然集料资源、减少废旧混凝土对环境的污染，具有显著的社会、经济和环境效益[1-2]。废旧混凝土集料化已成为许多国家和机构共同研究的热点。然而，再生集料颗粒棱角多，表面粗糙，组分中还含有硬化水泥砂浆，再加上废旧混凝土块在破碎过程中因损伤累积在内部造成大量微裂纹，导致再生集料存在孔隙率大、吸水率大、压碎指标值高等特点[3]，严重制约了再生集料的大规模应用。为了提高再生集料的性能，国内外许多学者针对再生集料的强化技术进行了大量研究。再生集料的强化方法主要分为物理强化和化学强化两种。物理强化主要是通过加热研磨[3]、机械整形[4]等物理方式对再生集料进行强化，化学强化主要是采用酸液去除集料附着砂浆[5]、化学浆液浸泡[6-7]、CO2碳化[8]以及纳米材料改性[9]等化学方式对再生集料强化。

物理强化方式由于主要依靠设备完成从而耗能更多，化学强化方式中的酸液处理存在加剧腐蚀隐患[10]，而纳米材料价格昂贵并不适用于大规模强化再生集料。鉴于此，本文拟采用化学浆液浸泡对再生集料进行强化处理，研究强化剂种类及剂量对再生集料表观密度、吸水率及压碎值的影响，以期为再生集料强化剂的优选提供参考。

1 试验

1.1 原材料

再生集料：山西省某环保新材料公司自产再生集料，选取粒径为5～25 mm连续粒级且级配良好的再生集料。天然集料：5～25 mm连续粒级且级配良好的石灰岩集料。聚乙烯醇（PVA）：山西三维集团有限公司生产的聚乙烯醇，其物理特性见表1。硅酸钠：采用国药集团生产的硅酸钠分析纯粉末，其物理特性见表2。有机硅树脂：采用信越KR-400甲基有机硅树脂，运动黏度（25℃）为1.2 mm2/s。

表1 聚乙烯醇的物理特性

表2 硅酸钠的物理特性

1.2 强化方法

1.2.1 PVA强化

将PVA粉末溶于热水中，制备不同浓度（4%、6%、8%、10%）的PVA溶液。将再生集料倒入PVA溶液中，搅拌均匀，浸泡48 h。在此期间，用铁棒加以搅拌或用力来回颠簸，尽量赶走集料表面的气泡，最后用带筛孔的器皿将再生集料捞出，在50℃～60℃的温度下烘干。

1.2.2 硅酸钠强化

将硅酸钠粉末溶于水中，制备不同浓度（5%、10%、15%、20%）的硅酸钠溶液。将再生集料倒入硅酸钠溶液中，搅拌均匀，浸泡2 h。在此期间，用铁棒加以搅拌或用力来回颠簸，尽量赶走集料表面的气泡，最后用带筛孔的器皿将再生集料捞出，在50℃～60℃的温度下烘干。

1.2.3 有机硅树脂强化

将有机硅树脂用水稀释为不同浓度（25%、50%、75%、100%）的有机硅树脂溶液。将再生集料倒入有机硅树脂溶液中，搅拌均匀，用带筛孔的器皿将再生集料捞出，在150℃～160℃的温度下烘干。

1.3 试验方法

按照《公路工程集料试验规程》（JTG E42—2005）中相关试验方法对再生集料的表观密度、吸水率及压碎值进行测试，并按式（1）计算吸水率和压碎值的变化率：

式中：P为吸水率（或压碎值）变化率；n0为强化前吸水率（或压碎值）；n1为强化后吸水率（或压碎值）。

2 结果与讨论

2.1 表观密度

PVA溶液、硅酸钠溶液和有机硅树脂溶液对再生集料表观密度的影响见表3。

表3 再生集料的表观密度测试结果

从表3可以看出，PVA溶液和硅酸钠溶液均会增大再生集料的表观密度，且表观密度随着溶液浓度的增大而增大；有机硅树脂溶液会降低再生集料的表观密度，且表观密度随着溶液浓度的增大而减小。

2.2 吸水率

PVA溶液、硅酸钠溶液以及有机硅树脂溶液对再生集料吸水率的影响见图1～图3。

从图1可以看出，相对于未处理组（溶液浓度为0），PVA溶液可以降低再生集料的吸水率，且随着PVA溶液浓度的增大，再生集料的吸水率随之降低。当PVA溶液浓度从4%增加到6%和8%时，再生集料的吸水率分别降低了17.7%和25.1%，溶液浓度每增加2%其吸水率降低值均在5%以上，降低速率较快；当溶液浓度从8%增加到10%时，吸水率仅降低2.5%，其降低幅度大大减小。可见，当PVA溶液溶度大于8%时，随着浓度的继续增大其对吸水率的改善效果大大降低。

图1 PVA溶液对吸水率的影响

从图2可以看出，相对于未处理组（溶液浓度为0），硅酸钠溶液可以降低再生集料的吸水率，且随着硅酸钠溶液浓度的增大，再生集料的吸水率随之降低。当硅酸钠溶液浓度从5%增加到10%和15%时，再生集料的吸水率分别降低了21.5%和28.0%，溶液浓度每增加5%其吸水率降低值均在6%以上，降低速率较快；当溶液浓度从15%增加到20%时，吸水率仅降低1.1%，其降低幅度大大减小。可见，当硅酸钠溶液溶度大于15%时，随着浓度的继续增大其对吸水率的改善效果大大降低。

图2 硅酸钠溶液对吸水率的影响

从图3可以看出，相对于未处理组（溶液浓度为0），有机硅树脂溶液可以降低再生集料的吸水率，且随着有机硅树脂溶液浓度的增大，再生集料的吸水率随之降低。当有机硅树脂溶液浓度在25%及以上时，溶液浓度每增加25%，再生集料的吸水率降低9%左右；当有机硅树脂溶液浓度达到100%时，再生集料的吸水率降低幅度基本达到了一半。

图3 有机硅树脂溶液对吸水率的影响

2.3 压碎值

PVA溶液、硅酸钠溶液以及有机硅树脂溶液对再生集料压碎值的影响见图4～图6。

图4 PVA溶液对压碎值的影响

从图4可以看出，相对于未处理组（溶液浓度为0），PVA溶液可以降低再生集料的压碎值，且随着PVA溶液浓度的增大，再生集料的压碎值随之降低。当PVA溶液浓度从4%增加到6%和8%时，再生集料的压碎值分别降低了6.2%和10.1%，溶液浓度每增加2%其压碎值降低值均在3%以上，降低速率较快；当溶液浓度从8%增加到10%时，压碎值仅降低1.1%，其降低幅度大大减小。可见，当PVA溶液浓度大于8%时，随着浓度的继续增大其对压碎值的改善效果大大降低。

从图5可以看出，相对于未处理组（溶液浓度为0），硅酸钠溶液可以降低再生集料的压碎值。当硅酸钠溶液浓度每增加5%时，再生集料的压碎值降低4%左右，可见当硅酸钠溶液浓度在0～20%范围内时，再生集料的压碎值随硅酸钠溶液浓度的增大基本呈线性趋势减小。

图5 硅酸钠溶液对压碎值的影响

从图6可以看出，相对于未处理组（溶液浓度为0），有机硅树脂溶液可以降低再生集料的压碎值。当有机硅树脂溶液的浓度在0～100%范围内时，浓度每增加25%，压碎值分别降低了2.2%、2.9%、3.9%和5.0%。可见，随着浓度的增大，有机硅树脂溶液对再生集料压碎值的改善越明显。

图6 有机硅树脂溶液对压碎值的影响

2.4 强化机理分析

当用PVA溶液处理再生集料时，可以覆盖于集料表面，封闭集料内部存在的孔隙，使再生集料的吸水率和压碎值均降低；当采用硅酸钠溶液处理再生集料时，一方面硅酸钠能够与再生集料中的物质发生反应填充再生集料孔隙，另一方面硅酸钠凝胶能够堵塞再生集料内部孔隙，从而使再生集料的吸水率和压碎值降低；当采用有机硅树脂溶液处理再生集料时，树脂包裹于集料表面，封闭集料孔隙，使得再生集料吸水率降低，同时树脂自身冷凝后的强度也使得再生集料的整体强度提升，压碎值降低。